球墨鑄鐵與不銹鋼摩擦攪拌點銲接合性質之研究
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(2) 誌謝. 本論文承蒙程金保博士的悉心指導，使得研究能順利完成。在研究 的歷程中，不論是在專業知識上的探索、實驗問題的解決、積極努力的 精神、做人處事的態度，都從老師身上學習很多，使我在工作之餘能更 盡力去做研究，在此謹致上最誠摯的感謝與敬意。 感謝口試委員 程金保教授、鄭慶民教授及蘇程裕教授在口試期間 提供了多寶貴的意見，讓我的論文更加完整，在此也表達了無限的感恩。 也感謝 SEM 實驗室的學弟們在假日期間還能提供我做實驗的設備，讓 我能順利的畢業，在此一併感謝。 研究期間，感謝林章棋學長在技術上的傳承、蔡佑東學長、林世弘 同學、張均豪同學、游騰德同學在碩一時給予的鼓勵與支持，當兵回來 後，感謝謝福昇學弟、曹長安學弟、簡仕奕學弟、李昂倖學弟及孫永祥 學弟提供的幫助，讓我在研究上獲得許多切磋與進步，在此深表感謝， 也祝大家一切順利。也要感謝南港高工對我的包容與支持，讓我在工作 之餘還能有時間盡力研究，在此也表達我最大感謝之意。 最後要獻上此篇論文感謝我的父母和哥哥以及所有關心我的人，因 為有你們讓我在研究的這條路上並不孤單，也謝謝妳們給予我這段時間 的關懷與照顧，萬分感激。.
(3) 摘要 摩擦攪拌點銲是摩擦攪拌銲接所衍生的另一種固態接合技術，其製 程溫度皆於母材熔點以下，可避免因熔化而產生的缺陷，適合異質材質 或是難銲材料之接合。球狀石墨鑄鐵由於機械性質優良、鑄造性良好且 價格低廉，所以在許多工程結構件上已被廣泛使用。肥粒鐵系不銹鋼因 為其抗蝕性比麻田散鐵與沃斯田鐵系不鏽鋼更加優越，常被應用在一些 腐蝕嚴重的環境中。本研究利用 1615 rpm 的主軸轉速，在 10-240 秒的 持溫時間下，探討 SUS 444 不銹鋼、球墨鑄鐵、SUS 304 不銹鋼三種異 質材料之試片，經摩擦攪拌點銲搭接接合後之微觀組織與機械性質之影 響。 實驗結果顯示，透過本研究設計的參數能使不銹鋼與球墨鑄鐵板材 產生接合，攪拌時間愈長，接合效果愈明顯，在進給邊成功接合的區域 比退出邊大。此外，在攪拌接合區域未發現因重熔凝固所產生的碳化物， 然而，由於攪拌所產生的熱及外力作用，不銹鋼產生晶粒細化現象，而 球墨鑄鐵部份則在攪拌區形成麻田散鐵組織，而熱機影響區則為類似變 韌鐵組織。而越靠近攪拌區由於晶粒細化的作用，其微硬度值也有明顯 提升。拉伸試驗結果顯示保持時間越長，其接合強度越好，尤其同材質 之接合優於異質接合。. 關鍵字：摩擦攪拌點銲、球墨鑄鐵、SUS304 不銹鋼、SUS444 不銹鋼 I.
(4) Abstract. Friction stir spot welding is another solid-statebonding technique derived from friction stir welding, the process temperature which is below the melting point of the base material can be avoided defects resulting from melting, it is suitable for joining dissimilar materials and difficult materials. Ductile iron has been widely used in many engineering structures, due to excellent mechanical properties, good casting and low-cost.. Ferrite stainless. corrosion environment for. steels have its. been. used. in. some. severe. corrosion resistance which is mo-. re superior than Martensitic stainless steel and austenitic stainless steel. In this study, the effect for microstructure and mechanical properties of SUS 304 stainless steel, SUS444 stainless steel and cast iron joining by friction stir spot welding with 1615 rpm spindle speed and 10-240 seconds hold time was investigate. The experimental results show that the parameters design in this study can produce stainless steel and cast iron plates joining together,. The stirring time is longer, bonding success area in the advancing side is larger than the retreating side. In addition, cementite structure generated by remelting and solidifying has not been found in the joints. Furthermore, the phenomenon of grain refinement has been observed in the stainless steel, due to the heat and external force produced by stirring. On the other hand, martensite structure appeared in the stir zone of ductile iron and bainite structure appeared in the thermo-mechanical affected zone, resulting in the increase of microhardness. Tensile test results present that the holding time is longer, the bonding strength is better, especially joint the same material material is II.
(5) superior to bonding dissimilar material. key word： Friction stir spot welding、 Ductile iron、SUS304 stainless steel、 SUS444 stainless steel.. III.
(6) 目. 錄. 中文摘要.......................................................I 英文摘要......................................................II 目錄..........................................................IV 表目錄.......................................................VII 圖目錄.......................................................VIII. 第一章. 緒論….................................................................................................1. 1-1. 前言.....................................................................................................1. 1-1. 研究動機與目的.................................................................................2. 第二章. 文獻探討............................................................................................4. 2-1. 摩擦攪拌點銲.....................................................................................4. 2-1-1 摩擦攪拌點銲之簡介與原理.........................................................4 2-1-2 摩擦攪拌銲接之製程....................................................................4 2-1-3 摩擦攪拌銲接之優點....................................................................5 2-1-4 摩擦攪拌銲接銲道流動行為........................................................6 2-1-5 摩擦攪拌銲接銲道橫截面區域之金相觀察................................6 2-1-6 摩擦攪拌銲接可控制變化之主要參數....................................7 2-1-7 摩擦攪拌點銲之相關研究.......................................................8 2-2. 再結晶之特性...................................................................................11. 2-3. 球墨鑄鐵簡介………....................................................................12. 2-4. 球墨鑄鐵之再結晶行為...................................................................12. 2-5. 肥粒鐵不銹鋼...................................................................................15. 2-5-1 肥粒鐵不銹鋼脆性現象…..........................................................15 2-6 肥粒鐵不銹鋼銲接性.........................................................................19 IV.
(7) 第三章. 研究方法與步驟..............................................................................20. 3-1. 實驗流程設計...................................................................................20. 3-2. 實驗前置作業...................................................................................22. 3-2-1 實驗材料.............................................................................22 3-2-2 銲接設備………...............................................................22 3-2-3 攪拌桿設計................................................................................23 3-2-4 銲接參數設定..............................................................................23 3-3. 金相顯微組織觀察..........................................................................26. 3-4. 微硬度試驗.......................................................................................26. 3-5. TSFL 試驗...................................................................................27. 3-6. SEM 顯微觀察..................................................................................29. 第四章. 實驗結果與討論..............................................................................30. 4-1. SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵.............................................................30. 4-1-1 點銲微觀組織觀察..........................................................30 4-1-2 微硬度試驗…………..........................................................32 4-1-3 TSFL 試驗.......................................................................32 4-1-4 SEM 試驗.........................................................................33 4-2. SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵…..........................................................41. 4-2-1 點銲微觀組織觀察..........................................................41 4-2-2 微硬度試驗…………....................................................... 42 4-2-3 TSFL 試驗.....................................................................43 4-2-4 SEM 試驗.........................................................................43 4-3. SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼..................................................50. 4-3-1 點銲微觀組織觀察..........................................................50 4-3-2 微硬度試驗………….......................................................50 V.
(8) 4-3-3 TSFL 試驗.....................................................................51 4-3-4 SEM 試驗.........................................................................51 4-4. SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼..................................................59. 4-4-1 點銲微觀組織觀察..........................................................59 4-4-2 微硬度試驗…………....................................................... 59 4-4-3 TSFL 試驗.............................................................. .......60 4-4-4 SEM 試驗.........................................................................60 第五章. 結論..............................................................................68. 5-1. SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵........................................68. 5-2. SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵........................................68. 5-3. SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼.............................69. 5-4. SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼.............................69. 第六章. 參考文獻........................................................................71. VI.
(9) 表. 目. 錄. 表 2-1 拉伸溫度及應變速率對矽含量 3.9wt%之球墨鑄鐵再結晶發生的 影響(true strain = 0.6~0.7)…...........................................................14 表 2-2 成份與微結構對高溫脆化的影響..................................................18 表 3-1 三種實驗材料化學成分表(wt%).................................................... 23 表 3-2 銲接參數設定………………………...............................................25. VII.
