SUS444不銹鋼薄板應用CO2雷射之銲接性質研究
88
0
0
全文
(2) 致. 謝. 過去這兩年來的研究所求學生涯，最先要感謝的是我的指導教授 程 金保博士，無論在課業研究上或與生活中的照顧上皆都不餘遺力，使我可 以能夠有獨立思考與踏實的態度，來進行各項研究以完成碩士學業。也非 常感謝台灣師範大學工教系鄭慶民教授提供我寶貴的意見與經驗、海洋大 學機械與機電工程學系王星豪教授，使得研究論文可以更加完整。. 研究過程中，特別感謝我同學飛祥熱心的提供技術指導，與薄膜暨接 合工程實驗室的信良、冠文、書安、釗宇、俊良、昱綸、福昇、長安與微 接合實驗室的學弟們，在課業上的討論與生活上幫忙照顧，真的很謝謝你 們，與你們相處就像與家人相處一般的開心。還要感謝孟晉科技股份有限 公司的廠長，王國光廠長的雷射設備提供，使本研究可以順利完成。. 當然還有要感謝我的家人與朋友，有了您們在我背後默默的支持與鼓 勵，讓我在研究所生活中，可以沒有後顧之憂的完成我的學業，最後祝福 身邊我周遭的人們皆可以健康、平安、快樂。 于賢 謹誌 民國九十九年一月.
(3) 中文摘要 肥粒鐵系不銹鋼具有優異抗高溫氯氣氧化腐蝕性能，近年來常被運在 太陽能熱水器面板、熱水槽、水管管路等。本研究針對 SUS 444 肥粒鐵系 不銹鋼薄板施以 CO2 雷射銲接，利用改變不同銲接走速，探討不同入熱量 對 SUS 444 不銹鋼銲件微觀組織及機械性質之影響。經雷射銲接之試片銲 道以 XRD 分析及顯微鏡觀察組織變化，再分別進行拉伸測試、硬度測試 與拉伸破斷面型態觀察，最後再探討銲接試片銲道附近析出物變化情況， 與電化學測試做比較，以瞭解材料之抗腐蝕性變化。研究結果發現 SUS 444 不銹鋼在母材與銲接後之銲道皆為單相肥粒鐵相組織，利用 CO2 雷射銲接 後，若銲接走速越慢，入熱量較高，則在銲道區域會形成粗大柱狀晶結構， 導致機械性質較差。隨銲接走速提昇，銲道柱狀晶有細化現象，銲道硬度 值越高，延伸率與拉伸強度亦有增加趨勢。此外，銲接走速降低也會影響 銲件熱影響區析出物的型態，導致含鈮析出物團聚在晶界附近，降低材料 的抗腐蝕性。. I .
(4) ABSTRACT Ferritic stainless steels have recently been received increasing interest for application in the solar water heater panels and hot-water tank, due to the low thermal expansion coefficient, excellent resistance to high-temperature oxidation, and stress corrosion cracking. The objective of this study is to demonstrate the feasibility of CO2 laser welding for joining of SUS 444 ferritic stainless steel by different welding speeds. Microstructures and precipitations of the welds will be examined using optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). This experiment performs micro-hardness measurement in accordance with welding areas after CO2 laser welding. Moreover, the specimens have been cut vertical to weld pass after welding and then perform tensile test using universal material testing machine in order to explore the joining quality of welding joints. At the same time, SEM has been used to observe the fractured surface of the tensile testing specimens. Finally, electrochemistry experiments were performed in an aqueous solution of 3% NaCl to explore the Pitting corrosion resistance of the welds. The experimental results have found that microstructure of 444 stainless steel welds is completely ferrite single-phase structure, including base metal and welding path. However, the welding fusion zones present coarse columnar structure when the specimens have lower welding speed, which will result in the mechanical properties degradation of weldments. With the increase of welding speed, the solidification zones have fine columnar structure and the weldments show higher microhardness in the welding fusion zone. At the same time, the tensile strength and elongation have been promoted, and the fracture site appears in the base metal. Furthermore, the lower welding speed will result in the aggregation of Nb-contained precipitations in the grain boundaries of heat-affected zone, which will bring the pitting corrosion resistance degradation of weldments.. II .
(5) 目錄 中文摘要…………………………………………………………….. I. Abstract………………………………................................................ II. 目錄………………………………………………………………….. III. 表目錄……………………………………………………………….. VI. 圖目錄……………………………………………………………….. VII. 第一章 前言……………………………………………………….. 1. 1.1 研究背景………………………………………………………... 1. 1.2 研究動機與目的………………………………………………... 2. 第二章 文獻探討…………………………………………………... 4. 2.1 雷射與雷射銲接介紹……………………………………………. 4. 2.1.1 雷射器的基本構造…………………………………………. 4. 2.1.2 雷射光的特性………………………………………………. 4. 2.1.3 二氧化碳雷射銲接…………………………………………. 8. 2.1.4 雷射銲接參數設定…………………………………………. 10. 2.2 肥粒鐵不銹鋼介紹…………………………………………….... 13. 2.2.1 鋼鐵物理與機械冶晶學……………………………………. 13. 2.2.2 肥粒鐵脆性現象……………………………………………. 15. 2.3 肥粒鐵不銹鋼銲接性………………………………………….... 21. 2.4 腐蝕與電化學腐蝕…………………………………………….... 22. 2.4.1 電化學腐蝕原理……………………………………………. 23. 2.4.2 鈍化與鈍化膜特性與理論…………………………………. 25. 2.4.3 元素 Cr、Mo 對孔蝕的影響………………………………. 26. 第三章 研究設計與實施………………………………………….. 27. 3.1 實驗流程設計………………………………………………….... 27. III .
(6) 3.2 實驗前置作業………………………………………………….... 29. 3.2.1 實驗材料……………………………………………………. 29. 3.2.2 銲接方式……………………………………………………. 30. 3.3 銲接製程參數設計…………………………………………….... 32. 3.4 金相顯微組織觀察…………………………………………….... 33. 3.5 微硬度試驗……………………………………………................ 34. 3.6 拉伸試驗……………………………………………………….... 35. 3.7 SEM 顯微觀察及 EDS 分析…………………………………….. 38. 3.8 X 光繞射分析(XRD)……………………………………………. 39. 3.9 恆電位儀實驗………………………………………………….... 40. 第四章 實驗結果與討論………………………………………….. 42. 4.1 銲接製程參數對 SUS444 不銹鋼銲道外觀形貌影響…………. 42. 4.2 顯微組織觀察………………………………………………........ 44. 4.3 微硬度試驗…………………………………………………........ 46. 4.3.1 硬度分析……………………………………………………. 54. 4.3.2 銲接製程對銲道微硬度之影響……………………………. 55. 4.4 微拉伸試驗…………………………………………………….... 49. 4.4.1 抗拉強度分析………………………………………………. 49. 4.4.2 拉伸破斷位置分析…………………………………………. 51. 4.5 觀察與 EDS 分析…………………………………………….. 52. 4.5.1 破斷面顯微組織觀察………………………………………. 52. 4.5.2 母材與不同銲接走速銲件析出物情況…………………….. 54. 4.5.3 析出物成份分析…………………………………………….. 63. 4.6 X 光繞射分析(XRD)…………………………………………….. 66. 4.7 孔蝕電位實驗………………………………………………........ 67. IV .
(7) 4.7.1 不同銲接走速孔蝕電化比較………………………………. 77. 第五章 結果與建議………………………………………………... 69. 5.1 結論…………………………………………………………….... 69. 5.2 建議…………………………………………………………….... 70. 參考文獻……………………………………………………………... 71. V .
(8) 表目錄 表 2-1 雷射四種特殊性質之應用…………………………………....... 7 表 2-2 鐵鉻合金添加物對 475℃脆性影響……………………………. 16 表 2-3. 成份與微結構對高溫脆化的影響…………………………....... 19. 表 3-1 SUS 444 不銹鋼化學成分表…………………………………… 29 表 3-2 LBW 銲接製程參數設定………………………………………. 32 表 3-3 X-Ray 繞射分析試驗條件……………………………………… 39 表 4-1 SUS 444 不銹鋼母材未經銲接析出物半定量分析…………… 64 表 4-2 SUS 444 不銹鋼母材銲接過後析出物半定量分析…………… 65. VI .
