脈衝式雷射輔助氣壓之溝槽無模成形
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(2) 摘要 溝槽管廣泛地應用於電子產業的散熱元件中，一般而言，其製作皆需透 過模具抽拉成形，因此在製作更小尺度的溝槽管時，往往會產生限制。本研 究試圖提出另一種加工方法來改善此成形限制，意即利用脈衝式雷射輔助氣 壓無模成形，並找出製程參數對不銹鋼薄管溝槽成形之影響。本研究的成形 方法是在大氣的環境下，使用一般空氣為工作加壓氣體，再利用脈衝式雷射 為加熱源，在不銹鋼薄管內側成形溝槽。接著用光學顯微鏡觀察成形後金相 組織，以微硬度試驗測量硬度變化，最後再以掃描式電子顯微鏡搭配能量散 佈光譜儀進行觀察及分析。研究結果顯示，利用脈衝式雷射輔助氣壓無模成 形可成功在任何位置製作溝槽，在雷射輸出功率 10W 及氣體壓力 0.1kg/cm2 下，可製作出平均槽寬 382.5um、平均槽深 208.5um 的溝槽。此結果指出， 即便成品需達到微米尺度，亦能藉由無模成形的方式獲得。. 關鍵字：無模成形、氣壓成形、雷射輔助. i.
(3) Abstract Nowadays, groove tubes are widely used in the electronic cooling module. It is usually drawn which term refers to molding. However, there are limitations while producing the smaller ones. Therefore, this study emphasis on the parameters of dieless forming which affects the shaping of groove on stainless steel that generated by pulsed laser assisted air pressure. In this study, the performance is presented on the basis of standard atmospheric conditions. To begin with, the stainless steel tube is heated by pulsed laser with ambient air surrounded and it soon forms the target groove. Then, groove samples are sliced to be observed using OM and the Vickers hardness test determines these samples’ hardness values. Finally, the samples are observed and analyzed with the aids of a SEM and an EDS. The results demonstrate that the groove can be done utilizing dieless forming with pulsed laser assisted air pressure. It is notably that the average width of groove is 382.5um and the average depth is 208.5um at 10 watt power and 0.1kg/cm2 gas pressure. In conclusion, groove in micro scale can be obtained effectively by dieless forming for industrial applications.. Keywords: dieless forming, gas forming, laser assisted. ii.
(4) 誌謝 終於，人生的篇章要在碩士畢業這一刻翻到新的一頁，於我而言實屬不 易。在臺師大度過我生命中最璀璨的青春年華，從初生之犢生澀而懵懂的努 力，到如今滿懷豐碩的知識之果，若非處在臺師大優良的教育傳統下，我也 難以有此番長足的進步。 在臺師大機電所幾年，更讓微渺之姿的我，得以管窺宏偉的學術殿堂， 浸淫在師長與同學、學長們所建立的學習氛圍之中，是何等幸運。臺師大機 電所成立不過十年有餘，但在所上教授積極的建立與維繫下，漸漸集足了相 關研究設備。如此具有熱忱和學術涵養的師資加上先進的設備，因此帶領出 學生各項深富前瞻性的研究。我們在此得以享有完整的學術訓練，以及看待 問題和世界的視野。有位學者曾指出，做為一位研究生，其研究題目最好有 所創新並具有延伸性，這本論文便是在上述的基礎下，於焉成形。本研究做 為拋磚之舉，或許在各層面上仍不盡完善，還希望將來能有所增益。 最後，我要感謝在這幾年的研究生生活中，不斷鼓勵我、支持我、包容 我並給我許多養分的師長、所上助教、研究助理、同學、學長姐、學弟妹、 朋友、家人，特別是指導教授鄭慶民博士及屠名正博士。未來將要面對新的 挑戰，我會帶著嚴謹的學術態度和謙沖自牧的心，往更加艱辛的道路無畏的 邁進。. 尤尚邦 謹誌 中華民國 103 年 7 月. iii.
(5) 目錄 摘要 ......................................................................................................................... i Abstract ...................................................................................................................ii 誌謝 ...................................................................................................................... iii 目錄 ....................................................................................................................... iv 表目錄 ..................................................................................................................vii 圖目錄 ................................................................................................................ viii 第一章 緒論 ........................................................................................................ 1 1.1 研究背景與動機 ...................................................................................... 1 1.2 研究目的 .................................................................................................. 2 1.3 研究方法 .................................................................................................. 2 第二章 文獻探討 ................................................................................................ 3 2.1 不銹鋼特性及分類 ................................................................................... 3 2.1.1 不銹鋼特性 .................................................................................... 3 2.1.2 不銹鋼的分類 ................................................................................ 3 2.1.3 不銹鋼 301 的介紹 ........................................................................ 5 2.2Nd:YAG 雷射原理與系統 ........................................................................ 6 2.2.1 雷射原理 ........................................................................................ 6 2.2.2 雷射光的特性 ................................................................................ 7 2.2.3 雷射的種類 .................................................................................... 7 2.2.4 雷射基本要素 ................................................................................ 8 2.2.5Nd:YAG 雷射之機構 .................................................................... 10 2.2.6 雷射之控制參數 .......................................................................... 11 iv.
(6) 2.3 成形方式 ................................................................................................. 14 2.3.1 無模成形 ...................................................................................... 14 2.3.2 流體成形 ...................................................................................... 18 2.4 沃斯田鐵系不銹鋼的銲接缺陷 ............................................................. 21 第三章 研究設計與實施 .................................................................................. 23 3.1 實驗設計流程 ......................................................................................... 23 3.2 前置實驗 ................................................................................................. 25 3.2.1 實驗試片及前處理 ...................................................................... 25 3.2.2 製作原理 ...................................................................................... 25 3.2.3 實驗設備 ...................................................................................... 27 3.3 成形之參數設計 ..................................................................................... 30 3.4 金相顯微組織觀察 ................................................................................. 30 3.5 微硬度試驗 ............................................................................................. 31 3.6 掃描式電子顯微鏡及能量散佈光譜儀觀察與分析............................. 33 第四章實驗結果與討論 ...................................................................................... 34 4.1 金相顯微組織觀察 ................................................................................. 34 4.2 製程參數對成形之影響 ......................................................................... 37 4.2.1 管內氣體壓力與槽深 .................................................................. 37 4.2.2 雷射輸出功率與銲點直徑 .......................................................... 43 4.2.3 雷射脈衝頻率與重疊率 .............................................................. 48 4.2.4 雷射脈衝寬度與銲點直徑 .......................................................... 53 4.3 微硬度試驗 ............................................................................................. 57 4.4 掃描式電子顯微鏡觀察 ......................................................................... 59 4.5 能量散佈光譜儀之分析 ......................................................................... 62 第五章結論與建議 .............................................................................................. 70 v.
(7) 5.1 結論 ........................................................................................................ 70 5.2 建議 ........................................................................................................ 71 參考文獻 .............................................................................................................. 72. vi.
(8) 表目錄 表 2-1 SUS301 不銹鋼之各項性質表 .................................................................. 5 表 2-2 雷射的種類 ................................................................................................ 8 表 3-1 成形參數表 .............................................................................................. 30 表 4-1 內部壓力對槽深之影響 .......................................................................... 38 表 4-2 雷射輸出功率對銲點直徑之影響 .......................................................... 44 表 4-3 雷射脈衝頻率對重疊率之影響 .............................................................. 49 表 4-4 雷射脈衝寬度對銲點直徑之影響 .......................................................... 53 表 4-5 母材區成份分析結果 .............................................................................. 63 表 4-6 母材及塑性區晶界成份分析結果 .......................................................... 64 表 4-7 塑性區成份分析結果 .............................................................................. 65 表 4-8 塑性及熔融區成份分析結果 .................................................................. 66 表 4-9 熔融區成份分析結果 .............................................................................. 67 表 4-10 銲點成份分析結果 ................................................................................ 68 表 4-11 氧化物成份分析結果 ............................................................................ 69. vii.
(9) 圖目錄 圖 2-1 不銹鋼的分類 ............................................................................................ 4 圖 2-2 雷射光產生形式的過程 ............................................................................ 7 圖 2-3 脈衝式 Nd:YAG 雷射器組成元件示意圖[7] ........................................... 8 圖 2-4 Nd:YAG 雷射為四能級躍遷系統圖[6] ..................................................... 9 圖 2-5 雷射形成過程圖[7] ................................................................................... 9 圖 2-6 雷射示意圖[7] ......................................................................................... 10 圖 2-7 傳導式與鑰孔式銲接示意圖[7] ............................................................. 10 圖 2-8 脈衝式雷射器的能量輸出模式圖[7] ..................................................... 11 圖 2-9 雷射光的聚焦示意圖[7] ......................................................................... 12 圖 2-10 雷射聚焦位置示意圖[7] ....................................................................... 13 圖 2-11 脈衝式雷射銲點重疊率示意圖[12] ..................................................... 13 圖 2-12 珠擊成形成形機制[20] ......................................................................... 15 圖 2-13 多點成形[21] ......................................................................................... 16 圖 2-14 水柱成形[22] ......................................................................................... 16 圖 2-15 漸進成形[23] ......................................................................................... 17 圖 2-16 雷射成形三種機制[26] ......................................................................... 18 圖 2-17 液壓成形示意圖[30] ............................................................................. 19 圖 2-18 液壓成形製程流程圖[30] ..................................................................... 20 圖 2-19 超塑性成形示意圖[35] ......................................................................... 20 圖 3-1 實驗設計流程 .......................................................................................... 24 圖 3-2 實驗試片 .................................................................................................. 25 圖 3-3 實驗設備圖 .............................................................................................. 26 圖 3-4 氣壓成形斷面示意圖 .............................................................................. 26 viii.