(10) 圖. 目. 錄. 圖 2-1. 摩擦攪拌銲接製程之示意圖................................9. 圖 2-2. 銲點橫截面進給邊與退出邊示意圖.........................9. 圖 2-3. 摩擦攪拌銲接擠塑區的材料流動模型.....................10. 圖 2-4. FSSW 銲道橫截面顯微結構示意圖....................10. 圖 2-5. 不同矽含量砂模鑄造試片拉伸性質與溫度之依存性：(a) 5%應變量之流應力；(b)延伸率，應變速率為 3.3× 10 -3 s-1 ..13. 圖 2-6. 球墨鑄鐵在最高加熱溫度 800 ℃之熱循環過程時肥粒 鐵 基 地 產 生 再 結 晶 . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 1 4. 圖 2-7. 鉻含 量 與時 間 對 σ 相 成 形 相 對 關 係 圖 . . .. .. . .. . .. . .. . . .. . .. .. 1 7. 圖 2-8. 不同氮與碳含量對材料韌性的影響(a)815℃(1500℉)/1hr/WQ a n d ( b ) 11 5 0 ℃ ( 2 1 0 0 ℉ ) / 1 h r / WQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 1 8. 圖 2-9. 一 些 商 業 用 鋼 利 用 Va r e s t r a i n t t e s t 銲 接 凝 固 裂 縫 敏 感 度.........................................................19. 圖 3-1. 實驗流程圖.................................................21. 圖 3-2. 試片示意圖：(a)2mm；(b)3mm…......................24. 圖 3-3. 球狀石墨鑄鐵(左)、SUS304 不銹鋼(中)與 SUS444 不銹鋼 (右)之 BM 區金相組織圖...................................... 24. 圖 3-4. 實驗用床台立式銑床………...............................25. 圖 3-5. 攪拌桿形狀尺寸圖............................................25. 圖 3-6. F u t u r e - Te c h F M - 7 0 0 型 微 硬 度 試 驗 機 … . . . . . . . . . . . 2 7. 圖 3-7. 試片硬度取點示意圖........................................27. 圖 3-8. 試片經 FSSW 點銲外觀圖............................... 28. 圖 3-9. 國產 58503 型萬能材料試驗機..........................28. 圖 3-10. 拉伸試片示意圖...............................................28 VIII.
(11) 圖 3-11. JEOL JSM6360 電子顯微鏡.........................29. 圖 4-1. FSSW 試片橫截面巨觀圖.............................34. 圖 4-2. SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之 銲點型態： (a)10 秒; (b)30 秒; (c)60 秒; (d)90 秒.......35. 圖 4-3. SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵接合之不同區域微觀組 織.........................................................................36. 圖 4-4. SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合 之微硬度分佈：(a)10 秒；(b)60 秒；(b)90 秒............................38. 圖 4-5. SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合 之強度與破斷面型態..................................…....................39. 圖 4-6. SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵經不 同 時 間 結 合 後 之 拉 伸 破斷 面 顯微 組織 .. ... ... ... ... .. ... ... .. ... .. ... ... ... ... .. ... ... .. . .4 0. 圖 4-7. SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合 之銲點型態：. (a)120 秒;. (b)180 秒;. (c)240. 秒..................................................….......44 圖 4-8. SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵接合之不同區域微觀組 織............................................................... 45. 圖 4-9. SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之 微硬度分佈：(a)120 秒；(b)180 秒；(b)240 秒。..................................................….......45. 圖 4-10. SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之 強度 與破斷面型態............................................ .........48. 圖 4-11. SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵經不同時間結合後之拉伸破斷面 顯微組織................................................. ...............49. IX.
(12) 圖 4-12. SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合 之銲點型態： (a)10 秒; (b)30 秒; (c)60 秒; (c)90 秒。....52. 圖 4-13. SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼接合之不同區域微觀 組織.................................................................................53. 圖 4-14. SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下 接合之微硬度分佈：(a)10 秒；(b)30 秒；(c)60 秒；(c)90 秒。...55. 圖 4-15. SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合 之強度與破斷面型態..............................................................57. 圖 4-16. SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼經不同時間結合後之拉伸 破斷面顯微組織............................................. ...................58. 圖 4-17. SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合 之銲點型態：(a)10 秒; (b)30 秒; (c)60 秒; (c)90 秒。...61. 圖 4-18. SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼接合之不同區域微觀組 織.......................................................................... ..........62. 圖 4-19. SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合 之微硬度分佈：(a)10 秒；(b)30 秒；(c)60 秒；(c)90 秒。..…64. 圖 4-20. SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合之 強度與破斷面型態...................................................66. 圖 4-21. SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼經不同時間結合後之拉伸 破斷面顯微組織...............................................67. X.
(13) 第一章. 緒論. 1-1 前言 摩擦攪拌點銲技術(Friction Stir Spot Welding, FSSW)是以摩擦攪拌 銲法為基礎發展出來的另一種線性的固態焊接技術，兩者不同之處在前 者的攪拌頭是垂直的上下移動，後者為直線的前進移動。目前汽車產業 為了要輕量化，大多採用鋁、鎂合金製作引擎蓋、行李箱蓋、升降門等， 在整體的接合裝配上，若用傳統的電阻點銲接合，需要耗費大量的電流， 在銲縫中容易出現缺陷以及銲點品質不穩定、銲接後容易發生工件變形 等缺點。因此，摩擦攪拌點銲被設計用來取代傳統的電阻點銲。其整個 銲接製程主要分為三個階段：(a)下壓置入期；(b)攪拌期；(c)收回期[1-4]， 如圖 2-1 所示。製程的溫度都在母材的熔點以下，約為絕對熔點溫度的 60-80%，在接合部位只有單純發生組織變化(或相變態)，屬於低能量的 銲接，銲後產生的缺陷少、銲道品質較佳、殘留應力低，尺寸穩定性佳、 銲後變形小，無體積的損失、設備便宜、操作簡單易自動化、材料成分 不會因為銲接改變、對環境沒有汙染，可適用於難銲接材料和異種材質 之接合等多項特點[5]。而影響摩擦攪拌點銲的主要參數有四個：摩擦攪 拌的速度、攪拌頭的下降速度、攪拌的進給深度與攪拌頭在銲點停止下 降的停留時間[1,6]。 球狀石墨鑄鐵(ductile iron , 以下簡稱球墨鑄鐵)為鑄鐵熔煉過程中 添加了球化與接種劑所形成的，且本身的強度、延性、韌性等機械性質 優良，又稱為延性鑄鐵。其價格低廉、鑄造性、耐磨性及致震性良好， 若再加以熱處理施作，亦可依據需求對其性質做適度的調整，至今已成 為工業上重要的結構材料，廣泛應用於石化、機械製造及汽車零件等工 業[7]。但是，球墨鑄鐵往往在這些場合中會需要與其他鋼材做異質接合， 1.
(14) 目前國內球墨鑄鐵之異質金屬接合技術主要包含利用活性填料金屬的 擴散接合、氣體電弧鎢極銲接(GTAW，俗稱 TIG 銲接)及摩擦銲接 (friction welding)，分別和低膨脹係數的鑄鐵、中碳鋼等材料接合[8-10]。 肥粒鐵系不銹鋼因其抗孔蝕(pitting corrosionn)、間隙腐蝕 (crevice corrosion) 與晶界腐蝕 (intergranular corrosion)特性較佳，相對於沃斯田 鐵系不銹鋼具有較低的熱膨脹係數、高熱傳係數、抗高溫氧化與抗氯之 應力腐蝕裂縫等優點，與球墨鑄鐵一樣，常被應用在石化工業、汽車工 業等地方。也因為其成本較低，所以應用在汽車排氣管的沃斯田鐵系不 銹鋼，也常被低鉻的肥粒鐵不銹鋼替代[11,12]。沃斯田鐵系的不銹鋼是在 高鉻的不銹鋼中添加了 Ni 元素而成，以 18-8 型的 304 不銹鋼為具代表 性，其耐蝕性、耐熱性與耐高溫腐蝕性優良，被廣泛應用在高溫的零件 上，如：熱交換器、化學反應器或是汽車的排氣歧管等地方[13]，但不銹 鋼在銲接後其熱影響區的微觀結構與機械性質，會因為溫度的變化而有 所改變，可能對不銹鋼的機械性質或抗腐蝕性有不良的影響，特別是有 化合物與析出物在銲件上產生時最為顯著。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[14]，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。. 1-2 研究動機與目的 近年來由於球墨鑄鐵優異的機械性能，已被廣泛的應用。但是在熔 融銲接後，易造成銲接時球墨鑄鐵所含的碳在熔融過程會擴散進入沃斯 田體(austenite)相，加上熔融完急速凝固，所形成硬脆之麻田散鐵 (martensite)與雪明碳鐵(cementite)等組織，對於銲件之延性下降和硬度 增加後加工的不良影響，如：接合強度降低、熱裂等問題，尤其異質材 料接合的技術上，難度更高，所產生上述的問題更明顯，若是利用摩擦 2.
(15) 攪拌點銲，應該能夠解決其所產生的缺陷。 本實驗選用 SUS304 不銹鋼、SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵為實驗材料， 使用不同的製程參數，利用摩擦攪拌點銲分別對 SUS304 不銹鋼、 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵異質金屬板材進行 FSSW 搭接接合，以探討 FSSW 在接合後材料的微觀組織與機械性質，研究之具體目的分述如 下： 一、改變不同製程參數及條件，探討 SUS304 不銹鋼對 SUS304 不銹鋼、 SUS304 不銹鋼對 SUS444 不銹鋼、SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵及 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵等四種材料搭接在摩擦攪拌銲接之適當 接合條件。 二、經由金相觀察及微硬度試驗瞭解接合區域之顯微結構特性。 三、經由拉伸試驗瞭解材料接合強度與破壞性質。. 3.