(9) 圖目錄 圖 2-1. 雷射器的基本結構示意圖【16】………………………………. 4. 圖 2-2. 光譜線寬度【17】………………………………………………. 6. 圖 2-3. 雷射加工製程之功率密度與作用時間關係圖【25】…………. 8. 圖 2-4. 鑰孔(Keyhole)示意圖【25】……………………………………. 9. 圖 2-5. 雷射光在鑰孔(Keyhole)內發生連續多重反射【26】…………. 9. 圖 2-6. 銲接不同厚度之低碳鋼的雷射功率與走速的關係【27】…… 11. 圖 2-7. 雷射銲接之銲道橫截面【27】………………………………… 11. 圖 2-8. 電漿雲暮之生成過程示意圖【32】…………………………… 12. 圖 2-9. Fe-Cr-C 三相平衡圖【33】……………………………………. 14. 圖 2-10 退火 409 不銹鋼板材金相組織【34】…………………………. 14 圖 2-11 430 熱滾壓鋼板金相組織【34】……………………………… 15 圖 2-12 鉻含量與時間對 Sigma phase 形成相對關係圖【38】……… 17 圖 2-13 不同氮與碳含量對材料韌性的影響【40】…………………… 18 圖 2-14 Type436 冷加工破裂於 HAZ【40】…………………………… 19 圖 2-15 Type436 冷加工破裂破斷面 SEM 觀察……………………… 20 圖 2-16 一些商業用鋼利用 Varestraint test 銲接凝固裂縫敏感度 【44】…………………………………………………………. 22. 圖 2-17 孔洞在鹽水中自行催化原理【52】…………………………… 24 圖 2-18 金屬從活性到鈍化的曲線轉變【54】………………………… 25 圖 3-1. 論文架構圖……………………………………………………. 圖 3-2. SUS 444 不銹鋼對接銲示意圖……………………………….. 30. 圖 3-3. LBW 銲接製程示意圖………………………………………... 31. 圖 3-4. Future-Tech FM-700 型微硬度試驗機……………………….. 34. 圖 3-5. CHMER CW640S1 CNC 線切割放電加工機……………….. VII . . 28. 35.
(10) 圖 3-6. 萬能材料試驗機 MODEL:UH-1 系列………………………... 36. 圖 3-7. 試片規格取樣位置……………………………………………. 36. 圖 3-8. CNC 線切割加工拉伸試片實體圗………………………….... 37. 圖 3-9. JEOL JSM6360 電子顯微鏡………………………………….. 38. 圖 3-10 X-Ray 繞射儀…………………………………………………. 39 圖 3-11 三電極體系恆電位儀…………………………………………. 41. 圖 3-12 電化學試片採樣位置…………………………………………. 41 圖 4-1. 銲接走速 600 mm/min 銲件與銲接走速 2000 mm/min 銲件 外觀圖…………………………………………………………. 43. 圖 4-2. 未銲母材與不同銲接走速銲件金相圖………………………. 45. 圖 4-3. SUS 444 不銹鋼微硬度之取樣示意………………………….. 46. 圖 4-4. 微硬度量測示意圖……………………………………………. 46. 圖 4-5. 母材硬度分佈曲線圖…………………………………………. 48. 圖 4-6. 三種銲接走速銲件之銲道附近硬度值分布…………………. 48. 圖 4-7. 不同銲接走速銲件之拉伸強度比較…………………………. 50. 圖 4-8. 不同銲接走速銲件之伸長率比較……………………………. 50. 圖 4-9. 不同銲接走速銲件破斷位置…………………………………. 51. 圖 4-10 不同銲接走速銲件之拉伸破斷面顯微組織…………………. 53. 圖 4-11 SUS444 不銹鋼母材未經銲接析出物情況………………….. 56 圖 4-12 SUS444 不銹鋼經銲接走速 1500mm/min 銲後析出物分佈情 況………………………………………………………………. 57 圖 4-13 SUS444 不銹鋼經銲接走速 800mm/min 銲後析出物分佈情 況………………………………………………………………. 59 圖 4-14 SUS444 不銹鋼經銲接走速 600mm/min 銲後析出物分佈情 況………………………………………………………………. 61 VIII .
(11) 圖 4-15 SUS444 不銹鋼母材未經銲接析出物半定性分析…………... 64 圖 4-16 SUS444 不銹鋼母材經銲接過後析出物半定性分析………... 65 圖 4-17 SUS444 不銹鋼基材與不同銲接走速之 XRD 分析………… 66 圖 4-18 母材與不同銲接走速極化曲線圖……………………………. 68 圖 4-19 母材與不同銲接走速 Pitting 曲線圖………………………… 68. . IX .
(12) 第一章 前言 1.1 研究背景 肥粒鐵不銹鋼具有很好的抗孔蝕(pitting corrosion)、裂縫腐蝕 (crevice corrosion) 與晶界腐蝕 (intergranular corrosion)之能力。 其種類依含鉻量 可分為:(1)低鉻(10.5 to 12.5 wt％)應用於汽車的排氣管系統，如 type 409:(2) 中鉻(16 to 18 wt％)應用於一些更嚴重的腐蝕環境中，如熱水槽、熱水管、 太陽能熱水器集熱平板，如 type 430 、434 、444，(3)高鉻(＞25 wt％)化 學工廠、造紙業、精煉廠，如 type 446。此外，肥粒鐵不銹鋼有較低的熱 膨脹係數、高熱傳係數、抗高溫氧化與應力腐蝕裂縫之特性，所以低鉻不 銹鋼也常應用在汽車的排氣管系統，用來代替沃斯田鐵不銹鋼，因為有低 成本的優點【1,2】 。 不銹鋼如果遭受在材料熔點以上的溫度時會改變其微觀結構與機械 性質，在銲接過程中，熱影響區 (HAZ)經常經歷溫度的變化而改變微結構， 可能造成不銹鋼機械性質的改變或抗腐蝕性下降，特別在銲接過後有一些 碳、氮與其他化合物與析出物產生時。根據文獻，不銹鋼含碳量超過 0.001 ％以上容易有碳化物的產生【3】 ，碳化鉻會使材料發生脆性，晶粒間的腐 蝕或是孔蝕電位的下降。在銲接過程中，冷卻速率也會對析出物產生影響， 冷卻速率越快越可以避免析出物的產生，冷卻速率慢則會造成析出物的產 生，進而影響材料的機械性質、抗腐蝕性與材料脆性的發生。 鈮(Nb)在不銹鋼中可以增加材料的抗拉強度，而且不會損失材料延性 與韌性，Nb 也是肥粒鐵不銹鋼中一個很強的穩態元素，可以改善局部的 腐蝕抵抗，因此 Nb 添加可以改變肥粒鐵不銹鋼的性質，使其具備很好的 熱裂抵抗、高溫強度與腐蝕抵抗，故含鈮不銹鋼廣泛的應用在汽車的排氣 管系統中【4 -6】 。Nb 也有很多形式的析出物包括 Nb (C,N) (carbonitride)， Fe2Nb (Laves phase)與 Fe3Nb3C (M6C carbide) 【7 -14】 。不同的鈮析出物會 1 .
(13) 對肥粒鐵不銹鋼的腐蝕抵抗與機械性質產生重大的影響，析出物也是肥粒 鐵不銹鋼重要的研究之一。 一般肥粒鐵不銹鋼中如果有添加一些 Ti 與 Nb，在 800℃時效處理時， 會產生一些 TiN、Fe2Nb、NbC 的析出物，不同時效處理的時間也會影響 析出物的大小與多寡也會影響材料的機械性質。析出物的細小化可以提高 材料的硬度與拉伸、強伏強度，相對的較粗大的析出物則會造成硬度、拉 伸與降伏強度的降低，影響材料的機械性質【15】。. 1.2 研究動機與目的 近年來由於高功率CO2雷射發展已成熟，加上操作上簡易，加工品質 容易於受控制，使其在高科技工業上有廣泛的應用。高功率雷射主要應用 於材料的銲接、切割、鑽孔及表面處理等。在CO2雷射銲接方面有熔透率 高、銲接速度快、非接觸性銲接、銲後有很好的機械性質、銲件熱影響區 與變形量小等優點。 本研究為了探討肥粒鐵系不銹鋼的銲接機械性質與抗腐蝕性研究，選 用材料為SUS 444肥粒鐵系不銹鋼，SUS 444肥粒鐵系不銹鋼應用於一些抗 氯氣腐蝕的環境中，如太陽能熱水器集熱板、熱水槽、熱水管中。因為 SUS 444 肥粒鐵系不銹鋼含有 18Cr-2Mo，屬於中鉻鋼有很好的抗腐蝕性， 再加上肥粒鐵不銹鋼有低熱膨脹係數、高熱傳導率，故適合用在上述的場 合中。然而，由於銲接過程可能造成肥粒鐵不銹鋼析出物型態的改變，進 而影響其各種性質，因此本研究係在不添加填料與在室溫條件下，針對 SUS 444 肥粒鐵不銹鋼薄板進行 CO2 雷射對接，改變不同銲接走速來探討 SUS 444 不銹鋼的銲接性，並觀察銲後不銹鋼析出物的現象，並比較不同 銲接走速銲後析出物的狀況與材料孔蝕電位(Pitting)抗腐蝕性，根據上述說 明，研究歸納出下列幾點研究目的如下所示: 2 .
(14) (1) 探討不同 CO2 雷射銲接走速對 SUS 444 不銹鋼薄板銲件機械性質之影 想。 (2) 探討 SUS 444 不銹鋼薄板雷射銲接過後銲道附近析出物型態變化情 形。 (3) 探討析出物型態對 SUS 444 不銹鋼薄板孔蝕電位的影響。. 3 .
