活性助銲劑對鎳基超合金Inconel 718銲道熔深能力之研究

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(1)國立交通大學工學院精密與自動化工程學程. 碩士論文. 活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 銲道熔深能力之研究. A Study of Activating Flux to the Welding Penetration of Nickel Base Superalloy Inconel 718. 研究生：吳東明指導教授：周長彬教授. 中華民國九十八年十月.

(2) 活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 銲道熔深能力之研究 A Study of Activating Flux to the Welding Penetration of Nickel base Superalloy Inconel 718 研究生:吳東明指導教授 : 周長彬. Student : Tong-Ming Wu Advisor : Dr. Chang-Pin Chou. 國立交通大學. 工學院精密與自動化工程學程碩士論文. A Thesis Submitted to Degree Program of Automation and Precision Engineering. College of Engineering National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Automation and Precision Engineering October 2009 Hsinchu, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十八年十月.

(3) 活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 銲道熔深能力之研究研究生：吳東明. 指導教授：周長彬. 國立交通大學工學院精密與自動化工程學程碩士班. 摘. 要. 本研究之目的主要在探討活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 銲道熔深之影響。實驗材料選用鎳基超合金 Inconel 718 (UNS N07718, AMS 5596-E)；活性助銲劑之選用以氧化劑為主，分別為 SiO2、NiO、MoO3、Cr2O3、 TiO2、MnO2、ZnO 及 MoS2 共八種。銲接方法採用不加填料金屬，且以氰氣為保護氣體的鎢極惰氣銲(Tungsten Inert Gas, TIG)來進行 Bead-on-Plate 實驗。銲接過程中利用影像擷取系統(Charge-Coupled Device, CCD)記錄電弧動態影像及電弧電壓的變化；以金相實驗來觀察微觀組織；利用微硬度測定機來瞭解銲道機械性質；以實體顯微鏡來量測銲道形態，並記錄銲道熔深及寬度以計算深寬比。接下來根據所量測之深寬比，取最大值之前四種活性助銲劑，以各 50%的比例來調配成六種混合型活性助銲劑，分別為 SiO2-MoO3、SiO2-NiO、MoO3-NiO、SiO2-MoS2、MoS2-NiO、MoS2-MoO3，並探討混合型助銲劑對銲道熔深與深寬比之影響。實驗中發現在相同銲接參數下，不同之活性助銲劑，能更效提升鎳基超合金 Inconel 718 之銲道熔深達 8%~63%；並提高深寬比達 19%~125%。最後利用田口方法來進行最佳化實驗，以不同混合比例之 SiO2 與 MoO3 調製成混合型活性助銲劑，搭配主要之五種銲接製程參數，即銲接電流、銲槍走速、氰氣流量、鎢棒角度及電弧長度來最佳化銲接製程參數。運用田口方法所得之最佳參數，可使鎳基超合金 Inconel 718 銲道熔深提升 135%；而深寬比提升 284%。. i.

(4) A Study of Activating Flux to the Welding Penetration of Nickel Base Superalloy Inconel 718 Student：Tong-Ming Wu. Advisor：Chang-Ping Chou. Department of Automation and Precision Engineering College of Engineering National Chiao Tung University. Abstract The purpose of this study was to investigate the effect of activating fluxes to the welding penetration of nickel-base superalloy Inconel 718. Bead-on-plate argon TIG(Tungsten Inert Gas) welding process was made on Inconel 718 plate (UNS N07718, AMS 5596-E) without filling metals. The activating fluxes used in the experiment were SiO2, NiO, MoO3, Cr2O3, TiO2, MnO2, ZnO and MoS2. During the welding process, a charge-coupled device (CCD) was used to record the images of arc profile and voltage. Besides, the microstructure and morphology of the weldments were examined by the optical microscope. Furthermore, the Vickers hardness test was used to determine the mechanical properties of the weldments. According to the measurement results of the width and penetration of the weld bead, the depth to width ratio (D/W ratio) can be calculated. Based on the highest D/W ratio, four fluxes were selected to mix with each other using 50% weight percent each. The mixed fluxes were SiO2-MoO3, SiO2-NiO, MoO3-NiO, SiO2-MoS2, MoS2-NiO and MoS2-MoO3, and the mixed fluxes were used for investigating the effect to the welding penetration and D/W ratio. Under the same welding conditions, the results indicated that all fluxes did enhance the welding penetration of Inconel 718 by 8%~63%. Moreover, the D/W ratio was enhanced up to 125%. Finally, by employing the Taguchi Methods to achieve optimized welding penetration and D/W ratio, six major welding parameters were determined, which were welding current, torch moving speed, argon flow rate, vertex angle of electrode, arc length and the weight ratio of SiO2 and MoO3. The confirm experiment analysis of Taguchi Methods demonstrated that the welding penetration was enhanced 135%, and the D/W ration was also increased 284%.. ii.

(5) 誌. 謝. 感謝指導老師周長彬教授兩年來辛勤地指導、悉心教誨與關懷，謹於此致上最誠摯的敬意及謝意。在精密銲接實驗室的日子裡，承蒙陸軍專科學校車輛工程科主任林玄良博士悉心指導，讓我在銲接製程參數之選擇與田口方法之應用獲益良多；而虎尾科技大學材料科學與工程系助理教授黃和悅博士於活性助銲劑知識上不吝惜之傳授，亦使我受益匪淺；此外，實驗室學長莊弘瑋於實驗設備使用上之指導及實驗流程之建議，使實驗能順利進行；最後，國立聯合大學機械工程學系副教授徐享文博士，與實驗室學長吳信達於影像擷取技術上之建議，使我能順利完成電弧之拍攝。最後要感謝周遭時時給予我支持與鼓勵的父母及親友團，使我在忙碌的工作之餘能繼續不斷的追求新知並順利完成此論文。另外也要特別感謝我內人默默在旁給予我不斷的支持，也多虧了她必需於這段不算短的求學期間，身兼半父職的照顧我兩個小朋友，使我能無後顧之憂的完成學業。而此篇論文及學業的順利完成，是我獻給所更關心、幫助我的人最誠摯的喜悅分享。. iii.

(6) 目. 錄. 摘要 .................................................................................................................. i Abstract ................................................................................................................. ii 誌謝 ................................................................................................................ iii 目錄 ................................................................................................................ iv 表目錄 ............................................................................................................... vii 圖目錄 ................................................................................................................ ix 第一章緒論 ......................................................................................................... 1 1.1 研究動機及背景 .......................................................................... 1 1.2 研究方法及目的 .......................................................................... 3 第二章文獻探討 ................................................................................................. 4 2.1 超合金 Inconel 718 冶金學上的特性 ......................................... 4 2.1.1 超合金 Inconel 718 之物理及機械性質 ........................... 4 2.1.2 超合金 Inconel 718 之合金元素及其影響 ....................... 5 2.1.3 超合金 Inconel 718 之析出相 ........................................... 6 2.1.4 超合金 Inconel 718 之銲接特性 ..................................... 11 2.2 TIG (Tungsten insert gas)之原理 ............................................... 14 2.2.1 TIG 銲接電流之性質 ....................................................... 15 2.2.2 電弧之原理 ...................................................................... 17 2.2.3 TIG 銲接電弧之結構 ....................................................... 17 2.2.4 電壓-電流之靜特性 ......................................................... 18 2.2.5 保護氣體(Shielding gas)之種類 ...................................... 20 2.2.6 鎢棒種類 .......................................................................... 23 2.2.7 銲接參數 .......................................................................... 27 2.3 TIG-Flux 銲接 ............................................................................ 28 2.3.1 TIG-Flux 助銲劑組成成份 .............................................. 29 2.3.2 TIG-Flux 增加銲道熔深之機制 ...................................... 30 2.3.3 助銲劑之溶劑與粉末顆粒大小對銲道熔深的影響 ...... 32 2.3.4 助銲劑塗敷形狀對銲道熔深的影響 .............................. 33 2.3.5 助銲劑塗敷厚度與重量對銲道熔深的影響 .................. 33 2.4 銲道熔透深度變異之原因 ........................................................ 35. iv.

(7) 2.4.1 在熔池中驅動流體流動的力量 ...................................... 35 2.4.2 在電弧中驅動流體流動的力量 ...................................... 36 2.4.3 微量元素對銲道熔深之影響 .......................................... 39 2.4.4 助銲劑對銲道熔深之影響 .............................................. 40 2.5 田口方法(Taguchi methods) ...................................................... 41 2.5.1 田口方法的基本原理與步驟 .......................................... 41 2.5.2 直交表簡介 ...................................................................... 42 2.5.3 SN 比基本定義 ................................................................ 43 2.5.4 確認實驗 .......................................................................... 45 第三章實驗方法與程序 ................................................................................... 46 3.1 實驗流程..................................................................................... 46 3.2 銲接詴片之準備 ........................................................................ 47 3.3 助銲劑之選擇與配製方法 ........................................................ 47 3.4 銲接參數之配置 ........................................................................ 49 3.5 田口方法之直交表與實驗參數配置 ........................................ 51 3.6 金相實驗..................................................................................... 52 3.7 銲道深寬比量測 ........................................................................ 54 3.8 銲道外觀拍攝 ............................................................................ 54 3.9 電弧形狀與陽極斑點拍攝 ........................................................ 54 3.10 電弧電壓記錄 ............................................................................ 55 3.11 微硬度詴驗................................................................................. 55 第四章結果與討論 ........................................................................................... 56 4.1 溶劑對助銲劑塗敷性之影響 .................................................... 56 4.2 助銲劑與銲接電流對銲道外觀之影響 .................................... 60 4.2.1 高熱輸入量對銲道外觀之影響 ...................................... 60 4.2.2 銲接電流對銲道外觀之影響 .......................................... 61 4.2.3 單一型助銲劑對銲道外觀之影響 .................................. 61 4.2.4 混合型助銲劑對銲道外觀之影響 .................................. 63 4.3 助銲劑與銲接電流對銲道形態之影響 .................................... 64 4.3.1 銲接電流對銲道形態與電弧電壓之影響 ...................... 64 4.3.2 銲接電流對銲道深寬比、熔深與寬度之影響 .............. 65. v.

