不銹鋼與黃銅異種金屬雷射銲接性質之研究
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(2) 謝誌 在求學、工作及家庭 3 者之間打轉了 5 個年頭，這個過程 中雖未曾打過退堂鼓，但無能為力的感覺一直存在心中，幸好 我的指導教授鄭慶民老師，耐心的提醒與督促，悉心的指導與 關心，讓我有勇氣並努力的完成了學業。也非常感謝口試委員 程金保主任及德霖技術學院機械工程學系主任王宣勝教授，在 口 試 中 給 予 精 闢 的 見 解 與 指 正，讓 學 生 的 論 文 更 加 充 實 及 嚴 謹。 求學的過程中，有一位好同學林柏村，總是跑在我前面， 把收集整理好的研究資料分享給我，並教我操作實驗設備，雖 然他因為個人生涯規劃，未能完成本項學業，相信以他的活力 與能力，必能開創另一片天空，感謝他陪我度過研究所前半段 的日子。衷心的感謝本研究室全體學長與學弟們，尤其是黃俊 榮學長及陳飛祥學弟，在論文研究的最後階段給我的指導及協 助，讓我能順利進行各項實驗，並且完成論文的撰寫，沒有你 們我又要延畢了。 感謝我的長官以及工作夥伴，在我撰寫論文的緊鑼密鼓階 段，給我鼓勵以及支援，讓我有時間進研究室完成實驗。最後 要感謝我的家人，你們的體諒及支持，讓我能專注的進行論文 研究。畢業了，代表我將進入另一個階段，我應該更努力的學 習與成長，以有能力協助及服務他人，來感謝一路走來幫助我 的師長以及所有人。. 郭錦榮. 謹誌. 民國九十八年六月. I.
(3) 中文摘要 本 研 究 以 不 同 的 Nd： YAG 雷 射 銲 接 參 數 及 特 別 設 計 的 夾 治 具，對 0.3mm 厚 度 之 不 銹 鋼 與 黃 銅 薄 板 實 施 不 加 填 料 金 屬 對 接 實 驗 ， 進 行 此 兩 種 材 料 銲 接 性 能 之 研 究 ， 探 討 Nd： YAG 雷 射銲 接 對 銲 道 之 機 械 性 質 與 顯 微 組 織 之影響。 由於黃銅中鋅為低熔點金屬，在進行雷射銲接時，無法避 免 鋅 汽 化 蒸 發 所 造 成 之 噴 爆 現 象 (gas expulsion)， 形 成 銲 接 缺 陷。因此，設法降低鋅的噴爆現象以及銅的熱傳導率與反射率 對雷射銲接之影響，為本項銲接實驗成功之關鍵。經多次實驗 發 現，提 高 脈 衝 寬 度 能 有 效 改 善 鋅 的 噴 爆 現 象 並 達 到 黃 銅 BOP 貫穿滲透的目的。 在黃銅對接實驗中，以雷射波形為漸升波，配合脈衝寬度 20ms、脈 衝 頻 率 2Hz 及 2cm/min 的 銲 接 速 度，可 得 到 黃 銅 對 接 最 高 之 平 均 抗 拉 強 度 254MPa。 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 實 驗 中 ， 以 雷 射 波 形 為 漸 升 波 ， 配 合 脈 衝 寬 度 2ms 、 脈 衝 頻 率 6Hz 及 6cm/min 的 銲 接 速 度 ， 可 得 到 異 種 金 屬 對 接 最 高 之 平 均 抗 拉 強 度 282MPa。 不銹鋼與黃銅對接銲道，明顯偏向不銹鋼側，研判原因為 不銹鋼易吸收雷射光能量，以及黃銅之熱傳導率及反射率皆 高，使黃銅不易受熱熔化而形成此現象。顯微組織呈現出不銹 鋼與黃銅未能充分融合，並在熔融交界處呈現兩種母材成份交 織的現象，加上銅的熔點較低容易於沃斯田鐵晶界產生液相薄 膜，在適當應力下容易貫穿晶界形成沿晶破裂，故不銹鋼與黃 銅對接銲道之強度，大部份比黃銅母材低，因此不銹鋼與黃銅 異種金屬對接，較適合用於強度要求不高之銲件。 關 鍵 字 ： 異 種 金 屬 銲 接 、 Nd： YAG 雷 射 、 不 銹 鋼 、 黃 銅. II.
(4) Abstract To discuss the mechanical property and influence of the microstructure on the fusion zone of the Nd:YAG LASER welding and study its welding characteristics between Stainless Steel and Brass plates, experiments of butt joint welding with special design of welding fixture apparatus, using different Nd:YAG LASER welding parameter without filler metal, carried on 0.3 mm thickness Stainless Steel and Brass thin plates. The critical issues of successful experiment on the Brass welding are to minimize the phenomenon of “gas expulsion” of Zinc, impacts from the pyroconductivity and reflectivity of Brass due to LASER welding, since the Zinc element in the Brass melts at reletatively lower temperature and unavoidably creates the “gas expulsion” due to vaporization of Zinc while LASER welding carries on Brass. It is discovered that enhancing the LASER pulse width is able to effectively improve the Zinc “gas expulsion” and achieve the goal of thoroughly melting of Brass Bead on Plate(BOP), after tries of different experiments. In this experiment, as for the Brass to Brass butt joint welding, a maximum average tensile strength 254 MPa was achieved by the LASER of ascending wave profile, with welding parameters of pulse width 20 ms, 2 Hz pulse frequency and 2 cm/min welding speed. As for the Stainless Steel to Brass plates butt joint welding between heterogeneous metals, a maximum average tensile strength 282 MPa was achieved by the LASER of ascending wave profile, with welding parameters of pulse width 20 ms, 6 Hz pulse frequency and 6 cm/min welding speed. III.
(5) It was discovered that the fusion zone obviously deviates toward the side of Stainless steel. The studies also show the phenomenon is the result of the LASER energy absorbed by the Stainless steel more than Brass, and relatively high thermal conductivity and reflectivity of Brass which make Brass less heated to melt. The microscoptic structure on the fusion zone presents incomplete fusion between Stainless steel and Brass, and a phenomenon of interweaving between these two base metals at the boundary of fusion. Furthermore, the formation of copper liquid film in austenitic grain boundary due to low melting point of copper element, penetrates the grain boundary and creates intergranular cracks under the suitable stress. It is concluded that the welding strength of butt joint between Stainless Steel and Brass is usually less than the strength of Brass base metal itself and the heterogeneous metals butt joint welding between Stainless Steel and Brass is more suitable for the useage in the strength less demanded weldment. Key words ： Heterogeneous metal welding, Nd:YAG LASER, Stainless Steel, Brass.. IV.
(6) 目錄 謝 誌 ......................................................................................... I 中 文 摘 要 ................................................................................. II ABSTRACT .......................................................................... III 目 錄 ........................................................................................ V 表 目 錄 ................................................................................. VIII 圖 目 錄 .................................................................................... IX 第 一 章 緒 論 ............................................................................. 1 第一節. 研 究 背 景 ................................................................. 1. 第二節. 研 究 動 機 ................................................................. 2. 第三節. 研 究 目 的 ................................................................. 3. 第二章 第一節. 文 獻 探 討 ................................................................... 4 不 銹 鋼 的 特 性 .......................................................... 4. 壹 、 不 銹 鋼 的 分 類 ............................................................. 4 貳 、 沃 斯 田 鐵 系 不 銹 鋼 ...................................................... 6 參 、 不 銹 鋼 的 銲 接 特 性 ...................................................... 8 第二節. 銅 合 金 的 特 性 ........................................................ 13. 壹 、 黃 銅 ......................................................................... 13 貳 、 黃 銅 的 銲 接 特 性 ........................................................ 14 第三節. 雷 射 銲 接 ............................................................... 17. 壹 、 雷 射 銲 接 的 特 性 ........................................................ 17 貳 、 雷 射 銲 接 的 優 點 及 限 制 ............................................. 24 參 、 雷 射 銲 接 與 各 種 銲 接 方 式 之 比 較 .............................. 25 肆 、 Nd： YAG雷 射 銲 接 ................................................... 26 第四節. 異 種 金 屬 銲 接 ........................................................ 29. 壹 、 異 種 金 屬 銲 接 問 題 .................................................... 29. V.
(7) 貳 、 異 種 金 屬 銲 接 材 料 選 擇 ............................................. 33 叁 、 銅 對 不 銹 鋼 的 影 響 .................................................... 35 第三章. 研 究 方 法 與 步 驟 ....................................................... 36. 第一節. 研 究 流 程 ............................................................... 36. 第二節. 研 究 材 料 ............................................................... 38. 第三節. 實 驗 設 備 ............................................................... 39. 壹 、 銲 接 實 驗 設 備 ........................................................... 39 貳 、 機 械 性 質 實 驗 設 備 .................................................... 43 參 、 金 相 實 驗 設 備 ........................................................... 45 第四節. 銲 接 實 驗 ............................................................... 49. 第五節. 機 械 性 質 分 析 ........................................................ 50. 壹 、 微 硬 度 試 驗 ............................................................... 50 貳 、 微 拉 伸 試 驗 ............................................................... 50 第六節. 金 相 組 織 觀 察 ........................................................ 52. 壹 、 試 片 準 備 .................................................................. 52 貳 、 顯 微 組 織 分 析 ........................................................... 52 參 、 破 斷 面 觀 察 與 分 析 .................................................... 52 第四章 第一節. 結 果 與 討 論 .............................................................. 53 不 銹 鋼 與 黃 銅 母 材 性 質 ......................................... 53. 壹 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 母 材 抗 拉 強 度 ............................... 53 貳 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 母 材 拉 伸 破 斷 面 分 析 ..................... 53 參 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 母 材 硬 度 試 驗 ............................... 54 肆 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 母 材 顯 微 組 織 ............................... 55 伍 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 母 材 成 份 分 析 ............................... 55 第二節. 黃 銅 BOP銲 接 ........................................................ 57. 壹 、 黃 銅 BOP銲 接 實 驗 .................................................... 57 貳 、 黃 銅 BOP銲 道 抗 拉 強 度 ............................................. 59 參 、 黃 銅 BOP銲 道 拉 伸 破 斷 面 分 析 .................................. 59 肆 、 黃 銅 BOP銲 道 硬 度 試 驗 結 果 及 分 析 ........................... 60 VI.