(15) 第二章 文獻探討 2.1 雷射與雷射銲接介紹 2.1.1 雷射器的基本構造 雷射器的基本構造，是由工作物質、激發源與光學共振腔三部分構成， 其中，工作物質是雷射器的核心，是雷射器產生光的受激輻射放大作用泉 源之所在。激發源為在工作物質中實現粒子數反轉分佈提供所需能源。工 作物質類型不同，採用的激發方式亦有不同。光學共振腔為雷射振盪的建 立提供正回饋，同時，共振腔的參數影響輸出雷射束的質量。雷射器的基 本結構如圖 2-1 所示【16】。. 圖 2-1 雷射器的基本結構示意圖【16】 . 2.1.2 雷射光束的特性【17】 雷射也是ㄧ種光，他除了具有普通光的反射、折射、干涉、衍射、偏 振等性質外，還具有普通光所不具備的優異特性。由於普通光源發光是自 發輻射，而雷射發光是受激輻射，是在外界輻射場的控制下的發光過程， 與入射角輻射具有相同的頻率、相位、波向(傳播方向)和偏振，因而是干 涉的。受激輻射與自發輻射最重要的區別在於干涉性。因此，雷射是一種 受激輻射干射光，具有高強度、高方向性、高單色性、高干涉性，這四種 特性又可歸結為雷射光的干涉性。這四個突出的優異特性是雷射誕生之前 任何光源所不具備的，所以雷射是干涉性最好的光源，已廣泛應用到科技、 4 .
(16) 軍事、工業、醫學、日常生活等幾乎所有的領域。以下對雷射光束的上述 四個特性分別進行討論【17】 。 一、高強度 光強度定義單位時間通過單位面積的能量，單位為 W/cm2。對於普通 光源來講，由於方向性很差，所以光強度很低。而對於雷射來講，由於共 振腔對光束方向性的限制，雷射光束的發散角很小，所以光強度很高。 二、高方向性 普通光源是自發輻射，由於光是直線傳播，發光面發出的光方向各方 向傳播，因此發散角很大，一般為 4πrad，即時做成探照燈，也有 10-1rad 數量級的發散角。而雷射器發出的雷射，由於是受激輻射，共振腔對光束 方向性的限制，雷射光束的發散角很小，一般是毫弧度 (10-3rad)數量級。 雷射光束的發散角很小，說明雷射光束的方向性好。方向性越好，表示雷 射光束傳播到很遠的距離仍可保持高強度，這就為各種應用提供了方便。 三、高單色性 單色性是指光的頻率或波長單純的程度。理想的單色光是不存在的，. 原子吸收或發射所產生的任何譜線，其頻率或波長都擴展在一定的範圍內， 即有一定的寬度，稱為譜線寬度，這是衡量光的單色性好壞的量度。把光 譜線最大強度下降到一半處對應的寬度Δν(或Δλ)稱為該光譜線的譜線 寬度，如圖 2-2 所示。 普通光源發出的光的譜線寬度很寬，如太陽光的普通燈光的譜線寬度 Δλ為幾百奈米，雷射出現之前單色性最好的光源氪燈(Kr86)發出的光的譜 線寬度Δλ為 10-2nm 數量級。由於雷射器發出的雷射是工作物質中的粒子， 在有限的幾個高低能階之間實現粒子反轉，因此雷射振盪只發生在一條或 幾條譜線中，所以雷射譜線寬度很窄，單色性很好。目前最好的單頻氦氖 雷射器的譜線寬度Δλ可達 10-7nm 數量級，甚至更窄。 5 .
(17) . 圖 2-2 光譜線寬度 【17】 四、高干涉性. 由物理光學理論【18】可知，光波在空間能夠產生干涉的最大距離稱 為干涉長度，用Ｌ表示。能夠產生干涉的最大時間間隔稱為干涉時間，用 Δt 表示。光波場的干涉性分為時間干涉性和空間干涉性。 時間干涉性是指空間一點在兩個不同時刻的干涉性，用來描述同一光 束傳播方向上各點間的相位關係，與光源發出光的干涉長度和干涉時間有 關，而干涉時間Δt 與光源發出光的譜線寬度Δν成反比，如公式 2-4 所 示。 Δt . １ Δν. ……………………………(式 2-1). 這說明光源發出的光譜寬度 Δν 越窄，干涉時間 Δt 越長，時間干涉性 越好，允許在同一光束傳播方向上各點間產生干涉的距離越大。空間干涉 性是指空間兩點在同一時刻的干涉性，用來描述垂直於光束傳播方向平面 內各點間的相位關係，與光源本身的空間尺寸 b 有關，光源本身的空間尺 寸 b 與橫向干涉長度 D 同樣成反比，如公式 2-4 所示。 １. b. D. …………………………………(式 2-1) 6 . .
(18) 這說明光源的尺寸越小，空間干涉性越好，允許在垂直於光束傳播方 向平面內，各點間產生干涉的距離越大。對普通光源來講，提高時間干涉 性可以採用光學濾波來減少譜線寬度Δν，提高空間干涉性可以採用縮小 光源尺寸或加光柵等方法，但這一切都將導致干涉光強度的減小，這正是 普通光源的不足。而雷射光束卻是一種把干涉性和光強度合併起來的理想 干涉光源。 雷射光具有上敘四種特殊的基本性質:高干涉性、高單色性、高強度、 高方向性，並將舉出雷射光四種特殊性質的應用，如表 2-1 所示【19】。. 表 2-1 雷射四種特殊性質之應用 雷射特性. 應用範例. 高單色性 : 單一頻率. 醫療手術、鋼板切割、銲接、軍事武器. 高方向性 : 直線前進. 光筆、光路筆直、測距. 高強度性 : 能量集中. 探測信號. 高干涉性 : 連續相位. 干涉、繞涉精密量測、全相術. . 雷射，以分類的方法有各式不同的Laser，各性質也不同【20】。從 1960年雷射振波成功以後，各式的雷射研究也一直在進步，至現在已有數 百種。分類大致如下： ( 1 ) 雷射以媒介質來分類 : 在固體、液體、氣體的全部狀態下雷射均 可能產生振波。 ( 2 ) 波長來分類 : 紫外線到紅外線的領域內都有。 ( 3 ) 輸出功率大小來分類 : 從mW 以下到幾kW 大輸出的雷射產生器 均有。 . 7 .
(19) 2.1.3 二氧化碳雷射銲接 「LASER」名詞由「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 」縮寫得來，中文意思為「輻射激發擴光器」 ，是一種能量轉換， 經幫浦運作與放射形成【21】 。根據雷射之介質可區分為氣體雷射(如:二氧 化碳雷射)、固體雷射(如:YAG 雷射)、液體雷射(如:染料雷射)與半導體雷 射。工業上銲接應用以氣態 CO2 雷射與固態的 YAG 雷射為主【22】 ，但仍 以高功率 CO2 雷射為主。CO2 雷射最主要以 He、N2 與 CO2 混合氣體為發 光的物質【23】 ，現今大部分 CO2 雷射共振腔部分混合氣體比例約 He : N2 : CO2 = 10 : 4.5 : 0.8。 一般二氧化碳雷射功率可由 0.5kW 到 25kW，並且最常使用是連續式 CO2 雷射，在應用方面可以包含雷射鑽孔(drilling)、雷射銲接(welding)、雷 射切割(cutting)、雷射淬火(surface hardening)、雷射披覆 (cladding)等相關 用途【24】 ，雷射功率密度與作用時間如圖 2-3 所示【25】 。. . 圖 2-3 雷射加工製程之功率密度與作用時間關係圖【25】 8 .
(20) 雷射銲接原理是利用高密度與高功率的雷射束，對材料進行熔接，高. 能量雷射束會使金屬表面產生高壓金屬蒸氣，造成材料局部氣化產生鑰孔 (keyhole)，如圖 2-4 所示【25】 。當高能量雷射與工件發生作用時，雷射會 在鑰孔內發生連續多重反射，使能量吸收率與銲接深度更加提高【26】， 如圖 2-5 所示。. . 圖 2-4 鑰孔(keyhole)示意圖【25】 . 圖 2-5 雷射光在鑰孔(keyhole)內發生連續多重反射【26】 . 9 .
(21) 2.1.4 雷射銲接參數設定【17】 在雷射熱傳導銲接與銲接熔深過程中，會影響銲接的因素有很多，故 所以在銲接工作物時，必須要瞭解其各參數的作用，並全面考慮各參數的 設定大小，才能真正確保銲接的效果，下列提出幾個影響銲接效果的主要 因素來探討。 . 雷射功率的大小是雷射銲接技術的首要考慮之一，只有保證有足夠的. 銲接功率，才可以得到很好的銲接效果。雷射功率與銲接速度影響了雷射 光熱能進入材料的多寡，影響著鑰孔與銲接深度，雷射功率與銲接走速的 搭配須要在實際經驗中的累積，但會因不同材料成份的不同有不同的搭配， 如圖 2-6 所示，為不同厚度的低碳鋼搭配不同銲接功率與銲接走速的關係 【27】。為了使銲接縫能平整，在面對實際銲接時，雷射功率在開始跟結 束要有循序漸變的設計，銲接起始功率必須由小而慢慢漸大，銲接結束時 功率必須由大而慢慢漸小，材料起始與結束區域才不會有過熔的低陷與凹 坑。 銲接走速亦會影響到銲道形狀，一般雷射銲接過後的橫截面如圖 2-7 所示【27】 ，銲接速度會使圖中 L1 與 L2 差距產生改變，如果銲接功率固 定不動，銲接走速越快可以得到比較淺且細的銲道，相反的走速越慢可以 得到可以得到較深且粗大的銲道。 10 .