(10) 圖 3-5 氣壓成形示意圖 ...................................................................................... 27 圖 3-6 加熱系統 .................................................................................................. 28 圖 3-7 空氣壓縮系統 .......................................................................................... 29 圖 3-8 成形系統示意圖 ...................................................................................... 29 圖 3-9 脈衝式雷射氣體成形流程圖 .................................................................. 29 圖 3-10 金相顯微組織觀察設備 ........................................................................ 31 圖 3-11 Future-Tech_FM-700 型微硬度試驗機 ................................................. 32 圖 3-12 JEOL-JSM6360 型掃描式電子顯微鏡 .................................................. 33 圖 4-1 成形機制 .................................................................................................. 34 圖 4-2 不銹鋼經熔融成形後金相組織圖 .......................................................... 35 圖 4-3 不銹鋼經固液態熔融成形後金相組織圖 .............................................. 36 圖 4-4 內部壓力對槽深之影響 .......................................................................... 38 圖 4-5 未施加壓力 .............................................................................................. 39 圖 4-6 內部壓力 0.07(kg/cm2) ............................................................................ 40 圖 4-7 內部壓力 0.1(kg/cm2) .............................................................................. 41 圖 4-8 內部壓力 0.15(kg/cm2) ............................................................................ 42 圖 4-9 輸出功率對銲點直徑之影響 .................................................................. 44 圖 4-10 輸出功率 8W ......................................................................................... 45 圖 4-11 輸出功率 10W ....................................................................................... 46 圖 4-12 輸出功率 12W ....................................................................................... 47 圖 4-13 脈衝頻率對重疊率之影響 .................................................................... 49 圖 4-14 脈衝頻率 4Hz ........................................................................................ 50 圖 4-15 脈衝頻率 4.5Hz ..................................................................................... 51 圖 4-16 脈衝頻率 5Hz ........................................................................................ 52 圖 4-17 雷射脈衝寬度對銲點直徑之影響 ........................................................ 53 ix.
(11) 圖 4-18 脈衝寬度 3ms ........................................................................................ 54 圖 4-19 脈衝寬度 4ms ........................................................................................ 55 圖 4-20 脈衝寬度 5ms ........................................................................................ 56 圖 4-21 硬度量測點示意圖 ................................................................................ 57 圖 4-22 微硬度分佈曲線圖 ................................................................................ 57 圖 4-23 平均硬度曲線圖 .................................................................................... 58 圖 4-24 成形斷面晶界圖 .................................................................................... 60 圖 4-25 鋼管外貌 ................................................................................................ 61 圖 4-26 分析位置 ................................................................................................ 62 圖 4-27 母材區分析位置 .................................................................................... 63 圖 4-28 母材區表面特性光譜圖 ........................................................................ 63 圖 4-29 母材及塑性區晶界分析位置 ................................................................ 64 圖 4-30 母材及塑性區晶界表面特性光譜圖 .................................................... 64 圖 4-31 塑性區分析位置 .................................................................................... 65 圖 4-32 塑性區表面特性光譜圖 ........................................................................ 65 圖 4-33 塑性及熔融區晶界分析位置 ................................................................ 66 圖 4-34 塑性及熔融區表面特性光譜圖 ............................................................ 66 圖 4-35 熔融區分析位置 .................................................................................... 67 圖 4-36 熔融區表面特性光譜圖 ........................................................................ 67 圖 4-37 銲點分析位置 ........................................................................................ 68 圖 4-38 銲點表面特性光譜圖 ............................................................................ 68 圖 4-39 氧化物分析位置 .................................................................................... 69 圖 4-40 氧化物表面特性光譜圖 ........................................................................ 69. x.
(12) 第一章. 緒論. 1.1 研究背景與動機 在世界全球化的潮流中，大量且快速的製造業已是常態，大量製造往往 極仰賴模具工業的支撐，但模具的造價、維修、保養等都所費不貲，加上消 費性的產業中，產品的微小化是目前企業的趨勢與目標。當產品趨近微小化 (minimization)時，現今製程的科技則必須更加先進，或找尋其他的製造方 式，以符合產品研發上的需求。金屬成形(metal forming)向來需要大量的模 具加工，且在面對不同機械性質的材料時，更需多種材質的模具加工，導致 加工成本增加。微型的產品及零組件需求不斷的增加，需要提供這些產品和 零組件的製造技術也增加了。 金屬材料的成形主要是將金屬材料塑性變形(plastic deformation)，製造 成為可用的製品。一般在傳統上分為冷加工(cold work)及熱加工(hot work)。 冷 、 熱 加 工 的 區 分 主 要 是 以 金 屬 加 工 時 的 再 結 晶 溫 度 (recrystallization temperature)為區分，再結晶溫度以上稱為熱加工，再結晶溫度以下則稱為冷 加工。冷加工常見有抽拉、擠製及滾軋等加工。熱加工有滾軋(rolling)、鍛 造(forging)、擠製(extruding)、引伸(drawing)、熱旋壓(hot-spinning)、溫熱鍛 造(thermo-forging)等。不管冷、熱加工，一般都需要金屬模具來成形，而金 屬模具則需要考慮其本身的加工尺度等問題。因此，製作微米級以下的金屬 模具較為不易。[1] 在電子產業中，當零組件越來越小時，散熱變成為一個非常重要的課 題，已經不僅僅是利用巨觀的製程方式解決。電子產品中，用於散熱元件中， 有一樣是熱管(heat pipe)，熱管的原理主要是利用工作流體及毛細結構的氣 1.
(13) 液相變化將排出熱量。目前熱管的種類及製作方法有燒結、溝槽、金屬網及 複合製程等，熱管管體材質雖然大多為銅製，但亦有因重量或其他考量而採 用鋁管或鈦管等。在目前現有散熱模組中，熱管直徑通常約在 6~8mm，厚 度在 1mm 以上，對於目前更輕薄短小的 3C 產品與其他電子而言，則必須 更輕薄化。另對於 1mm 以下的熱管，一般稱為超薄型熱管(ultra-slim heat pipe)，簡稱超薄熱管，在目前的消費性電子產業中，所需要的超薄微熱管只 會更輕薄並逐漸取代目前的石墨散熱。[2]. 1.2 研究目的 本研究旨在不使用成形模具及低加壓成形的情況下，進行不銹鋼薄管的 溝槽製作，藉以探討此製程的成形性及製程參數對於溝槽成形之影響，故歸 納出幾點研究目的： 1. 以無模成形方式設計與製造出不銹鋼薄管溝槽結構。 2. 研究所製作出溝槽的基本特性及微結構組織。 3. 探討製程參數與管材成形之關係。. 1.3 研究方法 本研究利用雷射輔助氣壓成形法來製作不銹鋼薄管溝槽，選用低功率 Nd:YAG 脈衝式雷射銲接系統為加熱源輔助，並以空氣壓力成形，以不銹鋼 薄管內成形溝槽結構。因為此成形法的研究文獻稀少，故本研究先針對製程 參數影響進行資料蒐集，找出適合的成形參數，以利後續實驗設計。待成形 後，再使用金相顯微觀察、微硬度試驗、掃描式電子顯微鏡及能量散佈光譜 儀等方式量測、觀察與分析，進一步得知製程參數對溝槽結構成形之影響。. 2.
(14) 第二章. 文獻探討. 2.1 不銹鋼特性及分類 2.1.1 不銹鋼特性 不銹鋼主要由鐵、碳、鉻及其他元素組成，當鉻含12%以上時，即稱為 不銹鋼。不銹鋼具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械性能，其特性 主要因為材料中含有鉻。鉻在鋼表面上形成緻密的氧化鉻，厚度約10~50Å (1 Å =10-8cm)，在大氣環境下，具有保護材料內部的功用，防止氣、液體侵蝕。 即使材料表面受到輕微的損傷，只要在含氧的環境下，便可自行修補，繼續 保護材料內部。上述多項特性加上不銹鋼在工業的應用十分廣泛，遂選擇使 用不銹鋼。以成份及組織而言，常見不銹鋼可分成以下三類：麻田散鐵系、 肥粒鐵系、奧斯田鐵系。[3]. 2.1.2 不銹鋼的分類 不銹鋼依成分分為鉻系和鎳鉻系。鉻系是指在鋼材中加入12%以上的 鉻，使表面形成氧化鉻薄膜以保護鋼材內部。為了對抗非氧化腐蝕環境(硫 酸、鹽酸等)，鎳鉻系不銹鋼添加部份的鎳，以增加抗蝕力。不銹鋼又可另 依組織細分為幾種，其中又以麻田散鐵系、肥粒鐵系、沃斯田鐵系三類較為 常用，如圖2-1。[3]. 3.