(8) 伍 、 黃 銅 BOP銲 道 金 相 顯 微 組 織 ...................................... 61 陸 、 黃 銅 BOP銲 道 橫 截 面 面 積 分 析 .................................. 62 柒 、 黃 銅 BOP銲 道 成 份 分 析 ............................................. 62 第三節. 黃 銅 對 接 ............................................................... 65. 壹 、 黃 銅 對 接 實 驗 ........................................................... 65 貳 、 黃 銅 對 接 銲 道 抗 拉 強 度 ............................................. 66 參 、 黃 銅 對 接 銲 道 拉 伸 破 斷 面 分 析 .................................. 67 肆 、 黃 銅 對 接 銲 道 硬 度 試 驗 結 果 及 分 析 ........................... 67 伍 、 黃 銅 對 接 銲 道 金 相 顯 微 組 織 ...................................... 69 陸 、 黃 銅 對 接 銲 道 橫 截 面 面 積 分 析 .................................. 69 柒 、 黃 銅 對 接 銲 道 成 份 分 析 ............................................. 71 第四節. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 .......................................... 74. 壹 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 實 驗 ....................................... 74 貳 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 銲 道 抗 拉 強 度 ........................ 75 參 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 銲 道 拉 伸 破 斷 面 分 析 ............. 76 肆 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 銲 道 硬 度 試 驗 結 果 及 分 析 ...... 78 伍 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 銲 道 金 相 顯 微 組 織 ................. 79 陸 、 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 銲 道 成 份 分 析 ........................ 80 第五章. 結 論 ......................................................................... 89. 參 考 文 獻 ................................................................................ 90. VII.
(9) 表目錄 [22]. 表 2-1. Cu與 Cu合 金 的 異 種 金 屬 熔 接 組 合 表. 表 2-2. 雷 射 銲 接 性 能 ............................................................ 22. 表 2-3. 雷 射 銲 接 與 各 種 銲 接 之 比 較 ...................................... 25. 表 2-4. 不銹鋼與黃銅物理性質. [40]. ...................... 16. ......................................... 33. [41]. 表 2-5. 異種金屬間雷射銲接特性. 表 3-1. 304 不 銹 鋼 合 金 成 分 表 (wt％ )..................................... 38. 表 3-2. 304 不 銹 鋼 機 械 性 質 .................................................. 38. 表 3-3. 黃 銅 合 金 成 分 表 (wt％ ) .............................................. 38. 表 3-4. 黃 銅 機 械 性 質 ............................................................ 38. 表 3-5. 矩形拉伸試片規格. 表 4-1. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 母 材 拉 伸 試 驗 結 果 (MPa)................ 53. 表 4-2. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 母 材 硬 度 試 驗 結 果 (Hv) .................. 54. 表 4-3. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 母 材 成 份 分 析 結 果 (wt％ ) ............... 56. 表 4-4. 黃 銅 BOP雷 射 銲 接 參 數 表 .......................................... 58. 表 4-5. 黃 銅 BOP銲 道 拉 伸 試 驗 結 果 (MPa) ............................. 59. 表 4-6. 黃 銅 BOP銲 道 硬 度 試 驗 結 果 (Hv) ................................ 60. 表 4-7. 黃 銅 BOP銲 道 面 積 變 化 分 析 結 果 ............................... 62. 表 4-8. 黃 銅 BOP銲 道 成 份 分 析 結 果 (wt％ ) ............................. 63. 表 4-9. 黃 銅 對 接 實 驗 雷 射 銲 接 參 數 表 ................................... 66. 表 4-10. 黃 銅 對 接 銲 道 拉 伸 試 驗 結 果 (MPa) ........................... 66. 表 4-11. 黃 銅 對 接 銲 道 硬 度 量 測 結 果 (Hv) .............................. 68. 表 4-12. 黃 銅 對 接 銲 道 面 積 變 化 分 析 結 果 (mm 2 ) .................... 70. 表 4-13. 黃 銅 對 接 銲 道 成 份 分 析 結 果 (wt％ ) ........................... 72. 表 4-14. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 實 驗 雷 射 銲 接 參 數 表 ............ 75. 表 4-15. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 拉 伸 試 驗 結 果 (MPa) .............. 75. 表 4-16. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 拉 伸 破 斷 面 成 份 分 析 (wt％ ) .. 77. 表 4-17. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 硬 度 量 測 結 果 (Hv) ................ 78. 表 4-18. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 成 份 分 析 結 果 (wt％ ) ............. 82. 表 4-19. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 交 界 處 線 狀 成 份 分 析 (wt％ ) .. 84. 表 4-20. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 交 界 處 成 份 分 析 (wt％ ) ......... 87. [46]. ..................................... 34. ................................................ 51. VIII.
(10) 圖目錄 圖 2-1. 沃斯田鐵系不銹鋼藉由調整成分改善性能. 圖 2-2. Fe–Cr–Ni之 虛 擬 二 元 相 圖. 圖 2-3. 沃斯田鐵不銹鋼之固化模式. 圖 2-4. 4 種雷射型態輸出功率比較圖. 圖 2-5. [28]. 雷射銲接重疊率示意圖. 圖 2-7. 傳導式銲接與鑰孔式銲接. 圖 2-8. Nd： YAG雷 射 構 造 圖. 圖 2-9. 雷射輸出波形示意圖 稀釋率計算示意圖. [32]. [35]. [38]. ............... 7. ........................................ 8 [8]. ..................................... 9. [23]. 薄板對接組配之間距幾何關係圖. 圖 2-6. 圖 2-10. [7]. [6]. ............................... 17 [25]. .......................... 19. ......................................... 20. [29]. ..................................... 21. ............................................ 26 ............................................ 28. .............................................. 30. 圖 3-1. 實 驗 流 程 圖 ............................................................... 37. 圖 3-2. ROFIN Starweld 40W 雷 射 銲 接 機 ............................. 39. 圖 3-3. FANUC Robot LR Mate200i六 軸 機 器 手 臂 .................. 40. 圖 3-4. 銲 接 夾 具 基 座 詳 圖 .................................................... 41. 圖 3-5. 銲 接 夾 具 ................................................................... 42. 圖 3-6. 銲 接 夾 具 固 定 於 六 軸 機 械 手 臂 底 盤 上 準 備 銲 接 示 意 圖 42. 圖 3-7. Future-Tech FM-700 型 微 硬 度 機 ................................ 43. 圖 3-8. 萬 能 拉 伸 試 驗 機 ........................................................ 44. 圖 3-9. BUETLER ISOMET慢 速 鑽 石 切 割 機 .......................... 45. 圖 3-10. 光 學 顯 微 鏡 Olympus BH型 ....................................... 46. 圖 3-11. 電 子 顯 微 鏡 JEOL JSM6360 備 有 EDS系 統 ................. 47. 圖 3-12. 薄 膜 蒸 鍍 機 ............................................................. 48. 圖 3-13. 雷 射 波 形 示 意 圖 ...................................................... 49. 圖 3-14. 雷 射 銲 接 實 驗 示 意 圖 ............................................... 49. 圖 3-15. 微 硬 度 量 測 點 分 佈 圖 ............................................... 50. 圖 3-16. 標 準 抗 拉 試 片 .......................................................... 51. 圖 3-17. 實 際 抗 拉 試 片 尺 寸 .................................................. 51. 圖 4-1. 304 不 銹 鋼 母 材 拉 伸 試 驗 破 斷 面 ................................ 53 IX.
(11) 圖 4-2. 黃 銅 母 材 拉 伸 破 斷 面 ................................................. 54. 圖 4-3. 304 不 銹 鋼 顯 微 組 織 .................................................. 55. 圖 4-4. 黃 銅 顯 微 組 織 ........................................................... 55. 圖 4-5. 母 材 成 分 分 析 位 置 圖 ................................................. 56. 圖 4-6. 黃 銅 BOP不 良 銲 道 外 觀 ............................................. 57. 圖 4-7. 黃 銅 BOP銲 道 外 觀 ..................................................... 58. 圖 4-8. 黃 銅 BOP銲 道 深 度 ..................................................... 59. 圖 4-9. 黃 銅 BOP銲 道 拉 伸 試 驗 破 斷 面 ................................... 59. 圖 4-10. 黃 銅 BOP銲 道 硬 度 量 測 示 意 圖 ................................. 60. 圖 4-11. 黃 銅 BOP銲 道 硬 度 分 析 ............................................ 61. 圖 4-12. 黃 銅 BOP銲 道 金 相 顯 微 組 織 ..................................... 61. 圖 4-13. 黃 銅 BOP銲 道 及 母 材 截 面 積 量 測 圖 .......................... 62. 圖 4-14. 黃 銅 BOP銲 道 成 份 分 析 位 置 圖 ................................. 63. 圖 4-15. 黃 銅 BOP銲 道 上 層 成 份 分 析 圖 ................................. 64. 圖 4-16. 黃 銅 BOP銲 道 中 間 成 份 分 析 圖 ................................. 64. 圖 4-17. 黃 銅 BOP銲 道 下 層 成 份 分 析 圖 ................................. 64. 圖 4-18. 黃 銅 對 接 銲 道 抗 拉 強 度 分 析 圖 ................................. 67. 圖 4-19. 黃 銅 對 接 銲 道 拉 伸 試 驗 破 斷 面 ................................. 67. 圖 4-20. 黃 銅 對 接 銲 道 硬 度 量 測 分 析 圖 ................................. 68. 圖 4-21. 黃 銅 對 接 銲 道 金 相 顯 微 組 織 .................................... 69. 圖 4-22. 黃 銅 對 接 銲 道 及 母 材 截 面 積 .................................... 70. 圖 4-23. 黃 銅 對 接 銲 道 成 份 分 析 位 置 圖 ................................. 71. 圖 4-24. 黃 銅 對 接 銲 道 上 層 成 份 分 析 圖 ................................. 73. 圖 4-25. 黃 銅 對 接 銲 道 中 間 成 份 分 析 圖 ................................. 73. 圖 4-26. 黃 銅 對 接 銲 道 下 層 成 份 分 析 圖 ................................. 73. 圖 4-27. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 抗 拉 強 度 分 析 圖 ................... 76. 圖 4-28. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 拉 伸 破 斷 面 .......................... 77. 圖 4-29. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 拉 伸 破 斷 面 成 份 分 析 位 置 圖 . 77. 圖 4-30. 銲 道 硬 度 量 測 點 示 意 圖 ........................................... 78. 圖 4-31. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 硬 度 分 析 圖 .......................... 79 X.
(12) 圖 4-32. 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 表 面 金 相 顯 微 組 織 ...................... 79. 圖 4-33. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 金 相 顯 微 組 織 ....................... 80. 圖 4-34. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 成 份 分 析 位 置 圖 ................... 81. 圖 4-35. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 上 層 成 份 分 析 圖 ................... 81. 圖 4-36. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 中 間 成 份 分 析 圖 ................... 81. 圖 4-37. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 下 層 成 份 分 析 圖 ................... 81. 圖 4-38. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 交 界 處 EDS線 狀 分 析 位 置 圖 .. 83. 圖 4-39. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 交 界 處 上 層 線 狀 成 份 分 析 圖 . 85. 圖 4-40. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 交 界 處 中 間 線 狀 成 份 分 析 圖 . 85. 圖 4-41. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 交 界 處 下 層 線 狀 成 份 分 析 圖 . 85. 圖 4-42. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 交 界 處 結 晶 型 態 示 意 圖 ........ 86. 圖 4-43. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 交 界 處 成 份 分 析 位 置 圖 ........ 86. 圖 4-44. 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 銲 道 交 界 處 成 份 分 析 圖 ............... 88. XI.