(22) . 圖 2-6 銲接不同厚度之低碳鋼的雷射功率與走速的關係【27】 . 圖 2-7 雷射銲接之銲道橫截面【27】 11 .
(23) 聚焦位置選擇的不同對銲接深度影響也有所不同，當聚焦位置材料表 面時，雷射能量密度極高，產生鑰孔現象而深入材料內部，可以有較深的 銲接深度，文獻【28】指出當聚焦位置於銲件表面 1mm 時可以獲得最大 的熔深。 保護氣體的選用是很重要的，可以避免工件的氧化與可以得到較深的. 銲接深度。在雷射銲接過程中，雷射的高能量會使材料蒸發氣化而引發電 漿雲暮(Plasma plume)【29 -31】 ，所產生的電漿雲暮會遮蔽雷射光而使無法 與工件作用，如圖 2-8 為電漿雲暮生成過程示意圖【32】 ，保護性氣體所形 成的粉紅雲暮比較容易吹除，與另一由金屬游離所產生的藍色雲暮相對就 比較難去除。為了要消除電漿雲暮，保護氣體就顯得特別重要，Ar、He 最常被當做吹驅雲暮的保護氣體。. . 圖 2-8 電漿雲暮之生成過程示意圖【32】 A:金屬游離生成之藍色雲暮 B:氣體游離生成之粉紅色雲暮. 12 .
(24) 2.2 肥粒鐵不銹鋼介紹 肥 粒 鐵 不 銹 鋼 有 很 好 抵 抗 孔 蝕 現 象 (pitting) 、 裂 縫 腐 蝕 (crevice corrosion)與晶界腐蝕 (intergranular attack)之能力，特別在氯氣環境之中。 肥粒鐵不銹鋼又可以分為低鉻 (10.5 to 12.5wt％)應用於汽車的排氣管系 統，中鉻與高鉻等級應用於更嚴重的腐蝕環境中。肥粒鐵鉻含量等級近年 來被發展於一些腐蝕嚴重的環境中，例如化學工廠、造紙業、精煉廠等， 肥粒鐵不銹鋼甚至比麻田散鐵與沃斯田鐵更有優越的抗腐蝕性，然後雖然 肥粒鐵有以上的優越性，但是卻有較高的造價與製造上的困難。 近年來肥粒鐵不銹鋼的銲接性也是被當成一個研究的重點，特別是不 銹鋼含有一些釩、鈦、鉻、鉬、鈮、鎢等，他們對碳都有很強的親和力， 故一 般稱為碳化物形成劑，所以這些元素容易在銲接時與碳結合成析出 物。. 2.2.1 鋼鐵物理與機械冶金學 本節目的在瞭解肥粒鐵不銹鋼物理與機械性質，重新探討材料相平衡 圖，如圖 2-9 為 Fe-Cr-C 三相平衡圖【33】 ，此圖可以描述肥粒鐵不銹鋼的 相轉換。圖中以含碳量 0.05％為分界，可以從圖中預測出鋼材凝固相變化， 以含碳量 0.05％以下鋼材凝固主要為完全肥粒鐵相，溫度冷卻直降到約 1100℃(2010℉)，在這個溫度點會有沃斯田鐵相產生與一些 Cr23C6 碳化物 產生。溫度再往下降，沃斯田鐵相將轉變成肥粒鐵相，最後的相將是肥粒 鐵與 Cr23C6 碳化物。 典型的肥粒鐵不銹鋼金相如圖 2-10 與圖 2-11 所示，圖 2-10 為退火 409 不銹鋼板材，廣泛的運用在汽車排氣管，圖 2-11 為 430 熱滾壓鋼板，它是 從 850℃(1560℉)冷卻下來的鋼板。. 13 .
(25) 圖 2-9 Fe-Cr-C 三相平衡圖【33】. 圖 2-10 退火 409 不銹鋼板材金相組織【34】. 14 .
(26) 圖 2-11 430 熱滾壓鋼板金相組織【34】. 2.2.2 肥粒鐵不銹鋼脆性現象 回顧 Thielsch【35】與 Demo【36】之研究結果，有三種脆化現象會影 響肥粒鐵不銹鋼的機械性質:(1)475℃(885℉)脆性，(2)Sigma phase 脆性，(3) 高溫脆性。銲接時鉻含量越高，會容易加速產生脆化現象。. 一、475℃ 脆性現象 鉻含量會影響肥粒鐵不銹鋼熱脆性，鉻含量越低肥粒鐵不銹鋼越不 受 475℃ 脆性影響，例如一些低鉻含量鋼材，如 types 405 與 type 409 不 銹鋼可以忽略 475℃ 脆性影響【37】 ，各元素對不銹鋼 475℃ 脆性影響如 表 2-2 所示【36】。. 15 .
(27) 表 2-2 鐵鉻合金添加物對 475℃脆性影響【36】 Element. Effect. Aluminum. Intensifies. Carbon. No effect/Intensifies. Chromium. Intensifies. Cobalt. Intensifies. Molybdenum. Intensifies. Nickel. Variable. Niobium. Intensifies. Nitrogen. Small effect/Intensifies. Phosphorus. Intensifies. Silicon. Intensifies. Titanium. Intensifies. 二、 σ相脆性 σ相必須在 Fe-Cr 合金中包含 20 到 70wt％的鉻，然後延長曝露在溫 度 500~800℃(930~1470℉)的時間幾個小時，在鉻含量低於 20 wt％σ相不 會立即成形，通常需要曝露在溫度 500~800℃數百小時，在高鉻不銹鋼合 金中，Sigma phase 會更快速成形，只需要曝露在溫度 500~800℃(930~1470 ℉)數個小時即可以【37】 ，鉻含量與時間對σ相成形相對關係如圖 2-12 所 示【38】。. 16 .
(28) 圖 2-12 鉻含量與時間對σ相成形相對關係圖【38】. 三、 高溫脆性 高溫脆性(High-Temperature Embrittlement, HTE)發生在肥粒鐵不銹 鋼曝露在金屬熔融溫度約 0.7 Tm 時，HTE 也常發生在一些熱加工與銲接工 程中，如果再提高溫度將會嚴重的影響材料的抗腐蝕性【35】。影響 HTE 的因素是材料的成份。. 17 .
(29) 一些元素如碳、氮、氧是影響肥粒鐵不銹鋼 HTE 最主要元素，再提高 溫度時，肥粒鐵不銹鋼在冷卻過程中，晶界會產生一些析出物如碳化物、 氮化物、碳氮化物等，這些析出物會產生降低材料的韌性、抗拉強度與腐 蝕性，如圖 2-13 所示為不同氮與碳含量對材料韌性的影響，可以看出在含 氮量 0.022％以上會嚴重的降低材料的韌性。一般來說，含鉻量豐富的碳 化物、氮化物不銹鋼，從高溫(＞0.7 Tm)冷卻下來， 會造成 HTE 的產生 【36,39,40】 。但是一些含鉻量較低的不銹鋼不會有 HTE 現象，但是從高溫 冷卻下來的冷卻速度也會影響 HTE【41】，在高溫中以較低的冷卻速率冷 卻，一些析出物會降低材料的延性與韌性【42】。總結高溫脆化的原因， 如表 2-3 所示。在銲道與 HAZ 部分，HTE 也會劇烈的影響韌性與延性如 圖 2-14 與圖 2-15 所示，圖 2-14 為 Type 436 冷加工破裂於 HAZ，圖 2-15 為 Type436 冷加工破斷面 SEM 觀察。. 圖 2-13 不同氮與碳含量對材料韌性的影響(a)815℃(1500℉)/1hr/WQ, and (b)1150℃(2100℉) /1hr/WQ【40】. 18 .
(30) 表 2-3 成份與微結構對高溫脆化的影響【34】 Variable. Effect. Carbon＋Nitrogen. Intensifies severely. Chromium. Intensifies. Grain size. Small for high C＋N. Oxygen. Intensifies slightly. Titanium, Niobium. Reduces. 圖 2-14 為 Type436 冷加工破裂於 HAZ【34】. 19 .
(31) 圖 2-15 Type436 冷加工破裂破斷面 SEM 觀察【34】. 20 .