(15) 圖2-1 不銹鋼的分類 (1) 沃斯田系不銹鋼 此類型在各種溫度下均保持相同組織，意即不因溫度變化而產生相變， 所以無法用熱處理法硬化，但可由冷加工增加硬度及強度。冷加工硬化的速 率和鎳含量成反比。且經冷加工後，抗腐蝕性會降低。此類不銹鋼為面心立 方體結構(F.C.C)，無磁性也無延性-脆性轉換溫度，故在低溫下，仍有相當 韌性。 (2) 麻田散鐵系不銹鋼 此類型不銹鋼合金含量較低，價格較為低廉，抗腐蝕性亦較差。在高溫 時會產生相變，因其能經過熱處理硬化，增加強度。硬化後再經應力消除處 理，即可得到較佳的抗腐蝕性，故通常用於常溫環境中。 (3) 肥粒鐵系不銹鋼 肥粒鐵合金量介於麻田散鐵系及沃斯田鐵系之間。其特性亦介於上述兩 者之間。肥粒鐵系不銹鋼擁有較高的鉻含量及較低的碳含量，此特性有助於 在不同溫度下保持肥粒鐵，不會因溫度產生相變。肥粒鐵系不銹鋼與沃斯田 鐵系類似，無法熱處理。 4.
(16) 2.1.3 不銹鋼 301 的介紹 SUS301不銹鋼，冷加工後可得到較高的強度。相對於普通鋼種，也具備 高溫強度、抗疲勞強度及耐腐蝕性，應用範圍廣。表2-1為SUS301不銹鋼相 關資料[4]： 表2-1 SUS301不銹鋼之各項性質表 物理性質. 力學性能. 電性能. 熱性能. 組成元素. 密度 洛氏硬度試驗(HRB) 洛氏硬度試驗(HRC) 極限拉伸強度 降伏拉伸強度 斷裂伸長率 彈性模數 浦松比 剪切模數 電阻率 磁導率 線性熱膨脹係數 比熱容 導熱係數 熔點 固相線 液相線 碳 鉻 鐵 錳 鎳 氮 磷 矽 硫. 7.88g/cm3 85 32 1034MPa 785MPa 18 % 193GPa 0.24 78.0GPa 0.0000695ohm-cm <=1.02 18.7µm/m-°C 0.500J/g-°C 21.4W/m-K 1399~1421 °C 1399°C 1421°C <= 0.15 % 16~18 % 70.925~78 % <= 2.0 % 6.0~8.0 % <= 0.10 % <= 0.045 % <= 0.75 % <= 0.030 %. 5.
(17) 2.2Nd:YAG 雷射原理與系統 「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」簡稱雷射 (LASER)，是以受激輻射（stimulated emission）方式將光能量放大的現象。 雷射不是一種存在於自然界的特殊性能光線，是一種可用性高的光能。因高 純色性、高平行度、高強度及高相干性等特性，在經過聚焦後，變為一種狹 窄且高密度能量的光束。雷射分為：固體雷射、液體雷射及氣體雷射，而最 常用在微製造上的雷射為CO2雷射及固體雷射，如Nd:YAG雷射。雷射具有 指向性及高輸出性，利用透鏡等方式將雷射光集束，則焦點的功率密度高。 利用雷射進行非接觸加工時，其材料聚焦點加熱後形成高溫狀態，可使材料 瞬間氣化或熔融，利於多種材料的微細加工。[5] 「誘發雷射（induced radiation）」在1917年首次被提出；隨後Townes 於1954年以氨氣成功發展出鎂射（Maser），其波長較可見光長；Maiman博 士則於1960年提出紅寶石雷射(ruby laser)；Javan在1961年導出氦氖雷射 (He-Ne laser)，其產生介質屬於氣體雷射，具有不斷連續放射的性能；其後， Ar離子雷射與CO2雷射亦相繼發明。[6]. 2.2.1 雷射原理 雷射光的產生一般從形式上可分為三類，一、受激吸收過程。二、輻射 過程。三、受激輻射過程，如圖2-2所示： 1.. 受激吸收過程：低能階的電子自發性吸收光子能量躍升到高能階。. 2.. 輻射過程：較高能階的電子自發性的降階並放出光子，且過程中不受外 界影響。. 3.. 受激輻射過程：較高能階的電子，在外界刻意給予光子的作用下，則會 被迫釋出一個波長與光子相同的能量，而本身則躍降到低能階。. 6.
(18) (a)受激吸收過程(b)輻射過程(c)受激輻射過程 圖2-2 雷射光產生形式的過程. 2.2.2 雷射光的特性 雷射光具有四項基本性質：高純色性、高平行度、高強度性、高相干性。 1.. 高純色性：雷射頻寬極窄且接近單一頻率，因此容易聚焦。適合用於醫 療手術、鋼板切割、銲接、軍事武器等。. 2.. 高平行度：雷射光發散角小，僅約千分之一弧度，特色為直線前進、光 路筆直，即便經過遠距離傳送，雷射光束直徑改變小。適合用於通訊、 光筆、測距等。. 3.. 高強度性：光源在單位面積下、單位立體角所發出的功率稱為光源強 度。氦氖雷射強度比太陽表面光強百倍以上，特色為能量集中。適合用 於探測信號等。. 4.. 高相干性：雷射光子之間的相位關係相當穩定，可以維持數十公里，特 色為連續相位。適合用於干涉、繞射精密量測、全像術等。. 2.2.3 雷射的種類 雷射至今種類繁多，大致分類如下： 一、以媒介分類：固體、液體及氣體來誘發雷射。 二、以波長分類：從紫外線到紅外線的領域內均有。 三、以功率區分：從mW到kW輸出的雷射產生器。 進行成形時，必須有較大輸出功率，適合的雷射有固體與氣體兩種。本 研究使用固體雷射，固體雷射種類分為玻璃與晶體兩大類。晶體類中有Nd： 7.
(19) YAG與紅寶石(Ruby)雷射，玻璃類中則是Nd：Glass雷射，如表2-2。 表2-2 雷射的種類 雷射的種類 固體雷射. 氣體雷射. 項目 Ruby 波長（μm）. 0.694. 連續波（cw）. 否. 平均功率(w). 10-20. Nd：YAG. Nd：YAG. （連續式）. （脈衝式）. 1.064 是. 切割使用. 10.6 否. 0.04-600. 銲接上使用. CO2. 是 50-25000. 是 否. 是. 2.2.4 雷射基本要素 脈衝式Nd:YAG雷射，主要為激發機構、雷射介質以及共振器組成。激 發機構提供外在能量，將低能階的電子激發到高能階上，產生雷射。雷射介 質必須能產生受激輻射的現象外，還必須被激發成粒子數反轉分佈，目的為 介質釋放的光子比介質吸收的光子還多。共振器是受激輻射過程後，使產生 的光子，沿著一定方向來回通過雷射介質，使過程無數次進行，可以瞬間獲 得大量同一特性的光子。本研究所使用的雷射的脈衝式Nd:YAG元件示意圖 如圖2-3。[7]。. 圖2-3 脈衝式Nd:YAG雷射器組成元件示意圖[7] 8.
(20) Nd:YAG雷射採高壓、高強度脈衝光激發晶體，實際引起雷射者為Nd3＋ 離子。釹(Nd)元素的電子組態為4d104f45s25p66s2，經光泵浦照射，吸收能量 激發後，會形成四能級的躍遷系統，如圖2-4。四能階中壽命較長的亞穩態 所產生的受激輻射波長恰為1.064μm。而其他能階的躍遷由於能階壽命過短 無法形成粒子反轉，輻射強度低於閥值反轉密度，所輻射的光會被共振腔內 的介質所吸收，因此不至於有其他波長的光被輸出，所獲得的光束便具有相 當高的單色性[6]。. 圖2-4 Nd:YAG雷射為四能級躍遷系統圖[6] 本研究採用二維成像系統的雙橢圓柱型聚光腔，將兩支燈管置於兩橢圓 腔體的外側焦軸，聚焦形成位置在中間的雷射棒上。光源由光泵浦發出，可 有效聚集在雷射晶體上，誘導粒子數反轉，產生受激輻射過程，再由光學共 振腔放大輸出。過程如圖2-5[7]。. 圖2-5 雷射形成過程圖[7] 9.