(13) 第一章 緒論 第一節. 研究背景. 目前國內金屬接合的方法，多採用電弧銲及點銲為主，但隨 著科技的發展及進步，各類型產品的功能及特性要求日益多元， 傳統的金屬接合技術已無法滿足光電、通訊、生醫、精密機械產 業 所 需 的 高 品 質、高 精 密 度、複 雜 外 形 和 多 功 能 性 的 設 計，因 此 ， 新材料的選擇及銲接技術的應用，成為影響目前及未來產品開發 的主要因素。 雷射銲接具有非常高的能量密度，能將銲道寬度控制在數十 至數百微米之間，更因為能量集中其所產生之熱影響區亦較小， 在 接 合 過 程 中 能 減 少 對 精 密 元 件 之 不 良 影 響。因 此，在 高 精 密 化、 高品質化及高效率化的商業需求下，業界對於雷射銲接金屬薄板 技術的開發非常期待。 雷 射 應 用 於 薄 板 接 合 是 未 來 銲 接 發 展 的 趨 勢，其 中 Nd︰ YAC 雷射能以脈衝方式在瞬間激發出數千瓦之光能，得到較大功率的 輸 出 ； 其 與 CO 2 雷 射 比 較 ， 波 長 較 短 且 相 差 有 10 倍 之 多 ， 對 於 高反射性材料能有較佳的吸收率，使得鋁合金、銅合金等更易於 銲 接；其 可 利 用 光 纖 傳 遞 的 特 性，消 除 雷 射 銲 接 在 空 間 上 的 限 制， 使 雷 射 銲 接 製 程 更 具 有 彈 性，Nd︰ YAC 雷 射 接 合 技 術，將 在 精 密 接合製程中扮演更重要之角色。. 1.
(14) 第二節. 研究動機. 工業越發達，單一特性的金屬材料就越無法滿足製作多功能 產品的需要。如今人們欲擷取各類金屬的長處而無其短處，正設 法將多元功能的產品需求，作適當的銲接設計而將異種金屬加以 接合。異種材料的銲接接合係指兩種或兩種以上不同材料（化學 成分、結構組織及性能等不同），在一定工藝條件下進行銲接的 過程，其目的在於能夠充分利用各種材料的優異特性. [1]. 。. 不銹鋼與黃銅分別具有優良之特性，皆為應用極為廣泛之金 屬材料，若能將兩種材料銲接接合，將能夠充分應用其金屬材料 之特性，從許多參考文獻中得知，雷射銲接不銹鋼之技術已然成 熟 ， 又 Nd： YAG 雷 射 其 波 長 較 短 之 特 性 ， 對 於 高 反 射 性 之 銅 合 金材料有較佳的吸收率，亦使得銅合金更易於銲接。 雷射光束具有高能量密度，能使銲道急速熔融並凝固成形， 對於高熔點或熔點及熱常數不同的異種金屬材料的銲接有利，科 技的發展必朝向特殊用途並能降低成本的方向努力，異種金屬銲 接後可利用到不同材料的特性，增加應用的空間，雷射銲接異種 金屬材料的技術將因應此需求而產生。 本 研 究 為 探 討 Nd ： YAG 雷 射 銲 接 不 銹 鋼 與 黃 銅 之 銲 接 性 能，並研究其機械性質與顯微組織之影響，作為未來實務應用參 考，期望在工程機械、交通運輸、石化工業、航太工業及電子等 工業之設備與構件中擴展其應用範圍。. 2.
(15) 第三節. 研究目的. 本 研 究 以 不 同 的 Nd： YAG 雷 射 銲 接 參 數 及 特 別 設 計 的 夾 治 具，對 0.3mm 厚 度 之 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 薄 板 實 施 不 加 填 料 金 屬 對 接 實 驗 ， 進 行 此 兩 種 材 料 銲 接 性 能 之 研 究 ， 探 討 Nd： YAG 雷 射 銲 接 參 數 對 銲 道 之 機 械 性 質 與 顯 微 組 織 之影響。 歸納研究目的如下： 壹 、 探 討 Nd： YAG 雷 射 銲 接 參 數 對 於 黃 銅 對 接 銲 道 機 械 性 質 之 影響。 貳、探 討 Nd：YAG 雷 射 銲 接 對 於 黃 銅 對 接 銲 道 顯 微 組 織 之 影 響 。 叁 、 探 討 Nd： YAG 雷 射 銲 接 參 數 對 於 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 銲 道機械性質之影響。 肆 、 探 討 Nd： YAG 雷 射 銲 接 對 於 304 不 銹 鋼 與 黃 銅 對 接 銲 道 顯 微組織之影響。. 3.
(16) 第二章 第一節. 文獻探討 不銹鋼的特性. 不 銹 鋼 (Stainless steel)是 以 鐵 元 素 為 主 體 加 入 鉻 及 鎳 元 素 的 合 金，一 般 所 稱 的 不 銹 鋼 是 指 鉻 含 量 在 12%以 上 低 於 30%的 Fe-Cr 合金，其表面為銀灰色並具有金屬光澤。鉻元素能在材料表面與 氧 化 合 成 氧 化 鉻 (Cr 2 O 3 )， 使 材 料 具 有 抗 蝕 的 作 用 ， 鉻 含 量 如 超 過 12%者 更 可 使 材 料 表 面 形 成 連 續 且 緻 密 的 氧 化 鉻 層 ， 可 耐 高 溫 氧 化、硝酸、亞硫酸氣體及高溫高壓氫氣等之腐蝕，幾乎不會被一 般 之 腐 蝕 環 境 所 侵 蝕，其 耐 蝕 性 優 良，因 此 以 鉻 含 量 12%為 界 限， 超 過 者 歸 類 為 不 銹 鋼；低 於 12%者 屬 於 耐 蝕 鋼 (Corrosion resisting steel)， 此 為 Cr 系 不 銹 鋼 。 不 銹 鋼 的 合 金 元 素 ， 除 了 鉻 之 外 再 添 加 鎳 者 ， 可 進 一 步 耐 受 硫 酸 、 鹽 酸 等 強 酸 之 腐 蝕 者 ， 稱 為 Cr-Ni 系不銹鋼. [2]. 。. 不銹鋼在大氣中、水中或化學藥品中都不易腐蝕，而且強度 及 加 工 性 優 良，已 廣 泛 的 應 用 在 工 業 界 及 日 常 生 活 之 中，從 餐 具、 廚具、門窗、飲水配管、水塔、建築物外表及內部裝潢、機械零 件 、 食 品 加 工 用 品 、 石 化 工 業 管 件 、 航 太 材 料 、 醫 療 器 材 到 3C 產業等都被大量使用隨處可見，尤其是臺灣的海島型環境，更使 不銹鋼成為大家所喜用的材料。. 壹、不銹鋼的分類 不 銹 鋼 依 據 合 金 元 素 含 量 可 以 分 成 2 類，即 鉻 系 與 鉻 -鎳 系 不 銹鋼。依據顯微組織的晶體結構及強化機構可以分成 4 類，即肥 粒鐵型、麻田散鐵型、沃斯田鐵型、析出強化型，分述如下：. [3]. 一、肥粒鐵型 不 銹 鋼 中 鉻 含 量 在 16%以 上 且 碳 含 量 在 0.12%以 下 時 ， 可 得 全 為 肥 粒 鐵 的 結 構，無 自 硬 性，在 銲 接 後 熱 影 響 區 及 加 熱 至 870℃ 4.
(17) 以上時，會引起晶粒成長粗大化而降低韌性，無法藉熱處理細微 強化。由於肥粒鐵相一直存在於各種溫度，具有質軟易加工、耐 蝕性優良的優點，且為不銹鋼中最便宜者，雖然機械性質不強， 但仍廣用於汽車內裝、廚房器具、機械零件上。 二、麻田散鐵型 加 13%鉻 於 純 鐵 中 可 得 完 全 肥 粒 鐵 結 構 ， 又 1%碳 含 量 可 消 耗 17%鉻 含 量 ， 因 此 我 們 可 依 照 不 銹 鋼 的 碳 含 量 及 鉻 含 量 之 相 對 量 ， 來 區 分 其 為 肥 粒 鐵 型 或 麻 田 散 鐵 型 ， 例 如 ［ %Cr－ 17°%C］ ＞ 13 表 示 只 有 肥 粒 鐵 相 存 在 ， 是 為 肥 粒 鐵 型 ； 若 是 ［ %Cr － 17°%C］ ＜ 13 則 沃 斯 田 鐵 相 可 存 在 ， 而 可 作 沃 斯 田 鐵 化 淬 火 成 麻 田 散 鐵 ， 即 為 麻 田 散 鐵 型 不 銹 鋼 ， 其 硬 化 能 (hardenability) 很 高，有自硬性，淬火回火後機械性能良好，銲接後熱影響區容易 變脆產生破裂，銲接性差，但因銲接而粗大化之晶粒可藉熱處理 細微強化。 三、沃斯田鐵型 前述 2 者為鉻系不銹鋼，其對硫酸及鹽酸之耐蝕性不良，添 加 鎳 後 可 增 進 耐 蝕 性 。 沃 斯 田 鐵 型 不 銹 鋼 是 屬 於 Cr-Ni 系 不 銹 鋼 ， 其 鉻 含 量 約 17～ 20%、 鎳 含 量 約 7～ 10%， 常 用 者 為 18-8 不 銹鋼，此型不銹鋼在常溫下為沃斯田鐵組織，耐蝕能力最佳，質 軟富韌性，銲接性及加工性良好且無磁性，雖不能像麻田散鐵型 不銹鋼可藉淬火、回火來改良機械性質，但可利用冷加工來增加 強度、硬度。 四、析出強化型 析 出 強 化 型 不 銹 鋼 可 說 是 18-8 不 銹 鋼 的 改 良 型，其 成 份 類 似 18-8 不 銹 鋼 ， 其 中 鉻 及 鎳 含 量 較 少 一 些 而 添 加 了 鋁 、 鈮 或 鉭 。 析 出硬化型不銹鋼，其性質來自固溶強化、加工強化、析出強化、 麻田散鐵強化，即使碳很少也可得到很高的機械性質。. 5.