(32) 2.3 肥粒鐵不銹鋼銲接性 大部分肥粒鐵不銹鋼銲接常常伴隨著氫脆裂(HIC) 或凝固裂縫。上面 兩種研究常常發生在於中鉻合金，低鉻合金不銹鋼有比較低銲接裂縫敏感 性，中鉻合金(HIC)與凝固裂縫的敏感性被討論於文獻【43-46】。 銲接凝固裂縫發生在最後冷卻時，晶界旁常有一些雜質與元素，雜質 與元素因有較低的凝固溫度，故合金裡有雜質與元素會因合金冷卻凝固時 之間化合作用分離，故裂縫常常因合金凝固時發生在晶粒的晶界。當合金 主要的凝固相為肥粒鐵時，銲接凝固裂縫的敏感性會相當低，但是如果加 入一些 Ti 與 Nb 元素或其他雜質的影響，合金會在凝固時，因加入元素與 雜質的影響，使得合金提高凝固熱裂敏感性。合金方面必須要降低合金的 熔融凝固，才能避免合金因凝固時裂縫的產生。 合金凝固裂縫敏感性之間的關聯性，下列取肥粒鐵不銹鋼 430， 26Cr-1Mo 合金(E-Brite)與沃斯田鐵不銹鋼 304 作 Varestraint 測試如圖 2-16 所示【44】 。由於肥粒鐵不銹鋼 430 凝固裂縫有 C、S、P、N 元素集中現 象，故在相同的拉伸應變下有較高的裂縫長度，至於 C+N 如果小於 0.04 ％與含鈦量小於 0.65％可以降低凝固裂縫產生。. 21 .
(33) 圖 2-16 一些商業用鋼利用 Varestraint test 銲接凝固裂縫敏感度【44】. 2.4 腐蝕與電化學腐蝕 腐蝕被定義為材料因受到外在環境的化學侵蝕而導致的一種破壞現 象，主要是化學藥劑的直接腐蝕破壞及電化學腐蝕反應所引起的反應。一 般金屬的破壞破壞形態可以分下列幾種: 均勻腐蝕(uniform or general attack corrosion)、穿孔腐蝕(pitting corrosion)、沖磨腐蝕(erosion corrosion)、 粒間腐蝕(intergranular corrosion)、加凡尼腐蝕(Galvanic corrosion)、間隙腐 蝕(crevice corrosion)、應力腐蝕破裂(stress corrosion) 、選擇性腐蝕(selective leaching)等【47】。 電化學腐蝕機制，一般指兩種異質金屬或金屬中可以構成電位差的兩 電極，將兩電極置於充滿電解質(electrolyte)之水溶液中，因為其高低電位 的不同，會使一方成為陽極，另一方成為陰極，經過電解質作為其離子傳 導的路線，而使發生陽極跟陰極的反應。在陽極板上會釋放出電子，發生 氧化反應稱為陽極反應(anodic reaction)，如公式2-3所示，M是金屬材料其 發生氧化反應後，失去電子，因氧化作用成為離子游離出來再與電解液中 的離子結合成為金屬化合物，稱為腐蝕行為【48-50】。 22 .
(34) M= M2+ + 2e- ……………………………………(式2-3) 相對的在陰極板上的材料會得到電子，而發生還原反應稱為陰極反應 (cathodic reaction)【51】 ，如公式2-4所示，電解液中的某些離子產生還原反 應，並在陰極的材料上產生生成物。 2H+ +2 e- =H2……………………………………(式2-4) 陽極失去電子所產生的氧化反應，與陰極產生的還原反應，會構成氧 化與還原反應，並且構成電池效應的現象，電池效應的現象會使陽極金屬 產生腐蝕，稱為電化學腐蝕。. 2.4.1 電化學腐蝕原理 孔蝕現象(pitting)【52,53】是一種局部性的腐蝕，通常只發生在具鈍 化性金屬，然而氯離子是加速孔蝕的一大因素，其他鹵素化合物如氟化物 或溴化物則影響不大，也有人使用溴化氯與溴化鋰當電解液，但主要影響 孔蝕現象還是氯離子，因氯離子很容易穿透鈍化膜，或阻止鈍化膜的形成， 一開始孔蝕現象要經過一段潛伏期，剛開始的腐蝕點很不穩定，但孔穴一 旦形成，會因為孔洞與表面含氧的濃度差異性，腐蝕速率會加速進行。 孔洞的腐蝕行為是一種特殊的陽極氧化作用，是一種自行催化的過程， 圖2-17 【52】為金屬表面孔洞與電解質中催化原理，一開始在金屬表面的 凹處形成腐蝕的地點。所謂的凹處，可能只是表面的缺陷與材料成份不均 的地方，也是氯離子容易穿透鈍化膜的地點，形成凹處會因為流體的對流 的流速變慢，造成孔洞內因為對流變慢含氧量變低，然而孔洞四週圍含氧 量高，造成孔洞內與孔洞外的含氧量濃度差距，兩者形成了濃差電池。孔 洞凹處的缺氧區為陽極，孔洞四周的含氧豐富區為陰極，腐蝕作用原理， 孔洞凹處因聚了帶正電的金屬離子(M+2)，會吸引電解液帶負電的氯離子， 金屬離子的水解產生了氫離子，水解反應式如式2-5所示： M2+ +2Cl-+ 2H2 O→M(OH)2 + 2H+ + 2Cl -……………………………(式2-5) 23 .
(35) 氫離子會造成孔洞底部的酸性提高與氯離子在孔洞底部的含量提高，使孔 洞會因氫離子與氯離子的影響而加速孔洞底部的加速腐蝕，尤其是一般表 面有氧化層的金屬或是鈍化膜最易受到這些離子的侵蝕，它們分別和金屬 氧化物及鈍化膜作用，結果會腐蝕更多的金屬離子，如此惡性循環，凹處 孔洞會越被侵蝕越大，所以大部分孔蝕現象會發生在靜止或流速緩慢的環 境中，如果環境中溶液流速越快，腐蝕據點不容易聚集氫離子和氯離子， 就不容易在腐蝕聚集點繼續產生腐蝕。. 圖 2-17 孔洞在鹽水中自行催化原理【52】 圖 2-17 孔洞在鹽水中自行催化原理【52】. 24 .
(36) 2.4.2 鈍化與鈍化膜特性與理論 鈍化也可稱為過動態，是一種金屬在腐蝕環境中特有的現象，鈍化可 以使原本受腐蝕的陽極反而受到保護。由圖2-18可以看出金屬從活性到鈍 化的曲線轉變圖【54】，金屬從活性區轉移到鈍化區的過程中，轉移的臨 界點電壓稱為鈍化電位，此時金屬會產生一層鈍化膜，鈍化膜可以保護金 屬不受到腐蝕。金屬在活性區中，隨著電位的增加，電流密度與腐蝕速率 也會隨著急速增加，到達金屬的臨界電位時，就進入了鈍化區，在鈍化區 內電流密度與腐蝕速率會急速下降，如果電壓再持續上升，金屬就會產生 鈍化現象，充份的利用鈍化現象可以使金屬達到防蝕的效果。. 圖 2-18 金屬從活性到鈍化的曲線轉變【54】. 25 .
(37) 2.4.3 元素 Cr、Mo 對孔蝕的影響 如果不銹鋼Cr含量超過12%時， Cr 會與空氣中的氧氣反應結合，產 生一層緻密的氧化鈍化層（氧化鉻），其具有低的離子傳導性、有充足的 電子傳導性、有較低化學溶解與溶解速率、有較大的鈍態電位範圍，容易 在金屬表面上具有良好附著力，可以有效的阻止基材陽極氧化反應進行。 不銹鋼中添加Mo，使Mo吸附在金屬溶解的界面，可以有效的抑制溶 解動力【55】。不銹鋼材料中添加Mo 能有效提高孔蝕電位，增加材料的 抗孔蝕能力，肥粒鐵型不銹鋼Fe-18%Cr-x%Mo，當含Mo量增加的時候， 相對的孔蝕電位也會提高，在含有氯離子溶液中相較於好於在溴離子溶 液。. 26 .
(38) 第三章 研究設計與實施 本研究目的為探討日本鋼鐵協會所制定的 SUS 444 肥粒鐵系不銹鋼， 其銲接製程參數與銲接特性，依研究文獻 SUS 444 不銹鋼分析結果，來制 定本研究的架構，並施已不同銲接參數來探討銲接性，找出較好的銲接參 數與特性。再統整文獻 SUS444 不銹鋼的參數製程，以獲得較佳的銲接特 性。. 3.1 實驗流程設計 本研究實驗設計步驟說明如下，如圖 3-1 所示: 1. 蒐集相關文獻，並統整文獻資料與分析。 2. 架構實驗題目、目的、方法、流程。 3. 收集所有相關論文的文獻與資料。 4. 撰寫最終的研究目的與計畫。 5. 設定銲接參數並與文獻作比較，再進行試銲。 6. 準備相關的實驗材料與機具作對接試銲。 7. 對 SUS444 不銹鋼進行材料特性與分析，如機械性質分析、金 相實驗、破斷面觀察、微硬度試驗、XRD 分析、電化學實驗 觀察。 8. 整理相關數據，與文獻作相關比對。 9. 歸納出結論並提出相關建議。. 27 .