(21) 2.2.5Nd:YAG 雷射之機構 利用高能量密度光束進行銲接時，雷射可直接在大氣中進行，電子束銲 接（EBW）則需在真空下操作，圖2-6為雷射示意圖[7]。. 圖2-6 雷射示意圖[7] 具有高能量密度能沿著深度方向均勻分佈的雷射銲接光束，能輕易將材 料融透。功率的大小，會融透方式不同：當功率密度達到106W/cm2以上時， 材料表面產生高壓金屬蒸汽，並在熔融金屬中形成鑰孔（key hole）效應； 當功率密度小於106W/cm2時，則會形成傳導式銲接，如圖2-7。[7]. 圖2-7 傳導式與鑰孔式銲接示意圖[7] 10.
(22) 2.2.6 雷射之控制參數 一般常用的雷射參數主要為脈衝能量、脈衝頻率、脈衝形式等，但依設 備、製造商的不同，也會有其他的參數。圖2-8為脈衝式雷射器的能量輸出 模式與參數種類[7]。. 圖2-8 脈衝式雷射器的能量輸出模式圖[7]. 一、雷射輸出功率 材料熔融的控制參數，主要為雷射輸出功率，會影響材料的熔融深度、 寬度。輸出功率過高會使表面粗化，甚至產生龜裂；輸入熱量的大小，亦會 在過程中造成其他缺陷[8]；另外，輸出能量的聚焦程度不同，也會產生不同 的密度[9][10]。. 二、脈衝頻率 頻率係指單位時間內的次數，而脈衝頻率即是單位時間內雷射射出的脈 衝次數，單位為Hz，亦為決定重疊率與熔深的主要因素之一。[7]. 三、脈衝寬度 脈衝寬度即脈衝時間，單位為ms，其會影響材料的入熱量，即直接影響 融池的面積。在其他參數相同下，改變脈衝時間會產生不同的熔深。. 四、峰值功率 雷射開始的瞬間會激發出具有數千瓦之脈衝峰值功率(PK)。高能量的光 束會瞬間將材料加熱，可立刻穿透至參數設定的融化深度，並由其餘的能 11.
(23) 量，繼續擴大融點。峰值功率是熔融深度主要的影響因素，在固定峰值參數 的情況下，改變其他參數，增加總能量，可提高深度，但效果不明顯，且會 增加缺陷的發生。[11]。. 五、聚焦深度與聚焦點 雖然雷射輸出具有高平行度，但其強度的橫截面並非均勻一致的，而是 呈現中心強、外緣低的高斯分佈（Gaussian distribution），必須利用透鏡聚 焦成較小直徑的光束來獲得較大的能量密度。圖2-9中聚焦點的大小(d)係由 波長和物鏡的數值孔徑（numerical aperture）所決定。[7]。 2 z (depth of focus). D Optical Axis d (spot diameter) f Focal Plane. 圖2-9 雷射光的聚焦示意圖[7]. 光點大小. d 0.61. 其中 NA n sin ~. NA. 2-1. n D 2f. 2-2. 2-3 NA2 假設物鏡的數值孔徑為NA，雷射波長為λ，則短焦距(f)或短波長(λ)所聚. 聚焦深度 z. z ~ 0.6. 焦的光點小、聚焦深度短，熱量集中，適合銲接較小較薄的零件。欲提高雷 射光密度，可採用短焦距透鏡，如圖2-10表示[7]。本研究聚焦位置在表面， 使熱量集中，直接對表面進行加熱。 12.
(24) 圖2-10 雷射聚焦位置示意圖[7]. 六、雷射重疊率 (Overlap) 在本研究中，重疊率關係到溝槽的連續性，必須考慮雷射的輸出性能、 擴束程度、熔池尺寸及加工的速度等因素。因此，一般以熔池直徑為計算基 準，採單一熔池直徑與次個熔池的重疊比例情形來估算。如圖2-11，其公式 如下[12]： Overlap %,PER＝. 2-4 2-5. PER：搭接率； TF：脈衝時間(脈衝頻率倒數)； TP：脈衝經歷的時間； V：走速； W：銲點直徑。. 圖2-11 脈衝式雷射銲點重疊率示意圖[12]. 13.
(25) 2.3 成形方式 在電子裝置產業中，有一種稱為熱管的散熱元件，又稱導熱管，為熱能 傳遞裝置，藉由液、二相變化傳熱，不需施于外力。一般而言，熱管可依內 部結構分為溝槽型、燒結型、金屬網型。依不同的需求，材料方面有銅、鋁、 不銹鋼、陶瓷、鈦等等。[13][14] 熱管成形管內溝槽結構的方式眾多，燒結、溝槽、金屬網及複合製程都 可製作熱管，但若尺寸要求漸小，則需改良製程。溝槽管目前多採用旋壓抽 管製造，由外模具配合不同尺寸的齒輪型內模具加工，因此溝槽管的成形需 要使用模具。 本研究為雷射輔助氣壓無模成形，目前並不多見，一般並未將兩者合為 使用，因此針對無模成形及流體成形進行文獻探討。. 2.3.1 無模成形 在全球化的趨勢下，製造工程多集中在同一跨國企業中，因此模具成本 上升，加上目前的市場需求傾向少量多樣的產品，製造科技趨於多元，新型 板材成形技術亦應運而生。製造科技的無模成形種類繁多，廣義而言未使用 模具就可以統稱為無模成形(dieless forming)。新型板材成形技術例如：珠擊 成形，或稱拋丸成形(shot peen forming)[15]、多點成形(multi-point Forming)[16]、水柱成形，或稱水射流成形 (water jet incremental sheet metal forming，WJISMF)[17]，漸進成形(incremental forming) 、雷射成形(laser forming)等技術[18]。以下就幾項無模成形技術簡略說明。. 14.
(26) (1)珠擊成形(shot peen forming) 珠擊成形，或稱拋丸成形廣泛地用在飛機的機翼、機身或是航太的領域 上，亦應用在其他的板金成形。主要是成形形狀複雜和曲率複雜的飛機機翼 蒙皮或其他航太上的板金。成形方式是將鋼珠加速拋擊材料表面，使其產生 塑性變形，再依不同的速度，形成不同的變形[19]。對於曲面成形而言，珠 擊成形相較其他滾軋、沖壓或彎折等成形方式更有效率，而且不使用模具， 可降低成本。圖 2-12 為珠擊成形的機制。[20]. 圖2-12 珠擊成形成形機制[20] (2)多點成形(multi-point forming) 多點成形不同於一般需要特定模具的三維曲面成形，因為在工業的生產 上，常常需要三維的板件，但每一個部位都需要一套模具，因為完成一項製 品通常需要數套的模具，為了減少生產三維板件的模具，才提出了無模化的 生產方式。多點成形的成形方式是將傳統的沖壓模具分解為離散且高度可調 的基本單元，這些基本單元根據 CAD 的軟體計算與控制，可自由的成形曲 面，在成形的過程中，是由上面的單元夾著板材進行變形，如圖 2-13。[16]. 15.
(27) 圖2-13 多點成形[21] (3)水柱成形(WJISMF) 水柱成形，或稱水射流成形的成形方式是利用高壓水柱對板狀材料加工 成形。首先將材料固定在工作台上，藉由程式控制沿著設定路線噴射高壓水 柱，及上下移動調整工作的範圍。這個方式可以有效成形任意形狀，相較於 傳統板金成形，水柱成形有更多的加工靈活性及因為使用高壓水柱成形，因 此不會造成材料的表面受損，圖 2-14。[22][17]. 圖2-14 水柱成形[22] (4)漸進成形(incremental forming) 漸進成形的成形方法是使用 CNC 加工機，利用球形或半球形的成形刀 具，以逐點擠壓板的方式加工成形。加工時，必須將材料周圍固定，使材料 在加工流程時，因受到拘束而成形。相對於水柱成形而言，可以說是成形刀 具的改變，但因漸進成形是使用球形刀具，因此材料表面會因為擠壓成形而 16.
(28) 受到損傷，圖 2-15。. 圖2-15 漸進成形[23] (5)雷射成形(Laser Forming) 本研究主要是使用雷射輔助成形，近年來，雷射板金成形近已漸漸受到 工業界及學術界重視。相較於傳統的板金成形方法，不需藉要外力及模具輔 助，利用加熱源使材料經由熱應力而產生變形。雷射成形適合少量多樣成形 較複雜的產品，它沒有一般金屬成形時的成形應力現象，並有較好的成形精 度且能快速製作，可減少開發產品的前置作業時間，及設計開發模具等相關 成本。 雷射成形研究最早出現在1986年，學者Namba Y.提出，若在太空使用雷 射板金成形，則可使用則可減少將設備運用在太空時的費用[24]。1987年， 學者Scully K.[25]在船體鋼材上成功使用了雷射彎曲加工。1995年，Arnet H. 和Vollertsen F.提出[26]雷射的成形有三種機制分別是：溫度梯度(Temperature gradient)、銼曲(buckling)、收縮(Shortening)。也就是隨著雷射加工參數的改 變，材料會產生凹形、凸形及收縮的情況，如圖2-16。2013年，D.P. Shidid 等人[27]使用脈衝雷射對鈦合金進行雷射成形，並加入惰性氣體，研究對於 熱影響區的變化。同年，學者Xiao Wang等人[28]在金屬電極板的製作研究 上，使用脈衝雷射搭配塑膠墊進行金屬板微流道的成形，變形高度可達 200um以上。由文獻可知，藉由雷射可進行材料加熱變形。. 17.