(18) 貳、沃斯田鐵系不銹鋼 沃 斯 田 鐵 系 不 銹 鋼，在 AISI的 規 格 中 屬 300系 列 不 銹 鋼，即 俗 稱 的 300系 列 不 銹 鋼 ， 其 標 準 成 份 為 C 0.2％ 以 下 、 Cr 17～ 20％ 、 Ni 7～ 10％ ， 常 用 者 為 18–8型 沃 斯 田 鐵 不 銹 鋼 。 沃 斯 田 鐵 系 不 銹 鋼在各種溫度下均保持沃斯田鐵組織，即不會因溫度變化而產生 相 變 化 ( phase transformation )，無 法 以 熱 處 理 的 方 法 將 其 硬 化 ， 但可用冷加工的方法來增加其硬度與強度，惟冷加工後會有應力 腐蝕問題而降低其抗腐蝕性。其微觀組織為面心立方體結構 (Face–Centered Cubic, FCC)，無 磁 性 及 韌 性 –脆 性 轉 換 溫 度，在 極 低的溫度下仍保持相當的韌性，再加上具有良好的抗腐蝕性、銲 接性、機械強度和成形性等優點，故成為市面上使用最廣泛的不 銹鋼種類. [4]. 。. 此類不銹鋼隨著合金組成的不同，可細分為以下幾類：. [5]. 一、未安定沃斯田鐵系不銹鋼：為了避免銲接過程中產生熱裂 縫 (Hot cracking)， 通 常 會 殘 留 少 量 的 δ 肥 粒 鐵 ， 而 這 些 擁 有殘留肥粒鐵的沃斯田鐵系不銹鋼，即屬於此類不銹鋼， 一 般 為 18-8 不 銹 鋼 ， 另 外 ， 含 2～ 3%Mo 者 及 含 碳 量 低 於 0.03%者 亦 屬 此 類 。 二、安定沃斯田鐵系不銹鋼：沃斯田鐵系不銹鋼加熱於敏化溫 度區間時易有碳化物的生成，甚至是 σ 相，而導致銲接衰 退 (Weld decay)， 若 在 成 分 中 添 加 對 碳 親 和 力 較 Cr 高 的 元 素 ， 如 Ti、 Nb、 Ta 等 ， 則 可 抑 制 Cr 2 3 C 6 的 產 生 ， 避 免 Cr 空 乏 區 (Chromium depletion zone)的 形 成，進 而 避 免 敏 化 現 象 (Sensitization)的 發 生 及 粒 界 腐 蝕 (Intergranular corrosion, IC)， 而 這 些 添 加 安 定 劑 的 18-8 不 銹 鋼 ， 即 為 安 定 沃 斯 田 鐵系不銹鋼。 三、完全沃斯田鐵系不銹鋼：此類不銹鋼具有穩定的沃斯田鐵 組織。若銲接過程中連銲條都屬此類，則銲件將不會有 δ 肥 粒 鐵 的 殘 留 ， 因 此 ， 易 導 致 粒 間 腐 蝕 的 Cr 2 3 C 6 及 硬 脆 的 σ 相將不會出現。另外，在此均質組織下，材料的耐蝕性 6.
(19) 及韌性均有不錯的效果。再加上沃斯田鐵相乃一順磁性的 組織，所以在抗磁材料的選用上，此類合金是一個不錯的 選擇。然而，此類合金由於不會有 δ 肥粒鐵的殘留，故將 導致熱裂縫的生成機會大增。 沃斯田鐵系不銹鋼藉由調整合金組成來改善性能，各鋼種間 的 成 分 差 異 如 圖 2-1. [6]. 所示。由圖可知，減少碳含量可提高晶界. 抗 腐 蝕 能 力，添 加 N 則 可 提 高 強 度；而 要 改 善 抗 孔 蝕 性 方 面，則 可 添 加 Mo， 其 效 果 與 添 加 量 成 正 比 。. add Nb+Ta. 310. 347. add Cr and Nt for better oxidation resistance and higher strength. 304N. add N. add Ti. reduce c. 304. 321. 304L. add Mo. 316N. 317N*. add N. add N. reduce C. 316. reduce C. 317. higher strength. 圖 2-1. 316L. addition of Mo for better resistance to pitting and general corrosion. 317L. better resistance for intergranular corrosion. 沃斯田鐵系不銹鋼藉由調整成分改善性能. 7. [6].
(20) 參、不銹鋼的銲接特性 由 於 不 銹 鋼 在 銲 接 後 產 生 的 偏 析 (Segregation)現 象 及 殘 留 的 肥 粒 相 組 織 (ferrite structure)，往 往 會 造 成 銲 接 處 比 基 材 較 差 的 性 質，如銲接金屬的抗腐蝕性、高溫熱裂等，所以其微觀組織變化 與性質，也廣泛地被探討。本小節從不銹鋼凝固模式、碳化物析 出、殘留肥粒鐵相、熱裂縫及扭曲變形問題，來探討不銹鋼的銲 接特性。 一、不銹鋼凝固模式 從 文 獻 中 探 討 不 銹 鋼 的 凝 固 模 式 ， 瞭 解 不 同 的 Cr / Ni 當 量 比，會 改 變 沃 斯 田 鐵 系 不 銹 鋼 的 凝 固 模 式，圖 2-2. [7]. 為 Fe-Cr-Ni 之. 虛 擬 二 元 相 圖，由 圖 可 知，合 金 成 分 中 Cr 含 量 高 者，其 固 化 過 程 會 先 產 生 δ 肥 粒 鐵 (Primary ferrite)， 此 種 銲 接 金 屬 在 常 溫 下 存 在 有 殘 留 肥 粒 相 組 織 (retained delta–ferrite)； 反 之 Cr 含 量 低 者 ， 將 先 產 生 沃 斯 田 鐵 (Primary austenite)， 此 種 金 屬 不 論 在 何 種 溫 度 下 均為沃斯田相組織。. 圖 2-2. Fe–Cr–Ni 之 虛 擬 二 元 相 圖 8. [7].
(21) 再 根 據 Suutala 所 提 出 的 沃 斯 田 鐵 系 不 銹 鋼 之 凝 固 模 式 ， 依 其 特 徵、肥 粒 相 組 織 含 量 及 Cr e q / Ni e q 之 比 值，可 區 分 成 如 圖 2-3 所示的 3 種型態，簡述如下：. 圖 2-3. [8]. 沃斯田鐵不銹鋼之固化模式. [8]. （ 一 ） Type A： Cr e q /Ni e q ＜ 1.48 凝 固 過 程 如 圖 2-3 之 a 模 式 完 全 為 沃 斯 田 鐵 組 織 ， 而 b 模 式 主 要 為 沃 斯 田 鐵 組 織，由 於 沃 斯 田 鐵 組 織 具 有 較 高 的 Ni 及 較 低 的 Cr，所 以 樹 枝 狀 結 構 間 未 凝 固 的 液 體 便 擁 有 較 高 的 Cr，故 可 能 會 有少量的肥粒鐵組織存在於樹枝結構間。 9.
(22) （ 二 ） Type B： 1.48＜ Cr e q /Ni e q ＜ 1.95 凝固過程為 c 或 d 模式，即固化時肥粒鐵組織為主要的相， 然而大部分的肥粒鐵組織會在較低溫時變態為沃斯田鐵組織，位 於樹枝狀結構之間，殘留的肥粒鐵組織則位於樹枝狀結構的心部 (Dendritic axis)。 （ 三 ） Type C： Cr e q /Ni e q ＞ 1.95 凝固主要以 e 模式發生，即凝固後的組織幾乎全為肥粒鐵組 織，若有沃斯田鐵組織存在，則是在冷卻過程中以魏德曼 (Widmanstatten)組 織 出 現 ， 此 魏 德 曼 沃 斯 田 鐵 組 織 的 多 寡 取 決 於 冷卻速率的快慢。 二、碳化物析出 碳化物析出為沃斯田鐵系不銹鋼在銲接時所面臨的問題。由 於 碳 與 鉻 化 合 後 會 在 晶 粒 的 邊 緣 析 出 碳 化 鉻 (Cr 2 3 C 6 )，使 得 晶 界 附 近的鉻含量降低，因而失去抗腐蝕的性能。碳化鉻析出發生於 870℃ ～ 425℃ 之 間 ， 此 溫 度 稱 為 敏 感 溫 度 (sensitizing temperature)。 防止碳化物析出的方法︰. [9,10]. （ 一 ） 固 溶 化 熱 處 理 (solution treatment) 將 沃 斯 田 鐵 系 不 銹 鋼 加 熱 至 1025℃ ～ 1120℃，加 熱 時 間 不 可 太 長 以 免 晶 粒 成 長 ， 然 後 迅 速 冷 卻 ， 亦 即 快 速 通 過 650℃ ～ 870° 敏感溫度範圍，可得單相沃斯田鐵組織，在前文中已說明沃斯田 鐵系不銹鋼不會因溫度之升降而有相變化，所以不會因急冷而硬 化，但會有變形的問題產生。 （二）採用超低含碳量的不銹鋼 選 用 含 碳 量 在 0.03%以 下 之 低 碳 合 金 ， 是 最 直 接 的 方 法 ， 亦 可 降 低 粒 間 腐 蝕 的 發 生 ， 如 304L、 316L 中 的 含 碳 量 特 低 ， 不 易 發生碳化物析出問題，但此類材料價格較貴. [11]. 。. （ 三 ） 採 用 鈦 、 鈮 穩 定 化 (stabilized)的 不 銹 鋼 因 為 鈦 、 鈮 等 元 素 對 碳 的 親 和 力 比 鉻 高 ， 並 且 在 700℃ ～ 900℃ 之 間 搶 先 與 碳 結 合 成 碳 化 物 ， 能 防 止 碳 化 鉻 的 形 成 。 如 10.
