高性能材料之銲接與修補製程最佳化研究---總計畫 (I)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 高性能材料之銲接與修補製程最佳化研究之總計畫 ※

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計畫類別：□個別型計畫

■整合型計畫

計畫編號：NSC 89－2216－E－009－036

執行期間：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日

總計畫主持人：周長彬 教授

子計畫一 ：周長彬 教授

子計畫二 ：林義成 教授

子計畫三 ：王星豪 教授

參與人員 ：林后堯

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：

中 華 民 國 90 年 10 月 30 日

高性能材料之銲接與修補製程最佳化研究之總計畫

The Optimum Study of Welding and Repair ing Pr ocessingof

High-Per for mance Mater ials

計畫編號：NSC 89-2216-E-009-036

執行期限：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日

總計畫主持人：周長彬 教授 國立交通大學機械工程學系

子計畫一：周長彬 教授 國立交通大學機械工程學系

子計畫二：林義成 教授 國立彰化師範大學機械工程學系

子計畫三：王星豪 教授 國立台灣海洋大學機械與輪機工程學系

參與人員：林后堯 國立交通大學機械工程學系

一、中文摘要 本整合型計畫主要在研究銲接與修補製程參 數對材料系統之變形、殘留應力、熱延性、耐腐蝕 性、熱裂敏感性、彎曲低週期疲勞、機械性質及微 觀組織等之影響。本整合型研究計畫嘗試利用 『Model 理論』，輔以電腦運算分析工具來模擬各 種材料系統在不同製程參數下之溫度、變形、殘留 應力及相變化等相互間的關係。因此，本研究計畫 最終目標係以現有且常用的高性能材料之物理特 性與機械性質等，以實驗與理論模式來得知各種材 料系統之「物理模態」、「力學模式」及「冶金特 性」等關係，並配合各種銲接、修補製程與各類的 測試實驗，來加以驗證本研究計畫所發展出來的理 論模式，以期使『理論研究』與『實際應用』能相 互緊密地結合在一起，並藉此推導出有關材料系統 與製程參數之相關綜合理論。 1. 銲接與修補最佳化製程研究：本項研究領域包 括有：鎳基超合金修補製程參數最佳化研究（由 林義成教授主持）。 2. 材料系統之銲接特性分析：本項研究領域包括 有：高強度鋁合金銲接熱影響區之特性研究（由 周長彬教授主持）、鈦合金銲接構件之彎曲低週 期疲勞研究（由王星豪教授主持）。 學模式」及「冶金特性」等相互間的關係，並 可初步獲得高性能材料之銲接特性、銲接參數 及修補參數等組合關係。其中所採用的材料系 統、製程參數及研究方法與步驟等，更可互相 分析與比較。 關鍵詞：可銲性、銲補、Gleeble、熱影響區、 銲接變形、殘留應力、低週疲勞、鋁合金、超 合金、鈦合金 Abstr act

The purpose of this research project is to determine the fabrication and repairing weldability of high-performance alloys, includung high-strengthed aluminum alloys, In 718, and titanium alloys. The welding processes included gas tungsten arc welding and plasma arc welding. The Heat Affected Zone simulation was produced by Gleeble machine. Low cycle fatigue test was conducted. The welding

distortion and residual stress were

子計畫一

：

高強度鋁合金銲接熱影響區之特性研究(I)

The Study of Char acter istics in Weld Heat Affected Zone of

Aluminum Alloys

計畫編號：NSC 89-2216-E-009-035

執行期限：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日

主持人：周長彬 教授 國立交通大學機械工程學系

計畫參與人員：林后堯 國立交通大學機械工程學系

一、中文摘要 本文使用 Gleeble 來模擬 7075 鋁合金 銲接熱影響區之顯微組織。經由微差描卡 計 ( DSC )、穿透式電子顯微鏡 ( TEM )、 拉伸試驗及在 3.5% NaCl 水溶液中進行電 化學量測來探討熱影響區之顯微組織、機 械性質、腐蝕特性。 7075-T651 鋁合金銲接熱影響區強度 衰退之原因為η相之析出及粗化。熱影響 區孔蝕電位之變化與基地中η’相之含量 有關。在熱影響區中當相融解或轉換為η’ 相則孔蝕電位下降。銲後 T6 熱處理有助於 孔蝕電位之提高。在峰值溫度為 377℃區域 存在大量η相之析出物，此區域對 T6 銲後 熱處理無強化效果。 關鍵詞：鋁合金 7075、銲接熱影響區、銲 後熱處理 Abstr act

The microstructures of weld heat affected zone (HAZ) of 7075 aluminum alloy were simulated by Gleeble. The micro-structures, mechanical properties, corrosion characteristics and hot ductility behaviors were investigated by means of differential scanning calorimeter (DSC), TEM, tensile testing and electrochemical measurements in 3.5 wt.% NaCl solution.

The degradation in strength of weld HAZ of 7075-T651 aluminum alloy was due to precipitation and coarsening of η phase. The variation of pitting potential in weld HAZ was related to the η’ Phase in matrix. The pitting potential decreased as the η’phase dissolved or transferred to theη Phase. The region of peak temperature 377 ℃ containing the most precipitate of phase was no effect on strength by T6 post treatment.