(29) 圖2-16 雷射成形三種機制[26]. 2.3.2 流體成形 因應某些產品的需求，為了降低成本、增加強度及減少製程，所發展出 的一種方式，流體成形適合大量生產，提高產出效率。在流體成形過程中， 進一步將材料加熱，更可突破金屬本身的成形延展限制。 1951年，Cincinate公司發表了液壓成形技術[31]後，許多研究者即針對 液壓成形展開一連串的相關研究。在過去的文獻中，學者大多探討巨觀的管 材成形，以液體來當填充物。1997年，學者Kleine[32]則將板金材料以氣壓 成形，雖然還無法一次完成，但已達到初步的成形目的。2003年，Kleiner 等[33]又利用氮氣加壓使鎂合金變形，效果也優於傳統的方式，但因其壓力 (約1MPa) 皆小於一般液壓(大於10MPa)，還是無法一次成形。2005年，Hans Kurt Tönshoff等人[34]因液壓成形需要的製程壓力及模具閉鎖較大，成本較 高，於是在鎂合金及鋁合金上使用了雷射加熱液壓成形，降低降伏強度，使 小尺寸的元件，可在低壓(2MPa)下成形。 在流體成形的一般定義中，將氣體與液體統稱為流體。以下描述液壓及 氣壓成形的幾種方式：液壓成形(hydroforming)、超塑性成形(superplastic forming)及熱金屬氣體成形(hot metal gas forming)。 18.
(30) (1) 液壓成形(Hydroforming) 管材成形(tube forming)，廣義包括成形後的切斷、接合、深拉延、罐擠 壓加工等後續加工。加工分類為：彎曲加工、膨出加工、縮口加工、擴口加 工、卷邊及反轉加工、異形加工、變肉厚加工、切斷、輪廓、開孔加工、接 合及其他成形法等[29]。 管材膨出加工法之內部填充物通常使用油、添加防銹劑的水、橡膠、空 氣、粉末、砂等壓力媒體。管件液壓成形(Tube Hydroforming，簡稱THF) [30] 的方法是將管材置入成形模具中，液體充入管材內部，利用壓力以及兩側之 推力推動材料，使管件鼓脹成形，圖2-17。. 圖2-17 液壓成形示意圖[30] THF 的基本成形步驟有六個，如圖 2-18：一、合模：將管材放入成形模 中，準備成形。二、封口：將開口端全部封閉，以防壓力溢出。三、快速注 入液體：將液體填入管材內部，內部充滿液體。四、停止：停止加入液體。 五、加軸向力並注入液體：加壓力，使管壁鼓脹變形。六、脫模：打開模具， 取出成品。. 19.
(31) 圖2-18 液壓成形製程流程圖[30] (2)超塑性成形(superplastic forming) 超塑性成形是將金屬板材放入模具後，加熱至再結晶溫度以上，施加壓 力氣體使其變形。因為不產生殘餘應力，所以可以製作大而薄的產品，一般 多用於汽車與航太產業。本方法所使用的材料本身必須有微小的晶粒組織， 在製造過程中才能保持穩定性，成形過程如圖 2-19。. 圖2-19 超塑性成形示意圖[35] 20.
(32) (3)熱金屬氣體成形(hot metal gas forming) 熱金屬氣體成形採用管材為成形材料，可以視為超塑性成形的改良。此 方式為了增加成形性並減少金屬本身的成形限制，而在材料上施加熱量，使 之趨近液相線溫度，以降低材料的降伏強度，減少成形壓力。2007年，L. Vadillo等人[36]利用此方法將不銹鋼管膨脹至55%。2012年，HE Zhu-bin等人 [37][38]研究指出，抗拉強度會隨著溫度的升高或應變速率的減少而降低， 伸長量則會明顯增大，另外，隨著溫度的增加，成形的壓力也會大幅下降。 上述文獻表示，在低壓的情況下，加熱母材可能使材料產生變形，進而 產生溝槽。. 2.4 沃斯田鐵系不銹鋼的銲接缺陷 一般銲接缺陷分為六大類：一、裂縫；二、空洞；三、固體夾渣；四、 不完全熔融；五、不完全外形；六、其他缺陷。本研究採用雷射加熱，類似 銲接的成形方法，故會產生銲接缺陷。 使用雷射銲接系統輔助成形，原則上仍為銲接的一環。在銲接的過程 中，無論設備及技術多精良，在熔化材料時還是會產生微量的缺陷(defect)。 雖然對銲道的影響並不大，但在管內有氣壓的情況下，仍有可能產生破壞性 的影響。一般沃斯田鐵系不銹鋼會有熱裂、碳化物析出、應力腐蝕破裂及扭 曲變形等缺陷發生，以下針對缺陷加以說明。 1.. 熱裂：熱裂是晶粒與晶粒間的界線出現裂縫。當材料受到收縮而產 生應力，在980度(℃)間或材料含硫或磷等元素時，也容易發生熱裂 問題。. 2.. 碳化物析出：碳化物析出是沃斯田鐵系不銹鋼在加熱熔融後，由於 碳化鉻的成形，在晶粒邊會析出，使鉻含量減少，因而失去抗腐蝕 的能力。通常發生於敏感溫度，約425度至870度間；但經由雷射加 21.
(33) 熱後，熔融區高溫的時間較短，所以約在650度至870度間，一般稱 為敏化現象(sensitization)。 3.. 應力腐蝕破裂：應力腐蝕破裂的發生主因有二。一、內含應力。二、 材料與氯化物或腐蝕性離子有接觸。. 4.. 扭曲變形：扭曲變形是所有的材料在銲接時都會發生的問題，但因 沃斯田鐵系不銹鋼熱膨脹係數高，熱傳導係數低，熱量不易傳出， 導致變形更嚴重。[3]. 22.
(34) 第三章. 研究設計與實施. 本研究將針對現有的脈衝式雷射銲接機進行改裝，並設計一個管材溝槽 氣壓成形裝置，使裝置能進行氣壓無模成形，製作多種材料的溝槽成形，且 可使變形量集中在加熱點，並獲得材料成形參數的經驗公式，以達到控制成 形的目的。溝槽成形後進行金相實驗、尺寸量測、微硬度試驗、電子顯微鏡 觀察及能量散佈光譜儀分析等量測，瞭解成形的基本特性。. 3.1 實驗設計流程 本研究的實施步驟依序說明如下，可參照圖3-1： 1.. 蒐集相關文獻、期刊，資料整理及分析。. 2.. 確定研究題目、目的、方法，並建立研究架構。. 3.. 蒐集國內外有關氣壓成形及其相關文獻，並分析、整理。. 4.. 擬定研究計畫。. 5.. 決定成形控制因素。. 6.. 準備實驗試驗材料及設備。. 7.. 進行成形，成形參數調整。. 8.. 量測成形後之溝槽之幾何尺寸、金相顯微組織觀察、微硬度試驗、掃描. 式電子顯微鏡觀察及能量散佈光譜儀分析。 9.. 整理數據與資料分析。. 10. 歸納結論並提出建議。. 23.
(35) 圖3-1 實驗設計流程. 24.
(36) 3.2 前置實驗 3.2.1 實驗試片及前處理 本研究採用SUS301不銹鋼，實驗試片尺寸為φ2mm×0.2mm薄管。前處理 首先以丙酮除去表面油漬，再使用超音波震盪清洗。清洗主要是避免表面上 所吸附的油汙、粉塵以及氧化物等雜質，提升成形品質，避免干擾試片的測 量或造成實驗設備的汙染，材料如圖3-2。. 圖3-2 實驗試片. 3.2.2 製作原理 圖 3-3 為實驗設備示意圖。先將不銹鋼薄管材放置在成形冶具上，操作 機械手臂將雷射光束聚焦在不銹鋼表面，同時通入成形氣體至管材內部，確 認氣體氣密及壓力後，啟動機械手臂及雷射控制，進行氣壓無模成形。當高 能量的雷射與不銹鋼反應後，表面產生液態金屬，材料降伏強度降低，同時 因管內的壓力，使氣體瞬間擠壓出材料，立即變形，如圖 3-4~5。氣體由內 部向外擠壓，同時，雷射所造成的液態金屬，因加熱源消失而轉為固態，產 生變形後的表面凸狀。藉由機械手臂的移動及轉動，控制脈衝式雷射加熱的 範圍，形成溝槽。最後對成形的組織層進行量測與分析。. 25.