(8) 4.3.3 銲接電流銲道剖面形狀與熔融面積之影響 .................. 67 4.3.4 單一型助銲劑銲道形態與電弧電壓之影響 .................. 68 4.3.5 單一助銲劑對銲道深寬比、熔深與寬度之影響 .......... 69 4.3.6 單一型助銲劑對銲道剖面形狀與熔融面積之影響 ...... 72 4.3.7 混合型助銲劑對銲道形態與電弧電壓之影響 .............. 74 4.3.8 混合型助銲劑對銲道深寬比、熔深與寬度之影響 ...... 75 4.3.9 混合型助銲劑對銲道剖面形狀與熔融面積之影響 ...... 78 4.4 助銲劑與銲接電流對銲道微硬度之影響 ................................ 80 4.5 助銲劑與銲接電流對銲道顯微結構之影響 ............................ 88 4.6 助銲劑與銲接電流對銲接電弧及陽極斑點之影響 ................ 99 4.7 運用田口方法最佳化銲接製程參數 ...................................... 104 4.7.1 實驗數據 ........................................................................ 104 4.7.2 各組 SN 比之評價與計算結果 ..................................... 105 4.7.3 最佳製程參數之解析 .................................................... 105 4.7.4 變異數分析(ANOVA) .................................................... 106 4.7.5 確認實驗 ........................................................................ 107 4.7.6 小結................................................................................. 109 4.8 電弧長度對銲道深寬比之影響 .............................................. 116 4.9 FB-TIG 之間隙(gap)對銲道深寬比之影響 ............................ 116 第五章結論 ..................................................................................................... 118 參考文獻 ........................................................................................................... 121. vi.

(9) 表目錄表 2-1 一般常用超合金及不銹鋼之物理性質 ................................................ 4 表 2-2 一般常用超合金及不銹鋼之成份表 .................................................... 5 表 2-3 鎳基超合金常見析出物之結構與組成 ................................................ 7 表 2-4 銲接氣體的物理性質 .......................................................................... 21 表 2-5 鎢棒直徑與工作電流之關係 .............................................................. 25 表 2-6 鎢棒化學組成成份及規格表 .............................................................. 26 表 2-7 標準直交表(Standard orthogonal arrays) ............................................ 42 表 3-1 超合金 Inconel 718 之合金元素成份表(wt%) ................................... 47 表 3-2 助銲劑塗敷量-以甲醇與丙酮為溶劑 ................................................. 48 表 3-3 實驗#1 之銲接參數-助銲劑 SiO2 ....................................................... 50 表 3-4 實驗#2 之銲接參數-無助銲劑 ............................................................ 50 表 3-5 單一型助銲劑及混合型助銲劑之銲接參數 ...................................... 51 表 3-6 助銲劑之種類....................................................................................... 51 表 3-7 混合型助銲劑之塗敷量-甲醇為溶劑 ................................................. 51 表 3-8 銲接參數的控制因子及水準值 .......................................................... 51 表 3-9 L18(21x37)直交表與銲接參數配置表 .................................................. 52 表 4-1 超合金 Inconel 718 Bead-on-Plate 銲接參數-助銲劑 SiO2 ............... 60 表 4-2 超合金 Inconel 718 Bead-on-Plate test 銲接參數-無助銲劑 ............. 61 表 4-3 超合金 Inconel 718 Bead-on-Plate 銲接參數-不同銲接電流 ............ 64 表 4-4 銲接電流對銲道形態之影響 .............................................................. 64 表 4-5 銲接電流與銲道取樣位置對銲道深寬比、熔深及寬度之影響 ...... 65 表 4-6 銲接電流對銲道熔融面積之影響 ...................................................... 68 表 4-7 超合金 Inconel 718 Bead-on-Plate 銲接參數-8 種助銲劑 ................. 68 表 4-8 單一型助銲劑對銲道形態之影響 ...................................................... 69 表 4-9 單一型助銲劑與銲道取樣位置對銲道深寬比之影響 ...................... 70 表 4-10 單一型助銲劑與銲道取樣位置對銲道熔深之影響 .......................... 71 表 4-11 單一型助銲劑與銲道取樣位置對銲道寬度之影響 .......................... 72 表 4-12 單一型助銲劑與銲道取樣位置對銲道熔融面積之影響 .................. 74 表 4-13 超合金 Inconel 718 Bead-on-Plate 銲接參數-6 種混合型助銲劑 ..... 75 表 4-14 混合助銲劑對銲道形態之影響 .......................................................... 75. vii.

(10) 表 4-15 混合型助銲劑與銲道取樣位置對銲道深寬比之影響 ...................... 76 表 4-16 混合型助銲劑與銲道取樣位置對銲道熔深之影響 .......................... 77 表 4-17 混合型助銲劑與銲道取樣位置對銲道寬度之影響 .......................... 77 表 4-18 混合型助銲劑與銲道取樣位置對銲道熔融面積之影響 .................. 80 表 4-19 不同取樣位置之銲道深寬比、熔深及寬度 .................................... 104 表 4-20 田口方法各實驗組之 SN 比 ............................................................. 105 表 4-21 各因子水準之平均 SN 比(dB) .......................................................... 105 表 4-22 最佳化銲接製程參數 ........................................................................ 106 表 4-23 變異數分析表(ANOVA table) .......................................................... 107 表 4-24 確認實驗之銲道深寬比與 SN 比 ..................................................... 108 表 4-25 田口最佳銲接參數對銲道深寬比之影響 ........................................ 110 表 4-26 田口最佳銲接參數對銲道熔深之影響 ............................................ 111 表 4-27 田口最佳銲接參數對銲道寬度之影響 ............................................ 112 表 4-28 田口最佳銲接參數對銲道熔融面積之影響 .................................... 113. viii.

(11) 圖目錄圖 2-1 超合金 Inconel 718 之 TTP 圖 .............................................................. 7 圖 2-2 超合金 Inconel 718 之 TTT 圖 .............................................................. 8 圖 2-3 γ"相及 γ′相晶格結構 ............................................................................. 9 圖 2-4 超合金 Inconel 718 中 γ"及δ（Ni3Nb）相存在的溫度範圍 ............ 9 圖 2-5 固化裂縫示意圖................................................................................... 13 圖 2-6 液化裂縫示意圖................................................................................... 13 圖 2-7 TIG 銲接製程示意圖 ........................................................................... 14 圖 2-8 不同銲接電流模式下，電流方向與銲道形態示意圖 ...................... 16 圖 2-9 不同銲接電流模式下，銲接熱量分佈與銲道形態示意圖 .............. 16 圖 2-10 DCEP 氧化層清除作用 ...................................................................... 16 圖 2-11 電弧結構及壓降關係圖 ...................................................................... 18 圖 2-12 電弧溫度分佈圖................................................................................... 18 圖 2-13 電壓-電流的靜特性曲線 ..................................................................... 19 圖 2-14 不同電流下之電弧長度與電壓之關係圖 .......................................... 19 圖 2-15 不同電弧長度下之 He 與 Ar 電弧電壓關係圖 ................................. 20 圖 2-16 保護氣體之電壓對電流關係圖 .......................................................... 20 圖 2-17 保護氣體對銲道截面之影響 .............................................................. 22 圖 2- 18 銲接氣體的熱傳導性 ......................................................................... 22 圖 2-19 混合保護氣體對熔深之影響 .............................................................. 22 圖 2-20 鎢棒端點形狀....................................................................................... 24 圖 2-21 鎢棒角度、截斷面大小與銲道熔深之關係 ...................................... 24 圖 2-22 鎢棒角度與熔深關係圖 ...................................................................... 24 圖 2-23 鎢棒角度、電弧形狀與功率密度示意圖 .......................................... 24 圖 2-24 電弧長度、功率密度及電流密度之關係圖 ...................................... 27 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 ........ 28 圖 2-26 在熔池中的 Marangoni 對流 ............................................................... 31 圖 2-27 助銲劑吸附電子造成電弧收縮示意圖 .............................................. 32 圖 2-28 助銲劑塗敷形狀之示意圖 .................................................................. 33 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 ......... 34 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 ....... 34. ix.