(16) 第二章. 文獻探討. 2-1 摩擦攪拌點銲 2-1-1 摩擦攪拌點銲之簡介與原理 摩擦攪拌點銲(friction stir spot welding, FSSW)係在 1991 年，由 Wayne Thomas 於英國銲接研究中心(the welding institute, TWI)發表的一 種新式銲接製程技術-摩擦攪拌銲接(friction stir welding, FSW)中衍生出 來的另一種銲接技術[1]。其原理係利用安裝在銑床上的攪拌桿，在高速 旋轉下將其击梢(probe)旋入材料使材料受到攪拌生熱軟化材料具備相 當的流動性，並藉摩擦攪拌的形成塑性流以進行接合。在整個銲接過程 中，銲道接合的部位溫度始終維持約 0.6-0.8 絕對熔點溫度(Tm)而未達銲 件熔點[1]，所以僅是單純發生組織變化(或相變態)並未產生熔融的現象 且操作容易、適合異質材料的接合等，故可避免傳統銲接後所產生的諸 多缺點，如：外觀嚴重變形、孔洞的生成、銲後成分改變或材料噴濺等 [15]. ，是當前頗具潛力的接合技術。. 2-1-2 摩擦攪拌點銲之製程 摩擦攪拌點銲製程如圖 2-1 所示[1]，係使用具高強度圓鋼棒做為攪 拌桿，其前端為肩部(shoulder)中心延伸出一長度略少於欲銲工件之厚度 击梢或探針(pin or probe)。銲接時銲件以搭接形式並使用夾具固定於機 器床台或工作台上，攪拌桿在高轉速下旋轉，击梢壓入欲接合部位，下 壓至击肩接觸到工作表面為止。下壓的過程中，經由攪拌桿摩擦攪拌所 產生的摩擦熱，對周圍的金屬加熱至銲件塑性變態的溫度狀態。隨著停 止下降的停留時間增長，攪拌桿的旋轉及击梢對材料產生攪動作用，將 塑性變形層的材料攪拌在一起，待冷卻後即形成緻密的銲道並使工件產 4.
(17) 生接合的效果[1]。. 2-1-3 摩擦攪拌點銲之優點 摩擦攪拌點銲在製程中材料並無熔化的狀態產生，故與摩擦攪拌銲 接具有相同的三大治金上之優勢；首先，沒有液-固相變，所以不會產 生凝固裂縫；其次，合金元素於銲接過程中不會燒毀或蒸發；最後，因 為擠壓、鍛壓、攪拌作用使得銲道產生精緻細化的等軸晶粒。而與傳統 電組點銲比較，具有下列所述優點[16-20]： 1.. 沒有煙氣、噴濺物、UV 輻射，因此銲接環境良好，也較不會產生 對操作人員因使用大電流而引起的電磁波噪音所引起的職業性健 康危害。. 2.. 沒有填料或遮蔽氣體的需求。. 3.. 由於材料在銲接過程並未熔解，幾乎沒有熱變形，銲件變形量極小、 殘留應力小與抗疲勞強度高，對於銲接部位品質要求較高的強度與 電阻點銲相當，且品質穩定。. 4.. 不需要填加合金元素，適合異種金屬材料銲接。. 5.. 使用銲接的設備及機具加工技術簡單，不需要專用機台、冷卻水和 保護氣體等其他的輔助，亦可將傳統式銑床或 CNC 銑床改造代替， 因此使設備成本大幅度降低不少。. 6.. FSSW 的節能效率甚佳，僅消耗傳統電阻點銲二十分之一的能源。. 7.. 以鋁合金為例，能夠得到與傳統銲接法等值甚至超出的機械性質。. 8.. FSSW 製程所使用的攪拌頭壽命極長，在不會出現損耗的情況下可 達 10 萬次以上的使用量，相對地減少工業成本。. 5.
(18) 2-1-4 摩擦攪拌點銲銲點流動行為 摩擦攪拌點銲依攪拌桿旋轉方向，銲點部位可分為進給邊 (advancing side)與退出邊(retreating side)，在銲點之橫截面攪拌桿迴轉方 向由材料外往內移動之邊稱之為進給邊；旋轉方向由材料內往外移動之 邊稱之為退出邊，如圖 2-2 所示。 摩擦攪拌點銲的材料流動行為相當的複雜，材料同時受到攪拌頭與 材料表面摩擦產生的熱量以及攪拌頭施予材料內部的擠鍛作用而結合 起來。 且材料內部的塑性流動通常是由攪拌桿击梢在高速迴轉所產生 平面流動的塑性流場(flow fields)，沒有上下移動的情況；延著旋轉的击 出銷表面邊緣產生塑性流場即環狀漩渦流(或稱maelstrom)環繞著击梢， 它使金屬塑流在击梢附近上下移動，此為螺紋型击梢所驅使產生的封閉 迴路，流動過程依序為從击梢的底部到外緣、接著流動到击梢上側外緣， 最後再回到击肩下方連接击梢邊緣處；此等量的線型流(epuivalent streamilines)會形成甜甜圈(donut)或煙圈(smoke-ring)等形狀，圍繞在击 梢周圍附近。此種塑流如與前兩種流場重疊包覆在一起，會引起非常複 雜的流動[21]，如圖2-3所示[17]。. 2-1-5 摩擦攪拌銲接銲道橫截面區域之金相觀察 由巨觀上觀察，當摩擦攪拌銲接工作完成後，會在銲道接合處的橫 截面，形成 BM、HAZ、TMAZ、SZ 四個顯微結構區[22,23]，如圖 2-4 所 示，其名稱與性質分述如下：BM 區為母材(base metal)或非塑性影響區 (unaffected material)：此區之材料 FSSW 點銲過程並未受到影響，即原 始施銲之材料。HAZ 區為熱影響區(heat affected zone)：介於母材和熱機 影響區之間，此區的晶粒僅受摩擦熱造成晶粒成長，並未受到 FSSW 銲 6.
(19) 接過程中攪拌桿旋轉與塑性變形的影響，其晶粒組織與母材相似，通常 其平均晶粒尺寸，會由原本之晶粒再結晶，並進一步成長至更粗大的晶 粒，使其機械性質隨著晶粒尺寸增加而變差。TMAZ 區為熱機影響區 (thermo-mechanically affected zone)：介於攪拌區與熱影響區之間，為一 既受熱影響又產生變形的區域，具高變形組織。進給邊與退出邊兩側的 微觀構造略有不同。SZ 區為攪拌區(stir zone)：位於銲道中央，直接受 攪拌桿的攪拌、擠壓、鍛壓等激烈變形的影響，為塑性變形後所產生的 動態再結晶區，此區域特徵為具有微細之等軸再結晶晶粒，有助於銲道 強度增強作用。. 2-1-6 摩擦攪拌點銲可控制變化之主要參數 摩擦攪拌點銲可控制之參數，包括：攪拌桿材質與外形、銲接材料、 攪拌桿下壓至母材的壓力及深度、攪拌桿轉速、攪拌桿轉向、攪拌頭在 銲點停止下降的停留時間、攪拌頭的下降速度，以上為主要可控制銲接 參數。 1.. 攪拌桿轉速參數變化：將攪拌桿轉速提高，攪拌桿與銲接材料的摩 擦就會越激烈，相對在銲接過程中熱輸入量就會越高。反之轉速減 低則熱輸入量越低。. 2.. 攪拌桿击梢的幾何形狀：變化攪拌击梢上的螺紋為參數，螺紋對於 銲道內部材料流動變化有渦流、垂直和水平旋轉流動；加上螺紋的 作用會產生剪力，銲道的晶粒受塑性變形與剪力作用，使晶粒更容 易均勻攪細[24]。所以變化攪拌捍击梢的形狀對於銲道晶粒結構和外 形會有明顯不同。. 3.. 攪拌桿轉向的參數變化：摩擦攪拌點銲的攪拌击梢上的螺紋旋向會 因轉向的不同(順時針或逆時針旋轉)，銲道的形狀也會跟著不同； 7.
(20) 而在異種材接合時，因攪拌桿击梢轉向不同的關係，也會造成異種 材在銲道內部的塑流分佈不同情況產生。 4.. 攪拌桿下降速度參數：攪拌桿上的肩部接觸母材的下降速度快慢與 材料本身受力成正比。. 5.. 攪拌頭在銲點停止下降的停留時間：摩擦攪拌點銲攪拌桿的肩部與 材料表面接觸的時間越長，在相同的轉速下，所輸入的熱量會與時 間成正比。. 2-1-7 摩擦攪拌點銲之相關研究 目前許多相關的研究報告對摩擦攪拌點銲參數的影響及塑性流動 行為作分析，主要在針對不同材料探討最佳的接合參數以及對材料之影 響。 在銲接參數影響方面，由 Mustafa Kemal Bilici[25]等人提出，利用田 口法，以摩擦攪拌點銲銲接高密度聚乙烯試片（HDPE）來獲得最好的 接合參數，由實驗結果可知其最佳的銲接轉速為 700rpm，時間為 60 秒， 刀具壓入的深度為 6.2mm。另外靠著主軸旋轉，停留的時間是最主要影 響銲接強度的銲接參數，此結果說明了並非所有材料在摩擦攪拌點銲的 過程中，都能在短時間內銲接，而是要依材料性質去改變停留時間來達 到最佳的銲接強度。D.-A. Wang[2]等人則利用固定主軸轉速 3445rpm， 1740N 的力量，分別以 38 秒和 41 秒對 6061-T6 的鋁試片進行接合，再 由剪切破壞試驗來分析破斷位置以及性質。由實驗結果顯示頸縮或是剪 切破壞的位置可能為凹槽尖端附近或是由靠近銲核附近的 TMAZ 斷裂； 硬度方面 HAZ 以及 TMAZ 之間是最柔軟的區域，通過 TMAZ 後越接近 攪拌區硬度漸漸增加，而裂縫往往是在最柔軟的區域開始發生。由此說 明點銲大多破壞再靠近銲核附近，尤其是 TMAZ 之處。 在塑性流動方面，Q. Yang[26]等人提出塑性流動的產生在击梢與肩 8.