(37) 圖3-3 實驗設備圖. 圖3-4 氣壓成形斷面示意圖. 26.
(38) (a)成形斷面. (b)成形等角圖 圖3-5 氣壓成形示意圖. 3.2.3 實驗設備 本實驗設備採ROFIN starweld 40W低功率Nd：YAG脈衝式雷射銲接機搭 配FANUC Robot LR Mate200i六軸機械手臂。在大氣狀態下採無預熱、無保 護氣體，並以大氣當作成形氣體，使用空氣壓縮機提供壓力，經由空氣濾清 器及精密調壓閥進行降壓。因本研究必須在微小壓力下成形，所以選用精密 調壓閥。精密調壓閥由於調壓間距小，故須加裝空氣濾清器，但不使用空氣 潤滑器，因潤滑油進入精密調壓閥後，會導致精密調壓閥失準，如圖3-6~8 所示。再分別針對不同雷射參數與壓力進行成形實驗，圖3-9為成形流程。. 27.
(39) (b)控制器. (a) FANUC Robot LR Mate200i. (c)ROFIN starweld 40W雷射銲接機 圖3-6 加熱系統. 28.
(40) (a)空氣壓縮機. (b)空氣濾清器及精密調壓閥. 圖3-7 空氣壓縮系統. 圖3-8 成形系統示意圖. 圖3-9 脈衝式雷射氣體成形流程圖 29.
(41) 3.3 成形之參數設計 根據文獻指出，常溫管材液壓成形壓力一般在10MPa(1MPa=10.2kg/cm2) 以上，即使使用低壓，也約在1MPa左右，且無法一次成形。本研究因採雷 射加熱，可降低許多製程壓力，實際測試成形壓力約在0.5kg/cm2以下，另外， 壓力參數必須搭配雷射參數，以不破裂為前提。雷射主要參數為輸出功率、 機械手臂移動速度、脈衝頻率、脈衝寬度及重疊率等。除了空氣壓力外，功 率為主要的成形條件，實際測驗成形功率約在40W以下，脈衝寬度影響溝槽 幾何尺寸，脈衝頻率則必須搭配機械手臂速度，控制重疊率，故本研究選定 之實驗參數如表3-1。 表3-1 成形參數表 製程項目. 製程參數. 輸出功率 (W). 8-12. 脈衝寬度 (ms). 3-5. 脈衝頻率 (Hz). 4-5. 機械手臂移動速度(mm/sec). 1. 空氣壓力(kg/cm2). 0.7-0.16. 3.4 金相顯微組織觀察 根據研究目的，為了探討成形方法在使用不同參數，對成形試片的差 異，因此透過金相組織觀察，以了解在不同參數條件下成形的組織狀況，以 及填充氣體壓力大小對成形之影響。 金相組織觀察是本實驗觀察的第一步，由於光源無法穿透不銹鋼材料， 遂使用光學顯微鏡觀察。觀察前先以鑽石切割機取樣，再利用Olympus BH 型光學顯微鏡觀察試片之金相組織，並配有入射場模組(Incident light 30.
(42) module)、偏光鏡組與TOSHIBA IK-642F CCD配合影像擷取至電腦中。 將各種不同參數的氣壓成形試片，以橫截面為觀察面，利用慢速鑽石切 割機裁切，再使用導電電木粉進行熱鑲埋處理。經由＃180、＃240、＃320、 ＃400、＃600、＃800、＃1000、＃1200、＃1500、＃2000 號砂紙，依序搭 配圓盤式研磨機研磨，再用氧化鋁粉在拋光機上以1μm、0.3μm、0.05μm 順 序進行拋光，如圖3-10所示。 拋光後採用濃硝酸和濃鹽酸按1：3的比例調製成王水進行腐蝕。腐蝕後 的試片以清水清洗，噴上酒精再以吹風機吹乾，即成為可在光學顯微鏡觀察 的試片。. (a)鑽石切割機. (b)Olympus BH型光學顯微鏡. (c)熱鑲埋機. (d)圓盤式研磨機. 圖3-10 金相顯微組織觀察設備. 3.5 微硬度試驗 本實驗採用的微硬度試驗機為Future-Tech_FM-700型，負荷範圍為 5~500g，荷重保持時間為5~60秒。微硬度試驗機有幾項優點：荷重小時可用 31.
(43) 於薄小樣品、量測精度高和量測範圍廣等，如圖3-11。 硬度是指材料對於塑性變形的抵抗力，根據壓痕深度、長度及面積來定 義硬度。維克氏硬度採用錐頂角為136度的壓痕器，將壓痕結果用顯微鏡觀 察、測量後，以電腦程式計算出結果。. 圖3-11 Future-Tech_FM-700型微硬度試驗機. 32.
(44) 3.6 掃描式電子顯微鏡及能量散佈光譜儀觀察與分析 本實驗設備為JEOL-JSM6360型掃描式電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscope, SEM)，並加裝能量散佈光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)系統，可有定性及半定量之成份分析及偵測原子序11以上之元素。此 設備使用鎢燈絲電子槍，可移動X、Y、R軸(旋轉)及T軸(傾斜)去觀察，搭配 桌上型電腦可調整自動聚焦、像差校正、對比及亮度等。如圖3-12。. 圖3-12 JEOL-JSM6360型掃描式電子顯微鏡. 33.
(45) 第四章實驗結果與討論. 4.1 金相顯微組織觀察 本實驗結果顯示，當溝槽成形後，因製程參數的改變，使組織發生變化。 依金相圖片判斷，成形機制分為兩種，熔融成形及固液態熔融成形，如圖 4-1(a)、(b)。從顯微組織觀察中，發現組織分為四個區域，分別是母材區、 熱影響區、塑性區及熔融區。如圖 4-1(c)可看出，在母材接近塑性區約有 50um 的組織變化，由此可以推斷，是雷射加熱後所產生的熱影響區(HAZ)。. (a)熔融成形. (b)固液態熔融成形. (c)金相組織分佈. (d)熱影響區 圖4-1 成形機制. 34.
(46) (a)熔融成形. (b)母材區. (c)熔融區. (d)熱影響區與熔融區. 圖4-2 不銹鋼經熔融成形後金相組織圖 當壓力為 0.07kg/cm2 時，鋼管在加熱熔融後，因管厚受壓而擠出成形。 當材料加熱至液相線溫度以上時，會產生液態金屬，但因加熱時間短，冷卻 速度快，造成如圖 4-2(a)所出現的明顯固、液態轉換晶界。本實驗材料不銹 鋼管為擠製成形，含有部份的麻田散鐵，材料組織經擠製後，會在徑向呈現 柱狀，故母材金相軸向會呈現圓點狀，如圖 4-2(b)。熔融區的材料因在熔融 狀態下，使原本因擠製而產生的柱狀組織回復原狀，如圖 4-2(c)。. 35.
(47) (a)固液態熔融成形. (b)母材區. (c)熔融區. (d)塑性區. (e)熱影響區與塑性區. (f)塑性區與熔融區. 圖4-3 不銹鋼經固液態熔融成形後金相組織圖 圖 4-3(a)所示，當壓力為 0.1kg/cm2 時，雷射加熱後，塑性區內形成固液 雙相共存。在塑性區內因熔融尚未完全液化，但溫度已介於於固、液相線間， 受壓力後而產生變形，由於變形方向為縱向，組織漸呈現扁長狀。 36.
(48) 4.2 製程參數對成形之影響 本節針對製程參數：管內氣體壓力、雷射輸出功率、雷射脈衝頻率、雷 射脈衝寬度等對於溝槽成形之影響。. 4.2.1 管內氣體壓力與槽深 在功率10W、脈衝寬度4ms、脈衝頻率4.5Hz時，分別選擇0.07kg/cm2、 0.10kg/cm2、0.15kg/cm2的內壓力，以探討管內壓力改變對成形之影響，參數 如表4-1。材料成形後，分別在前、中及後段，量取溝槽深度及寬度，進而 計算出在不同的壓力下平均槽深，如圖4-4(a)(b)。 在不施加壓力的情況下，如圖4-5，經由雷射加熱後，因重力影響，銲 道形成平面，低於管材表面，但並未產生溝槽狀的結構，且厚度並沒有特別 的改變。從圖4-6可知，當壓力增加到0.07kg/cm2時，已出現微凹的溝槽狀結 構，平均槽深約為79.2um，板厚亦無明顯變化，仍在熔融成形階段。再將壓 力增加至0.1kg/cm2時，如圖4-7，溝槽的平均槽深達到208.5um，板厚變化明 顯。圖4-7(f)顯示，因採脈衝式雷射，雖產生明顯鋸齒狀的結構，但已形成 溝槽。另由圖4-8發現，在壓力0.15kg/cm2時，同樣的行進距離，會因壓力過 大，導致加熱部份隨機破裂。而圖4-8(a)顯示，破裂後內部壓力下降，但仍 有成形產生，相對成形量較小，平均槽深下降。 結果顯示，在相同的條件下，雖然壓力大可產生較大的槽深，但會產生 破裂的情況，造成壓力下降，平均槽深失準。在條件0.10kg/cm2下則有較好 的槽深，平均槽深達208.5um，如圖4-5(c)。. 37.