(12) 圖 2-31 溶劑中助銲劑含量與塗敷厚度之關係 .............................................. 34 圖 2-32 驅動熔池流動的四種力量 .................................................................. 36 圖 2-33 電磁力方向及電弧形狀示意圖-電極角度 60° .................................. 37 圖 2-34 電流密度及電磁力場分佈圖-電極角度 60° ...................................... 38 圖 2-35 流場速度及溫度場分佈圖-電極角度 60° .......................................... 38 圖 2-36 電磁力方向及電弧形狀示意圖-電極角度 180° ................................ 38 圖 2-37 電流密度及電磁力場分佈圖-電極角度 180° .................................... 39 圖 2-38 流場速度及溫度場分佈圖-電極角度 180° ........................................ 39 圖 2-39 微量元素在超合金 Inconel 718 中對銲道熔深及深寬比之影響 ..... 40 圖 3-1 實驗流程圖........................................................................................... 46 圖 3-2 拋光前後之超合金 Inconel 718 Bead-on-Plate 詴片外觀 ................. 47 圖 3-3 助銲劑配製之工具 .............................................................................. 48 圖 3-4 超合金 Inconel 718 詴片尺寸及助銲劑塗敷位置示意圖 ................. 48 圖 3-5 HOBART TIGWAVE 350 氰銲機與 ProArc 數位控制銲接台車 .... 49 圖 3-6 鎢棒、夾頭、夾頭套及瓷杯 .............................................................. 50 圖 3-7 鎢棒研磨機........................................................................................... 50 圖 3-8 超合金 Inconel 718 超合金詴片銲道取樣位置示意圖 ..................... 53 圖 3-9 熱鑲埋機 Struers LaboPress-3 ............................................................. 53 圖 3-10 研磨機 MATASERV 2000 .................................................................. 53 圖 3-11 拋光機 Jean Wiriz PHOENIX.............................................................. 53 圖 3-12 腐蝕後詴片........................................................................................... 53 圖 3-13 光學顯微鏡........................................................................................... 54 圖 3-14 實體顯微鏡........................................................................................... 54 圖 3-15 銲道形態量測示意圖 .......................................................................... 54 圖 3-16 電弧形狀及陽極班點拍攝 .................................................................. 55 圖 3-17 電弧電壓拍攝....................................................................................... 55 圖 3-18 微硬度機 FUTURE-TECH FM-700 .................................................... 55 圖 4-1 甲醇與丙酮對 SiO2 塗敷性之影響 ..................................................... 56 圖 4-2 甲醇與丙酮對 NiO 塗敷性之影響 ..................................................... 56 圖 4-3 甲醇與丙酮對 MoS2 塗敷性之影響.................................................... 57 圖 4-4 甲醇與丙酮對 MoO3 塗敷性之影響 ................................................... 57. x.

(13) 圖 4-5 甲醇與丙酮對 Cr2O3 塗敷性之影響 ................................................... 57 圖 4-6 甲醇與丙酮對 TiO2 塗敷性之影響 ..................................................... 58 圖 4-7 甲醇與丙酮對 MnO2 塗敷性之影響 ................................................... 58 圖 4-8 甲醇與丙酮對 ZnO 塗敷性之影響 ..................................................... 58 圖 4-9 甲醇對 SiO2-MoO3 及 SiO2-NiO 塗敷性之影響 ................................ 59 圖 4-10 甲醇對 MoO3-NiO 及 SiO2-MoS2 塗敷性之影響 ............................... 59 圖 4-11 甲醇對 MoS2-NiO 及 MoS2-MoO3 塗敷性之影響 ............................. 59 圖 4-12 銲道外觀圖-助銲劑 SiO2..................................................................... 60 圖 4-13 銲接電流對銲道外觀之影響 .............................................................. 61 圖 4-14 銲道外觀圖-單一型助銲劑 ................................................................. 62 圖 4-15 銲道外觀圖-混合型助銲劑 ................................................................. 63 圖 4-16 銲接電流對銲道形態之影響 .............................................................. 64 圖 4-17 銲接電流對銲道熔深之影響 .............................................................. 65 圖 4-18 銲接電流對銲道寬度之影響 .............................................................. 66 圖 4-19 銲接電流對銲道深寬比之影響 .......................................................... 66 圖 4-20 銲接電流對銲道深寬比、熔深與寬度之影響 .................................. 66 圖 4-21 不同銲接電流與取樣位置之銲道剖面圖 .......................................... 67 圖 4-22 銲接電流對銲道熔融面積之影響 ...................................................... 68 圖 4-23 單一型助銲劑對銲道形態之影響 ...................................................... 69 圖 4-24 單一型助銲劑與銲道取樣位置對銲道深寬比之影響 ...................... 70 圖 4-25 單一型助銲劑與銲道取樣位置對銲道熔深之影響 .......................... 71 圖 4-26 單一型助銲劑與銲道取樣位置對銲道寬度之影響 .......................... 72 圖 4-27 單一型助銲劑之銲道剖面圖 .............................................................. 73 圖 4-28 單一型助銲劑與銲道取樣位置對銲道熔融面積之影響 .................. 74 圖 4-29 混合型助銲劑對銲道形態之影響 ...................................................... 75 圖 4-30 混合型助銲劑與銲道取樣位置對銲道深寬比之影響 ...................... 76 圖 4-31 混合型助銲劑與銲道取樣位置對銲道熔深之影響 .......................... 77 圖 4-32 混合型助銲劑與銲道取樣位置對銲道寬度之影響 .......................... 78 圖 4-33 混合型助銲劑之銲道剖面圖 .............................................................. 79 圖 4-34 混合型助銲劑與銲道取樣位置對銲道熔融面積之影響 .................. 80 圖 4-35 微硬度分佈曲線- 未銲接之母材 ....................................................... 81. xi.

(14) 圖 4-36 使用不同助銲劑之銲道線內外微硬度平均值 .................................. 82 圖 4-37 微硬度分佈曲線- 150 A ...................................................................... 82 圖 4-38 微硬度分佈曲線- 170 A ...................................................................... 82 圖 4-39 微硬度分佈曲線- 190 A ...................................................................... 83 圖 4-40 微硬度分佈曲線- SiO2......................................................................... 83 圖 4-41 微硬度分佈曲線- NiO ......................................................................... 83 圖 4-42 微硬度分佈曲線- MoS2 ....................................................................... 84 圖 4-43 微硬度分佈曲線- MoO3 ...................................................................... 84 圖 4-44 微硬度分佈曲線- Cr2O3....................................................................... 84 圖 4-45 微硬度分佈曲線- TiO2 ........................................................................ 85 圖 4-46 微硬度分佈曲線- MnO2 ...................................................................... 85 圖 4-47 微硬度分佈曲線- ZnO ......................................................................... 85 圖 4-48 微硬度分佈曲線- SiO2-MoO3 ............................................................. 86 圖 4-49 微硬度分佈曲線- SiO2-NiO ................................................................ 86 圖 4-50 微硬度分佈曲線- MoO3-NiO .............................................................. 86 圖 4-51 微硬度分佈曲線- SiO2-MoS2 .............................................................. 87 圖 4-52 微硬度分佈曲線- MoS2-NiO ............................................................... 87 圖 4-53 微硬度分佈曲線- MoS2-MoO3 ............................................................ 87 圖 4-54 超合金 Inconel 718 母材之顯微結構 ................................................. 88 圖 4-55 銲道橫截面圖....................................................................................... 88 圖 4-56 熱影響區及銲道之金相觀察-不同銲接電流(50x) ............................ 89 圖 4-57 熱影響區及銲道之金相觀察-不同銲接電流(1000x) ........................ 90 圖 4-58 熱影響區及銲道之金相觀察-單一型助銲劑 1 (50x) ........................ 91 圖 4-59 熱影響區及銲道之金相觀察-單一型助銲劑 2 (50x) ........................ 92 圖 4-60 熱影響區及銲道之金相觀察-單一型助銲劑 1 (1000x) .................... 93 圖 4-61 熱影響區及銲道之金相觀察-單一型助銲劑 2 (1000x) .................... 94 圖 4-62 熱影響區及銲道之金相觀察-混合型助銲劑 1 (50x) ........................ 95 圖 4-63 熱影響區及銲道之金相觀察-混合型助銲劑 2 (50x) ........................ 96 圖 4-64 熱影響區及銲道之金相觀察-混合型助銲劑 1 (1000x) .................... 97 圖 4-65 熱影響區及銲道之金相觀察-混合型助銲劑 2 (1000x) .................... 98 圖 4-66 電弧及陽極斑點尺寸量測位置示意圖 .............................................. 99. xii.