(21) 部的協同作用，由於旋轉對稱，材料沿著一個虛擬的倒錐狀螺旋線表面， 達到同步旋轉及相下斜的轉動，如圖 2-3。而攪拌區主要是由击梢的旋 轉，裡面提到了三種材料的傳輸過程：(1)下試片向上移動且與上試片的 材料結合；(2)結合的材料以螺旋式沿著击梢下降；(3)由击梢開始結合 之材料有助於形成攪拌區。由此可說明下方材料受到擠壓與迴轉作用會 向上流動迴轉，並與上方材料做結合，且可產生攪拌區。. 圖 2-1 摩擦攪拌點銲製程之示意圖[1]. Retreating side Advancing side. 圖 2-2 銲點橫截面進給邊與退出邊示意圖 9.
(22) 圖 2-3 摩擦攪拌銲接擠塑區的材料流動模型. [17]. 無比例尺 BM：母材(Base Metal). HAZ：熱影響區(Heat Affected Zone). TMAZ：熱機影響區(Thermo mechanically Affected Zone). SZ：攪拌區 (Stir Zone) 圖 2-4 FSSW 銲道橫截面顯微結構示意圖[22,23] 10.
(23) 2-2 再結晶之特性 原子在溫度較低時，較不容易擴散，材料經過大量的塑性變形後，內 部所累積大量的應變能只能藉由空孔或差排的移動來降低，但溫度升高的 情況下，原子可充分地進行擴散及重新排列，且大多在舊晶粒晶界處產生 差排量少之新晶粒成核與成長的現象，此現象即所謂的再結晶。且再結晶 所形成之晶粒其內部的差排密度低[27,28]，甚至無差排，使得材料因差排密 度降低而延性提高，強度下降。再結晶晶粒會在舊晶粒界、過渡帶(transition band )、剪切帶(shear band)以及大的第二相顆粒等高應變能處成核[29,30]。 靜態再結晶(static recrystallization, SRX)是在變形後或變形之後，加以 退火所產生的再結晶行為，其成核的驅動力是來自於兩相鄰晶粒間之應變 能差，也就是當晶界兩邊的晶粒，其內部差排密度不同時，將促使再結晶 開始成核，形成一個具有完整晶格的新晶核。靜態再結晶發生的區域通常 是在高度晶格扭曲的位置，當再結晶晶界掠過充滿差排的晶粒，其掠過的 區域將重新排列成一個完美晶格的晶粒。 動態再結晶(dynamic recrystallization, DRX)一般是發生在材料高溫塑 性變形時[29,31]。當材料發生塑性變形時，材料會硬化，而動態再結晶的產 生，將會使材料軟化，降低材料變形時的塑流應力(flow stress)。DRX 的發 生受到相當多因素影響，如材料純度、溫度、應變量及應變速率等[32]。整 體而言，應變速率及溫度的上升會促進 DRX 之發生；當再結晶形成時， 晶粒內部是一完整晶格，因此當它的晶界掠過差排密度很高的區域時，會 使差排密度下降至零，可是隨著塑性變形的增加，新的晶粒內的差排密度 又逐漸增加，所以我們可以發現在新的晶粒內部遠離晶界的地方，差排密 度會與被晶界掠過的區域一樣。. 11.
(24) 2-3 球墨鑄鐵簡介 球墨鑄鐵於 1948 年由 BCIRA 所發明[33]，其結合了灰口鑄鐵低熔點、 良好的流動性及鑄造性、優異的切削性、良好的耐磨性等優點和鋼在工程 上高強度、靭性、延性、熱處理性的優點，所以廣泛應用於各類機械零件， 如击輪軸、內燃機曲軸、汽車離合器、底盤零件和排氣岐管、機械中的閥 體、鋁合金鑄造模、鑄管、熱軋輥輪和鋼錠模等[34,35]。 球墨鑄鐵的製作過程，是在一般鑄鐵融液中，添加球化劑(鎂或鈰)， 同時以矽鐵作為接種劑加以處理後，在鑄造狀態下析出球狀石墨組織。球 墨鑄鐵中的石墨因表面積與體積之比小，以致於球墨鑄鐵應力集中現象較 不明顯，進而使得金屬基體的強度和靭性可以得到充分的發揮。與一般鑄 鐵相比，球墨鑄鐵具有較高的強度和較好的塑性及靭性，再加上適當地調 節鑄鐵的成份時，可以使得鑄鐵的基地成為波來鐵或肥粒鐵組織，而能得 到強靭性差不多和鋼相同的鑄件。 球墨鑄鐵由於含碳量較一般碳鋼高出許多，導致在銲接熔融過程中， 碳受到高溫擴散進入沃斯田體(austenite)相，形成高碳之沃斯田鐵，熔融完 成後由於急速的冷卻凝固，則會形成硬脆之麻田散鐵(martensite)與雪明碳 鐵等組織，造成銲件之延性劣化與後加工的問題[36-38]，所以球墨鑄鐵的銲 接性一直是工程界亟待解決的問題。一些研究也希望藉由預熱、銲後退火 及改變銲條熔融方式等方法，來消除或降低因熔融銲接後重熔凝固區的硬 脆相，但效果相當有限. [39,40]. 。. 2-4 球墨鑄鐵之再結晶行為 Cheng 等[41]人曾探討肥粒鐵基球墨鑄鐵在 500~900℃之高溫拉伸試驗 下其塑性變形的行為，如圖 2-5 所示。結果發現約在 700℃以上拉伸溫度 12.
(25) 時，肥粒鐵基地因拉伸變形產生動態再結晶。發生動態再結晶現象主要受 拉伸溫度、應變速率以及基地微觀組織三種因素之影響。拉伸溫度較高、 應變速率較低、微觀組織細化等條件對動態再結晶之發生有促進作用，如 表 2-1 所示。而肥粒鐵基球墨鑄鐵在拉伸變形過程發生動態再結晶之臨界 溫度約為 700℃左右。先前研究曾探討球墨鑄鐵在反覆溫度劇烈變化下之 熱疲勞行為[40]，文獻表示在最高加熱溫度 800℃時由於熱誘發應變作用使 肥粒鐵基地產生再結晶作用導致高溫變形現象，如圖 2-6 所示。. 圖 2-5. 不同矽含量砂模鑄造試片拉伸性質與溫度之依存性：(a)5% 應變量之流應力；(b)延伸率，應變速率為 3.3× 10-3s-1 [41]. 13.
(26) 表 2-1 拉伸溫度及應變速率對矽含量 3.9wt%之球墨鑄鐵再結晶 發生的影響(true strain = 0.6~0.7)[41]. 圖 2-6. 球墨鑄鐵在最高加熱溫度 800℃之熱循環過程時 肥粒鐵基地產生再結晶[42]. 14.
(27) 2-5 肥粒鐵不銹鋼 肥粒鐵不銹鋼因為含有較高的鉻與鉬，對於氯化物或在氯氣環境之中， 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。其含依鉻量可分為：(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，如熱交換設備或是耐海水設備等，如：type 430、 434、444；(3)高鉻(＞25 wt％)化學工廠、造紙業、精煉廠，如：type 446。 肥粒鐵不鏽鋼的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，因其抗腐蝕性甚至比麻田散鐵與沃斯田鐵 系不鏽鋼更加優越，但是因為肥粒鐵不鏽鋼不論在高溫或是低溫時都是呈 現肥粒鐵組織，故無法利用熱處理來改善其機械性質。 肥粒鐵不銹鋼性質與軟鋼較為接近，加工成形容易，也易於銲接，但 是銲後會產生的脆性破壞以及耐蝕性下降問題，一般不銹鋼中若有添加一 些鈦(Ti)與鈮(Nb)，更容易比鉻(Cr)在銲接時與碳結合成析出物，增加其耐 蝕性。. 2-5-1 肥粒鐵不銹鋼脆性現象 根據 Thielsch[43]與 Demo[44]之研究結果，影響肥粒鐵不銹鋼的機械性 質的三種脆化現象：(1)475℃(885℉)脆性，(2)Sigma phase 脆性，(3)高溫 脆性，鉻含量越高越容易加速產生脆化現象。. 一、475℃ 脆性現象 肥粒鐵不銹鋼在 475℃會因鉻含量產生熱脆性，鉻含量越低肥粒鐵不 銹鋼越不受影響，例如 types 405 與 type 409 此種低鉻含量鋼材可以忽略 475℃ 脆性影響[45]。 15.
(28) 二、 σ 相脆性 σ 相在含鉻 20 到 70wt％的 Fe-Cr 合金中，並曝露在溫度 500~800℃(930~1470℉)的時間下數個小時產生。Fe-Cr 合金的含鉻量低於 20 wt％σ 相通常需要曝露在溫度 500~800℃數百小時才會成形，而在高鉻 不銹鋼合金中，σ 相成形速度隨著含鉻量提高而增加，只需要曝露在溫度 500~800℃(930~1470℉)幾個小時即可[45]，鉻含量與時間對 σ 相成形相對關 係，如圖 2-7 所示。. 三、 高溫脆性(High-Temperature Embrittlement, HTE) 高溫脆性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[43]。 往往影響 HTE 的因素是材料成份，如碳、氮、氧是影響肥粒鐵不銹鋼 HTE 最主要元素。肥粒鐵不銹鋼會因溫度提高後，在冷卻時於晶界上生成 碳化物、氮化物、碳氮化物等促使材料的韌性、抗拉強度與腐蝕性產生降 低的析出物，如圖 2-8 所示為不同氮與碳含量對材料韌性的影響，可發現 材料在含氮量 0.022％以上韌性會嚴重的降低。一般來說，從高溫(＞0.7 Tm) 冷卻下來時，含鉻量豐富的碳化物、氮化物不銹鋼會有 HTE 現象[44,47,48]； 含鉻量較低的不銹鋼則不會，但是從高溫冷卻下來的冷卻速率較低，一些 析出物的產生也會降低材料的延性與韌性[49]，總結高溫脆化的原因，如表 2-2 所示。. 16.