Keywords: Aluminum-alloy 7075, Welding

Heat Affected Zone, Pust Weld Heat Treatment

子計畫二：鎳基超合金修補製程對變形與殘留應力之研究

A Study on Distor tion and Residual Str ess Dur ing Repair ing

Pr ocess in Ni-base Super alloy

計畫編號：NSC 89-2216-E-018-002

執行期限：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日

主持人：林義成 教授 國立彰化師範大學機械工程學系

一、中文摘要 本研究的目的主要在利用電漿銲接研 究鎳基超合金修補，並以變形與殘留應力 之分析與控制為主。實驗中所採用的銲接 方法為電漿銲接，並選用 IN738 為母材。 由於 IN738 材料有限，在研究過程中將利 用有限元素方法模擬銲接過程之熱應力與 殘留應力變形。其次，利用有限元素方法 模擬亦可更廣泛了解銲補參數與熱應力與 殘留應力變形之間相依性。銲接過程中， 將利用動態溫度量測系統量測各銲接參數 之熱循環曲線，以印證銲接溫度場。分析 結果發現，在縱向熱應力銲弧前端附近呈 現壓縮應力，在距離銲弧後方較遠處，壓 縮應力會轉為拉伸應力，其最大值在銲道 兩側 2 到 5mm 處，約為 600MPa 拉伸應力。 在縱向殘留應力(σx)，在銲道中心處為壓 應力，最大值為-53MPa，銲道附近為拉伸 應力，最大值為 400MPa，在厚度較厚端之 熱影響區殘留應力很小，約僅有-50MPa。 橫向殘留應力(σz)，在銲道中心處為壓應 力，最大值為 212MPa，銲道附近為拉伸應 力，最大值為 43MPa。在變形量方面，變 形相當小，大約只有 0.1mm，且主要是朝 Abstr act

In this study, the repair welding technology of plasma arc welding is used. The finite element method will be used to analyze the thermal and residual stresses and distortion during welding process. An experiment will be done after analyze for identification of analytic results. During welding, the thermal cycle of different locations in weldment will be recorded to compare the temperature field obtained by finite element method. Based on the analytical results found that the longitudinal compressive thermal stress is found at front of arc. After welding arc passed, the tensile stress can be found. The vale of maximum longitudinal thermal stress is about 600MPa that locates in 2 to 5 mm distance from fusion line. The longitudinal residual stress at center of weld is compressive and the value by –53Mpa. The maximum tensile residual stress is found at near the heat-affected zone, and its magnitude equals 400MPa. A heat-affected zone with lower residual stress is found at side of thicker section of sample. The magnitude of distortion due to welding is

子計畫三：鈦合金銲接構件之彎曲低週疲勞(I)

Pr epar ation of NSC Pr oject Repor ts

計畫編號：NSC 89-2216-E-019-010

執行期限：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日

主持人：王星豪 教授 國立台灣海洋大學機械與輪機工程學系

計畫參與人員：魏明德 陳律仁

國立台灣海洋大學機械與輪機工程學系

一、中文摘要 本實驗研究目在探討三種不同微觀組 織的鈦合金，於應用不同應變速率及應變 振幅的情況下，其原素材及氣護鎢極電弧 銲銲件對低週疲勞性質的比較，實驗結果 顯示增加應變速率均會使 Ti-64 、CP-Ti 和 Ti-153 的拉伸抗拉強度和降伏強度上 升，且其伸長量會下降。在疲勞試驗方面， 應變速率升高會使疲勞強度上升，高應變 振幅呈循環應力軟化，低應變振幅則為循 環應力硬化，且 Ti-153 對應變速率的敏感 性較 Ti-64 高，Ti-64 銲件裂縫出現於母材 區，其疲勞強度劣於原素材，Ti-153 銲件 裂縫位於銲道處，且其銲件疲勞強度優於 ε&=5×10-3 s-1 時的素材疲勞強度，但劣於 ε&=1×10-2 s-1時素材疲勞的強度。Ti-64 銲 道溶融區主要形成的組織為針刺狀麻田散 鐵α′，溶融區的維氐硬度值最高。純鈦銲 件之耐疲勞強度比原材優越，基於銲道之 補強作用。 關鍵詞：鈦合金、低週疲勞、應變速率、 銲接 Abstr act

Three different titanium alloys ( pure Ti, Ti 64 and Ti 153) with different micro-structures and their welds were used to study the effect of strain rate and strain amplitude on the properties of low cycle fatigue. It shows that the ultimate tensile strength and the yield strength increase with increasing strain rate but the elongation decreases. Similarly, fatigue strength increases with strain rate. Alloys undergo cyclic strain hardening at the relative small strain amplitude. On the other hand, alloys undergo cyclic strain softening so that stress range decreases with increasing number of strain cycles. The ductile pure Ti and Ti 153 alloy exhibit more sensitive to strain range change than high strength Ti 64. The fatigue strength of Ti 64 welds is inferior to that of parent metal and the failure occurs at the base metal zone. However the fatigue failure of Ti 153 happens at the weld.

Keywords: Titanium Alloys, Strain Rate,