旋形量與熱處理對D6AC鋼電子束銲件機械性質之影響

   

國

立

交

通

大

學

機械工程學系

博 士 論 文

旋形量與熱處理對

D6AC 鋼電子束銲件

機械性質之影響

The effects of the flow forming and heat treatment on

the mechanical properties of D6AC steel electron beam

weldments

研 究 生：吳世基

   

 

旋形量與熱處理對

D6AC 鋼電子束銲件機械性質之影響

The effects of the flow forming and heat treatment on the mechanical

properties of D6AC steel electron beam weldments

研 究 生：吳世基 Student：Shyh-Chi Wu

指導教授：周長彬 Advisor：Prof. Chang-Pin Chou

國 立 交 通 大 學

機械工程學系

博 士 論 文

A Thesis

Submitted to Institute and Department of Mechanical Engineering National Chiao Tung University

in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Ph.D in

Design-Manufacturing Engineering

July 2012

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

旋形量與熱處理對 D6AC 鋼電子束銲件機械性質之影響

學生：吳世基 指導教授：周長彬 教授

國立交通大學機械工程系

摘 要

本研究目的為探討

D6AC 超高強度鋼在旋形加工、熱處理與電子束銲

接後對機械性質的影響，進而獲得完整且最適化的關鍵製程技術，以提供

國防與航太科技工業發展的依循。

本研究應用順流旋形冷作加工及電子束銲接製程技術，規劃設計以不

同旋形加工量、電子束銲接、不同回火熱處理試驗等有系統及關聯性之研

究程序，以解決當前旋形

D6AC 鋼銲後延伸率嚴重偏低的問題，及對機械

性質的影響。

研究結果顯示，

D6AC 鋼適合應用經濟與易製性的順流旋形加工製程，

其強度隨著旋形加工量而增加，延伸率則相對降低。經

78%旋形加工後，

拉伸強度提升，延伸率則大幅下降。經電子束銲接後，強度同樣隨著旋形

加工量而遞減，延伸率更相對下降，顯示

D6AC 鋼經高旋形加工量後，不

適合直接施以電子束銲接製程。

經本研究有了重大的成果，78%高旋形加工量的 D6AC 鋼，經 250℃～

650℃回火溫度熱處理後，其中以 350℃回火熱處理條件為最佳。D6AC 鋼

及電子束銲件經

250℃～650℃回火熱處理後，其延伸率隨著溫度升高從遞

減至遞增，在

650℃條件時延伸率 13.2%為最高。

D6AC 鋼適合應用順流旋形加工，製造高縮減率之精密無縫薄形管件，

經

350℃回火熱處理後，具有超高強度及優異的機械性質。且昔日旋形 D6AC

鋼因電子束銲接後，延伸率嚴重不足的瓶頸已獲得突破，使延伸率由

3.2%

提升至

8.1%，已解決昔日航太與國防科技發展中棘手之低延伸率的窘境。

最後在電子束銲接後其必須透過回火熱處理，改善銲道與熱影響區之殘留

應力，以強化機械性質。

關鍵字：

D6AC、超高強度鋼、旋形加工、電子束銲接、機械性質、延伸率、

熱處理

The effects of the flow forming and heat treatment on the mechanical

properties of D6AC steel electron beam weldments

Student： Shyh-Chi Wu Advisor：Prof. Chang-Pin Chou

Department of Mechanical Engineering

National Chiao Tung University

ABSTRACT

The objective of this research is to investigate the effect of flow-forming

process, heat treatment, and EB welding on the mechanical properties and

microstructure of D6AC ultrahigh-strength steels. Therefore, a group of

optimum manufacturing parameters can be determined and will be applied to the

development of aerospace and defense industries.

In the present study, the cold forward flow forming technique and EBW

process were employed to fabricate the tube and to join the tubing pieces,

respectively. Various process parameters were incorporated to combat the

problem of inadequate ductility associated with the weldment fabricated from

the D6AC steel. These included varying the input amount of cold forming, EBW

and trying different post-weld heat treatments.

The present study showed that the D6AC steel tube produced by the forward

flow forming technique had an increased mechanical strength but a decreased

ductility, as the amount of flow forming was increased. In the case of 78% flow

forming input, the mechanical strength of the steel was elevated by 0.4% but the

percentage elongation markedly deteriorated by 8.1% after the steel was

post-weld heat treatment at the temperature of 350°C. Subsequent to EB welding,

likewise the D6AC steel showed an enhanced mechanical strength but a

deteriorated ductility. This suggested that the heavily flow formed D6AC steel

can not be used for a direct EB welding.

For the D6AC steel that had received the flow forming amount of 78%, the

steel for the temperature range of after 250℃～650 p

℃

ost-weld heat treatments.

Among these, the 350 p

℃

ost-weld heat treatment temperature had a great

mechanical properties. However, the percentage elongation decreased to start

with and then increased as the temperature was increased. The highest

percentage elongation 13.2% occurred at testing temperature of 650℃.