(29) 圖 2-7 鉻含量與時間對 σ 相成形相對關係圖[46]. 17.
(30) 圖 2-8 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[48]. 表 2-2 成份與微結構對高溫脆化的影響[50] Variable. Effect. Carbon＋Nitrogen. Intensifies severely. Chromium. Intensifies. Oxygen. Intensifies slightly. Grain size. Small for high C＋N. Titanium, Niobium. Reduces. 18.
(31) 2-6 肥粒鐵不銹鋼銲接性 氫脆裂(HIC)或凝固裂縫兩種缺陷往往在大部分肥粒鐵不銹鋼銲接後 產生，低鉻合金不銹鋼對銲接裂縫敏感性比較低，針對此兩種之研究常常 發生於中鉻合金(HIC)，其與凝固裂縫的敏感性被討論於文獻[51-54]。 在最後冷卻時，晶界旁的一些雜質與元素因凝固溫度的較低，故合金 冷卻凝固時，雜質和元素與合金之間產生化合作用分離，故銲接凝固裂縫 常常因合金凝固時發生在晶粒的晶界。當合金的主要相為肥粒鐵時，對銲 接凝固裂縫的敏感性會變低，當合金在凝固時，會因加入一些鈦(Ti)與鈮 (Nb)元素或其他雜質，使得合金凝固熱裂敏感性提高。為了避免合金因凝 固時裂縫的產生，必頇要降低合金的熔融凝固。 合金凝固裂縫敏感性之間的關聯性，下列針對肥粒鐵不銹鋼 430， 26Cr-1Mo 合金(E-Brite)與沃斯田鐵不銹鋼 304 作 Varestraint 測試如圖 2-9 所示[53]。在相同的拉伸應變下，由於肥粒鐵不銹鋼 430 凝固裂縫有 C、S、 P、N 元素集中現象，故有較高的裂縫長度，若含鈦量小於 0.65％與 C+N 小於 0.04％可以降低凝固裂縫產生。. 圖 2-9 一些商業用鋼利用 Varestraint test 銲接凝固裂縫敏感度[52] 19.
(32) 第三章 研究設計與實施 本研究改變不同攪拌時間，探討球墨鑄鐵、日本鋼鐵協會所制定的 SUS 444 肥粒鐵系不銹鋼與商用之 SUS 304 不銹鋼異質板材摩擦攪拌點銲 之適當接合條件，經由金相觀察、微硬度試驗瞭解接合區域之顯微組織特 性，並透過拉伸試驗探討其銲接後之強度，再藉由 SEM 瞭解材料的拉伸 破壞斷面形態。. 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. 收集所有相關論文的文獻與資料。 2. 準備相關的實驗機具及設定銲接參數。 3. 材料備製，以參數進行試銲。 4. 銲後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。 5. 整理相關數據，與文獻作相關比對。 6. 歸納出結論並提出相關建議。. 20.
(33) 圖 3-1 實驗流程圖. 21.
(34) 3-2 實驗前置作業 3-2-1 實驗材料 本實驗進行肥粒鐵基球墨鑄鐵、SUS 304 不銹鋼與 SUS 444 不銹鋼為 實驗基材，材料經切割成長方形薄板試片。球墨鑄鐵試片尺寸為 90×40×3 mm，不銹鋼試片尺寸為 90×40×2 mm 與 90×40×3 mm 兩種，如圖 3-2 所示。 其中 SUS304 不銹鋼為商用材，而球墨鑄鐵則為自行熔煉。本研究所使用 的肥粒鐵基球墨鑄鐵乃是以高週波熔煉爐於大氣中熔煉而成，並利用生鐵、 矽鋼及矽鐵調整其碳、矽含量。生鐵、矽鋼及矽鐵等置於爐中熔解至預定 溫度後，傾注於球化桶進行接種及球化處理，並澆注於平行部為 150mm×100mm×30 mm 之 Y 型金屬模中空冷至室溫。所有試料均先進行 兩階段肥粒體化處理，其過程為第一階段將材料加熱 930℃恆溫 3 小時， 爐冷至 730℃後再進行第二階段恆溫 5 小時，最後爐冷至室溫。圖 3-3 為 肥粒體化球墨鑄鐵、SUS304 不銹鋼與 SUS444 不銹鋼三種實驗材料之金相 組織，三種實驗材料之化學成分則如表 3-1 所示。進行實驗前，肥粒鐵基 球墨鑄鐵試片先用砂紙去除接合表面之氧化層，然後和不銹鋼試片一樣， 先以超音波用丙酮去油漬，再用酒精清洗表面後吹乾。. 3-2-2 銲接設備 本實驗銲接設備係採用床台立式銑床，如圖 3-4 所示，該銑床具有 XYZ 三軸自動進給工作床台，主軸迴轉速度(rotating speed) 50 ~ 3925 rpm、床 台進給速率(traverse speed) 50 ~ 1056 mm/min，刀具主軸可作左右傾斜的角 度調整設定。 基於試片夾持牢固與平整的需要，使用一經特殊設計夾具，除試片側 面夾持固定外，並利用螺帽與電圈將試片表面適度壓緊，以防止試片翹曲 現象的產生。 22.
(35) 3-2-3 攪拌桿設計 本實驗摩擦攪拌桿之設計，攪拌桿常用的型式有圓柱型、螺旋型等，本 實驗材料的厚度僅 3 mm，以圓柱型較適宜。肩部直徑(D)取最大板厚四倍 值(D = 4 t) 為 12 mm，击梢直徑(d)為 4 mm，击梢長度(L)為 3 mm，前端 击梢為平素形(plain shape)，其形狀及尺寸如圖 3-5 所示。摩擦攪拌桿的材 質則採用鉬系之碳化鎢合金材質的圓棒，其硬度值為 HRc 72，利用工具磨 床研磨成所需之幾何形狀。. 3-2-4 銲接參數設定 本實驗的接合方式係採用搭接接合(lap welding)形式，兩試片搭接 20 mm 的寬度作點銲，如圖 3-10 所示。點銲時固定主軸旋轉速度為 1615 rpm， 改變接合時間為 10~240 秒，如表 3-2 所示。然基於比較基準的一致性及材 料來源上的限制，本實驗係從上述可銲接範圍中，選用其中最佳的外觀接 合條件，來作為進一步實驗的製程參數。. 表 3-1 三種實驗材料化學成分表(wt%) C. Si. S. Mn. P. Mg. Ni. Cr. Nb. Mo. N. Fe. 2.0. 2.7. 0.006. 0.009. 0.034. 0.039. －. －. －. －. －. bal. SUS 304. < 0.08. < 1.00. < 0.03. < 2.00. < 0.04. －. 8-10. 18-20. －. －. －. bal. SUS 444. 0.006. 0.23. 0.002. 0.22. 0.03. －. 0.11. 18.3. 0.41. 1.82. 0.01. bal. Ductile Iron. 23.
(36) 圖 3-2 試片示意圖：(a)2mm；(b)3mm. 圖 3-3 球狀石墨鑄鐵(左)、SUS304 不銹鋼(中)與 SUS444 不銹鋼(右)之 BM 區金相組織圖. 24.
(37) 圖 3-4 實驗用床台立式銑床. 圖 3-5 攪拌桿形狀尺寸圖 表 3-2 銲接參數設定 接合方式. 搭接接合(lap welding). 攪拌桿轉速. 1615 rpm. 攪拌頭停止下降之停留時間. 10S、30S、60S、90S、 120S、180S、240S. 攪拌桿傾斜角度. 0°. 肩部從試片表面往下壓入深度. 1mm. 攪拌桿迴轉方向. 逆時針方向迴轉 25.
(38) 3-3 金相顯微組織觀察 欲觀察肥粒鐵基球墨鑄鐵與兩種不銹鋼在 FSSW 接合後金相組織的 差異，本實驗利用砂輪切割機切取試片，再以 Olympus BH 型光學顯微鏡 觀察金相。試片熱鑲埋後，以砂紙依序研磨至#2000 號，再依比例調配出 的氧化鋁粉拋光液依序用 1 m、0.3 m 拋光，拋光完畢的試片鑄鐵部份 以 5%的 Nital 腐蝕液進行腐蝕；不銹鋼的部份以王水進行腐蝕，腐蝕後 的試片在光學顯微顯微鏡上觀察其接合之情形與其銲道型態及微觀組織 情形。. 3-4 微硬度試驗 本實驗針對 FSSW 銲後試片之微硬度變化進行量測。將所切取之橫截 面試片拋光後，使用 Future-Tech，FM-700 型微硬度試驗機進行微維氏硬 度(Micro Vickers Hardness)量測，Vickers 硬度負荷範圍在 1~1000g 之間， 量測條件為荷重 200 gf 進行硬度測試，如圖 3-6 所示。試片經研磨至#2000 後，以氧化鋁粉拋光液依序用 1 m、0.3 m 拋光，最後以 Nital 腐蝕液和 王水對鑄鐵與不銹鋼試片輕腐蝕，再分別取上下試片橫截面之 SZ、TMAZ、 HAZ、BM 等四區組織，下方試片部份在底部及接縫處往下 0.5mm；上方 試片部份在接縫處往上 1mm，由銲點中心往兩側從 2~5mm，每隔 0.5mm 量測一次；5~8mm 每 1mm 量測一次，兩種試片各取十點，如圖 3-7 所示。 測試完後將所得之數據繪製成硬度分佈曲線，以瞭解試片接合後不同位置 微硬度受不同製程參數之影響。. 26.