(23) 321、 347、 348 等 不 銹 鋼. [12]. 。. （四）降低銲接入熱量 銲接入熱量越高，冷卻速度越慢，將 導 致 熱 影 響 區 在 高 溫 停 留 較 長 的 時 間，亦 即 銲 件 停 留 在 敏 化 溫 度 區 間 的 時 間 拉 長，進 而 產 生 較 嚴 重 的 敏 化 現 象。另 外，大 的 銲 接 入 熱 量 會 造 成 熱 影 響 區 的 晶 粒 成 長，會 使 晶 界 偏 析 情 況 變 嚴 重，將 導 致 延 性 的 下 降 ， 進 而 降 低 熱 影 響 區 的 抗 拉 強 度 及 伸 長 率 。 因此，銲接入熱 量 必 須 降 低，使 冷 卻 速 率 變 快，進 而 抑 制 熱 影 響 區 碳 化 鉻 的 析 出 及晶 粒 成 長 。 三、殘留肥粒鐵相 大部分沃斯田鐵系不銹鋼在銲接後，皆會殘留少量的肥粒鐵 相，此肥粒鐵相是經由銲接熔融固化後所殘留下來的組織，一般 而言，銲接過程中冷卻速率快，無法達到平衡狀態，故肥粒鐵相 與沃斯田鐵相固態轉換無法完全，所以沃斯田鐵系不銹鋼銲後室 溫組織常為肥粒鐵相與沃斯田鐵相之雙相組織。沃斯田鐵系不銹 鋼銲接金屬中之肥粒鐵相有助於降低熱裂敏感性，但肥粒鐵相在 550℃ 至 850℃ 之 間，可 能 會 轉 換 為 σ 相，進 而 造 成 脆 裂 現 象，殘 留肥粒鐵相亦會降低沃斯田鐵系不銹鋼銲接金屬低溫韌性. [13]. 。. 四、熱裂縫 沃斯田鐵系不銹綱銲接後常遭遇到熱裂的問題，裂縫就發生 在晶粒與晶粒之間的界線，其主要原因是凝固過程的收縮應力及 晶 界 偏 析 所 造 成。在 凝 固 的 過 程 中 S、P、Si 等 元 素 會 集 結 在 晶 界 上形成一層強度較弱的薄膜，當銲件逐漸冷卻時收縮應力隨著溫 度降低而升高，當收縮應力超過薄膜所能承受的應力裂縫就會沿 晶粒間隙產生，因裂縫發生時銲件尚處於高溫故稱之為熱裂. [14]. 。. 由於不銹鋼的熱膨脹係數大，當銲件溫度自開始凝固後降至 980℃ 之 間，銲 件 會 因 為 收 縮 受 到 限 制 而 產 生 應 力，導 致 熱 裂 的 發 生 。 經 研 究 發 現 ， 若 在 沃 斯 田 鐵 系 不 銹 鋼 內 含 有 約 4～ 7%的 肥 粒 鐵，組 成 所 謂 複 式 金 相 結 構 (duplex structure)時，熱 裂 問 題 就 不 易 發 生 ， 因 為 肥 粒 鐵 對 S、 P、 S i 等 雜 質 具 有 較 高 的 溶 解 度 11. [15]. 。.
(24) 若 初 晶 相 為 肥 粒 鐵 相 則 固 化 過 程 晶 界 的 偏 析 會 降 低 許 多，進 而 減少甚至避免了熱裂的發生. [16]. 。又肥粒鐵相的熱膨脹係數比. 沃 斯 田 鐵 相 小，所 以 在 冷 卻 過 程 中 會 產 生 較 小 的 熱 應 力 並 減 少 凝固過程裂縫生成的機會. [17]. 。. 沃 斯 田 鐵 系 不 銹 鋼 中 添 加 銅， 可 以 增 加 成 形 性， 因 為 銅 是 γ 相 穩 定 元 素 而 且 能 降 低 麻 田 散 鐵 轉 換 溫 度，但 銅 亦 會 降 低 能 抑 制 熱 裂 產 生 的 肥 粒 鐵 析 出。銅 是 一 種 會 造 成 熱 裂 縫 的 元 素，因 為 銅 熔 點 較 低 且 和 沃 斯 田 鐵 晶 界 有 溼 潤 (wetting)的 現 象，容 易 於 晶 界 產 生 液 相 薄 膜，在 適 當 應 力 下 容 易 貫 穿 晶 界 形 成 沿 晶 破 裂 (Intergranular crack). [18]. 。. 五、扭曲變形問題 扭曲變形是一切材料在銲接時都會遭遇到的問題，沃斯田鐵 系 不 銹 鋼 其 熱 膨 脹 係 數 約 為 碳 鋼 的 1.5 倍 ， 熱 傳 導 係 數 僅 及 碳 鋼 的 1/3， 銲 接 位 置 的 熱 量 不 易 傳 導 出 去 ， 使 得 熱 膨 脹 問 題 更 形 嚴 重，導致銲件容易扭曲變形。防止對策是在銲接前先採用適當夾 具 將 材 料 固 定，限 制 銲 件 變 形 的 發 生，或 是 施 以 對 稱 順 序 銲 接 (點 銲) 來減少變形量。. 12.
(25) 第二節. 銅合金的特性. 固態的銅並沒有變態的現象，為了增加銅的強度、韌性、耐 蝕性、鑄造性、銲接性或其它機械性質，必須加入合金元素形成 銅合金，以產生固溶強化以增進其機械性質，其中較常添加的元 素有鋅、錫、鋁、鈹、鎳、鉛、磷、矽等。例如：銅鋅的合金稱 為 黃 銅 (Brass)、 銅 錫 的 合 金 稱 為 青 銅 (Bronze)， 其 它 還 有 鋁 青 銅 (Aluminium Bronze)、 鎳 青 銅 (Nickel Bronze)、 鈹 青 銅 (Beryllium Bronze)、 磷 青 銅 (Phosphorus Bronze)等 。 銅合金的結晶構造為面心立方格與沃斯田鐵系不銹鋼同樣 無低溫脆性，可以用來作為低溫材料。. 壹、黃銅 黃 銅 (brass)是 以 銅、鋅 元 素 為 主 要 成 分 的 合 金，黃 銅 的 鑄 造 、 加 工 成 形 性 (Formability)良 好 ， 耐 蝕 性 佳 ， 機 械 性 能 也 頗 佳 ， 而 且顏色優美，是銅合金中應用最廣者，黃銅隨著鋅含量的增加其 顏 色 由 暗 紅 色 、 橙 色 、 金 黃 色 而 黃 色 。 鋅 含 量 為 10～ 20%時 ， 組 織為 α 固溶體，強度及延性均佳，冷間加工可自由進行，鋅含量 低 的 黃 銅 主 要 供 應 美 術 工 藝 品 、 裝 飾 品 等 材 料 ， 稱 為 Tombac 或 荷 蘭 黃 銅。鋅 含 量 為 30%時，組 織 為 α 固 溶 體，強 度 及 延 性 均 佳 ， 伸長率最大抗拉強度也不錯，冷間加工可自由進行，因此這樣的 合金被廣泛應用於板、棒、線材及各種加工成形品，稱為七三黃 銅 。 鋅 含 量 在 40%左 右 時 ， 組 織 為 α＋ β 組 織 ， 延 性 較 七 三 黃 銅 差，抗拉強度會到達最高值，高溫時只呈現 β 相，故熱間加工容 易，因鋅含量多所以價格較便宜，耐蝕性亦甚良好，在黃銅中利 用度最大，這樣的合金被廣泛應用於閥門、管件等，稱為六四黃 銅 或 孟 慈 合 金 。 在 商 業 應 用 上 ， 黃 銅 的 鋅 含 量 通 常 不 超 過 45%， 就鋅含量的增加，其重要的影響是改變了黃銅的機械性質，鋅量 增加時，抗拉強度和伸長率就增加. [19]. 。. 黃銅如果再加入其它的合金元素，還可以有更廣泛的用途， 13.
(26) 諸如：鉛可以增加其切削性，錫可以增加抗海水腐蝕的能力。若 添加錳、鋁、鐵於黃銅中，可以增大其強度而接近鋼的性質，稱 為 高 強 度 黃 銅 ， 一 般 又 稱 為 錳 青 銅 (Manganese Bronze)。. 貳、黃銅的銲接特性 影響銅合金的銲接性的基本因素有熔點、熱傳導、熱膨脹、 流動性與凝固的特性等，此外熔接金屬結晶粒的粗大化以及種種 有害元素也有影響。 一、銅的物理性質： （ 一 ） 熔 點 溫 度 ： 銅 合 金 熔 點 在 900℃ ～ 1,100℃ 之 間 ， 熔 融 之銅流動性良好，易因過度流動而熔落造成熔著不足 及捲入熔渣等問題。 （二）熱傳導率：純銅的熱傳導率為鋼的 8 倍以上，故銲接 熱量會迅速擴散，造成基材不易熔融，使銲接位置容 易發生融合不良及捲入熔渣等缺陷，因此高溫預熱有 助於銲接的進行。 （ 三 ） 熱 膨 脹 係 數 ： 純 銅 的 熱 膨 脹 係 數 比 鋼 約 大 50%， 故 當 凝固冷卻時，易因收縮應力而破裂，或發生變形。 二、銅及其合金不像鋼會在固相間有變態，晶粒容易因加熱而 粗大化，降低機械強度而產生破裂。 三、熔融的銅及其合金容易吸收氫、氧及二氧化硫；氫氣會集 合在銅的晶粒間，形成間隙，產生氫脆化；氧及二氧化硫 會形成氣孔在銲道中。. [20]. 四、黃銅之合金元素對材質之影響 （一）合金元素對材質之影響：黃銅為銅與鋅之合金，普通 分 兩 類 ： 一 為 含 銅 55～ 63%， 一 為 含 銅 63～ 90%。 此 兩類黃銅主要不同之點即含銅低之合金較難冷作加 工，而且含鋅高之黃銅則銲接較困難，在黃銅中含有 少量之錳、矽、錫、鎳、鉻、鋁、磷等元素，有時亦 含 有 鐵 。 不 過 在 其 中 若 鋁 之 含 量 超 過 0.05%， 有 增 加 14.
(27) 其熱裂之傾向。鐵含於黃銅中對銲接無影響，其他元 素除鋁、鉻外對銲接並無不利。在黃銅中含有鋁和鉻 皆易生成氧化膜，因此在銲接此種黃銅時必須用特殊 銲藥以除去此氧化膜。 （ 二 ） 黃 銅 中 鋅 之 問 題 ： 鋅 之 沸 點 在 一 大 氣 壓 中 為 906℃ ， 黃 銅 之 熔 點 在 約 850～ 1000℃ 之 間 ， 在 銲 接 時 常 因 鋅 的 汽 化 蒸 發 造 成 氣 孔 或 在 熔 池 中 產 生 噴 爆 現 象 (gas expulsion)。在 高 溫 下 鋅 氣 化 甚 速，並 且 迅 速 氧 化 生 成 白黃色霧狀之氧化鋅，此蒸氣不但阻止視線不能看清 銲縫，而且具有毒性，故銲接時必須設法防止之。其 防止之方法有三種. [21]. ：. 1.在 合 金 中 加 入 矽 元 素：矽 在 黃 銅 銲 接 過 程 中 為 去 氧 劑 ， 其氧化物經銲藥之作用而浮於銲縫之表面，可防止鋅 氣化損失。 2.用 保 護 性 銲 藥：銲 藥 之 作 用 和 銲 接 純 銅 差 不 多，但 有 時 另 加 入 矽 粉 或 矽 酸 鹽 (Silicates)， 如 玻 璃 粉 等 ， 形 成 氧 化物薄膜，防止鋅損失。 3.在 熔 融 之 氧 化 鋅 上 促 其 產 生 氧 化 鋅 (ZnO)之 薄 膜 ， 可 防 止鋅氣化。 （三）銅及其合金熔接的有害元素還有鉛、鉍及砷。鉛及鉍 會產生低熔點的共晶，此區易受應力而發生破裂；砷 會擴大凝固範圍引起熱間破裂。 五、銅及銅合金的異類金屬熔接組合 表 2-1. [22]. 所示為銅及銅合金與各種異類金屬熔接的組合，及. 所適用的銲條及適當預熱及層間溫度的適當值。銅合金與鐵合金 熔 接 時 因 電 阻 不 同，其 間 有 磁 氣 的 紊 亂，電 弧 有 被 引 向 Fe 方 的 傾 向 ，因 此 最 好 將 電 弧 朝 向 Cu 方，又 Fe 方 必 須 要 盡 量 減 少 銅 合 金 的 熔 融，以 防 鐵 合 金 的 稀 釋，避 免 銅 的 熔 融 液 浸 入 Fe 方 的 晶 界 而 呈現細微的破裂。. 15.