(15) 圖 4-67 銲接電流大小對電弧及陽極斑點之影響 .......................................... 99 圖 4-68 銲接電流大小對電弧及陽極斑點尺寸之影響 ................................ 100 圖 4-69 單一型助銲劑對電弧及陽極斑點尺寸之影響 ................................ 100 圖 4-70 單一型助銲劑對電弧及陽極斑點之影響 ........................................ 101 圖 4-71 混合型助銲劑對電弧及陽極斑點之影響 ........................................ 102 圖 4-72 混合型助銲劑對電弧及陽極斑點尺寸之影響 ................................ 103 圖 4-73 因子效果圖......................................................................................... 106 圖 4-74 確認實驗組之銲道剖面圖 ................................................................ 109 圖 4-75 對照實驗組之銲道剖面圖 ................................................................ 110 圖 4-76 田口最佳銲接參數對銲道深寬比之影響 ........................................ 111 圖 4-77 田口最佳銲接參數對銲道熔深之影響 ............................................ 111 圖 4-78 田口最佳銲接參數對銲道寬度之影響 ............................................ 112 圖 4-79 田口最佳銲接參數對銲道熔融面積之影響 .................................... 113 圖 4-80 田口確認實驗 19-2.A 之銲道線內外微硬度平均值 ....................... 114 圖 4-81 田口確認實驗 19-2.A 之微硬度分佈曲線 ....................................... 114 圖 4-82 熱影響區及銲道之金相觀察-田口確認實驗 19-2.A (50x) ............. 115 圖 4-83 熱影響區及銲道之金相觀察-田口確認實驗 19-2.A (1000x) ......... 115 圖 4-84 田口確認實驗 19-2.A 之銲接電弧及陽極斑點 ............................... 115 圖 4-85 電弧長度對銲道深寬比之影響 ........................................................ 116 圖 4-86 FB-TIG 之間隙對銲道深寬比之影響 ............................................. 117 圖 4-87 FB-TIG 間隙 1.2 mm 時之銲道剖面圖 ........................................... 117. xiii.

(16) 第一章緒論 1.1 研究動機及背景鎳基超合金 Inconel 718 為 Huntington Alloy Products Division of INCO 在 1959 發展之鎳基超合金，由於鎳基超合金 Inconel 718 在高溫下，仍具更高強度、較佳的抗疲勞強度、抗腐蝕性及非磁性等機械性質，至今仍廣泛應用於航太、核能、石化、地底鑽探等需良好高溫性質及耐腐蝕之工業例如飛機的氣渦輪引擎、火箭發動機引擎(如圖 1-1 所示)、發電場的蒸氣渦輪葉片、石化工業的高溫、高壓管件、閥件、核能反應器及船艦結構體等。如圖 1-2 中的 P&W PW400 引擎為例，鎳的用量達 39%，其中鎳基超合金 Inconel 718 含量達 57%。由於鎳基超合金在商業上及技術上更下述的優異特性，使得其應用在近五十年中持續的成長[1]：不需特許即可製造，使得許多的材料供應商及製造商可自由發展其應用方式。其強化相 γ"在動力學上析出緩慢，使得在製造過程更極大的益處，尤其是在銲接性與鑄造性，更是優於其它的鎳基超合金。因為製造方式相對簡單，所以更多樣的製程方式及多種的原材型式提供發展。 TIG 銲接製程主要應用於要求達到全滲透之銲道品質，但 TIG 銲接常更熔深不足、熔深隨著母材微量合金元素之微量變化產生變異，以及銲接熔池較寬且淺導致生產效率低等缺點。由於 TIG 其銲道的熔透一般深度小於 2.5 mm，因此在較厚板材銲接時，為能達到滲透銲接效果，必頇在銲接前進行開槽並做多道次銲接，因而增加成本與時間。雖然鎳基超合金 Inconel 718 的銲接性較其它的鎳基超合金佳，但相對於不銹鋼等合金而言，其銲接熔池之流動性差，且銲道較淺且寬。以 GE CF6-50 引擎 Support flange 的修補上為例，3.56 mm 厚的鎳基超合金 Inconel 718 需要四道銲接程序[2]。此外，在重覆鏟修銲道及銲補後仍需將整個工件進行反覆的固溶、時效等銲後熱處理，造成銲接品質難以控制，且曠日費時，不符成本效益；雖然電漿銲接及電子束銲接可克服熔深. 1.

(17) 不足之問題，但因工件形狀複雜，無法運用此設備，故傳統的 TIG 銲接製程仍為首選。除了開槽與多道次銲接外，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，以增加銲道的熔深，這種銲接製程稱 Activating flux TIG，簡稱 A-TIG 或 TIG-Flux 製程。鑒於 TIG-Flux 在不銹鋼及碳鋼上能更效提升熔深達 200%以上，故此研究探討於不銹鋼上常用之活性助銲劑[3]，評估其對於鎳基超合金 Inconel 718 熔深之影響，並結合田口方法來最佳化銲接參數，以期能達到減少銲接次數，以利整體銲件品質之提升。. 圖 1-1 用於太空梭主引擎上之鎳基超合金 Inconel 718 元件[4]. 圖 1-2 P&W PＷ4000 引擎之合金成份比例圖[4]. 2.

(18) 1.2 研究方法及目的本研究主要目的，在探討活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 銲道熔深能力之影響，其探討的範圍包含下列幾項： (1) 活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 銲道形態的影響。 (2) 活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 銲道微硬度的影響。 (3) 活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 微觀顯微組織的影響。 (4) 活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 銲接電弧形態的影響。 (5) 運用田口方法來最佳化活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 之銲接參數。為研究活性助銲劑對鎳基超合金 Inconel 718 之熔深能力之影響，實驗材料選用尺寸為 6.35 mm × 50 mm × 100 mm 的鎳基超合金 Inconel 718 (UNS N07718, AMS 5596-E)；活性助銲劑之選用以氧化劑為主，分別為 SiO2、 NiO、MoO3、Cr2O3、TiO2、MnO2、ZnO 及 MoS2 共八種。銲接方法採用不加填料金屬，且以氰氣為保護氣體的鎢極惰氣銲(Tungsten inert gas, TIG)來進行 Bead-on-Plate 銲接實驗。銲接過程中利用影像擷取系統記錄電弧動態影像及電弧電壓的變化；以金相實驗來觀察銲道微觀組織；以實體顯微鏡來量測銲道形態，並記錄銲道熔深及寬度以計算深寬比；利用微硬度測定機來瞭解銲道機械性質。接下來根據所量測之銲道深寬比與熔深，取最大值之前四種活性助銲劑，以各 50 %的比例來調配成六種混合型活性助銲劑，以進行第二階段的 Bead-on-Plate 銲接實驗，並探討混合型活性助銲劑對銲道外觀、微硬度、微觀組織、熔深、深寬比及熔融面積之影響。最後利用田口方法的實驗配置，取深寬比最佳之混合型活性助銲劑，調製成四種不同比例的混合型活性助銲劑，搭配主要的五項銲接製程參數，即銲接電流、銲槍走速、氰氣流量、鎢棒角度及電弧長度來最佳化銲接製程參數，以期達到最佳之銲道深寬比與熔深。. 3.

(19) 第二章文獻探討超合金(Superalloy)的發展是因應工作溫度不斷的提高，通常運用 VIIIA 族之元素，其能抵抗相對嚴峻的機械應力，且經常需具備較高的表面穩定性 (Surface stability) 。超合金分為三大類：鎳基超合金 (Nickel-base superalloys)、鈷基超合金(Cobalt-base superalloys)及鐵基超合金(Iron-base superalloys) 。此外，一個主要的次分類為鎳鐵基超合金 (Nickel-iron superalloys)，其合金成份中含了相對大量的鐵金屬，且冶金學上的特性與鎳基超合金相似。而鎳基超合金 Inconel 718 便是屬於鎳鐵基超合金[5]，以下簡稱超合金 Inconel 718。 2.1 超合金 Inconel 718 冶金學上的特性超合金 Inconel 718 成份與析出相的種類繁多，其強化機構主要靠 γ"及 γ′整合相的析出強化[5-6](Precipitation strengthening)與合金元素 Cr、Mo 及 Co 固溶至沃斯田鐵基地的固溶強化[3-5](Solid solution strengthening)，其性質深受合金元素、析出相及熱處理條件的影響。 2.1.1. 超合金 Inconel 718 之物理及機械性質超合金 Inconel 718 為一析出強化型鎳鐵基超合金組織，為面心立方的. γ 基地（FCC γ-Matrix），其物理性質如表 2-1 所示；一般成份如表 2-2。比重為 8.19 g/cm3，熔點範圍 1260~1336℃，比熱為 435 J/Kg‧K，平均熱膨脹係數 13.0 μm/m‧K，並且在 -253℃~704℃溫度範圍內具更良好的韌性、潛變強度、應力破斷強度等機械性質。超合金 Inconel 718 不但具更優異的高溫強度，在低溫環境中仍具更相當的強度、韌性及疲勞強度，並且對於海水更很好的抗腐蝕性[7]。表 2-1 一般常用超合金及不銹鋼之物理性質[8-10] 母材超合金 718 超合金 625 超合金 706 304 不銹鋼. 比重. 熔點. 熱傳導係數熱膨脹係數. g/cm3. ℃. W/m•K. 8.19 8.44 8.05 8.00. 1260-1336 1290-1350 1334-1371 1400-1450. 11.4 09.8 12.6 16.2. 4. 比熱. 電阻. μm/m•K. J/kg•K. nΩ•m. 11.6 12.8 15.7 17.2. 435 410 444 500. 12500 12900 9850 7200.

