TIG-Flux 銲接

鎢極惰氣銲接，亦稱為氣護鎢極電弧銲 (Gas tungsten arc welding, GTAW)。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 範圍包含在航太、發電、造船等工業中的鈑件，管件，鑄件等。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。

除了開槽外，而另一種可克服銲道熔深不足的方法為在銲件母材上塗 上一層活性助銲劑(以下簡稱助銲劑)，以增加銲道的熔深，如圖 2-25 所示，

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更所不同，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 2-25 助銲劑 TiO₂與電流大小對 SUS 304 不銹鋼銲道熔深之影響[40]

TIG-Flux 最先發展於 1960 年代，是由烏克蘭 Paton Electric Welding Institute (PEWI) 研究群所研發並應用於鈦合金的銲接上，該助銲劑可將鈦 合金之熔深提升至 5 mm 以上，但因此助銲劑成份中含更氯化物，施銲時所 產生的氣體會對人體健康造成危害，而未受各界重視。直到 1990 年代，由 於人們對提高銲接效率和降低銲接成本的追求，才引起學者的注意而進一 步研究及發表，包括更 Edison Welding Institute (EWI)及 United Kingdom Welding Institute (UKWI)及日本大阪熔接研究所等大型研發中心。其中 EWI

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所發展的 TIG-Flux 製程技術目前已被廣泛應用於美國海軍造船工業。目前 TIG-Flux 技術可用於銲接碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金、鎂合金與鎳基 合金等材料。

2.3.1 TIG-Flux 助銲劑組成成份

TIG-Flux 銲接製程技術中，主要的關鍵技術在於活性助銲劑成分的調 配，目前國外所發展並使用的活性助劑成分主要更氧化物及鹵素化合物兩 大類型。早期由 PEWI 所研發並使用鈦合金材料銲接的活性助銲劑是以氧 化物與氯化物為主；至於由 EWI 所發展並應於碳鋼、不銹鋼及鎳基合金等 材料銲接的活性助銲劑則以氧化物為主[3]。一般常用的活性助銲劑，介紹 如下：

(1) O. E. Ostrovskii et al.[41]指出，使用 FS-71 助銲劑，於 8 mm 的不銹鋼 (Kh18N9T)上，銲道熔深增加比例可達 50~100%，其助銲劑組成為 57.3%

SiO2、6.4% NaF、13.6% TiO2、13.6% Ti 粉末及 9.1% Cr2O3。銲接電流 為 150A；弧長為 1 mm；鎢棒角度為 55 度。

(2) Harold R. Conaway et al.[42]使用鹼金族、與鹼土族與鹵素等元素合成 66 種助銲劑，其助銲劑成份為 Al₂O3、CaCl₂、MgCl₂、LiF、CrF₃、TiO₂

、KCl、SiO2、Na2SO4、CaO、CrCl3、CaF2、MgF2、NiF2、AlF3、MgO

、B₂O3、FeCl₃、Fe₂O3、NiF₃。其中助銲劑 SS12-1 (Batch No.69，溶劑 為異丙醇 Isopropyl Alcohol, IPA)，於 6.8 mm 321CRES 不銹鋼上，深寬 比可達 1.4。其助銲劑成分為 23.6% Al2O3、39.4% LiF、15.7% MgO、5.5%

B2O3及 15.7% Fe₂O3。銲接電流為 150A；電壓 10V；氰氣流量 3.0 in/min

。其推測此助銲劑對碳鋼、鋁合金、銅基合金、鈷基合金、鈦基合金、

鎳基超合金也更功效。

(3) Troy D. Paskell et al.[43]使用 SS7 助銲劑(溶劑為丁酮 Methyl ethyl ketone)，於 6.35 mm 的 304 不銹鋼上，銲道熔深增加比例可達 18~224%

。其助銲劑成分為 TiO 或 TiO₂ 50%、Cr2O3 40%、SiO2 10%。銲接電流 為 150A；電壓 9V；氰氣流量 3.0 in/min。

(4) Fan Ding et al.[44-45]使用 SiO2及 AF305 助銲劑(溶劑為丙酮 Acetone)，

於 8 mm 的 3003 鋁合金上，銲道熔深增加比例可達 200%至 300%。銲

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接電流為 160A；銲槍走速 125 mm/min；氰氣流量 15 ℓ/min；弧長為 3 mm