(28) 表 2-1. Cu 與 Cu 合 金 的 異 種 金 屬 熔 接 組 合 表. 合金 的組 合. 低鎳 鋼. 錳鋼. 工具 鋼. 不銹 鋼. 鑄鐵. 碳鋼. 銅. 3G. 3G. 3G. 3G. 3G. 3G. 黃銅. 3,4D. 3,4D. 3,4F. 3,4D. 3,4D. 3,4D. 矽青 銅. [22]. 鈹青 鎳青 鋁青 磷青 矽青 銅 銅 銅 銅 銅 3G. 5,3G 3,2G 3,2G. 磷青 銅. 3C. 3C. 3F. 3C. 3C. 3C. 鋁青 銅. 4C. 4C. 4F. 4C. 4,3C. 4C. 4F. 4,5C. 鎳青 銅. 5,4A. 5,4A. 5,4F. 5,4A. 5,4C. 5,4A. 4,5F. 5A. 鈹青 銅. 4,3F. 4,3F. 4,3F. 4,3F. 3,4F. 4,3F. 6F. 碳鋼. 4. 4B. 4F. 4. 3,4C. 3,2G 1,3,2G. 3,2F 3,5C. 3C. 2A. 3C. 4C 1.ECu. A.65. 2 . E C u Si. B.150. 預 熱 與 層 間 E C u Sn - C 溫 度 (℃ ). 3 . E C u Sn - A 或 熔 接 條. 4,3C. 銅. 3,4F 5,4D 3,4D 3,2D 3,2D 3,2,4D. 2,3,4A 2,3,4A 2,3,4F 2,3,4A 2,3,4C 2,3,4A 2,4F 2,5C 2,4A 3,2C. 4,3C. 2G. 黃銅. C.200. 鑄鐵. 4,3C. 4,3C. 4,3F. D.260. 不銹 鋼. 4B. 4B. 4F. 4 . E C u Al - A. F. 3 7 0. 工具 鋼. 4F. 4F. 4F. 5 . E C u Ni. G. 43 0. 錳鋼. 4B. 4B. 6. 鈹 青 銅. 註：預熱與層間溫度以Ａ～Ｇ來表示。異種金屬熔接時，預熱與 層間溫度是以適合兩金屬中需要較高溫度的金屬或合金的 溫度來表示。熔接物的大小及形狀也會變更溫度。. 16.
(29) 第三節. 雷射銲接. 雷射銲接是利用雷射的高功率密度光束的能量，來進行材料 銲接，與電子束銲接類似，兩者皆屬於高功率、高能量密度之精 密銲接法。雷射銲接因熱源集中，其光束能量沿著深度方向均勻 分布，故易得到高深寬比值之銲道，且銲接所需熱能輸入量較其 他銲接為低，有效縮小熔融區、熱影響區以及減少熱應力或殘留 應力，銲件變形輕微品質優良，有效提升銲件的尺寸精度、強度 與使用壽命。本節就雷射銲接的特性、雷射應用在銲接上的優點 與限制以及 雷 射 銲 接 與 各 種 銲 接 方 式 之 比 較 來加以說明，最後 介 紹 Nd： YAG 雷 射 銲 接 。. 壹、雷射銲接的特性 在應用雷射銲接前，須先瞭解雷射銲接的特性，才能選擇適 當雷射種類、銲接材料、銲接型式以及銲接前材料加工方式等。 以下就雷射銲接的特性來說明之： 一、雷射光的工作型態 雷 射 光 的 工 作 型 態 可 分 為 下 列 4 種 ， 如 圖 2-4. [23]. 所示，應用. 於不同的材料特性及加工或接合方式。以連續功率為 1 時與其他 脈衝峰值之比較，顯見脈衝式瞬間功率峰值大得多。. 圖 2-4. 4 種雷射型態輸出功率比較圖 17. [23].
(30) （一）連續波式雷射 又 稱 為 CW 雷 射 ， 這 種 型 態 的 雷 射 採 用 穩 定 之 直 流 放 電 電 源 或高週波放電電源，所產生之雷射光是穩定且連續，其入熱量較 大，熱 影 響 區 及 變 形 亦 較 大。半 導 體 雷 射 及 大 部 分 氣 體 雷 射 屬 之。 （二）脈衝式雷射 脈衝式雷射又可分為單一短脈衝式與單一長脈衝式兩種，這 種 雷 射 採 用 脈 衝 放 電 而 得 到 脈 衝 式 雷 射 光。脈 衝 時 間 範 圍 為 0.l μs ～ 10 ms (Micro second)。脈 衝 式 雷 射 之 尖 峰 功 率 比 連 續 波 式 雷 射 為 高 ， 而 且 有 些 材 料 因 為 散 熱 太 慢 ， 只 能 作 為 脈 衝 式 工 作 。 CO 2 雷 射 、 Nd： YAG 雷 射 、 紅 寶 石 雷 射 、 雙 激 分 子 雷 射 及 化 學 雷 射 屬 之。 （三）巨大脈衝雷射 又 稱 為 Q 雷 射，是 利 用 某 種 開 關 導 致 脈 衝 時 間 變 得 更 短，雷 射 脈 衝 時 間 在 10 ns 左 右 ， 可 得 到 更 高 之 雷 射 功 率 。 （四）鎖模雷射 又 稱 為 超 短 脈 衝 雷 射，脈 衝 時 間 約 為 10 ps (1 ps =10 - 1 2 秒 )，尖 峰 功 率 可 達 到 10 1 2 W 以 上。一 般 用 於 雷 射 鑽 孔 或 機 械 加 工 的 用 途。 本研究以連續式與脈衝式兩種雷射型式考量。連續波的銲接 效率較高，但因入熱量大，所以熱影響區及變形也較大。脈衝雷 射 以 間 斷 方 式 輸 出 其 尖 峰 功 率 可 達 連 續 波 平 均 功 率 的 5～ 8 倍，可 得較深之熔融銲接。對於小型或薄型銲件，使用連續波雷射，會 有入熱量過高而導至材質變化或工件變形之疑慮，固宜採用脈衝 式雷射輸出為宜。 二、材料表面對光的反射率 大部分的金屬對雷射光有極高的反射率，反射率的大小，會 影響金屬表面能量的吸收。若將金屬表面氧化或使其粗糙，可減 低 反 射 效 應 ， 例 如 銅 的 表 面 ， 經 氧 化 後 的 反 射 率 從 原 來 95%降 為 20%。 金 屬 表 面 反 射 率 只 在 加 熱 初 期 影 響 能 量 的 吸 收 ， 當 能 量 逐 漸 地 被 吸 收，導 致 材 料 表 面 熔 化 或 氣 化 時，反 射 率 會 急 速 地 減 小， 材料表面對光的反射率便不再影響雷射加工的進行 18. [24]. 。.
(31) 三、銲口設計 由 於 雷 射 光 束 聚 焦 後 成 為 一 小 點，其 直 徑 通 常 小 於 1mm，因 此雷射銲接需要精確的銲口準備，尤其是對接銲口更需要高度的 接 頭 精 度 管 理，兩 對 接 板 材 的 間 距 (gap)，應 該 保 持 小 於 板 厚 1/10 的距離，若是兩對接板材間的距離過大，銲道將傾向形成過切或 者雷射光束將直接通過銲口而不會將材料接合起來。影響對接薄 板 之 幾 何 因 素 除 了 板 與 板 間 之 間 距 外 還 有 平 面 間 距 (mismatch)， 如 圖 2-5. [25]. 所 示 ， 當 平 面 間 距 達 薄 板 厚 度 10％ 時 ， 將 會 造 成 銲 件. 變形及扭曲等現象。. 圖 2-5. 薄板對接組配之間距幾何關係圖. [25]. 四 、 雷 射 聚 焦 (Focus) 聚焦是雷射銲接獨特處也是其優點，隨著接合型式的改變， 可改變其聚焦的深度和位置。一般而言，焦點位置最好在工件表 面 以 下 1mm 處，常 可 得 最 大 的 銲 接 穿 透 深 度。對 於 板 厚 小 於 4mm 的薄板銲接，聚焦光點的位置最好就在板材的表面，對於板厚較 大 的 板 材 銲 接，聚 焦 光 點 的 位 置 最 好 就 在 板 材 的 表 面 往 下 算 起 1/3 板厚的地方. [26]. 。. 五、入熱量 雷射光束能量沿著深度方向均勻分布，故易得到高深寬比值 之銲道，銲道與熱影響區均因熱輸入量低而較為狹窄，銲件變形 輕微品質優良。雷射銲接的高能量密度熱源，亦使得銲道產生急 速熔融及凝固的型態，這對於高熔點材料及熔點或熱常數不同之 異種金屬銲接有利. [27]. 。. 19.
(32) 六、重疊率 雷射銲點的重疊率是由脈衝頻率及銲接速度來決定，重疊率 則 影 響 銲 接 後 材 料 之 機 械 性 質，脈 衝 頻 率 越 快 重 疊 率 越 高，銲 接 速 度 越 快 重 疊 率 降 低，可 依 照 重 疊 率 的 高 或 低 調 整 脈 衝 頻 率 及 銲 接 速 度 。 若 欲 得 到 良 好 的 銲 接 品 質 ， 重 疊 率 應 在 75%以 上 。 一 般 重疊率計算方式以銲點直徑為基礎，利用單一的銲點直徑被下一 銲 點 重 疊 的 比 例 來 計 算 ， 如 圖 2-6. [28]. 所示。重疊率的計算公式如. 下所示： D − D′ × 100% D D′ = V × t f. OP =. OP： 重 疊 率 D： 雷 射 銲 點 直 徑 (mm) V： 銲 接 速 度 (mm/sec) tf： 脈 衝 週 期. 圖 2-6. 雷射銲接重疊率示意圖. [28]. 七 、 鑰 孔 式 銲 接 (key hole) 依 照 能 量 密 度 的 不 同，雷 射 銲 接 可 分 為 傳 導 式 銲 接，其 功 率 密 度 小 於 10 5 W / c m 2 ， 雷 射 熱 源 係 以 熱 傳 導 方 式 將 熱 能 由 材 料 表 面 傳 至 內 部 達 到 銲 接 之 目 的；另 外 一 種 則 為 鑰 孔 式 銲 接 ， 其 於 功 率 密 度 大 於 10 6 W / c m 2 處 ， 當 高 能 量 雷 射 光 束 入 射 到 工 件時，材料表面會產生氣化，雖然最初材料表面的反射率極 高，但 因 表 面 材 料 已 氣 化 而 使 得 雷 射 直 接 入 射 到 材 料 內 部，材 20.