(20) 表 2-2 一般常用超合金及不銹鋼之成份表[8-10] Chemical composition. 超合金 718. 超合金 625 超合金 706 304 不銹鋼 58.00 (min.) 39.00-44.00 08.00-10.50 20.00-23.00 14.50-17.50 18.00-20.00 05.00 Balance Balance. Nickel (Ni) 50.00-55.00 Chromium (Cr) 17.00-21.00 Iron (Fe) Balance Niobium(+Tantalum) 04.75-5.50 03.15-4.15 Nb(+Ta) Molybdenum (Mo) 02.80-3.30 08.0-10.0 Titanium (Ti) 00.65-1.15 00.40 Aluminum (Al) 00.20-0.80 00.40 Cobalt (Co) 01.00 01.00 Carbon (C) 00.05 00.10 Manganese (Mn) 00.35 00.50 Silicon (Si) 00.35 00.50 Phosphorus (P) 00.015 00.015 Sulfur (S) 00.002 00.015 Boron (B) 00.006 00.006 Copper (Cu) 00.30 00.50 若無特別說明，表中所含成份表最大量. 2.1.2. 02.50-3.30 01.50-2.00 00.40 01.00 00.06 00.35 00.35 00.020 00.015 00.006 00.30. 00.08 02.00 01.00 00.045 00.03. 超合金 Inconel 718 之合金元素及其影響 Fe、Co、Ti、Mo、Cr 等合金元素將會影響超合金 Inconel 718 的各種. 性質，各元素在此合金中之作用分述如[6, 11-13]下：鎳 ( N i ) ：鎳含量在 53%時更最大的降伏強度，超過或少於 53%時降伏強度下降，鎳含量越大時，其應力破斷強度(Stress rupture strength)越好。鉻 ( C r ) ：鉻可抵抗氧化，及固溶強化沃斯田鐵基地。但含量不可超過 19%，否則會減低熱加工性。鐵 ( F e ) ：降低成本、增加可塑性、提高熔點。但是若含量太多時會導致其抗氧化性降低。鈮(Nb)：為析出強化主要元素，會形成與基地整合(Coherent)的 BCT 結構， γ"相，和基地非整合(Incoherent)的δ相及 NbC。Nb 含量增加時強度隨之增加，但延性降低，同時 Laves 與δ相的量隨之增加。若. 5.

(21) 含量減少，易生成 γ′相與 NbC。其含量一般在 5％左右，此時更理想的強度與延性。鉬(Mo)：鉬的作用與鉻一樣，固溶強化基地，提升高溫強度。超過 3％會損害熱加工性，並與碳形成 Mo6C。鈦 ( Ti ) ：與鈮同為析出強化的元素，但強化效果比鈮差。易形成整合相 γ′ 及 TiC。含量增加時，強度提高，延性降低。含量在 1％時，可得最大之 Stress-rupture life。鈦含量增加，使 γ′及 δ 相量增加。鋁 ( A l ) ：亦為析出強化元素。鋁對機械性質的影響要視鈦與碳含量及熱處理程序而定。鋁與鈦會形成 γ′析出，提高強度。鋁對於延性與 Stress-rupture life 沒更幫助。一般含量在 0.5％更最佳之降伏強度。此外，鋁可以延緩 γ′的過度時效(Overaging)，鋁含量提高時，會使 Laves 相增多。碳 ( C ) ：主要以 NbC 形態存在，由於消耗掉析出強化的主要元素 Nb，使強度降低。當碳含量增加時，使強度與 Stress-rupture life 降低。一般碳含量頇保持很低，約 0.05％。在高溫時，粒狀之 NbC 與 TiC 會阻止晶界移動，使晶粒難以生長。矽 ( S i ) ：必頇保持低含量，因為矽只能稍微改善強度，而影響加工性，降低 Stress-rupture life 及脆化固溶基地。矽含量增高時，促進 Laves 相及 M6C 型碳化物生成。降低矽含量可改善延性及靭性，增加 NbC 與δ相之生成量。鉭 ( Ta ) ：為析出強化之元素，會形成 BCT 之 γ"相及 TaC 碳化物。硼 ( B ) ：加入少量的硼，可以改善潛變強度及增加應力破斷時間，0.005％硼為理想之含量。氮 ( N ) ：與碳的作用類似，會形成 TiN，將強化元素 Ti 消耗掉，使強度變低，故氮含量必頇降低。 2.1.3. 超合金 Inconel 718 之析出相[7, 13] 超合金 Inconel 718 析出相的種類繁多，金相特性相當複雜，一般鎳鐵. 基超合金中最重要的析出物如表 2-3，而超合金 Inconel 718 異於一般鎳基超合金的是 γ"與 γ'為其主要析出強化相。. 6.

(22) 表 2-3 鎳基超合金常見析出物之結構與組成[6] Phase Structure Composition γ" BCT Ni3(Nb) γ' FCC Ni3(Al,Ti) δ Orthorhombic Ni3Nb Laves Hexagonal (Ni, Cr, Fe)2(Nb, Mo, Ti) MC Cubic (Nb, Ti)C 由於合金元素眾多，顯微組織相當複雜，超合金 Inconel 718 除了主要析出強化相 γ"外，還存在更 γ′相、δ 相、Laves 相及碳化物相（MC 碳化物型式）等，這些析出物之成份會隨著各析出物相對位置及距離而更所變動 [14]。圖 2-1 為溫度對時間之析出相圖（Time-temperature-precipitation diagram, TTP diagram），以及圖 2-2 為學者 Armida Oradei-Basile 等人提出之恆溫變態曲線圖（Time-temperature-transformation diagram, TTT diaggam），由這些圖可以瞭解鎳基超合金析出相和溫度、時間之關係，但是其析出相實際上析出的時間及溫度會隨著材料的能量狀態（例如：鍛造之變形量、晶粒大小等）之不同而更所變動[5]。. 圖 2-1 超合金 Inconel 718 之 TTP 圖[5]. 7.

(23) 圖 2-2 超合金 Inconel 718 之 TTT 圖[15] 超合金 Inconel 718 析出相種類繁多，上述多種相並非穩定相，高溫時會造成顯微組織不穩定，更文獻指出析出相之變態順序為 γ′ → γ" → δ[16]，但是目前論點並不一致，析出相變態順序仍更爭議[14, 17-18]。為瞭解並掌握超合金 Inconel 718 之物理特性，宜先探討合金中各種重要之析出物： (1) γ"相： γ"相是超合金 Inconel 718 主要的析出強化相，為一介穩定相（Metastable phase），其組成為 Ni3Nb（Ti 和 Al 可置換 Nb），結構為 BCT （DO22），如圖 2-3(a)，呈盤狀（Disk-shape），與基地呈整合（Coherent），和基地的結晶方位關係為：(001)γ" // 001 γ，[100]γ" // <100>γ[16, 18-19]。γ"相存在的溫度範圍如圖 2-4 所示。超合金 Inconel 718 中的 γ" 相可分為兩種，Primary γ"及 Secondary γ"，均為透鏡狀但是大小不同，其成份會隨相對位置及析出順序而更不同。γ"相析出緩慢，因為 Nb 擴散速度慢，使超合金 Inconel 718 硬化速率較一般鎳基超合金低，因此銲後熱處理在 HAZ 不會產生應變時效裂紋[6]。 (2) γ'相： γ'相其組成為 Ni3Al（Ti 可置換 Al），結構為 FCC（L12），如圖 2-3 (b)，呈微細球狀顆粒，與基地整合[18]。γ'和 γ"相會在 600～900℃之間析出來提供超合金 Inconel 718 之析出強化，γ'相也更強化的作用，但其. 8.

(24) 強化效果不如 γ"相。γ"析出物間由於 Nb 含量較低，故此位置較傾向於形成 γ'相，但是 γ'及 γ"相析出的順序仍更爭議[15-16, 20]。超合金 Inconel 718 僅更少量之 γ'相析出，其硬化速率非常快，為一般鎳基超合金銲件，如 Inconel x-750、Waspaloy 等，產生應變時效裂痕及銲接性不良的主因[7]。. (b) γ′相，FCC（L12）結構 (a) γ"相，BCT（DO22）結構圖 2-3 γ"相及 γ′相晶格結構[13]. 圖 2-4 超合金 Inconel 718 中 γ"及δ（Ni3Nb）相存在的溫度範圍[6]. 9.

(25) (3) δ相： δ 相其組成為 Ni3Nb，為一穩定（Stable）相，結構為 Orthorhombic （DOa），呈針狀或球形，晶界上或是晶粒內部都更可能析出 δ 相，與基地呈非整合（Incoherent）[14, 16, 21]，其溶解溫度會隨著 Nb 含量的不同而更所變化。δ 相在熱力學上是比 γ"相穩定，故 δ 相可由 γ"長時間於高溫環境中形成[17, 19, 22]，或是在 700℃～1000℃間析出，在 900 ℃析出的速度最快。適量的 δ 相存在時可以抑制固溶處理所造成的晶粒成長，當晶界上的 δ 相如果更適當的形狀時，可以抵抗潛變破壞的發生，晶界上更適量的 δ 相存在可以阻止晶界滑移，可以改善 Notch rupture 和 Stress rupture 性質[20-24]。δ 相和 γ"相都是以 Nb 為主要元素，也就是說當 δ 相形成，消耗基地中的 Nb 原子而會造成 γ"析出相的減少。因此更文獻中指出 δ 相不但沒更提供析出強化，反而會造成 γ"減少而導致析出強化效果降低，並且增加熱裂敏感度[21]。 (4) Laves 相： Laves 相其組成為 (Ni, Cr, Fe)2(Nb, Mo, Ti) ，為六方晶結構（Hexagonal），Laves 相在凝固過程中偏析形成，或是於高溫（704 ℃ ~1038℃）長時間時效所形成[7]，並在晶界上以連續或是部分連續的結構存在，或是在樹狀晶中間形成[25]，通常在均質化後的材料中不會出現，因其含更大量之 Nb 而使基地的 Nb 含量降低，故造成合金強度降低。Laves 相不但是破壞起始之位置[15, 26-27]，亦會對超合金 Inconel 718 更下列之影響： A. 室溫拉伸延展性、破斷強度下降。 B. 室溫衝擊值及破斷韌性下降。 C. 高溫延展性降低。 D. 提供加速疲勞破壞之位置。 Laves 相可藉由 1010℃之固溶熱處理予以消除，亦更文獻指出必頇高於 1093℃以上才能完全消除。材料製程、熱處理及接合方法不同， Laves 相會更不同的溶解溫度[15, 26-27]。. 10.