(39) 圖 3-6 Future-Tech FM-700 型微硬度試驗機. 圖 3-7 試片硬度取點示意圖. 3-5 TSFL 試驗 試片經由各參數 FSSW 點銲後之外觀，如圖 3-8 所示。再利用 58503 型萬能材料試驗機(Universal Tester)，如圖 3-9 所示，並在室溫下以 1 mm/min 的拉伸速率進行銲點之拉剪破壞負荷(即 TSFL)測試，求得各參數 的最大破壞荷重。本 TSFL 測試為使試驗能進行純剪應力之拉伸，故在試 片兩端分別黏附 20×20×2mm 及 20×20×3mm 兩種不同厚度的材料，如圖 3-10 所示，以利試片夾持時，不會發生扭轉的情形。. 27.
(40) 圖 3-8. 試片經 FSSW 點銲外觀圖. 圖 3-9 國產 58503 型萬能材料試驗機. 圖 3-10 拉伸試片示意圖 28.
(41) 3-6 SEM 顯微觀察 試片經過拉伸試驗拉斷後，為了瞭解材料的拉伸破壞斷面形態，本 實驗利用 JEOL JSM6360 電子顯微鏡觀察拉伸破斷形態，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，如圖 3-11 所示。. 圖 3-11 JEOL JSM6360 電子顯微鏡. 29.
(42) 第四章. 實驗結果與討論. 在本節中將討論 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵、304 不銹鋼與球墨鑄鐵、 SUS444 不銹鋼與 304 不銹鋼以及 SUS304 不銹鋼與 304 不銹鋼等四種搭接 形式在不同製程下點銲接合後，其微觀組織、銲接情形與微硬度變化。. 4-1 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵 4-1-1 點銲微觀組織觀察 經由巨觀角度觀察其點銲外觀，如圖 3-8；再觀察試片橫截面，FSSW 銲點大致可分為 BM、HAZ、TMAZ 及 SZ 四個區域，如圖 4-1 所示。在銲 點兩旁以及底邊所形成的 I 區為攪拌區(SZ)，此區受到击梢強烈的攪拌作 用，加上本身往下壓的力量，會形成一個對流的圓圈狀。熱機影響區(TMAZ) 為 II 區，介於攪拌區(SZ)與熱影響區(HAZ)之間，此區的石墨會受到擠壓 而變形。III 區為熱影響區(HAZ)位於熱機影響區旁，只單純受到摩擦熱的 影響。IV 區則為母材區(BM)本身在銲接過程中並未受到任何影響。 圖 4-2 為兩試片經不同 FSSW 作用時間接合後之橫截面，可以明顯看 出因攪拌击梢作用所產生的凹洞，而接合處主要是在凹洞周圍。由圖 4-2 可以觀察到兩者試片靠近銲點部份的接縫，由於塑性接合作用開始融合而 消失，亦即兩試片在此部位產生接合效果。尤其摩擦攪拌點銲依照其迴轉 方向，會在攪拌桿作用兩側形成進給邊(advancing side)與退出邊(retreating side)。進給邊所受的擠壓會比退出邊來得大，所產生塑性接合的作用力也 會比較大，產生的熱能也愈多，因此不銹鋼與球墨鑄鐵在進給邊成功接合 的區域比退出邊大。加上點銲後覆蓋在鑄鐵部份的不銹鋼較多，故攪拌時 間增加，受熱作用時間愈長，接合效果也愈好，由圖 4-2(a)接合時間 10 秒 與圖 4-2(d)接合時間 90 秒之結果比較可看出來。 30.
(43) 進一步觀察接合區域之微觀組織，由圖 4-3 中的 1 區中的(a)可發現在 攪拌接合區的部份皆產生了明顯的針葉狀組織，可能是在攪拌的過程中球 狀石墨被打散後迅速擴散到肥粒鐵基地中，加上攪拌時所產生足夠的熱量 促使肥粒鐵變態成為沃斯田鐵，待接合完成後急速冷卻至 Mf 的溫度下， 形成麻田散鐵組織[55]。隨著攪拌點銲時間的增加，所產生的麻田散鐵組織 愈細愈密集。另一方面，在攪拌接合區，不銹鋼的組織則可觀察到明顯動 態再結晶作用所產生的晶粒細化現象。在攪拌桿击梢正下方之板材組織， 分別由圖 4-3 中的 4 區可以觀察到底部的肥粒鐵晶粒受到動態再結晶作用 而細化，球狀石墨則因大量塑性變形而形成長條狀。在此區域所產生的熱 量應該沒有到達沃斯田鐵相的變態溫度，所以在冷卻下來時，僅有石墨變 形而組織並沒有明顯變化，因為在击梢壓入的下方部份所產生的熱量比肩 部區域來得少，故材料受到熱的影響比攪拌區低。 圖 4-3 中 1 區的(b)主要是熱機影響區，圖中左邊為 SZ 區，可以看到 大量被打散的石墨，而右邊的熱機影響區材料並未直接受到攪拌作用，而 是高溫及塑性變形的影響。圖中並未觀察到明顯的麻田散鐵組織，可能是 此區域雖受高溫作用而變態成的沃斯田鐵，因塑性流動之作用，溫度降低 至沃斯回火溫度區域，持溫一段時間而變態成變韌鐵或細波來鐵。從 2 區 中則可以觀察到，在熱影響區的地方僅受到溫度影響，而無外力作用所產 生之塑性變形。由於高溫使碳擴散到肥粒鐵基地，開始有麻田散鐵相產生， 從圖 4-3 的 2 區可觀察到經冷卻後所得到的麻田散鐵相[56]。最後，圖 4-3 的 4 區為受到熱影響的 SUS444 不銹鋼，其組織受到高溫作用晶粒開始粗 大，時間越長，晶粒的尺寸漸漸大於 50μm。. 31.
(44) 4-1-2 微硬度試驗 圖 4-4 為不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之微硬度分佈情形。 由圖 4-4 中可發現不銹鋼愈靠近攪拌區右側，其硬度越高，主要由於在點 銲過程中，底邊的鑄鐵受到擠壓與攪拌的作用產生的塑性流，往上帶至不 銹鋼的材料部份進行塑性接合，加上石墨被打散後，碳擴散到不銹鋼的基 地中，熱很快的就傳到空氣中讓材料急速冷卻，故形成針葉狀的組織，隨 著保持時間的增長，其硬度提升至於 Hv 500~700 的部份，可推測在右側 SZ 區的針葉狀組織屬於麻田散鐵。左側硬度較低，是因為溫度過高，沃斯 田鐵組織還未能變態成麻田散鐵，碳即擴散出來成為變韌鐵。在 90 秒時， 左側硬度提升至 Hv700 以上，推測在此區因為保持時間較長，溫度較高， 在退出後，由於散熱快，被塑性流帶上來的鑄鐵組織急速冷卻，產生麻田 散鐵組織。硬度稍低的部份，是在不銹鋼晶粒細化的地方也就是 TMAZ 區， 此處溫度可能達到了 600 ~ 800℃之間，因此產生硬脆的 σ 相；或在 475℃ 附近冷却，導致常温抗拉强度或硬度變高，故硬度約在 Hv 400 ~ 600 之間。 在圖 4-4 中可觀察到(b)經 90 秒攪拌接合的球墨鑄鐵，硬度皆在 Hv 250 ~ 400 之間，其組織可能為上變韌鐵[57]。而進給邊的硬度隨時間增長而降 低，推測當保持時間較長，加上進給邊受力較大，導致溫度較高，碳的擴 散速度增加，在冷卻後，形成了針葉狀的肥粒鐵組織，其組織屬於硬度較 低的上變韌鐵。. 4-1-3 TSFL 試驗 圖 4-5 為 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵經 FSSW 在不同時間參數下搭接 後拉伸所得到的最大抗拉荷重，我們從圖 4-5 可觀察到 SUS444 不銹鋼與 球墨鑄鐵點銲後得到的最大抗拉荷重有小幅度的增加，主要由於隨著停留 時間增長摩擦攪拌所引起的溫度也會比較高，因此試片接合的區域就會增 32.
(45) 加，所以強度較時間短者好。再從破斷型態來看破斷的位置都是在銲點(也 就是銲核)附近而非母材區，推測因為該區有裡面含有麻田散鐵所致。. 4-1-4 SEM 試驗 圖 4-6 為 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下相互搭接接合後 之拉伸破斷面的顯微組織圖，從 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵的部份可以觀察 到 10 秒及 90 秒其斷裂面呈現平坦狀，是屬於脆性破壞的劈裂破壞，從圖中可 以觀察到其斷裂的位置大約在麻田散鐵組織的區域，而麻田散鐵其性質硬而脆 且延展性低，所以在拉伸時會產生應力集中的現象，故在此區產生斷裂，也證 明了 4-1-3 破斷位置的推測正確。. 33.
(46) Retreating side. Advancing side. 圖 4-1 FSSW 試片橫截面巨觀圖. I：攪拌區 (Stir Zone, SZ) II：熱機影響區(Thermo mechanically Affected Zone, TMAZ). III：熱影響區(Heat Affected Zone, HAZ) IV：母材(Base Metal, BM). 34.