(33) 料 因 溫 度 上 升 使 得 吸 收 率 增 加，另 外 在 鑰 孔 內 之 反 射 雷 射 光 會 被 孔 壁 吸 收 ， 材 料 之 吸 收 率 可 達 9 8 %， 圖 2 - 7. [29]. 為傳導式銲接. 與鑰孔式銲接之示意圖。 雷射光束. 雷射光束 液金 態屬 金銲 屬接 池池 液態. 液液 態態 金金 屬屬 銲池 接池. 鑰孔 熱影響區 母材. 母材. 傳導式銲接. 圖 2-7. 熱影響區. 鑰孔式銲接. 傳導式銲接與鑰孔式銲接. [29]. 八、電漿雲霧 當 雷 射 銲 接 進 行 時，保 護 氣 體 及 由 鑰 孔 所 溢 出 高 溫 的 金 屬 蒸 氣 被 雷 射 光 照 射 後 被 游 離 (ionization)， 形 成 電 漿 雲 霧 ， 不 透 明的電漿雲霧除了會吸收入射的雷射光束能量阻止能量傳遞外， 還 會 扭 曲 光 束、破 壞 聚 焦 能 力，嚴 重 降 低 銲 接 效 率，此 現 象 與 雷 射 光 的 波 長 及 強 度 有 關 ， 以 CO 2 雷 射 光 束 波 長 10.6μm而 言 ， 電 漿 雲霧所吸收雷射光束的能量極有可能超過工件所吸收的能量，銲 接 製 程 勢 必 會 受 到 影 響 ， 但 以 Nd ： YAG 雷 射 光 束 波 長 1.06μm 而 言 ， 此 現 象 還 不 曾 被 觀 察 到 ， 主 要 原 因 是 Nd： YAG雷 射 光 束 波 長 較短。 抑 制 電漿雲霧產生的有效方法為選用不易被游離之保 護 氣 體， 如 高 的 熱 傳 導 係 數、高 游 離 能 或 多 原 子 分 子 …等 及 利 用 保 護 氣 體 側 吹 方 式 將 電漿雲霧吹 離. [30]. ，另 外 還 可 提 高 脈 衝 頻 率 ，. 使每個雷射脈衝的加熱時間少於電漿雲霧形成時間。. 21.
(34) 九、雷射銲接性能 表 2-2. 雷射銲接性能. 項次. 性能. 註解. 1. 高能量密度. 減少變形及熱裂. 2. 銲接速度快. 與成本成正比. 3. 可快速起銲及停止. 電弧銲不能. 4. 可在大氣中進行銲接. 電子束不能. 5. 無 X -射 線 產 生. 電子束不能. 6. 無需填充材料. 不需清除銲藥. 7. 銲道窄. 變形小. 8. 熱影響區小. 可銲熱敏感性材料. 9. 可做非常精確的銲接. 可銲厚度相差很大之材料. 10. 銲道清潔. 無清潔銲道之必要. 11. 雷射銲接不受磁性影響. 電子束銲接會產生偏析. 12. 沒有或少銲道汙染. 依保護氣體而定. 十、保護氣體 雷射銲接的保護氣體其作用為避免銲接金屬氧化、抑制金屬 蒸氣及電漿雲霧的產生、避免聚焦鏡片受銲濺物侵襲以及吸收並 降低銲接金屬溫度，由於雷射銲接過程中產生之電漿雲霧會吸收 及屏蔽雷射光束能量，減低熱效率，因此雷射銲接之成敗，採用 適當的惰性氣體吹趨電漿雲霧及選用保護氣體是一大關鍵。氦與 氬是雷射銲接製程中最主要的保護氣體，以下分析氦、氬及其他 保護氣體的特性以及其應用方式： （一）氦氣 在 使 用 CO 2 雷 射 銲 接 的 場 合 下 ， 通 常 以 氦 氣 (Helium)當 保 護 氣體，用來抑制具有吸收光束能量的電漿雲霧。氦氣具有高游離 能不易被游離及熱傳導性佳的特性，可有效減少電漿雲霧的產生 並獲得較高的銲道深寬比，但氦氣比空氣輕容易散失，因此可能 無法將空氣完全排除，防護效果並非十分理想。 22.
(35) （二）氬氣 在 使 用 Nd： YAG 雷 射 銲 接 的 場 合 下 ， 通 常 以 氬 氣 (Argon)當 保 護 氣 體 ， 主 要 原 因 為 Nd： YAG 雷 射 光 束 波 長 是 CO 2 雷 射 光 束 波 長 的 1/10， 銲 接 製 程 中 少 有 電 漿 煙 塵 出 現 ， 又 氬 氣 重 量 比 空 氣 重，可以有效覆蓋保護銲道。 （三）氦與氬混合氣 氦氣導熱性好且有較高的游離能，比較不易被游離，氬氣比 空氣重，可將空氣排除於銲接處有效保護銲道，混合氦氣與氬氣 (10%)可 運 用 兩 者 之 優 點，並 且 有 利 於 高 速 銲 接，混 合 氣 體 在 成 本 考量上也比較經濟。 （四）氫與氬混合氣 氫氣比氦氣有更高之電離電位，氫與氬的混合氣體，對於控 制電漿雲霧的形成及降低表面氧化物是非常有效，相當有利於 Nd：YAG 雷 射 銲 接 沃 斯 田 鐵 系 不 銹 鋼 的 場 合，但 用 於 肥 粒 鐵 系 不 銹 鋼 會 引 起 氫 脆 (hydrogen embrittlement)。 （五）氮氣 具有含氮氣之混合氣體可用在含有氮合金成分的沃斯田鐵 系不銹鋼銲接上，因為氮可以用來補充或減低銲道中所損失的 氮，但不適合用在含有鈦及鈮合金成分之沃斯田鐵系不銹鋼銲接 上，因為會析出氮化鈦及氮化鈮而損失抗腐蝕性。 （六）側吹 雷射銲接過程所產生之電漿雲霧，會吸收及屏蔽雷射光，直 接影響銲接品質，可利用較高電離電位的氦氣側吹，使電漿雲霧 偏 離 熔 池 上 方（ 雷 射 光 路 徑 ） ，減 少 雷 射 光 之 損 耗。然 氦 氣 比 空 氣 輕 ， 故 其 氧 化 防 護 效 果 並 非 理 想 ， 可 使 用 二 氧 化 碳 或 者 加 入 10% 氬氣，以便將空氣排除。 （七）背吹 雷射銲接薄板採對接方式時因其剛性較差，背吹保護氣體壓 力將會影響銲道形狀，因此適切的背吹保護氣體流量不但可達到 背 面 銲 道 保 護 效 果 ， 也 可 避 免 因 銲 道 缺 口 (notch)而 產 生 應 力 集 中 23.
(36) 及應力破壞等現象，亦可節省氣體使用成本。 （八）保護氣體流速 流速亦對銲道具有相當影響，如流速快可將電漿雲霧及金屬 蒸氣吹離，使雷射光束不受阻擋提高效率，亦可能造成熔融金屬 之飛濺或降低熔池溫度，流速太慢時空氣容易侵入熔池造成銲道 缺陷，雷射聚焦透鏡也易受污染。. 貳、 雷射銲接的優點及限制 一、優點 （一）能在大氣中銲接，不需使用如電子束銲接之真空室， 故不受銲接材料大小及形狀的限制。 （二）銲接材料的銲道深寬比高、熱影響區小、變形量小， 銲接後的尺寸精度高、機械性質良好。 （三）能在氣體容器內進行銲接，且安全性高。亦能經由容 器的窗口，對配置在容器內之材料進行銲接。 （四）高能量密度銲接速度快，可快速起銲及停止，可用電 腦控制雷射參數，容易自動化。 （五）不受加工物磁場影響，可加工磁性材料。 （六）屬於非接觸性銲接，因此不需加物理性的外力。 （七）不會像電子束銲接會產生 X 光，無遮蔽問題。 （八）異種金屬之銲接容易。 二、限制 （一）雷射照射造成的電漿會吸收雷射光，影響熔入深度。 （二）在有粉塵及震動的環境下，使用困難。 （三）銲接基材須有高安裝精度。 （四）銲接位置容易發生氣泡。 （五）因脈衝時間非常短暫，無法銲接較厚之材料。 （六）雷射光吸收率將因銲接表面狀態而變化。 （七）設備費用較傳統銲接高。. 24.
(37) 關於雷射銲接的應用，係以小零件的應用為中心，今後亦將 持續此種傾向發展。雷射銲接在應用上需藉由拘束夾治具來確保 接合位置的精度，如果能製作出提高接合精度的拘束夾治具，則 不論零件尺寸為何，皆能應用雷射銲接。. 參、雷射銲接與各種銲接方式之比較 雷 射 銲 接 其 光 束 能 量 沿 著 深 度 方 向 均 勻 分 布，容 易 得 到 高 深 寬 比 值 之 銲 道，而 且 加 熱 區 僅 限 於 接 合 區，銲 道 與 熱 影 響 區 均因輸入熱量低而變窄，銲件變形輕微品質優良。 表 2-3. [31]. 為 雷 射 銲 接 與 各 種 銲 接 之 比 較，雷 射 銲 接 除 了 無. 法 銲 接 反 射 性 高 之 材 料 外，其 餘 的 銲 接 表 現 皆 相 當 優 良。但 是 設備成本與電子束銲接一樣遠高於其他傳統之銲接方法。 表 2-3. 雷射銲接與各種銲接之比較 雷射 銲接. 電子束 銲接. TIG 銲接. 電阻 銲接. 超音波 銲接. 銲接速率. |. |. ±. |. ±. 低熱量輸入. |. |. ±. |. |. 窄熱影響區. |. |. ±. ο. |. 銲珠外型. |. |. ±. ο. |. 簡易夾具. |. ±. ±. ο. ο. 設備可靠度. |. ο. |. |. ο. 空氣中銲接. |. ±. ο. |. |. 深入貫穿性. |. |. ο. ±. ο. 銲接反射性材料. ±. |. |. |. |. 銲接磁性材料. |. ±. |. |. |. 銲接熱敏感性材料. |. |. ±. ±. ±. 設備成本. ±. ±. |. [註 ] |： 表 示 優. ο： 表 示 普 通. 25. ±： 表 示 劣.