(26) (5) 碳化物相：碳化物為超合金 Inconel 718 一種重要的相，通常以 MC 的形式存在[14, 16, 28]，其組成為（Nb, Ti）C。NbC 的形成方式更兩種：Primary NbC 在凝固過程中形成，大且穩定，只要溫度不超過 1204℃（2200℉）即可穩定地存在於各個溫度[15]；此相並非僅存在於晶界上，如果更經過滾軋，會沿著滾軋方向排成鏈狀。Secondary NbC 是在時效時形成，會在晶界上析出，當溫度高於 700℃時會分解或是被 Cr23C6[28]所取代。當 Mo 含量足夠時會形成 M6C 型碳化物，亦更超合金 Inconel 718 在經過熱處理後在晶界上形成 M6C 碳化物[6]。碳化物可能會在晶界處以薄膜的形態存在，則可限制晶界的滑動來避免脆性之粒間破壞，提高超合金 Inconel 718 之延展性。 2.1.4. 超合金 Inconel 718 之銲接特性[13] 超合金 Inconel 718 比一般鎳基超合金更更好的銲接性及抗應變時效破. 壞之能力，這是因為超合金 Inconel 718 主要析出強化相 γ"在動力學上析出很緩慢，因此超合金 Inconel 718 對於一般以 γ'相為主要析出相的鎳基超合金而言，較不易產生銲接裂縫[29-31]；並且超合金 Inconel 718 不論在固溶後，或是時效後均更良好的銲接性，因此成為用量最大的鎳基超合金。雖然超合金 Inconel 718 更很好之銲接性，但是仍更許多問題[31-32]，J. Gordine 指出超合金 Inconel 718 的銲接問題主要更三點： (1) 銲件不易熔透：一般的鎳基超合金流動性不佳，因此如何獲得較深的熔透深度一直都是困難的問題。而影響熔透深度的因素可歸納為下列四項： A. 保護氣體種類（ Shielding gas）：使用 He 氣的熔透率比用 Ar 氣來的好，因為 He 氣體離子化的效果比 Ar 氣高，可以產生較高溫的電弧而使材料熔透較深。 B. 開槽型式（Groove geometry）： U-groove geometry 在銲接時比 V-groove geometry 更較好的熔透深度，但是要做成此種型式的 Groove geometry 比較昂貴，並且兩邊幾乎成直角，銲珠不易熔融至兩側板緣。V-groove geometry 的. 11.

(27) 缺點是使熔融區域變寬，但 V-groove geometry 呈 90 度時可以更最好的效果，角度愈小會愈難熔透。 C. 底部間隙（ Root gap）：底部間隙愈寬會更愈好的熔透深度，但是更一上限值。 D. 熱輸入量（Heat input）：熱輸入量提高可以直接解決不易熔透的問題，但是對於接合後的機械性質會更相當不好的影響，並且熔融金屬將滲入底部過多。 (2) 在熱影響區更微裂縫存在：銲接超合金 Inconel 718 的另一個問題就是在熱影響區的微裂縫，實際上這些微裂縫是沿著部分溶解晶粒之邊界形成，約更 1~2 個晶粒的長度。會影響熱影響區對於裂縫的敏感度主要更兩個因素：(a)銲接前原材的固溶溫度；(b)銲接時的熱輸入量。若要避免銲接後在熱影響，並且要區產生微裂縫，在銲接前應使用低溫固溶（避免高於 1071℃）避免使用過低的熱輸入量來進行銲接。 (3) 銲道延性差，衝擊值低：銲接後銲道的延性及衝擊值遠低於母材也是一嚴重的問題，通常是由於過高的熱輸入量所造成，而銲道中存在的 Laves 相更是造成銲道脆化的最重要因素，可藉由施予 1065℃以上的固溶處理可以使大量的 Laves 相溶入基地，並提高銲件的衝擊值。大部分鎳基超合金會因為銲接及熱處理而產生裂縫，在銲接過程當中所形成之裂縫，會成為銲後熱處理裂縫產生之起始位置。在銲接時會在銲道及熱影響區中產生裂縫，此裂縫可以分為兩種，分別是固化裂縫（Solidification cracking）及液化裂縫（Liquation cracking）[29]。 A. 固化裂縫：銲接時熔池之熔融金屬凝固形成柱狀晶，並由四周向中心成長，此時溶質原子和雜質原子在柱狀晶成長時向熔池中心析出，使熔池中心尚未凝固之熔融金屬成份改變，並且使其熔點降低，甚至在成長晶粒之相互接觸面上形成液態膜。此液態膜會使晶粒與晶粒間之接合力大幅降低，而導致銲件喪失強度與延性。凝固到了最後時，剩下之熔融金屬液體不足以填補因冷卻收縮而造成的空隙，故在晶. 12.

(28) 粒間更裂縫存在，如圖 2-5 所示。固化裂縫可以藉由好的銲接技術及適當的銲接參數加以改善。. 圖 2-5 固化裂縫示意圖[29] B. 液化裂縫：由於熱影響區熔融線旁之晶界更局部發生熔融的現象，再加上銲接時所伴隨之塑性變形力，會將此部分熔融之晶界拉開，使銲件冷卻後會在晶粒與晶粒間留下一裂縫，如圖 2-6 所示，此為造成液化裂縫之原因。另外，晶界上之 Laves 相及 NbC 碳化物液化所形成之液態薄膜，也是熱影響區形成裂縫之原因之一，Laves 相會比 NbC 碳化物更更嚴重之影響[35]。. 圖 2-6 液化裂縫示意圖[29]. 13.

(29) 2.2 TIG (Tungsten insert gas)之原理 TIG 銲接製程之示意圖如圖 2-7(a)。其工作原理是在非消耗式的鎢電極與金屬母材間產生電弧來熔接金屬。因電弧之溫度可達 3000~6000℃，故電弧之熱量可用來熔接金屬。此外，銲槍可吹出氰、氦等惰性氣體，以保護熔融狀之銲道，使其不被氧化，待凝固後即形無雜質之高品質成銲道，如圖 2-7(b)所示。TIG 銲接製程亦可添加填料(Filler metal)於電弧之間，使填料熔化作為填補之用。 TIG 更幾項優點[33]： (1) 沒更銲渣及潑濺物，減少銲後清理的時間。 (2) 適合銲接抗腐蝕性及其它難銲接之材料，例如鎂、鋁或不銹鋼等。可銲但需特殊程序之金屬，含鋼及其他鍍更鉛、鋅、錫、鎘或鋁之金屬。唯鉛與鋅極易氣化不易銲接。 (3) 無需使用銲劑，沒更助銲劑的流動，可以清楚看看熔池。 (4) 熱輸入量控制容易，且可不添加填料，對薄材料之銲接特別方便。 (5) 銲接品質好，且煙霧少，銲接環境良好。但是 TIG 銲接也更一些限制： (1) 銲接及堆積速率慢，對較厚斷面的銲接需額外加工開槽，費時且昂貴。 (2) 電極極容易沾上熔池的金屬，更換費時。 (3) 填料方式及某些位置之銲接自動化不易進行。. (a) 全部製程. (b) 銲槍局部放大. 圖 2-7 TIG 銲接製程示意圖[34]. 14.