(39) 圖 3-1 論文架構圖. 28 .
(40) 3.2 實驗前置作業 3.2.1 實驗材料 本研究所用的材料為日本鋼鐵協會所制定的 SUS 444 肥粒鐵系不銹鋼 薄板，其化學成分如表 3-1，其尺寸如圖 3-2 所示。進行 CO2 雷射銲接時， 試片尺寸為 100 mm×120 mm×2 mm 板材，施銲前先把兩片試片做點銲固 定，再用丙酮做試片清潔，以免試片的油漬或粉塵影響試片銲接的品質與 機械性質，並尋求適合銲接的參數設定及銲件機械性質測試用。. 表 3-1 SUS444 不銹鋼化學成分表 元素 成分. C. Si. Mn. 含量 (Wt％). 0.006. 0.23. 0.22. P. S. 0.03 0.002. 29 . Ni. Cr. Nb. Mo. N. 0.11 18.3 0.41 1.82 0.01. Fe bal..
(41) 3.2.2 銲接方式 本研究 CO2 雷射銲接選用 Rofin-Sinar 850 CO2 雷射，銲接方式採用無 填料、無預熱，上保護氣體為氦氣，下保護氣體為氬氣。CO2 雷射銲接示 意圖如圖 3-3 所示，銲接時保護氣體可以保護銲接面不受空氣汙染與可以 得到更深的銲接深度。. 圖 3-2 SUS444 不銹鋼對接銲示意圖. 30 .
(42) 圖 3-3 LBW 銲接製程示意圖. 31 .
(43) 3.3 銲接製程參數設計 為了得到最佳銲接的參數，與銲接的品質，嘗試不同雷射銲接參數， 再選用適當的銲接功率大小、銲接走速、聚焦位置、保護氣體，來作銲接 的基本參數，再對所設定的銲接參數作試銲，確定這些銲接參數無氣孔、 無夾渣、有熔透，確定無其他缺陷後，方可以當本研究的銲接參數，本研 究所選用的接參數，如表 3-2 所示。 實驗過程所使用的保護氣體可以保護銲道防止氧化、降溫、更深的銲 接深度，本研究 LBW 銲接上保護氣體為氦氣、下保護氣體為氬氣，本實 驗保護氣體流量器可以精確的控制保護氣體的流量，以免造成保護氣體的 浪費，以及保護氣體流量過大造成過熔低陷或黏結現象。. 表 3-2 LBW 銲接製程參數設定 項目 銲接功率 銲接走速 聚焦值 保護氣體 氣體流量. 參數 4 (kW) 600、800、1000、 1200、1500、1800、 2000 (mm/min) 150 (mm) 上保護:氦氣 下保護氬氣 上保護:20 (l/min) 下保護:10 (l/min). 32 .
(44) 3.4 金相顯微組織觀察 根據本研究目的之銲接參數改變，探討 CO2 雷射對 SUS 444 不銹鋼 銲接組織之差異，故本研究將 SUS 444 不銹鋼顯微組織觀察。因為可見 光無法穿透金屬試樣，故金相顯微鏡是利用反射光成像。本實驗採用 Olympus BH 型光學顯微鏡觀察金相，與利用慢速鑽石切割機切取試片。 利用慢速鑽石切割機切取試片，經鑲埋固定研磨至 2000 號砂紙後， 再以 1μm 氧化鋁粉做拋光動作，拋到刮痕消失為止，再以 Vilella's reagent （1g picric acid + 100ml methanol or ethanol + 5ml HCI） 【56】 ，腐蝕顯現出 不同之區域，腐蝕時間約 8 分鐘左右，腐蝕後把試片用清水作清洗動作， 再把試片放入裝有洗衣粉加水的溶劑浸泡，大約 40 秒再去用清水沖洗， 最後浸泡酒精，以超音波震盪器震盪清洗，即可以進行光學微顯微鏡觀 察，並且記錄顯微組織、晶粒大小的變化。. 33 .
(45) 3.5 微硬度試驗 Vickers 硬度負荷範圍在 1~1000g 之間，本實驗採用 Future-Tech， FM-700 型微硬度試驗機如圖 3-6 所示。本實驗先以慢速切割機切出所需的 試片大小，經鑲埋固定研磨至 2000 號砂紙後，再以 1μm 氧化鋁粉做拋 光動作，直拋到沒刮痕，再以 Vilella's reagent（1g picric acid + 100ml methanol or ethanol + 5ml HCI）腐蝕液腐蝕，腐蝕時間約為 8 分鐘，再把 試片放入裝有洗衣粉加水的溶劑浸泡，大約 40 秒再去用清水沖洗，最後 用酒精擦拭烘乾試片，即可以清楚的得到所需要的金相全貌，才可以清楚 劃分母材到銲道的分界，再採用 Future-Tech，FM-700 型微硬度試驗機如 圖 3-4 所示，負荷範圍 200gf，荷重保持時間 15 秒，以進行硬度測試。. 圖 3-4 Future-Tech FM-700 型微硬度試驗機. 34 .
(46) 3.6 拉伸試驗 本實驗拉伸試片採用 CNC 線切割放電加工機來進行取樣，如圖 3-5 所示。拉伸試驗機使用本校萬能材料試驗機 MODEL:UH-1 系列，誤差範 圍 1％以內，如圖 3-6 所示，在室溫下以 1 mm/min 的拉伸速率進行拉伸試 驗，求得各參數的抗拉強度及伸長率。本實驗拉伸試片依照 ASTM 規格 E8 規範【57】尺寸加工而成。其中試片規格與取樣的位置如圖 3-7 所示， 切割後實際試片如圖 3-8 所示。. 圖 3-5 CHMER CW640S1 CNC 線切割放電加工機. 35 .
(47) 圖 3-9 萬能材料試驗機 MODEL:UH-1 系列. 圖 3-6 萬能材料試驗機 MODEL:UH-1 系列. 圖 3-7 試片規格取樣位置(單位:mm). 36 .
(48) 圖 3-8 CNC 線切割加工拉伸試片實體圗. 37 .
(49) 3.7 SEM 顯微觀察及 EDS 分析 為了瞭解材料的拉伸破壞斷面形態與銲件析出物情況，試片經過拉伸 試驗拉斷與銲件經過金相拋光腐蝕後析出物狀況，利用實驗設備 JEOL JSM6360 電子顯微鏡觀察拉伸破斷形態與析出物形貌，並加裝 Oxford 的 EDS (Energy Dispersive Spectrometers)系統來對析出物進行定性分析， JEOL JSM6360 電子顯微鏡設備採用鎢燈絲電子槍，可調整 X、Y、Z 及 R 軸(旋轉軸)去觀測，可測量直徑 125mm 的調整範圍，可以觀察材料表面的 破壞形態，JEOL JSM6360 電子顯微鏡設備與 Oxford 的 EDS 如圖 3-9 所示。. 圖 3-9 JEOL JSM6360 電子顯微鏡. 38 .
(50) 3.8 X 光繞射分析(XRD) 本實驗採用 X 光繞射儀進行材料晶體結構分析，利用不同銲接走速銲 件，進行材料銲道部分晶體結構分析，本實驗儀器是使用吳鳳技術學院所 提供的 X 光繞射儀(製造公司：Rigaku、型號:S-3000N) 如圖 3-10 所示， 其操作條件如表 3-3 所示，在利用 X 光繞射儀確認不同銲接走速銲道晶粒 再結晶方向。. 表 3-3 X-Ray 繞射分析試驗條件. 工作電壓. 電流. 繞射角度範. 基板傾斜角. 掃描速度. (kV). (mV). 圍 2(°). 度(°). (°/min). 40. 30. 40~110. 5°. 5. 圖 3-10 X-Ray 繞射儀. 39 .
(51) 3.9 恆電位儀實驗 本實驗選擇1莫耳氯化鈉水溶液做為電化學實驗之電解質水溶液，實 驗中溶液溫度加熱到80 C。使用儀器為三電極體系恆電位儀如圖3-11所示， 其中試片為工作電極(Working Electrode, WE)，試片採樣位置如圖3-12所示， 試片大小為10×10 mm；使用飽和甘汞電極為參考電極(Reference Electrode, RE)， 功用是量測試片在目前環境下的電位；而白金當作標準電極(Counter Electrode, CE)，目的為與陽極的試片形成電流迴路。在實驗中恆電位儀控 制溶液中的電流大小、電壓大小。 本實驗將工作電極試片之一端接觸電解質水溶液，另一端用銅線接出 與恆電位儀相接，陰極將白金電極浸入水溶液中， 另一端露出一小部份 接銅線至恆電位儀， 最後將飽和甘汞電極插入水溶液內， 並將電極底部 接近試片作為參考電極。. 40 .
(52) 圖 3-11 三電極體系恆電位儀. 圖 3-12 電化學試片採樣位置. 41 .