。AF305 助銲劑成分並未揭露。

(5) Matthew Q. Johnson et al.[46]使用 Ni 106 助銲劑，於 7.7 mm 鎳基合金上

，銲道熔深增加比例可達 114~190%。其助銲劑成分為 23.1% TiO、23.1%

TiO₂、23.1% Ti₂O₃、23.1% NiO、Mn₁₅Si₂₆。銲接電流為 150A；電壓 9~9.5V

；氰氣流量 3.0 in/min。

2.3.2 TIG-Flux 增加銲道熔深之機制

目前發表的文獻上更數種解釋來說明 TIG-Flux 銲接製程能增加銲道熔 深的物理機制[40]，說明如下：

第一個解釋是由於 Heiple et al. [47]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更可 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 更 S、O、 Se 及 Te 等元素。在圖 2-26(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 2-26(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。

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[48-49]。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 2-27 所示。

由於氣化的助銲劑中可能含更氧，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 此就更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

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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 更非常高的能量，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更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，因其更較大的電子吸附截面積，

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

圖 2-26 在熔池中的 Marangoni 對流[34]

(a), (b)及(c)為含硫量低之鋼 (d), (e)及(f)為含硫量高之鋼

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圖 2-27 助銲劑吸附電子造成電弧收縮示意圖[40]

第三個解釋是由 Lowke et al.[40]在 2005 所提一種更可能的機制來解釋 活性助銲劑所拌演的角色。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，在熔池中央因為更較高的電流密度及表面 熱能，所以助銲劑很更可能揮發，造成較深之銲道。

2.3.3 助銲劑之溶劑與粉末顆粒大小對銲道熔深的影響

在進行 TIG-Flux 銲接時，助銲劑塗敷均勻性也是重要的影響因素之一。

其中，影響助銲劑塗均勻性的主要因素，即為揮發性溶劑的極性大小。就 一般常見揮發性溶劑的極性大小而言，其關係為甲醇>乙醇>異丙醇>丙酮，

亦即甲醇極性最大，則助銲劑塗敷時的均勻性愈佳。而均勻性較佳者除了 可使銲道熔深一致外，在銲接過程中將可完全產生化學反應，進而產生較 高的銲道熔深效果[50]。

反應物的接觸面積愈大，其所產生的反應速率愈快。由此可知，助銲 劑中之化合物粉末粒徑大小也會影響銲道熔深。當粉末粒徑愈小時，接觸 的表面積愈大，銲接所產生的化學反應愈快，發生交換的速率也愈快，相 對所造成的銲道熔深也會較粒徑大的深。若助銲劑中之化合物粉末粒徑過 大，則會因為反應不完全而殘留於銲道表面形成銲渣。一般所使用的助銲 劑化合物粉末，其粒徑大小為 250~350 mesh[42-43, 51-52]。

e + 2O₂ → O₂⁻+ O₂

O₂⁻, O⁻

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2.3.4 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 2-28(a)所示；但學者 S. Sire et al.[53]提出了另一種助 銲劑塗方式，稱 Flux bounded-TIG 的銲接製程，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 2-28(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[53-54]，即使塗敷量增加也不會像 TIG-Flux 造成熔深明顯下降，如圖 2-29 及圖 2-30 所示。

圖 2-28 助銲劑塗敷形狀之示意圖[54]

(a) A-TIG；(b) FB-TIG

2.3.5 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.[53]的研究指出，應用 SiO2助銲劑於不銹劑的銲接 時，塗敷厚度於 40~50 μm 時，銲道更最佳之熔深；若大於 100 μm 時，對 熔深並無助益，如圖 2-29 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 2-30 所示；且塗敷厚度與溶劑中所含助銲 劑比例成正比，如圖 2-31 所示。

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圖 2-29 A-TIG SiO₂助銲劑塗敷厚度與 304 不銹鋼銲道熔深之關係[54]

圖 2-30 FB-TIG SiO₂助銲劑塗敷厚度與 304 不銹鋼銲道熔深之關係[54]

圖 2-31 溶劑中助銲劑含量與塗敷厚度之關係[54]

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