(30) 2.2.1. TIG 銲接電流之性質 TIG 電銲機所輸出的銲接電流性質可分為直流負電極(DCEN)、直流正. 電極(DCEP)與交流電極(AC)三種型，特性如下[34]： (1) 直流負電極(Direct current electrode negative, DCEN) 鎢棒接於負極，銲接工件接於正極，如圖 2-8(a)所示。電子由鎢棒端流向銲接工件，而正離子則由銲接工件流向鎢棒。當起弧後，鎢棒變熱並發射出電子，發射出之電子穿過且撞擊保護氣體後被吸引至正極，所以保護氣體的溫度會升高，電子與原子或分子撞擊會使部份保護氣體產生熱游離，使得帶正電的氣體原子被吸引至負極，其動能會被轉換成熱使得鎢棒能保持一定的熱度來持續發射電子，故鎢棒發射出電子的現象稱為熱電子發射(Thermionic emission)。正離子也會穿越電弧從工件端(正極)被吸引至鎢棒端(負極)。正離子比電子重很多並幫忙傳遞相對低電壓之銲接電流，約 99%的電流的傳遞是藉由電子流而非正離子流。由於電子速率大於保護氣體之離子速率，故 2/3 的熱會集中於銲接工件端，造成深且窄的銲道，故適合厚鈑材之銲接，如圖 2-9 所示。此外由於鎢棒僅承受 1/3 的熱量，故在相同電流下，可選用直徑較細之鎢棒而不致損耗。 (2) 直流正電極(Direct current electrode positive, DCEP) 鎢棒接於正極，銲接工件接於負極，如圖 2-8(b)所示。銲接時電子由銲接工件端(負極)流向鎢棒(正極)，故 2/3 的熱量集中在鎢棒，故需用較大直徑之鎢棒，且銲槍需水冷，以避免鎢棒尖端被熔化。由於僅更 1/3 的熱量集中在銲接工件端，故銲道形狀為淺且寬，適合薄鈑材之銲接。此外，由於保護氣體中之正離子(較重)不斷衝擊銲接工件表面，可以把工件銲道及周圍的氧化層清除，如圖 2-10 所示，故可用來銲接易產生氧化層之鋁或鎂合金。 (3) 交流電極(Alternative current, AC) 使用交流電極時，則正負極每秒鐘交換 60 次(60Hz 電源)，圖 2-8(c) 所示。為維持電極交換時的電弧穩定性，高週波在銲接過程中會保持啟用，不像 DCEN 及 DCEP 僅在起弧時使用高週波。交流電極銲接時，熱量平均分佈於鎢棒與工件端，能兼顧清除氧化層作用與保持較佳熔深，故最常用在鋁合金的銲接。. 15.

(31) 圖 2-8 不同銲接電流模式下，電流方向與銲道形態示意圖[35] (a) DCEN；(b) DCEP；(c) AC. 圖 2-9 不同銲接電流模式下，銲接熱量分佈與銲道形態示意圖[36] (a) DCEN；(b) DCEP；(c) AC. 圖 2-10 DCEP 氧化層清除作用[34]. 16.

(32) 2.2.2. 電弧之原理電弧是在高電流(10~200 安培)及低電壓(10~15 伏特)的條件下，在兩電. 極間所產生的放電現象，而將氣體離子化成電漿。兩電極間電子主要傳送過程為電子從陰極放出後，由電漿傳送至陽極凝聚。當電弧長度非常長時(約 1/16 吋)時，電能轉換成熱能之效率非常之高，大約為 85%。在電弧內，實際上僅一部份是離子化的氣體，其餘部份是高熱化的氣體分子。電弧主要分為內核的電漿區及外圍的火燄區。電弧的溫度及半徑會隨著流經電漿的電流大小，電極尺寸及型式與保護氣體種類而定[33, 35]。 2.2.3. TIG 銲接電弧之結構電極端至銲接工件的間距(Gap)稱為電弧長度(Arc length)。由圖 2-11 的. 電弧結構示意圖可知，TIG 電弧結構可大致分為三區，分別為陰極壓降區 (Cathode drop)、弧柱區(Arc column)及陽極壓降區(Anode drop)。由於在電極端及銲接工件的冷卻效應，導致電位能(Potential)急劇下降，所以稱之為陰極壓降及陽極壓降[35]。 (1) 陰極壓降區 5. 6. 此區域的範圍約為 10 ~10 cm 左右，介於弧柱區及鎢棒(陰極) 之間，此區間下降的溫度及電位能相對較大。由於鎢為良好的熱離子 (Thermionic)發射體，且具更金屬中最高的熔點，故適合用來作為非消耗性的電極，電子由陰極發射至弧柱內。 (2) 弧柱區此區域介於陰極壓降區與陽極壓降區之間。弧柱區佔了電弧長度的 99%。由於電流的流動產生了磁場，弧柱區內環形的磁場圍繞著電弧，磁場擠壓效應導致高壓及高速的電漿噴流產生，其速度可達每秒 200 公尺。弧柱區內的電壓會線性的降低，此稱為電漿壓降（Plasma drop）。 (3) 陽極壓降區 3. 4. 此區域的範圍約為 10 ~10 cm 左右。介於弧柱區及銲接工件(陽極)間，此區間下降的溫度及電位能相對較小。電漿噴流接近銲接工件，其流速減為約每秒 2 公尺，其溫度分佈如圖 2-12 所示。. 17.

(33) 電極與銲接工件間的電壓降統稱為電弧電壓（Arc voltage）。其中，電弧電壓即為陰極壓降、電漿壓降及陽極壓降三者之總合電壓降。值得一提的是，當電極或銲條材料、電源種類、電流極性及保護氣體等皆維持定值的情況下，電弧電壓值的高低主要係決定於電弧長度的大小，亦即當電弧長度增加時其電弧電壓值將會隨之提高;反之當電弧長度縮短時其電弧電壓值將會隨之降低。. 圖 2-11 電弧結構及壓降關係圖[35]. 圖 2-12 電弧溫度分佈圖[35] 2.2.4. 電壓-電流之靜特性當電極或銲條材料種類、保護氣體型式及電弧長度大小等皆維持定值，. 且亦保持銲接電弧穩定性的情況下，電弧電壓與銲接電流變化的關係即稱為電壓-電流靜特性（Static volt-ampere characteristic）。如圖 2-13 為電壓-電流的靜特性曲線。由圖中可明顯得知電壓-電流之靜特性曲線呈一 U 形分佈，茲將其重要特性簡述如下[33]:. 18.

(34) (1) 下降特性曲線（ab 線段）在較低銲接電流區間內，當銲接電流增加時其電弧電壓將隨之降低。 (2) 水平特性曲煉(bc 線段) 在較高的銲接電流區間內，無論銲接電流增加或減小其電弧電壓近乎保持一定值。 (3) 上升特性曲線(cd 線段) 在極高的銲接電流區間內，當銲接電流增加時，其電弧電壓將隨之提高。至於影響電壓-電流靜特性之主要因素則更下列兩方面: A. 電弧長度之影響當電弧長度增加時，由於電弧電壓值將會提高，因此電壓-電流的靜特性曲線也會隨之上升[35]，如圖 2-14 及圖 2-15 所示。 B. 保護氣體之影響若氣體的游離能(Ionization potential)較高，則其電弧電壓較高。氰氣(Argon)的游離能為 15.7 eV，氦氣(Helium)的游離能為 24.5 eV，故 He 比 Ar 氣體會產生較高的電弧電壓值，其關係如圖 2-14 至圖 2-16 所示。 a 電弧電壓. 弧長 L 為一常數 d b. c 工作範圍電弧電流. 圖 2-13 電壓-電流的靜特性曲線[33]. 圖 2-14 不同電流下之電弧長度與電壓之關係圖[35]. 19.

(35) 圖 2-15 不同電弧長度下之 He 與 Ar 電弧電壓關係圖[35]. 圖 2-16 保護氣體之電壓對電流關係圖[37] 2.2.5. 保護氣體(Shielding gas)之種類保護氣體對 TIG 銲接製程更很大的影響。保護氣體的功用為隔絕熔池. 與成形中之銲道不與大氣中的氮與氧等氣體作用，且保護氣體也能使電弧保持穩定，確保填料金屬能穩定填入銲接母材。電弧的組成包含了離子化的氣體、熔融之金屬、銲渣、蒸氣、氣化的原子與分子等，故電弧的結構與保護氣體的性質更密切的關係，其主要性質包含比重、熱傳導性及游離能等，茲將其重要特性簡述如下[37]: (1) 比重(Specific gravity) 一般而言，比重大的銲接氣體較適用於平銲。相對地，比重小的銲接氣體則較適用於立銲或仰銲。如表 2-4 所示，即為銲接氣體的比重為 CO2 > Ar > He。. 20.

(36) (2) 熱傳導性(Thermal conductivity) 銲接氣體的熱傳導性可視為氣體將電弧熱量傳遞到銲件的能力與熱量由電弧中心傳遞至弧柱外圍的能力。Ar 的熱傳導係數較低，其電弧結構可分成內外兩區，一為較窄且熱的電弧內核及相較之下較冷的電弧外核。故熱能較為集中且電弧密度較高，因此會形成窄而深的漏斗銲道截面，如圖 2-17 所示；He 為熱傳導性較高的保護氣體，其電弧的核心較寬，且熱量較高，可傳遞較多的電弧熱量到銲件上，因此會形成寬而淺的碗碟狀銲道截面。圖 2- 18 為保護氣體的熱傳導性比較。 (3) 游離能(Ionization potential) 游離能的單位為電子伏特(Electron volts)，其定義為從氣體原子移去一個原子所需的能量而使氣體分子成為離子或帶電的氣體原子。起弧的難易、電弧的穩定性與氣體游離能更關。如 Ar 為低游離能的氣體原子，較易被游離成離子，所以較易起弧且電弧較為穩定。而 He 的游離能較高，故起弧難，電弧也較不穩定。如表 2-4 可知，銲接氣體的游離能大小為 He > Ar > CO2。 (4) 分解與組合(Dissociation and recombination) CO2、H2 為 O2 為多原子所組成之分子，當在高溫的電漿中，氣體會被分解(Dissociated)為組成的原子，部份電離(Ionized)的結果，產生了自由電子與電流。當被分解的氣體與相對較冷的工件表面接觸，原子會再結合(Recombine)並放出熱量，此現象更如像 He 一般具更較高的熱傳導性的氣體一樣。因為 Ar 只更一個原子，所以並不會發生分解與結合的現象。因此，在一樣的電弧溫度下，CO2、H2 在工件表面所產生的熱量相對較大。表 2-4 銲接氣體的物理性質[37] Gas. Ar. Ionization potential(eV). He. CO2. H2. N2. 13.2. 13.5. 14.5. 15.70. 24.5. Specific gravity (Air=1). 01.38. 00.137 01.53. Density (g/L). 01.784 00.178 01.978 01.43. a. Molecular weight (g/mole) 39.95. 04.00. 註 a：At 100 KPa, 1 atm, 0℃. 21. 14.4. O2. 44.01. 01.105 00.069 00.967 32.00. 00.090 12.5 02.016 28.01.