(49) 表4-1 內部壓力對槽深之影響 雷射參數 內部壓力. 平均槽深. (kg/cm2). (um). 0. -. 未成形. 0.07. 79.2. 成形. 0.1. 208.5. 成形. 0.15. 132. 破裂. 備註. 輸出功率 脈衝寬度 脈衝頻率 (W). 10. (ms). 4. (Hz). 4.5. (a)取樣位置. (b)量測位置. (c)內部壓力對槽深影響 圖4-4 內部壓力對槽深之影響. 38.
(50) (a)管外側. (b)管內側. (c)管外側量測位置. (d)管內側量測位置. (e)管外側局部. (f)管內側局部 圖4-5 未施加壓力. 39.
(51) (a)管外側. (b)管內側. (c)管外側量測位置. (d)管內側量測位置. (e)管外側局部. (f)管內側局部. 圖4-6 內部壓力0.07(kg/cm2). 40.
(52) (a)管外側. (b)管內側. (c)管外側量測位置. (d)管內側量測位置. (e)管外側局部. (f)管內側局部. 圖4-7 內部壓力0.1(kg/cm2). 41.
(53) (a)管外側. (b)管內側. (c)管外側量測位置. (d)管內側量測位置. (e)管外側局部. (f)管內側局部. 圖4-8 內部壓力0.15(kg/cm2). 42.
(54) 4.2.2 雷射輸出功率與銲點直徑 雷射輸出功率為影響材料熔融程度最主要因素，銲點直徑大小直接影響 內部槽寬大小。本實驗在內壓力0.10kg/cm2、脈衝寬度4ms、脈衝頻率4.5Hz 時，輸出功率分別選擇為8W、10W、12W，改變輸出功率對於成形之影響 如表4.2。溝槽成形後，量取銲點直徑及槽寬，進而計算不同輸出功率下的 平均銲點直徑。 參考表4-2及圖4-9可知，當輸出功率增加時，銲點直徑相對增加，內側 的平均槽寬也增加。量測圖4-10(b)(c)管材位置，在輸出功率8W時，平均銲 點直徑為645.5um，平均槽寬則有351um，圖4-10(c)溝槽呈現窄凸狀。而當 輸出功率在10W時，溝槽則成寬圓狀如圖4-11(c)。當輸出功率到12W，已出 現隨機的破裂情況，由4-12(c)也可以明顯看出，厚度變薄、深度較深。 此項結果顯示，當輸出功率較小時，平均銲點直徑較小，內部溝槽較窄。 當輸出功率較大時，材料成形厚度變薄，導致成形時隨機破裂。而在輸出功 率10W時，平均槽寬382.5um且未出現破裂情況。. 43.
(55) 表4-2 雷射輸出功率對銲點直徑之影響 雷射參數 內部壓力 平均銲點直徑 平均槽寬 備註. 輸出功率 脈衝寬度 脈衝頻率 (kg/cm2) (W). (ms). 4. (um). 645.5. 351. 成形. 661.3. 382.5. 成形. 676.5. 401. 破裂. (Hz). 8 10. (um). 4.5. 0.1. 12. 圖4-9 輸出功率對銲點直徑之影響. 44.
(56) (a)管外側. (b)管外側量測位置. (c)管內側量測位置 圖4-10 輸出功率8W 45.
(57) (a)管外側. (b)管外側量測位置. (c)管內側量測位置 圖4-11 輸出功率10W 46.
(58) (a)管外側. (b)管外側量測位置. (c)管內側量測位置 圖4-12 輸出功率12W 47.
(59) 4.2.3 雷射脈衝頻率與重疊率 雷射脈衝頻率製程參數與自動手臂走速搭配，將自動手臂速度固定為 1mm/sec，由脈衝頻率的更改來控制重疊率。本實驗在內壓力0.10kg/cm2、脈 衝寬度4ms、輸出功率10W時，脈衝頻率分別選擇為4Hz、4.5Hz、5Hz，量 測方式為量測單點直徑及各點的重疊直徑，再平均後計算出結果，如表4-3。 脈衝式雷射是利用脈衝的方式進行加熱，因此重疊率越高，入熱量越 高，而溝槽內的表面粗糙度就會越低，但也會提升破裂的機會。脈衝頻率4Hz 以上時，重疊率可達60%以上。由圖4-13顯示，脈衝頻率重疊率呈線性上升， 但在輸出功率10W、脈衝寬度4ms、內部壓力0.1kg/cm2、脈衝頻率5Hz，重 疊率在67% 時，就會發生隨機破裂，如圖4-14~16。 本項結果顯示，雖然重疊率越高溝槽越平滑，但是會造成隨機破裂，當 脈衝頻率在4.5Hz，不會發生破裂且重疊率為63%。. 48.
(60) 表4-3 雷射脈衝頻率對重疊率之影響 雷射參數 內部壓力 平均銲點直徑 重疊直徑 重疊率 輸出功率. 脈衝寬度. 備註. 脈衝頻率 (kg/cm2). (W). (ms). 4. (um). (%). 651.5. 256.25. 60. 成形. 661.3. 243.75. 63. 成形. 674. 220.125. 67. 破裂. (Hz) 4. 10. (um). 4.5. 0.1. 5. 圖4-13 脈衝頻率對重疊率之影響. 49.
(61) (a)管外側. (b)管外側量測位置. (c)管內側局部 圖4-14 脈衝頻率4Hz 50.
(62) (a)管外側. (b)管外側量測位置. (c)管內側局部 圖4-15 脈衝頻率4.5Hz 51.
(63) (a)管外側. (b)管外側量測位置. (c)管內側局部 圖4-16 脈衝頻率5Hz 52.
(64) 4.2.4 雷射脈衝寬度與銲點直徑 雷射脈衝寬度會影響材料的入熱量，對於銲點直徑直接影響大。本實驗 在內壓力0.10kg/cm2、輸出功率10W、脈衝頻率4.5Hz時，脈衝寬度分別選擇 為3ms、4ms、5ms，改變脈衝寬度對於成形之影響，如表4-4。 在成形後，量取銲點直徑及槽寬後，進而計算出在不同的脈衝寬度下的 平均銲點直徑。 本項結果顯示，在相同的條件下，雖然較大的脈衝寬度可產生較大的銲 點直徑，但破裂的機會也相對增加。在脈衝寬度4ms時，可有較大的槽寬且 未破裂，成形結果如圖4-17~20。 表4-4 雷射脈衝寬度對銲點直徑之影響 雷射參數 內部壓力 平均銲點直徑 平均槽寬 備註. 輸出功率 脈衝寬度 脈衝頻率 (kg/cm2) (W). (ms). 4. (um). 653. 315. 成形. 661.3. 382.5. 成形. 639. 343. 破裂. (Hz). 3 10. (um). 4.5. 0.1. 5. 圖4-17 雷射脈衝寬度對銲點直徑之影響 53.
(65) (a)管外側. (b)管外側量測位置. (c)管內側量測位置 圖4-18 脈衝寬度3ms 54.
(66) (a)管外側. (b)管外側量測位置. (c)管內側量測位置 圖4-19 脈衝寬度4ms 55.
(67) (a)管外側. (b)管外側量測位置. (c)管內側量測位置 圖4-20 脈衝寬度5ms 56.
(68) 4.3 微硬度試驗 本實驗以Future-Tech FM-700型微硬度試驗機採用50g之荷重，荷重時間 為15秒鐘，取斷面母材及熔融區進行硬度量測。沿著溝槽斷面的塑性區中心 線左右兩側延伸，每25um量測一點，上下亦為25um，共量測36點，如圖4-21 所示。硬度量測結果如圖4-22所示。. 圖4-21 硬度量測點示意圖. 圖4-22 微硬度分佈曲線圖 57.
(69) 圖4-23 平均硬度曲線圖 一般 301 不銹鋼硬度約在 310(Hv)至 370(Hv)之間，由圖 4-22 可知本項 實驗經由測量後，硬度分佈在 214.2(Hv)至 335.7(Hv)之間，母材的硬度介於 325.6(Hv)至 335.7(Hv)之間。另由圖 4-23 所表示各區域的平均硬度值，母材 區為 330.28(Hv)，熱影響區為 280.52(Hv)，塑性區為 239.56(Hv)，熔融區為 237.34(Hv)。由 4.1 節的金相圖中，可以得知靠近塑性區有約為 50um 的熱影 響區，另在微硬度試驗中也發現，從母材區接近塑性區約有 50um 的區域， 平均硬度值在 280.52(Hv)，此值低於一般母材的硬度區間，因此可推測出此 區為熱影響區。量測硬度後發現，塑性區與熔融區硬度相近，由此可知塑性 區有熔融液化現象，推測因加熱時的內部壓力，造成固、液態共存區，導致 塑性區瞬間成形，遂產生熔融液化現象。. 58.