(47) Advancing side. Retreating side 2. 1. SUS 444 Ductile iron. (a). Advancing side. Retreating side 2. 1. SUS 444 Ductile iron. (b). Advancing side. Retreating side 1. 2. SUS 444 Ductile iron. (c). Advancing side. Retreating side 1. 2. SUS 444 Ductile iron. (d) 圖 4-2 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之銲點型態： (a)10 秒; (b)30 秒; (c)60 秒; (d)90 秒。. 35.
(48) 4. 時間. 1 3 2. 10 s. 編號. 90 s. a. a. b. b 1. (a). (a) SZ. (b). (b). 圖 4-3 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵接合之不同區域微觀組織 36. TMAZ.
(49) 4. 時間. 1 3 2. 10 s. 編號. 90 s. 2 HAZ. HAZ. 3. 4. 圖 4-3 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵接合之不同區域微觀組織(續). 37.
(50) Retreating side. Advancing side. Retreating side. Advancing side. Retreating side. Advancing side. (a). (b). (c) 圖 4-4 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之微硬度分佈： (a)10 秒；(b)60 秒；(c)90 秒。 38.
(51) (kg). 圖 4-5 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之強度與破 斷面型態. 39.
(52) 材料. 時間. 巨觀影像. 微觀影像. 10 s. SUS444 不銹鋼與 球墨鑄鐵. 90 s. 圖 4-6 SUS444 不銹鋼與球墨鑄鐵經不同時間結合後之拉伸破 斷面顯微組織. 40.
(53) 4-2 SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵 4-2-1 點銲微觀組織觀察 圖 4-7 為兩試片經不同 FSSW 作用時間接合後之橫截面，而接合處主 要是在因攪拌击梢作用所產生的凹洞周圍。由圖 4-7 可以觀察到靠近銲點 部份的接縫，因塑性接合作用開始融合而消失，則兩試片在此部位產生接 合效果。加上依照摩擦攪拌點銲的迴轉方向，會在攪拌桿作用兩側形成進 給邊(advancing side)與退出邊(retreating side)。進給邊所受的擠壓會比退出 邊來得大，所產生塑性接合的作用力也會比較大，產生的熱能也愈多，所 以產生的吊鉤型缺陷(Hook)也比較小，因此不銹鋼與球墨鑄鐵在進給邊接 合的區域比退出邊大，接合作用較明顯。另一方面，由圖中亦可觀察出不 同接合時間對接合區域大小無顯著的影響。 進一步觀察接合區域之顯微組織，分別由圖 4-8 中 1 區的(a)發現，在 攪拌接合區的部份皆產生了明顯的針葉狀組織，推測是在攪拌的過程中產 生足夠的熱量，加上攪拌時球狀石墨被打散後受熱擴散到基地中，接合部 位附近的溫度推測已超過沃斯田鐵變態溫度，促使肥粒鐵基地轉變成沃斯 田鐵，當攪拌作用停止時，急速冷卻作用使沃斯田鐵變態成麻田散鐵 [55]。 另一方面，在攪拌接合區，不銹鋼的組織則可觀察到明顯動態再結晶作用 所產生的晶粒細化現象。在攪拌桿击梢正下方之板材組織，分別由圖 4-8 中的 3 區可以觀察到底部的肥粒鐵晶粒受到動態再結晶作用而細化，球狀 石墨則因大量塑性變形而形成長條狀。在此區域因為持溫時間變長導致部 分區域碳開始擴散到沃斯田鐵中，所以在冷卻下來時，除了石墨變形外， 組織也產生了針葉狀的組織，因為原本在击梢壓入的下方部份所產生的熱 量應該比肩部區域來得少，但由於持溫時間過長以致於材料受到熱的影響 也相對的提高。. 41.
(54) 圖 4-8 中 1 區的(b)主要是熱機影響區，在此區域材料並未直接受到攪 拌作用，而是高溫及塑性變形的影響。圖中觀察非常密集的針葉狀組織， 可能是此區域雖受高溫作用變態成的沃斯田鐵，冷卻後變態為波來鐵與麻 田散鐵的混合組織，且隨著時間的增加，麻田散鐵的針葉狀組織越粗大。 另一方面，從 2 區中則可以觀察到，在熱影響區的地方僅受到溫度影響， 而無外力作用所產生之塑性變形。由於高溫使碳擴散到沃斯田鐵鐵基地， 又無外力的作用促使此區的組織較其他區域粗大。. 4-2-2 硬度試驗 圖 4-9 為不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之微硬度分佈情形。 由圖 4-9 中可發現不銹鋼在愈靠近攪拌區凹洞附近，其硬度有明顯上升的 情形，硬度值約 HV 500-600。經檢視其顯微組織，可看出主要由於在點銲 過程中，底邊的鑄鐵受到擠壓與攪拌的作用產生的塑性流，往上帶至不銹 鋼的材料部份進行塑性接合，而在此區域之接合溫度高於鑄鐵之沃斯田鐵 變態溫度，使得原有之肥粒鐵於接合時變態為沃斯田鐵，並且於接合後冷 卻形成針葉狀麻田散鐵。除了在接合處有明顯硬度上升外，不銹鋼在其他 部位之硬度並無改變，顯然並未受到接合時之高溫作用。 至於在球墨鑄鐵部份，在凹洞附近之接合區域亦有硬度上升的情形， 應該也是因為麻田散鐵變態所致。在圖 4-9 (a)至(c)可觀察到球墨鑄鐵中的 SZ 區，隨著持溫時間的增加，硬度也相對的提高，主要由於肥粒鐵受高溫 沃斯田鐵化後，大量被打散的碳擴散進去，時間越長，含碳的量越高，冷 卻後，產生的麻田散鐵硬度隨之提昇。但是離中心越遠的熱影響區，硬度 逐漸下降，推測因距離過遠熱量減少，加上受到熱影響的變化也不高，冷 卻速率較慢，故在冷卻後主要以波來鐵變態為主，其顯微組織硬度較接近 母材。 42.
(55) 4-2-3 TSFL 試驗 圖 4-10 是 SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵經 FSSW 在不同時間參數下搭接 後拉伸所得到的最大抗拉荷重，我們從圖 4-10 顯示 SUS304 與球墨鑄鐵接 合在 90 秒以下沒有接合效果，從 120 秒之後才接合，推測兩者因為試不 同結構的異質材料，加上球墨鑄鐵本身屬於難銲之材質，在停留時間較短 的情況下，所產生的熱量不夠引起兩者有接合效果，故在 90 秒時還未能 接合。而在 240 秒的時候最大抗拉荷重達到 604kg，從三者之破斷型態可 觀察到在 240 秒時球墨鑄鐵發生斷裂，但其斷裂之位置是從靠銲點附近開 始，推測是因為停留時間較長該區的麻田散鐵範圍較大，導致接合之強度 低於銲點之強度，故從旁邊斷裂到母材。. 4-2-4 SEM 試驗 圖 4-11 為 SUS304不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下相互搭接接合後 之拉伸破斷面的顯微組織圖，SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵在 180 秒時由圖中所 標示的位置可觀察到變形之石墨，其為熱機影響區，此區在銲接後產生麻田散 鐵組織和 240 秒接合拉伸後 SEM 圖中呈現劈裂斷面的型態，再對照圖 4-10 其 破斷型態並無伴隨著變形，故亦屬於脆性破壞。. 43.
(56) Advancing side. Retreating side 2. 1. SUS 304 Ductile iron. (a). Advancing side. Retreating side 2. 1. SUS 304 Ductile iron. (b). Advancing side. Retreating side 2. 1. SUS 304 Ductile iron. (c) 圖 4-7 SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之銲點型態： (a)120 秒; (b)180 秒; (c)240 秒。. 44.
(57) 1 3. 時間. 2. 120 s. 編號. 240 s. a. a. b. b. 1. (a). (a). SZ. SZ TMAZ TMAZ. (b). (b). 圖 4-8 SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵接合之不同區域微觀組織 45.
(58) 1 3. 時間. 2. 120 s. 編號. 240 s. 2 HAZ. HAZ. 3. 圖 4-8 SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵接合之不同區域微觀組織(續). 46.
(59) Retreating side. Advancing side. Retreating side. Advancing side. Retreating side. Advancing side. (a). (b). (c) 圖 4-9 SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之微硬度分佈： (a)120 秒；(b)180 秒；(b)240 秒。 47.
(60) (kg). 圖 4-10 SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵在不同時間參數下接合之強度與 破斷面型態. 48.
(61) 材料. 時間. 巨觀影像. 微觀影像. 180 s. SUS304 不銹鋼與 球墨鑄鐵. 240 s. 圖 4-11 SUS304 不銹鋼與球墨鑄鐵經不同時間結合後之拉伸破 斷面顯微組織. 49.