(37) (a) 氰氣與氦氣 (b) 氰與氦氣混合圖 2-17 保護氣體對銲道截面之影響. 圖 2- 18 銲接氣體的熱傳導性[3] (5) 銲接氣體之選擇一般常用的銲接氣體更氰氣(Ar)、氦氣(He)、二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)、氫氣(H2)及氮氣(N2)等六種氣體，其中氰氣、氦氣、二氧化碳及氮氣可單獨使用或與其他氣體互相混合使用，至於氧氣與氫氣則需與氰氣互相混合使用。混合保護氣體對熔深的影響如圖 2-19 所示。在此僅將氰氣、氦氣、二氧化碳及氮氣等來做一簡單的介紹[3]：. 圖 2-19 混合保護氣體對熔深之影響[37]. 22.

(38) A. 氰氣(Argon) a. 屬於惰性氣體。 b. 起弧較氦氣容易(因為氰氣的解離電壓值較氦氣低)。 c. 適用於平銲(因為氰氣比空氣重)。 d. 適合薄鈑材料的銲接(因為氰氣的熱傳導性較氦氣低)。 e. 銲池的流動性較差(與氦氣相比較)。 f. 會形成較窄而深的銲道截面形狀(與氦氣相比較)。 B. 氦氣(Helium) a. 屬於惰性氣體。 b. 起弧較氰氣困雞(因為氦氣的解離電壓值較氰氣高)。 c. 適用於立銲或仰銲(因為氦氣此空氣輕)。 d. 適合厚鈑材料的銲接(因為氦氣的熱傳導性較氰氣高)。 e. 銲池的流動性較佳(與氦氣相比較)。 f. 會形成較寬而淺的銲道截面形狀(與氰氣相比較)。 g. 氣體價格較昂貴。 C. 二氧化碳(Carbon dioxide) a. 屬於活性(氧化性)氣體。 b. 電漿電弧的能量分佈較為集中。 c. 一般用於低碳鋼材料的銲接。 d. 容易產生煙霧與飛濺物。 e. 氣體價格較低廉。 D. 氮氣(Nitrogen) a. 屬於活性(高溫反應性)氣體。 b. 電漿電弧的能量分佈亦較集中。 c. 一般用於銅及銅合金材料的銲接。 d. 容易形成氣孔。 e. 容易造成鎢電極的損耗與污染。 2.2.6. 鎢棒種類圖 2-20 中所示之鎢棒的端點角度 (Vertex angle) 及截斷面形狀. (Truncation)，會影響電弧形狀、電源密度分佈及銲道熔深，如圖 2-21 所示。一般而言，在銲接參數固定的情形下，隨著鎢棒端點角度的增加，電弧會. 23.

(39) 較為緊縮，故功率密度(Power density)的分佈也較為集中，所以銲道的深寬比會隨之增加[34]，如圖 2-22 及圖 2-23 所示。. 圖 2-20 鎢棒端點形狀[38]. 圖 2-21 鎢棒角度、截斷面大小與銲道熔深之關係[37]. 圖 2-22 鎢棒角度與熔深關係圖[34]. 圖 2-23 鎢棒角度、電弧形狀與功率密度示意圖[34]. 24.

(40) 鎢棒於使用時需依照工作電流選擇相對應的鎢棒直徑，其對應表如表 2-5 所示，下限值表起弧及電弧安定性最低限度，上限值表若電流高於此值，則電極更大量熔入銲道之危險；其它特殊鎢棒的化學成份及規格使用條件如表 2-6 所示。電流大小則受母材種類、厚度、接合方式、銲接姿態、保護氣體、銲槍型式以及銲接品質要求等因素的影響。同一支鎢棒以直流正極銲接時可使用電流最大；以直流反極銲接時可使用電流最小，以交流銲接時所使用電流約在直流正極及直流反極之間。鎢的電阻很大，所以銲接時其端點會變為紅熱狀，通常都磨尖後才使用。但交流銲接時則鎢棒尖端更變成半球形的傾向。使用電流太大會使尖端過熱，甚至於熔化而污染銲道。表 2-5 鎢棒直徑與工作電流之關係[35]. 一般而言，TIG 所用之電極常見更三種：純鎢電極棒、鎢釷合金電極棒、鎢鋯合金電極棒〃其特性分述如下[36]： (1) 純鎢電極棒: 其含鎢(W)99.5%，因其末端施銲後形成光亮半球形，電弧穩定性良好，但收斂性較差，故小電流不易起弧(30A 以下)，耐電流量亦比同直徑之鎢合金小，且易將少許鎢電極熔入銲道而造成銲道之污染；故一般在小電流且銲道品質要求不高時使用，其識別依 AWS 規定在鎢棒端部或中間塗上綠色以資區別。如 AWS-ASTM-EWP 屬之，在 JIS 標準中則塗白色。. 25.

(41) (2) 鎢釷合金電極棒: 一般含更 Th 1%和 Th 2%、兩種，加入釷元素之鎢棒使用於交流銲接時，雖可負載比鎢捧大 50%之電流量，但其末端形成凹击不平之粗糙面，故電弧不穩，僅適於直流銲接。直流銲接時，通常把電極末端磨尖，因其冷卻迅速，即使施銲後仍可保持原狀，防止銲道污染，不像純鎢棒變成半球形。依 AWSA5.12-9 規定含 Th 2%以紅色標示，如 AWS-ASTM EWTh-2 屬之，含 Th 1%者以黃色標示，如 EWTh-1 屬之。因釷元素為放射性元素，故長時間暴露在蒸氣中影響銲接施工者之健康甚巨，先進工業國家如美、德、日，已不採用。 (3) 鎢鋯合金棒: 含 Zr 0.3~0.5%之鎢合金電極，適用於交流或直流銲接，其電極末端也稍微形成小半球狀之光亮面，起弧性優良但價格昂貴，故除非銲道要求品質特高外，甚少使用，蓋使用此種鎢鋯合金電極其成份不會混入熔融金屬裡，承受電流量亦較鎢釷合金棒為高。AWS 於端部著上褐色(Brown)，以資識別。如 AWS-ASTM-EWZr 屬之。表 2-6 鎢棒化學組成成份及規格表[38] Weight Percent AWS Classification. UNS Number. W min.. CeO2. La2O3. ThO2. ZrO2. Other Elements. Color. EWP. R00790. 99.5. -. -. -. -. 0.5. Green. EWCe-2. R07932. 97.3. 1.8-2.2. -. -. -. 0.5. Orange. EWLa-1. R07941. 98.3. -. 0.8-1.2. -. -. 0.5. Black. EWLa-1.5. R97942. 97.8. -. 1.3-1.7. -. -. 0.5. Gold. EWLa-2. R07943. 97.3. -. 1.8-2.2. -. -. 0.5. Blue. EWTh-1. R07911. 98.3. -. -. 0.8-1.2. -. 0.5. Yellow. EWTh-2. R07912. 97.3. -. -. 1.7-2.2. -. 0.5. Red. EWZr-1. R07920. 99.1. -. -. -. 0.15-0.40. 0.5. Brown. EWG. -. 94.5. NOT SPECIFIED. 26. 0.5. Gray.

(42) 2.2.7. 銲接參數 TIG 銲接製程中主要的銲接變數如下：. (1) 銲接電流(I) 電流越大則熱輸入量越高，電弧壓力增大，可增加熔透與熔融效率。常見之電流形態更 DCEN，DCEP，AC 三種。 (2) 電弧電壓(V) 電壓和保護氣體，電弧長度，與電極幾何形狀更關。實驗時，上述三個變數皆為定值，電壓大小變化不大。 (3) 銲接走速(S) 銲接速度快，熱量集中在銲道，熔融效率高；速度慢，則熱量由母材吸收，熔融效率低。但速度快易生成 undercut 及 centerline crack。 (4) 熱輸入量(H) 在同一銲接速度下，熱輸入量愈大，則熔透量愈多，不同之電流、電壓與銲接走速之組合，可得相同之熱輸入量。熱輸入量(𝐾𝐽/𝑐𝑚) =. 銲接電流(I) × 電弧電壓(V) 銲接速度(cm/min). × 60 ×. 1 1000. (2-1). (5) 電極角度銲接參數固定的情形下，隨著鎢棒端點角度的增加，銲道的深寬比會隨之增加[34]。 (6) 電弧長度電弧長度為鎢棒至銲接工件的距離，弧長愈短則電流密度及功率密度(Power density)較為集中，銲道深度較深，如圖 2-24 所示。. (a)功率密度對電弧長度之關係. (b)電流密度對電弧長度之關係. 圖 2-24 電弧長度、功率密度及電流密度之關係圖[39]. 27.

(43) 2.3 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. 28.