(70) 4.4 掃描式電子顯微鏡觀察 本研究將利用掃描式電子顯微鏡，觀察不銹鋼管成形溝槽試片。經由金 相觀察後鋼管斷面，再放入掃描式電子顯微鏡觀察，可明顯看出組織受力後 的情形，如圖 4-24(a)(b)。在成形後，外側漸漸因受力而出現組織拉伸情形， 之後出現少量塑性區。由圖 4-24(c)中可看出，當受力漸大，即出現明顯且較 完整的塑性區且出現被拉長後的組織狀，塑性區寬約有 75um。 圖 4-25(a)(b)中可以看出，當重疊率太小時，溝槽內外側會出現較嚴重 的鋸齒狀，但若在相同的製程參數下，重疊率較高時，又會出現破裂情況。 從圖 4-25(c)(d)的細部觀察，可以清楚分辦母材、塑性及熔融三區。由圖 4-25(e)(f)中，靠近外側出現整排的氣孔(圖中框選處)，推斷原因為成形時， 在大氣狀況下，未使用惰性氣體保護所造成。. 59.
(71) (a)熔融成形後局部. (b)少量塑性區局部. (c)多量塑性區局部 圖4-24 成形斷面晶界圖 60.
(72) (a)溝槽正面. (b) 溝槽側面. (c)重疊處細部. (d)塑性區局部. (e)內側氣孔處. (f)外側氣孔處 圖4-25 鋼管外貌. 61.
(73) 4.5 能量散佈光譜儀之分析 本實驗利用能量散佈光譜儀進行分析，了解成份是否有變化。將能量散 佈光譜儀分別對斷面的母材、塑性及熔融三個區域及二處晶界和表面銲點及 氧化物各取三處進行分析，如圖4-26。由圖4-27~36、表4-5~9結果顯示，與 文獻中的母材組成元素比較，因各廠商製作相異，成份會有些許落差。在斷 面各區域中，以基底的鐵成份波峰最強，且成份無特別變化。圖4-37~40、 表4-10、11顯示，銲點因加熱後造成成份的改變，而表面的氧化物為含高鉻 的黑色氧化物。在文獻中提及銲接時常在沃斯田鐵系中發生的敏化現象，因 鉻與碳結合成碳化鉻，造成鉻含量下降，但在晶界並無特別的含量下降趨 勢，由此可知，造成明顯晶界的發生，並不是敏化現象造成的。另外，因能 量散佈光譜儀本身限制的關係，並無法偵測碳元素，因此在成份分析結果內 並不會有碳元素的項目。. (a)管材斷面. (b)管材表面 圖4-26 分析位置. 62.
(74) 圖4-27 母材區分析位置. 圖4-28 母材區表面特性光譜圖 表4-5 母材區成份分析結果 Element Weight%. Si 1.82 1.06 0.61. P 0.16 0.12 0.39. S 0.2 0.15 0.31. Cr 20.36 19.25 19.00. 63. Mn 1.38 2.05 1.76. Fe 68.01 68.70 69.45. Ni 8.07 8.67 8.48. Totals 100.00.
(75) 圖4-29 母材及塑性區晶界分析位置. 圖4-30 母材及塑性區晶界表面特性光譜圖 表4-6 母材及塑性區晶界成份分析結果 Element Weight%. Si 0.79 0.64 0.70. P 0.16 0.06 0.02. S 0.11 0.24 0.31. Cr 19.02 19.78 20.37. 64. Mn 1.16 1.89 1.20. Fe 70.59 69.52 69.62. Ni 8.17 7.87 7.78. Totals 100.00.
(76) 圖4-31 塑性區分析位置. 圖4-32 塑性區表面特性光譜圖 表4-7 塑性區成份分析結果 Element Weight%. Si 0.61 0.99 0.78. P 0.23 0.10 0.08. S 0.03 0.27 0.09. Cr 18.82 19.17 18.80. 65. Mn 1.64 2.15 2.01. Fe 69.10 69.13 68.93. Ni 9.57 8.2 9.31. Totals 100.00.
(77) 圖4-33 塑性及熔融區晶界分析位置. 圖4-34 塑性及熔融區表面特性光譜圖 表4-8 塑性及熔融區成份分析結果 Element Weight%. Si 1.11 0.79 0.80. P 0.05 0.11 0.36. S 0.09 0.29 0.09. Cr 18.62 21.32 19.85. 66. Mn 2.27 1.26 2.29. Fe 68.65 67.23 69.30. Ni 9.21 8.98 7.32. Totals 100.00.
(78) 圖4-35 熔融區分析位置. 圖4-36 熔融區表面特性光譜圖 表4-9 熔融區成份分析結果 Element Weight%. Si 0.62 0.89 0.85. Cr 18.65 18.80 18.49. Mn 2.75 1.48 1.86. 67. Fe 68.54 69.47 69.58. Ni 9.44 9.37 9.21. Totals 100.00.
(79) 圖4-37 銲點分析位置. 圖4-38 銲點表面特性光譜圖 表4-10 銲點成份分析結果 Element Weight%. Si 4.26 2.30 3.80. P 0.28 0.64 0.18. S 0.01 0.24 0.19. Cr 21.58 20.29 19.59. 68. Mn 5.82 0.49 3.85. Fe 59.93 67.73 65.08. Ni 8.11 8.30 7.30. Totals 100.00.
(80) 圖4-39 氧化物分析位置. 圖4-40 氧化物表面特性光譜圖 表4-11 氧化物成份分析結果 Element Weight%. Si 23.06 23.14 17.65. Cr 34.21 31.85 36.19. Mn 38.23 40.65 42.70. 69. Fe 3.89 4.06 3.34. Ni 0.61 0.30 0.12. Totals 100.00.
(81) 第五章結論與建議 在全球產品日趨微小化及少量多樣的方向中，既有的技術必須進行製程 調整，才能在此趨勢下，達成降低成本及快速產出的製造科技需求。本研究 遂針對可在製程中減少模具成本支出、加速生產效益的無模成形，進行探討。 研究中透過文獻探討及設定研究方法、步驟，將在大氣條件下的不銹鋼 薄管，利用氣體填充加壓後再以脈衝式雷射加熱，以無模方式製作溝槽。製 作完成後，進行金相顯微觀察、微硬度試驗，並透過試片橫截面以掃描式電 子顯微鏡、能量散佈光譜議進行觀察與分析。研究結果顯示，該研究方法有 能力對多種材料在任意區域進行微尺度成形與加工，並且可依需求調整加工 尺度及成形路徑。最後將所得到的結果進行分析與討論，結論與建議分述如 下：. 5.1 結論 本研究進行不銹鋼管的無模成形，在大氣條件下通入低壓氣體與雷射加 熱輔助後，調整不同的製程參數，得到以下的結論： 1. 本研究進行不銹鋼管的無模成形，在通入低壓氣體及脈衝式雷射加熱 後，可成功製作出溝槽。此溝槽為鋸齒狀，平均槽寬382.5um，平均槽深 208.5um，且可在不同位置直接成形。 2. 實驗發現，在成形機制上，不同的製程參數下的溝槽，會出現塑性區， 造成二種結構，影響溝槽粗糙度及形貌。 3. 本研究不銹鋼薄管經由冷軋加工後，硬度升高，經過雷射輔助氣壓成形 後，相較母材平均硬度330.28(Hv)，在熔融區內平均硬度為237.34(Hv)， 明顯降低。 70.
(82) 4. 在不銹鋼薄管變形的區域內外側，均可發現明顯的氣孔。經掃描式電子 顯微鏡觀察，推斷是因為熔融時並且未使用惰性保護氣體造成氣孔的缺 陷。 5. 利用能量散佈光譜儀分析後，在試片的五個區域及表面中，並沒有特別 的成份變化，但表面有高鉻的氧化物產生。. 5.2 建議 本研究雖成功利用無模成形方式製作出微米尺度的溝槽，但仍有一些問 題值得細究與改善，以下根據溝槽缺陷與表面粗糙度、最佳成形參數及散熱 管材效率，提供後續研究參考： 1.. 溝槽缺陷與表面粗糙度：在本研究中，或因製程參數、材料限制等因素 而有缺陷產生，而溝槽中的表面粗糙度亦可視為一項重要參數，可針對 影響缺陷產生的因素及表面粗糙度的參數設定，進行探討。. 2.. 最佳成形參數：可以利用田口實驗法，找出最佳化之成形參數。. 3.. 散熱管材效率：使用其他熱傳導系數佳的材料進行雷射無模成形，探討 散熱元件的效率。. 71.
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