(53) 第四章 實驗結果與討論 本章節針對 SUS 444 肥粒鐵系不銹鋼經過一系列的銲接加工設計，並 且經過各項目的試驗研究觀察，所得的數據來分析銲接過後的現象，並以 理論基礎來作整理與歸納。. 4.1 銲接製程參數對 SUS 444 不銹鋼銲道外觀形貌影響 針對不同銲接走速參數變化，探討銲後銲道外觀與母材熱影響區之影 響。本實驗利用 CO2 雷射成功的銲接 SUS 444 肥粒鐵系不銹鋼，為了取得 銲接 SUS 444 不銹鋼的最佳參數，本實驗透過固定銲接能量大小，改變不 同銲接走速，來求得最佳銲接參數。為了比較不同銲接參數對銲件外觀影 響，本文取銲接走速 600 mm/min 與 2000 mm/min 銲接走速銲件外觀作比 較，銲件實體圖如 4-1 所示。 由銲接走速600 mm/min可以看出相同銲接功率下，銲接走速越慢銲道 入熱量越大，相對功率較高即意謂有更高的能量密度，故造成銲道有較大 深寬。至於在銲接走速2000 mm/min可以看出，由於銲接走速越快，銲道 寬度相對越窄。. 42 .
(54) (a)600 mm/min 正面. (b) 600 mm/min 背面. (c) 2000 mm/min 正面. (d) 2000 mm/min 背面 . 圖 4-1 銲接走速 600 mm/min 銲件與銲接走速 2000 mm/min 銲件外觀圖. 43 .
(55) 4.2 顯微組織觀察 本研究利用 CO2 雷射銲接成功的銲接 SUS 444 肥粒鐵系不銹鋼，並 且藉著改變不同的銲接走速，來觀察銲後顯微組織變化，以探討不同銲接 走速對銲道顯微組織之影響。 SUS 444 肥粒鐵系不銹鋼未銲母材金相與不同的銲接走速金相如圖 4-2 所示，利用不同的銲接走速得到的金相也有所不同，由金相圖可以得 知，圖 4-2(a)未銲接之前母材金相圖為單相肥粒鐵系，圖 4-2(b)~(h)銲接後 可以發現銲道金相為粗化之柱狀晶(columnar)結構，中間內部可以發現有一 樹枝狀晶界平面(interdendritic boundary plane)。由於 SUS 444 不銹鋼含鉻 量很高，通常是單相肥粒鐵，銲道區域凝固過程無第二相阻礙，因此會產 生粗化的柱狀晶結構。若提高銲接走速，即可以降低入熱量，熔融區域也 隨之越小。Villafurete 等人針對不同成分之肥粒鐵以 GTAW 方法進行銲接 實驗，結果發現不銹鋼因熔點較高，銲接時會有較多熱藉由輻射散失至工 件表面，當鈦含量較低時與鈦合金顆粒可以提供異質成核位置，因此凝固 銲道全部為柱狀晶結構，而無等軸晶組織【58】。此外，銲道附近熱影響 區範圍不大，由此可見 CO2 雷射銲接具有低入熱量之優異性質。由於銲接 走速越慢，雷射銲接有更多的能量殘留在銲道上，導致於銲道部分因為冷 卻速度變慢，有更多的熱能與時間可以使晶粒成長，故銲道晶粒粗大越明 顯。. 44 .
(56) . . . (a) 母材. . (b) 銲接走速 600 mm/min . (c) 銲接走速 800 mm/min . (d) 銲接走速 1000 mm/min . (e) 銲接走速 1200 mm/min . (f) 銲接走速 1500 mm/min . (g) 銲接走速 1800 mm/min. (h) 銲接走速 2000 mm/min. 圖 4-2 未銲母材與不同銲接走速銲件金相圖. 45 .
(57) 4.3 微硬度試驗 銲接過程中，材料會因為銲接的高溫熱能影響，造成材料顯微組織的 變化，SUS 444 不銹鋼對接銲後，銲道部份有晶粒粗大的現象，以下將探 討 SUS 444 不銹鋼以不同銲接走速對接銲後，銲道、熱影響區、母材之間 的硬度變化情況，圖 4-3 為欲量測 SUS 444 不銹鋼微硬度取樣示意圖。 以 Future-Tech，FM-700 型微硬度試驗機量測 SUS 444 不銹鋼銲後硬 度變化，採用 200 g 之荷重，荷重時間為 15 秒鐘，針對不同銲接走速量測 硬度變化，每隔 0.25 mm 量取一個硬度值，每排橫跨銲道、熱影響區、母 材硬度，每參數各打兩排，共取 60 個點再求平均值。如圖 4-4 為微硬度試 驗量測示意圖。. 圖 4-3 SUS 444 不銹鋼微硬度之取樣示意. 圖 4-4 微硬度量測示意圖(單位:mm). 46 .
(58) 結果顯示 SUS 444 不銹鋼未經過銲接其微硬度分佈約在 178~188(HV) 平均硬度約為 181.57(HV)，圖 4-5 為母材分佈曲線圖。 圖 4-6 為三種銲接走速硬度值比較，可以看出銲接走速越快，銲道硬 度越高，尤其在銲接走速 2000 mm/min 部分，銲道部分硬度可達 230(HV)。 至於母材部分硬度差異不大，三個銲接走速母材部分硬度值平均大約為 175 (HV)，造成這種銲道部分硬度差異大原因，主要是因為組織細化，銲 道部分相對熱量越少，銲道部分冷卻速率變快，導致銲道晶粒相對變細， 故相對的銲道部分硬度會因晶粒細化而提高。. 47 .
(59) 圖 4-5 母材硬度分佈曲線圖. 圖 4-6 三種銲接走速銲件之銲道附近硬度值分布. 48 .
(60) 4.4 拉伸試驗 利用不同銲接走速來銲接 SUS 444 肥粒鐵系不銹鋼，所得銲件經由放 電加工機切成所需的拉伸試片，再進行拉伸試驗，由拉伸試機拉伸並記錄 與繪製應力與伸長量圖，求出材料的最大抗拉強度、降伏強度、材料伸長 率等，比較不同銲接走速的最大抗拉強度、降伏強度、材料伸長率，之間 的關聯性，並且分析歸納及討論。. 4.4.1 抗拉強度分析 經由拉伸試驗得知，不同銲接走速下抗拉強度皆不同，拉伸破斷的位 置也不同， SUS 444 母材平均抗拉強度為 491MPa。圖 4-7 可以看出隨銲 接走速愈快，銲件之降伏強度及抗拉強度有增加的趨勢，銲接走速較慢之 600 與 800 mm/min 其銲件強度較低。圖 4-8 為不同銲接走速銲件之伸長率 比較，可以看出在銲接走速 600~1000 mm/min 之銲件延伸率稍低，1200 mm/min 以上之伸長率則有明顯的提高。對照金相顯微組織觀察的結果， 推斷較低銲接走速銲件之機械性質較差的原因，應與銲道柱狀晶組織粗化 有關。. 49 .
(61) 母材強度線. 圖 4-7 不同銲接走速銲件之拉伸強度比較. 圖 4-8 不同銲接走速銲件之伸長率比較. 50 .
(62) 4.4.2 拉伸破斷位置分析 經由拉伸試驗結果得知銲接走速600 mm/min、800 mm/min及1000 mm/min有比較低的抗拉強度，其銲件拉斷位置為銲道，如圖4-9所示，而 銲接走速在1200 mm/min以上，則其斷裂位置在母材。對照金相顯微組織 觀察的結果，由於600 mm/min、800 mm/min及1000 mm/min銲件有比較慢 的銲接走速，導致於銲道入熱量多使之銲道部分有很明顯的粗大化柱狀晶 產生，抗拉強度因此而下降，推斷較低銲接走速銲件之機械性質較差的原 因，應與銲道柱狀晶組織粗化有關，導致拉伸時破裂由此處開始發生。. 圖 4-9 不同銲接走速銲件破斷位置. 51 .
(63) 4.5 觀察與 EDS 分析 本實驗將拉斷的拉伸試片利用慢速切割機切割適當尺寸後，利用掃描 式電子顯微鏡(SEM)觀察破斷面顯微組織，來分析不同走速破斷面破裂之 原因。與利用能量散佈光譜儀(EDS)分析不同銲接走速試片，經腐蝕過後 材料析出物狀況。. 4.5.1 破斷面顯微組織觀察 SUS 444 母材拉伸破斷面與各銲接走速之顯微組織由圖 4-10 可以觀察 出，母材之破斷面呈現延性之酒渦狀(dimple)型態，而銲接走速較慢之 600 mm/min、800 mm/min 及 1000 mm/min 銲件破斷位置皆在銲道，破斷面之 顯微組織與母材之破斷面有很大的差異，最終呈現平坦有裂紋結構，此一 結果應與銲道柱狀晶結構粗大有關，然而其延伸率可達 20％左右，應屬於 延性破壞。至於走速在 1200 mm/min 之銲件破斷位置在母材，破斷面顯示 為與母材相同之酒渦狀型態。. 52 .
