TIG-Flux 銲接

TIG 銲接製程可在多種不同的金屬上得到高品質的銲接，其應用範圍 適用在航太、醫院設備、造船等工業中。一般所銲的厚度都不高，對於較 厚的銲件，TIG可與填料金屬一同使用，或者用多道銲接的方式來克服較厚 的銲件。TIG銲接製程主要的限制為銲道熔深淺且沈積率低。TIG可熔接厚 度小於2.5 mm的銲件，而厚度大於2.5 mm的銲件則需用開槽、填料及多道 銲接的方式來克服。

近年來發展另一種可克服銲道熔深不足的方法，為在銲件母材上塗上 一層助銲劑，以增加銲道的熔深，如圖2-26所示，塗上助銲劑前後的差異，

這種銲接製程稱TIG-Flux製程。此助銲劑在本質上與軟銲/硬銲及遮蔽金屬 電弧銲(Shielded metal arc, SMA)等製程所用的助銲劑有所不同，因為此助銲 劑不需用來清潔銲件的表面，也不需要用來保護熔池免於氧化。

圖2-26 助銲劑TiO₂與電流大小對AISI 304不銹鋼銲道熔深之影響[42]

2.4.1 TIG-Flux 增加銲道熔深之機制

目前發表的文獻上有數種解釋來說明TIG-Flux銲接製程能增加銲道熔 深的物理機制[42]，說明如下：

第一個解釋是由於Heiple et al. [43]於1982年所提出的Marangoni效應。

由於活性助銲劑能改變熔池的表面張力，融化在熔池中的表面活性劑有可 能使對溫度梯度相依的表面張力係數∂γ/∂T由負轉正，將熔池的Marangoni 對流逆轉，對流從放射狀往上往外，轉由往內往下。在鋼中的表面活性劑 有S、O、 Se及Te等元素。在圖2-27(a)、(b)及(c)表面活性劑較低的鋼中，

靠近熔池中央表面張力較低且溫度較高的液態金屬，被靠近熔池邊緣張力 較高且溫度較低的液態金屬往外拉；在圖 2-27(d)、(e)及(f)表面活性劑較高 的鋼中，靠近熔池邊緣表面張力及溫度皆較低的液態金屬，被靠近熔池中 央表面張力及溫度皆較高的液態金屬往內拉，因此造成銲道熔深增加。

(a), (b)及(c)為含硫量低之鋼 (d), (e)及(f)為含硫量高之鋼 圖2-27 在熔池中的Marangoni對流[31]

第二個被提出來的機制是為Simonik et al.在1976及Howse et al.在2000 所提出的電弧收縮理論[44, 45]。他們認為氣化的活性助銲劑能使電弧收縮 是藉由捕捉電弧外圍的電子，使外圍負責傳遞電流的電子數量減少所造成。

收縮的電弧之所以增加陽極的溫度是由於電流密度的增加與較高的電弧電

壓造成，如圖2-28所示。

圖2-28 助銲劑吸附電子造成電弧收縮示意圖[45]

由於氣化的助銲劑中可能含有氧，也時候也可能包含了氟。已知此類 的蒸氣會吸附電子，被吸附的電子在電弧邊緣會產生較電子移動慢之氧或 氟的負離子，因此，在給定的電流下，電弧中心的電流密度就會增加，因 此就有可能會造成熔深的增加。

被吸附的電子與氣化分子及解離原子形成負電荷粒子，會對電子的吸 收作用造成影響。電子吸附僅能發生在較低溫的外圍區域，因電子能量較 低且電場較弱；接近電弧中央的區域，其電場較強且溫度較高，所以電子 有非常高的能量，故電離作用為主要的支配力量。因此，收縮的電弧流場 使得在電漿中及陽極上，靠近電弧中央區域的電流密度增加，所以造成緊 縮的電弧及較深的焊池。

活性助銲劑的組成分子或原子若有較大的電子吸附截面積，則會促進 電弧收縮的現象。如當鹵素化合物解 離時，因其有較大的電子吸附截面積，

故對電子有較佳之親和力。其它的化合物，如金屬化合物，雖然有較小的 電子吸附截面積，但是因其有較高的解離溫度，故能等效地收縮電弧，就 如同他們能在電弧外圍提供較大量的氣化分子與原子一般。

第三個解釋是由 Lowke et al.[42]在2005所提一種有可能的機制來解釋 活性助銲劑所扮演的角色。其解釋電弧收縮理論是由於活性助銲劑為絕緣 體所造成。一般而言，活性助銲劑是金屬的氧化物，故為電的絕緣體，雖 然氧化物的阻抗隨著溫度的增加而降低，但仍顯著大於液態的熔池，如 TiO2在 2123K時的阻抗為107 ohm-cm，因此助銲劑的效用為在熔池的外圍

區域增加一層高電子阻抗區。所以，在熔池中央因為有較高的電流密度及 表面熱能，所以助銲劑很有可能揮發，造成較深之銲道。

2.4.2 助銲劑塗敷形狀對銲道熔深的影響

一般TIG-Flux助銲劑的塗敷方式為在預估的銲道上直接塗敷上10~20 mm寬的助銲劑，如圖2-29(a)所示；但學者S. Sire et al.提出了另一種助銲劑 塗方式，稱Flux Bounded-TIG的銲接製程[46]，簡稱FB-TIG。其助銲劑的塗 敷方式為在10~20 mm寬助銲劑塗敷範圍中央，空出2~8 mm的範圍不塗上助 銲劑，如圖2-29(b)所示。其原因是考量到助銲劑是電的絕緣體，在AC模式 下銲接，會造成電弧異常偏移的現象，因此造成熔深不一致的情形，故在 助銲劑塗敷範圍中央露出金屬以提供導電區，以達到電弧收縮，增加銲道 熔深的目的。此外，FB-TIG也可減低銲道熔深對助銲劑塗敷量的敏感度 [46-47]，即使塗敷量增加也不會像TIG-Flux造成熔深明顯下降，如圖2-30 所示。

(a) A-TIG (b) FB-TIG 圖2-29 助銲劑塗敷形狀之示意圖[36]

2.4.3 助銲劑塗敷厚度與重量對銲道熔深的影響

由學者S. Sire et al.[46]的研究指出，應用 SiO₂助銲劑於不銹鋼的銲接 時，塗敷厚度於40~50 μm時，銲道有最佳之熔深；若大於100 μm時，對熔 深並無助益，如圖2-30所示。且使用助銲劑時，電流愈大，塗敷量增加對銲 道熔深的影響也愈小，如圖2-31所示；且塗敷厚度與溶劑中所含助銲劑比例 成正比，如圖2-32所示。

圖2-30 A-TIG SiO₂助銲劑塗敷厚度與AISI 304不銹鋼銲道熔深之關係[46]

圖2-31 FB-TIG SiO₂助銲劑塗敷厚度與AISI 304不銹鋼銲道熔深之關係[46]

圖2-32 溶劑中助銲劑含量與塗敷厚度之關係[46]