(62) 4-3 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼 4-3-1 點銲微觀組織觀察 圖 4-12(a)、(b)、(c)、(d)為四種不同時間參數下作 FSSW 的橫截面圖， 其中越靠近銲點部位(中間凹洞處)兩試片搭接所產生的接縫則因塑性接合 而逐漸消失，亦即兩者在此區產生接合。而進給邊(advancing side)所受的 壓力以及產生的塑性接合作用力會比退出邊(retreating side)來的大，所以在 接合過程中形成的吊鈎型缺陷(Hook)也比較小，但也可以發現時間對於接 合區域的大小並無顯著的影響。 進一步從圖 4-13 觀察其顯微組織可發現，圖中 1 區的(b)為 SZ 區並 受到击梢攪拌的影響，在附近產生晶粒細化的現象，且會隨著時間的增長 有變多而密的情形，而原本在 BM 區因壓延作用而產生的流線紋，因攪拌 作用而消失，其 TMAZ 區亦是在接近 SZ 區處，附近的晶粒間伴隨著攪拌以 及摩擦熱的影響導致晶粒有些許變形；而(a)則為受擠壓往上的 SZ 區，從 小倍率的金相來看 10 秒時攪拌區並無特別改變，直到 90 秒時，在 1 區可 觀察到明顯的藍色帶狀組織，再將倍率放大可看到 10 秒的(a)在靠近击梢 部分並無任何晶粒細化之作用，在 90 秒的(a)可以觀察到因攪拌作用產生 了超細的動態再結晶晶粒；2 區為熱影響區，但受熱的影響小，故與圖 3-3 的母材區差異不大，加上沃斯田鐵系的不銹鋼本身無法透過熱處理的方式 來強化其機械性質，通常是以固溶處理或是晶粒細化來加強其機械性質。. 4-3-2 硬度試驗 圖 4-14 為 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼經 FSSW 接合後不同時間 的硬度分佈圖，在銲點兩旁的硬度靠近 sz 區的地方較其他區域高，由圖 4-13 中的 1 區在 90 秒時因為材料經過攪拌促使晶粒細化，以致於該部份 的硬度提昇了許多。而在 30 秒時退出邊有部分硬度較高，可能是因為材 50.
(63) 料本身經過滾軋後，部分區域硬度較高所導致。再進一步觀察底部的不銹 鋼硬度，整體的硬度並沒有太大的變化，僅有再靠近銲點(凹洞處)的部份 硬度稍微有提升。 4-3-3 TSFL 試驗 圖 4-15 為 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼經 FSSW 在不同時間參數 下搭接後拉伸所得到的最大抗拉荷重，我們從圖 4-15 為 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼的接合，其各時間上的最大抗拉荷重皆高於上述其他材料 的銲接，主要由於其為同種材料所以接合上強度較高，再由破斷型態觀察 可發現隨著時間增長，在拉伸後試片都有些許彎折變形，而非直接斷裂或 水平拉斷，代表材料接合處強度較高在拉伸過程中抵抗拉力所產生的塑性 變形也較大。. 4-3-4 SEM 試驗 圖 4-16 為 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下相互搭接 接合後之拉伸破斷面的顯微組織圖，SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在 10 秒和 90 秒時呈現的 SEM 圖可觀察到明顯的酒窩狀組織，伴隨著拉伸而些許變 形，屬於延性破壞。主要由於 SUS304 不銹鋼本身在加熱過程中都屬於沃斯田 鐵相，只能透過固溶處理或是冷加工來使其硬化，故沒有產生脆性破壞。. 51.
(64) Advancing side. Retreating side. SUS 304. 2. 1. SUS 304 (a). Advancing side. Retreating side. SUS 304. 2. 1. SUS 304 (b). Advancing side. Retreating side 2. 1. SUS 304 SUS 304. (c). Advancing side. Retreating side 1. 2. SUS 304 SUS 304. (d) 圖 4-12 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合之銲點 型態： (a)10 秒; (b)30 秒; (c)60 秒; (c)90 秒。. 52.
(65) 2 1. 時間. 10 s. 編號. 90 s. a a b. b. 1. (a). (a). SZ. SZ TMAZ. (b). (b). 圖 4-13 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼接合之不同區域微觀組織 53.
(66) 2 1. 時間. 10 s. 編號. 90 s. 2 HAZ. HAZ. 圖 4-13 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼接合之不同區域微觀組織 (續). 54.
(67) Retreating side. Advancing side. Retreating side. Advancing side. (a). (b) 圖 4-14 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合之微 硬度分佈：(a)10 秒；(b)30 秒；(c)60 秒；(c)90 秒。. 55.
(68) Retreating side. Advancing side. Retreating side. Advancing side. (c). (d) 圖 4-14 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合之微 硬度分佈(續). 56.
(69) (kg). 圖 4-15 SUS304 不銹鋼與SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合之強度與 破斷面型態. 57.
(70) 材料. 時間. 巨觀影像. 微觀影像. 10 s. SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼. 90 s. 圖 4-16 SUS304 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼經不同時間結合後之 拉伸破斷面顯微組織. 58.
(71) 4-4 SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼 4-4-1 點銲微觀組織觀察 圖 4-17 的 (a)、(b)、(c)、(d) 為不同時間參數下作 FSSW 的橫截面圖， 兩試片搭接所產生的接縫越往銲點(中間凹洞處)則因塑性接合而逐漸消失 並接合。我們可以觀察銲道進給邊(advancing side)接合的區域比退出邊 (retreating side)來的大，主要是進給邊受到擠壓所產生的塑性接合作用力比 退出邊來得大，產生的熱能也愈多，相對形成的吊鉤型缺陷(Hook)也比較 小，由(c)、(d)兩圖可發現到時間越長，對於試片接合效果的影響越顯著。 從圖 4-18 中 1 區為 SZ 區的顯微組織可觀察到，兩種不銹鋼間還是存 在著細微的接縫線，顯示兩者尚未完全融熔接合比較傾向機械結合，隨著 時間的增長，加上在 FSSW 的過程中受了熱的影響，1 區的(a)隨著時間變 長有漸漸相互融合的現象，但是並不明顯。而 2 區為 SUS444 不銹鋼的材 料，兩者晶粒皆比 3 區的母材晶粒大，主要由於此區為熱影響區，晶粒受 熱後開始成長，隨著保持的時間越長，成長越大。而 3 區則是母材區，由 此可觀察到 10 秒兩者明顯的分開並未接合，而在圖 4-17(d)中經 90 秒接合 的區域在腐蝕後，呈現清楚的接縫線，主要因為在拋光所產生的細屑填滿 了接縫處，導致在腐蝕前觀察有良好的接合區域。. 4-4-2 硬度試驗 圖 4-13 是 SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼接合後，呈現的硬度分佈 圖。SUS444 不銹鋼在 10 秒至 60 秒的硬度大多低於 SUS304 不銹鋼，在 90 秒時硬度增加了許多，且高於 SUS304 不銹鋼。推測此區材料受到攪拌 作用產生晶粒細化加上 SUS444 比 304 不銹鋼導熱快，所以在底部的不銹 鋼受了 SUS444 的熱影響，導致上面試片的硬度上升，下面的試片硬度有 些許下降。 59.
(72) 4-4-3 TSFL 試驗 圖 4-16 為 SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼經 FSSW 在不同時間參數 下搭接後拉伸所得到的最大抗拉荷重，我們從圖 4-16 可看出 SUS444 不銹 鋼與 SUS304 不銹鋼因為材料性質差異性沒有較球墨鑄鐵大，所以兩者在 接合的最大荷重上從 10 秒的 703kg 到 90 秒的 1215kg 相較於 SUS444 不銹 鋼與球墨鑄鐵約 100kg 左右有顯著的差異性，而從破斷型態來觀察可發現 在 30 秒時由於熱影響的銀灰環形區域面積減少導致強度下降。當時間越 長，SUS444 不銹鋼受高溫影響導致其脆性現象發生而斷裂在母材。. 4-4-4 SEM 試驗 圖 4-18 為不同材料在不同時間參數下相互搭接接合後之拉伸破斷面 的顯微組織圖，SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在 10 秒接合拉伸後，從圖 4-16 中的破斷型態，可觀察到匙孔產生大量的變形，而 SEM 圖所標示的位置 處可明顯觀察到在延性破壞前所產生大量的滑移線，故 SUS444 不銹鋼並未因 為銲接過程中產生脆性的現象。在 90 秒時從圖 4-18 中可觀察到類似河流 紋路，且斷裂面為平坦狀，再由圖 4-16 其斷面型態中是直接斷裂在 SUS444 不銹鋼的母材上並無變形之跡象，是屬於脆性破壞，由此可知時間越長對肥 粒鐵不銹鋼的脆性現象有顯著的影響。. 60.
(73) Advancing side. Retreating side 2. 1. SUS 444 SUS 304. (a). Advancing side. Retreating side 2. 1. SUS 444 SUS 304. (b). Advancing side. Retreating side. SUS 444 SUS 304 (c). Advancing side. Retreating side. SUS 444 SUS 304 (d) 圖 4-17 SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合之銲 點型態： (a)10 秒; (b)30 秒; (c)60 秒; (c)90 秒。. 61.
(74) 1. 時間. 2. 3. 10 s. 編號. 90 s. a a. 1. (a). (a). 圖 4-18 SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼接合之不同區域微觀組織. 62.
(75) 1. 時間. 2. 3. 10 s. 編號. 90 s. 2. HAZ. HAZ. 3. 圖 4-18 SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼接合之不同區域微觀組織 (續). 63.
(76) Retreating side. Advancing side. Retreating side. Advancing side. (a). (b) 圖 4-19 SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合之微 硬度分佈：(a)10 秒；(b)30 秒；(c)60 秒；(c)90 秒。. 64.
(77) Retreating side. Advancing side. Retreating side. Advancing side. (c). (d) 圖 4-19 SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合之微 硬度分佈(續). 65.
(78) (kg). 圖 4-20 SUS444 不銹鋼與SUS304 不銹鋼在不同時間參數下接合之強度與 破斷面型態. 66.
(79) 材料. 時間. 巨觀影像. 微觀影像. 10 s. SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼. 90 s. 圖 4-21 SUS444 不銹鋼與 SUS304 不銹鋼經不同時間結合後之 拉伸破斷面顯微組織. 67.
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