(38) 肆 、 Nd： YAG 雷 射 銲 接 本 研 究 採 用 Nd： YAG 固 態 雷 射 ， 是 由 高 純 度 的 釔 鋁 石 榴 石 (Y： 釔 ； Yttrium， A： 鋁 ； Aluminum， G： 石 榴 石 ； Garnet， 化 學 式 Y 3 Al 5 O 1 2 )中 滲 入 1～ 2%的 釹 離 子 Nd 3+ (Nd： Neodymium)， 然 後 使 用 氪 (Kr)或 氙 (Xe)閃 光 燈，以 光 激 勵 之 方 式 產 生 1.064μm 波 長 之 雷 射 輸 出 ， 焦 點 只 有 10μm， 其 功 率 密 度 約 為 10 6 W/cm 2 。 Nd： YAG 雷 射 可 分 為 連 續 與 脈 衝 波 兩 種 輸 出 形 式 ， 脈 衝 式 Nd： YAG 雷 射 能 在 初 期 瞬 間 激 發 出 數 千 瓦 之 光 能，可 藉 此 熔 穿 材 料 表 面而進行接合。 Nd：YAG 雷 射 的 連 續 震 盪 激 發 燈 是 採 用 Xe 閃 光 燈，只 要 將 閃 光 燈 連 續 點 亮 ， 就 可 以 使 Nd： YAG 雷 射 連 續 震 盪 。 雷 射 頭 由 Nd： YAG 雷 射 桿 、 激 發 燈 、 聚 光 器 等 組 成 。 從 雷 射 頭 組 合 射 出 的雷射光束，需經過兩片反射鏡以調整其光軸，然後再以光束放 大 鏡 (Beam expander)調 整 光 束 的 擴 散 角 度 ， 經 兩 個 反 射 鏡 後 射 入 雙 向 分 光 色 鏡 ， 經 聚 光 鏡 收 聚 後 由 噴 嘴 射 出 ， 如 圖 2-8. 圖 2-8. Nd： YAG 雷 射 構 造 圖 26. [32]. [32]. 所示。.
(39) 一 、 Nd： YAG 雷 射 特 性 （ 一 ）其 雷 射 波 長 (Wavelength)1.064μm 特 性 適 合 利 用 光 纖 來 傳遞，破除銲接時在空間上之限制，使製程更加彈性 化，而雷射銲接屬於非接觸式加工，搭配機械手臂以 及 導 光 鏡 片 ， 可 銲 接 出 相 當 複 雜 之 3D 曲 線 ， 大 幅 提 升銲接自動化及加工性能。 （二）非常適合用於精密的縫銲，尤其是針對薄金屬片的熔 接。不 像 CO 2 雷 射 輸 出 連 續 波，需 要 高 平 均 輸 出 功 率 來達到銲接的目的。 （ 三 ）雷 射 波 長 為 CO ２ 雷 射 的 1/10， 易 為 金 屬 所 吸 收， 對 於 高 反 射 材 料 如 鋁 合 金、銅 合 金 等，比 傳 統 的 CO ２ 雷 射 有著更佳的吸收率，因此被視為是銅、鋁合金及異種 金屬銲接製程中具有潛力極需開發的銲接方法. [33]. 。. （ 四 ） 脈 衝 Nd： YAG 雷 射 即 使 僅 有 很 低 的 平 均 輸 出 功 率 ， 卻仍有很高的脈衝能量及峰值功率，可銲很厚的金屬 片 。 例 如 ： 平 均 功 率 20W， 脈 衝 能 量 50J， 峰 值 功 率 5000W 的 Nd： YAG 雷 射 。 二 、 Nd： YAG 雷 射 銲 接 參 數 （ 一 ） 雷 射 功 率 （ Average Power , P AV ） 雷射功率像是電弧銲接的電流，銲接時依據銲接材料的性質 及銲接深度來決定雷射功率，能量太大會使得入熱量過大引起材 料過度的蒸發或濺射，能量太小則熔融不足無法接合。正確的參 數必需經由實驗來決定。當輸出形式為脈衝波，雷射功率為輸出 功率之平均值。 （ 二 ） 峰 值 功 率 (peak power, P k ) 峰值功率為脈衝波輸出功率之最大值，增加脈衝峰值功率對 銲點縱深及強度有顯著增加趨勢，但若無限量的增加，不會使銲 點大小及強度增加，反而因銲點大量金屬蒸發及熔融金屬不穩定 之流動，造成許多空洞產生，降低銲道強度，影響銲接品質. 27. [34]. 。.
(40) （ 三 ） 脈 衝 頻 率 (Pulse Frequency, Hz) 單位時間內雷射光束射出的次數，為決定銲點重疊率與銲接 熔深的主要因素之一，脈衝頻率越快重疊率越高，但因熱量一直 持續不斷輸入，將產生輸入熱量過高而熔池變大的現象。 （ 四 ） 脈 衝 寬 度 (Pulse Width, ms) 脈衝寬度代表著雷射加工時間，會直接影響材料的入熱量及 改變熔深，脈衝寬度越短能量越集中，銲道熔深增加。若輸入熱 量 一 定 脈 衝 寬 度 較 長 時，將 形 成 較 大 的 熔 池，產 生 寬 而 淺 的 銲 道。 一 般 雷 射 的 脈 衝 寬 度 約 在 1ms 至 8ms 之 間 。 （ 五 ） 雷 射 波 形 (Waveform) 雷射輸出波形可大分為連續式與脈衝式兩種。連續式雷射因 持續不斷輸出雷射，會有熱影響區及變形量大的問題。脈衝式雷 射 以 間 斷 方 式 輸 出 雷 射 光，其 尖 峰 功 率 可 達 5 至 8 倍 的 平 均 功 率， 適合小型、形狀複雜、不易散熱或要求高精度變型量小的工件。 用 在 穿 孔 與 銲 接 的 雷 射 脈 衝 波 形 一 般 是 不 一 樣 的 ， 圖 2-9(a)之 波 形 一 般 用 於 穿 孔 ， 呈 尖 脈 衝 狀 ， 其 脈 衝 寬 度 50～ 500μs 之 間 。 圖 2-9(b)之 波 形 一 般 用 於 銲 接 ， 整 個 波 形 成 尖 波 加 方 波 的 形 狀 ， 前 部分之尖波可克服金屬表面銲接初始的強烈反射，金屬表面在此 尖峰功率的光照下瞬間熔解，接在後面較長時間、較低功率密度 之雷射，可減低銲接時材料之蒸發與濺射. (a)穿 孔 典 型 雷 射 波 形 圖 2-9. [35]. 。. (b)銲 接 典 型 雷 射 波 形. 雷射輸出波形示意圖. 28. [35].
(41) 第四節. 異種金屬銲接. 異 種 金 屬 通 常 被 定 義 為 具 有 不 同 化 學 性 質 的 金 屬，例 如 Al、 Cu 及 Fe， 或 者 以 冶 金 的 觀 點 可 視 為 特 定 金 屬 具 有 特 定 的 組 成 元 素，例如碳鋼與不銹鋼。所謂異種金屬銲接，是指兩種或兩種以 上異種金屬間的銲接接合方式。當異種金屬是利用固態銲接如硬 銲或軟銲時，兩者間的金屬合金化問題一般來講是不明顯地，只 需考慮基材金屬之物理及機械性質的差異是否影響到接合方面的 應用能力。但當異種金屬是採熔融銲接方式時，基材金屬和填料 金 屬 間 的 合 金 化 問 題，將 成 為 重 要 的 考 量. [36]. ，本 節 將 以 熔 融 銲 接. 方式探討異種金屬銲接。 在進行異種金屬材料銲接設計時，通常對於材料合金的冶金 特性、機械性質及物理特性都需有相當的了解，並考量異種金屬 於銲接熔融期間所造成的相對稀釋及異種金屬不同的熔化溫度、 熱膨脹係數和熱傳導率等差異，同時對於銲接方法及製程亦為重 要考量因素。而銲件經銲接過後，會形成偏析物及金屬化合物分 佈於銲接熱影響區域，此區域即具有脆化組織結構，則銲件就容 易於使用時會沿此區域產生缺陷，甚至發生龜裂，總而言之將具 有不同化學、物理及機械性質之金屬接合在一起時，總難避免在 銲接期間金屬合金化的問題出現，也因此，當銲件處理不當就可 能會在銲接期間及銲接後造成問題。 本節首先探討異種金屬銲接問題，然後整理異種金屬銲接材 料選擇之文獻，最後分析銅對不銹鋼的影響，期能深入了解不銹 鋼與黃銅異種金屬銲接之性質。. 壹、異種金屬銲接問題 要將不同的金屬材料熔融銲接在一起，其化學組成、物理性 質及機械性質上之差異，時常導致銲接施工上的困難或無法得到 需要之性能，為設計良好之異種金屬銲接成品，必須先了解其銲 接現象與問題。 29.
(42) 一、稀釋問題 採用異種金屬熔融銲接，首先面臨的是銲接部位複雜的冶金 問題，也就是銲料與基材間合金元素的稀釋問題，合金元素稀釋 會影響熔融區的銲接性、機械性質、耐蝕性與銲道組織等特性， 而稀釋的影響程度與銲接方法、施工人員的技術與接頭設計有關 係，若謹慎搭配基材與銲料，更可減少合金元素稀釋的影響. [37]. 。. 一般而言，銲道金屬的組成並不是完全均勻，特別是在多道 銲 接 的 情 形 下，銲 道 從 根 部 (Root bead)到 頂 部 (Fill bead)的 組 成 成 份會有顯著不同，時常可發現組成上的連續改變，根部銲道的基 材稀釋率較高，而越往頂部基材稀釋率會逐漸下降。這些組成上 的變化，對於銲道的凝固過程，以及銲件性能有很大的影響。而 設計異種金屬熔接時，熔接填料基本的要求，即必須能接受基材 的 稀 釋，不 會 產 生 破 裂 敏 感 的 組 織。經 過 稀 釋 後 的 銲 道 平 均 組 成， 可經由銲道橫截面上基材熔融所佔的面積比例，配合基材及填料 的 合 金 成 分，進 行 銲 道 平 均 組 成 成 分 的 估 計。圖 2-10. [38]. 中說明銲. 接 填 料 截 面 積 為 F， 兩 基 材 金 屬 截 面 積 為 A 和 B， 來 計 算 稀 釋 率 的例子。計算式如下： 金 屬 a 之 稀 釋 率 ％ ＝ A/(A＋ B＋ F)×100％ 金 屬 b 之 稀 釋 率 ％ ＝ B/(A＋ B＋ F)×100％ 總 稀 釋 率 ％ ＝ A＋ B/(A＋ B＋ F)×100％. 圖 2-10. 稀釋率計算示意圖. [38]. 異 種 金 屬 銲 接 使 用 的 製 程 種 類 相 當 廣 泛 ， 包 括 :手 工 電 弧 銲 (SMAW)、氣 體 金 屬 電 弧 銲 (GMAW)、氣 體 鎢 極 電 弧 銲 (GTAW)．．． 等。製程的選擇與適當填料的選用都相當重要，不同的銲接製程 會得到不同銲道熔深以及不同的基材稀釋率。 30.
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