(64) 銲接 走速 mm/min. 巨觀影像. 微觀影像. 母材. 600. 800. 1000. 1200. 1500. 2000. 圖 4-10 不同銲接走速銲件之拉伸破斷面顯微組織. 53 .
(65) 4.5.2 母材與不同銲接走速銲件析出物情況 不銹鋼碳含量如果超過 0.001％容易在材料形成碳化物的析出物，一 些碳化鉻會造成脆性、晶界腐蝕或 Pitting 腐蝕抵抗降低【59】。材料中有 Nb 是一種容易與碳結合的元素，Nb 容易與 C 結合成圓球形 NbC 化合物， 或與 Fe 結合成圓條形的 Fe2Nb 化合物【60】。SUS 444 不銹鋼因為材料中 含有 Nb，所以不銹鋼材容易在熱處理過後看到析出物產生，由圖 4-11 為 SUS 444 不銹鋼母材未經銲接 Nb 析出物產生情形。可以看出 Nb 析出物有 平均分散的情況，也沒有聚集的現象，也可以看出析出物大小平均約為 1 μm 左右，屬於均質凝核(homogeneous nucleation)。但是如果經過銲接過 後，析出物會因不同銲接走速的不同，而有不同的析出物形態與分佈狀況， 如圖 4-12 為銲接走速 1500mm/min 銲件的析出物分佈情況，可以從圖 4-12(a)與圖 4-12(b)清楚的看出以熔融線為界，銲道部分因為重熔溫度過高， 超出析出物的熔融溫度，使之在銲道部分沒有析出物的存在，反觀熱影響 區部分，因為銲接溫度影響，使析出物因自由能大，溶質原子傾向離開粒 子而進入基地，使析出物濃度降低而細化，而在差排、差排結、雜質粒子、 晶界部分也會因為非均質凝核析出，而在圖 4-12(c)與圖 4-12(d)可以看出析 出物在熱影響區有變多與細化的現象，原因在於母材析出物因銲接熱量， 使之母材析出物濃度擴散至基地，而使母材析出物細化，部分基地的溶質 濃度也會因為熱量的影響，使之在差排、差排結、雜質粒子等地方析出微 小粒子。 如果再以相同的銲接功率，但是降低銲接走速至 800 mm/nin 去觀察銲 件析出物的分佈情況如圖 4-13 所示，由圖 4-13(a)與圖 4-13(b)可以由熔融 線為界，看出銲道與熱影響區的不同，銲道依然是沒有析出物的存在，然 而熱影響區比銲接走速 1500 mm/min 的熱影響區有更多的因析出物造成的 界面孔洞，而在圖 4-13(c)與圖 4-13(d) 接近熱影響區部份可以清楚的看出， 54 .
(66) 析出物因銲接冷卻溫度變慢，導致更多的熱能可以使析出物造成自由能的 轉換，析出物繼續從基地吸收圍繞在他周圍的溶質原子，而使顆粒附近的 濃度梯度會降低，之間尺寸有明顯的成長，析出物最長的長度可達 5μm， 並且會造成在差排、差排結、雜質粒子處，因大析出物自由能低，大析出 附近濃度梯度與自由能都會降低，造成有些少許析出物的團聚現象，與因 析出物團聚有孔洞的發生，造成晶粒內有孔洞發生。 如果再持續的降低銲接走速至 600 mm/nin 去觀察銲件析出物的分佈 情況如圖 4-14 所示，由圖 4-14(a)與圖 4-14(b)可以看出在銲接走速 600 mm/nin 銲件比銲接走速 800 mm/nin 因有更慢的冷卻速率，使之晶粒內的 析出物因活性大，導至溶質濃度擴散至溶質基地，晶界也因非均質凝核的 原因，吸收了基地的濃度，使析出物在晶界部份有有明顯析出物聚集與孔 洞的產生，至於圖 4-14(c)與圖 4-14(d)可以看出析出物有很嚴重的聚集與析 出物在晶粒內脫落所遺留下來的橢圓形孔洞，研判析出物析出在晶界上會 比析出在晶粒內有更嚴重的抗腐蝕性下降情況。. 55 .
(67) (a) 1000X. (b) 3000X 圖 4-11 SUS 444 不銹鋼母材未經銲接析出物情況: (a)1000X (b)3000X. 56 .
(68) HAZ HAZ. fusion zone base metal. (a) 300X HAZ fusion zone base metal. (b) 500X 圖 4-12 SUS 444 不銹鋼經銲接走速 1500 mm/min 銲後析出物分佈情況: (a)300X (b)500X (c)1000X (d)3000X. 57 .
(69) (c) 1000X. (d) 3000X 圖 4-12 SUS 444 不銹鋼經銲接走速 1500 mm/min 銲後析出物分佈情況(續). 58 .
(70) HAZ. base metal. fusion zone. (a) 300X HAZ fusion zone base metal. (b) 500X 圖 4-13 SUS 444 不銹鋼經銲接走速 800 mm/min 銲後析出物分佈情況: (a)300X (b)500X (c)1000X (d)3000X. 59 .
(71) (c) 1000X. (d) 3000X 圖 4-13 SUS 444 不銹鋼經銲接走速 800 mm/min 銲後析出物分佈情況(續). 60 .
(72) (a) 2000X. (b) 2000X 圖 4-14 SUS 444 不銹鋼經銲接走速 600 mm/min 銲後析出物分佈情況: (a)2000X (b)2000X (c)3000X (d)3000X. 61 .
(73) (c) 3000X. (b) 3000X 圖 4-14 SUS 444 不銹鋼經銲接走速 600 mm/min 銲後析出物分佈情況(續). 62 .
(74) 4.5.3 析出物成份分析 本實驗將未銲接過後的 SUS 444 不銹鋼與銲接過後的 SUS 444 不銹鋼， 利用能量散佈光譜儀(EDS)觀察經腐蝕過後析出物的半定量成份分析，並 加以比較。如圖 4-15 與表 4-1 為 SUS 444 不銹鋼未銲接過後的半定量與半 定性成份分析，可以清楚的看出 Spectrum 1 與 Spectrum 2 所分析出來的成 份皆有 Nb 的成份，與 Spectrum 3 打在母材基地上少了 Nb 的成份，但母 材基地成份大致上為 Fe-Mn-Cr 元素為主。圖 4-16 與表 4-2 為 SUS 444 不 銹 鋼 經 過 銲 接 過 後 的 半 定 量 與 半 定 性成 份 分 析 ， 可 以 看 出 銲 接 過 後 Spectrum 1 析出物形狀成圓條形成份為少量的 Fe、微量的 Cr 與主要元素 為 Nb，至於 Spectrum 2 為銲接過後的基底，最主要元素組成為 Fe 與 Cr， 與未銲接過後的基底少了 Mn 元素。經由以上分析可以推斷，本研究所使 用之 SUS 444 不銹鋼材料之析出物應為含鈮之化合物。. (a) Spectrum 1. 63 .
(75) (b) Spectrum 2. (c) Spectrum 3 圖 4-15 SUS 444 不銹鋼母材未經銲接析出物半定性分析: (a) Spectrum 1 (b) Spectrum 2 (c) Spectrum 3. 表 4-1 SUS 444 不銹鋼母材未經銲接析出物半定量分析 wt％. Specturm element. Fe. Cr. Nb. Mn. Total. Specturm 1. 27.54. 0. 72.46. 0. 100. Specturm 2. 22.38. 0. 77.62. 0. 100. Specturm 3. 78.6. 18.76. 0. 2.64. 100. 64 .
(76) (a) Spectrum 1. (b) Spectrum 2 圖 4-16 SUS 444 不銹鋼母材經銲接過後析出物半定性分析: (a) Spectrum 1 (b) Spectrum 2. 表 4-2 SUS 444 不銹鋼母材銲接過後析出物半定量分析 wt％. Specturm element. Fe. Cr. Nb. Mn. Total. Specturm 1. 22.25. 6.71. 71.58. 0. 100. Specturm 2. 79.8. 20.2. 0. 0. 100. 65 .
Outline
相關文件
The short film “My Shoes” has been chosen to illustrate and highlight different areas of cinematography (e.g. the use of music, camera shots, angles and movements, editing
Wang, Solving pseudomonotone variational inequalities and pseudocon- vex optimization problems using the projection neural network, IEEE Transactions on Neural Networks 17
Monopolies in synchronous distributed systems (Peleg 1998; Peleg
Corollary 13.3. For, if C is simple and lies in D, the function f is analytic at each point interior to and on C; so we apply the Cauchy-Goursat theorem directly. On the other hand,
Corollary 13.3. For, if C is simple and lies in D, the function f is analytic at each point interior to and on C; so we apply the Cauchy-Goursat theorem directly. On the other hand,
Microphone and 600 ohm line conduits shall be mechanically and electrically connected to receptacle boxes and electrically grounded to the audio system ground point.. Lines in
explore the effect of the different analysis method on the determination of the safety factor for slope stability under stormy
This study discussed the pipelines of different materials, such as PVC pipes and steel pipes, with different water contents in different depths of standard sand (Ottawa sand), and