The study has demonstrated that D6AC steel is a suitable material for

manufacturing seamless thin-wall tubing through the cold forward flow forming

technique. After a 350℃ post-welding heating, the steel can deliver superior

mechanical properties. However, the D6AC steel has been found not suitable for

EB welding directly after cold flow forming, because the weldment of the cold

formed steel may suffer a serious inadequacy of percentage elongation. As a

result of the present research, the sticky problem associated with lack of

ductility of the D6AC steel that used to trouble the aerospace and defense

industries has been solved. Post-weld heat treatment is necessary to reduce the

residual stress and improve the mechanical properties of the EB weldment.

Keywords：D6AC, ultrahigh-strength steels, Flow forming, Electron beam

welding, mechanical properties, Percentage elongation, heating treatment

致 謝

本論文得以順利完成，首先衷心的感激與感謝恩師 周長彬教授，三

年來在專業的傳授、知識的啟發與研究的方法上，悉心指導與諄諄教誨，

給予最大的研究空間及專業學術知識的薰陶，尤其 恩師嚴謹的生活態度、

樂觀的處世原則、熱忱的教學理念，更令我永誌難忘！同時特別感謝鄭慶

民教授、蘇程裕教授、林玄良教授、鄭璧瑩教授與李衍榮博士於百忙中撥

冗審閱，給予專業知識的指導及對本論文的指正與建議，使論文在整體邏

輯思考與用字遣詞上更臻完善。

在修課期間，感謝同窗好友的相互勉勵與知識分享，尤其研究實驗期

間最感激的是始終全力支持與協助我的摯友李衍榮博士，給予各項實驗規

劃之建議與指導，以及中心多位好友與同事協助完成試片製備，此份情誼，

彌足珍貴；在實驗與分析階段特別感謝溫華強博士、明璋、文楷及天一傾

力協助參與研究的行列，使各項實驗能順利圓滿完成，其深情厚誼情同手

足，謝謝您們！

謹以本論文獻給我最敬愛的 父母，感謝多年養育之恩及無私的付出與

犧牲，才有今日的我。尤其特別感謝我最摯愛的妻子-憶湘，這些年來無怨

無悔的關懷、包容與對家庭全心全意的奉獻，對父母的盡孝也無微不至，

於求學期間悉心照顧與教導求學中的兩個兒子天友與天允，讓我無後顧之

憂，是我最大的精神支柱與動力，才能全心投入研究，並順利完成學業。

最後，亦感謝多年來所有關心、愛護及幫助我的長官、同事與朋友們，同

時祈祝恩師　周長彬教授身體健康、早日康復。

目 錄

摘 要 ...I ABSTRACT ...II 致 謝 ... IV 目 錄 ... V 表 目 錄 ... IX 圖 目 錄 ... X 符號說明... XIII 第一章　前言 1.1 簡介... 1 1.2 研究動機與目的... 2 第二章 文獻回顧 2.1 D6AC 鋼簡介... 5 2.1.1 超高強度鋼... 5 2.1.2 D6AC 超高強度鋼... 5 2.1.3 發展歷程與應用層面... 6 2.1.4 D6AC 鋼合金元素及特性... 10 2.1.5 D6AC 鋼銲接特性... 11 2.1.6 D6AC 鋼熱處理特性... 12 2.2 旋形加工... 14 2.3 電子束銲接... 23 2.3.1 電子束技術... 23 2.3.2 電子束銲機發展史與應用趨勢... 24

2.3.3 電子束銲接運作原理... 25 2.3.4 電子束銲接系統分類... 26 2.3.5 電子束銲接參數... 29 第三章 實驗方法與程序 3.1 實驗材料... 35 3.2 實驗程序... 35 3.3 旋形設備及實驗規劃... 36 3.3.1 旋形加工機... 37 3.3.2 旋形實驗規劃... 37 3.4 電子束銲接設備與實驗規劃... 38 3.4.1 電子束銲接設備... 38 3.4.2 電子束銲接實驗規劃... 39 3.4.3 電子束銲接參數... 40 3.5 熱處理設備與實驗規劃... 40 3.6 微硬度設備及量測目的... 41 3.6.1 微硬度設備... 41 3.6.2 微硬度量測方法與目的... 42 3.7 拉伸設備與實驗規劃... 42 3.7.1 拉伸設備... 42 3.7.2 拉伸實驗規劃... 43 3.8 金相觀察設備與目的... 44 3.9 X 光繞射(XRD)分析設備與實驗目的 ... 45 3.9.1 X 光繞射(XRD)分析設備 ... 45 3.9.2 X 光繞射(XRD)實驗目的 ... 45

3.10 表面形貌與成分分析設備與目的... 46 3.10.1 表面形貌與成分分析設備... 46 3.10.2 表面形貌與成份分析目的... 47 3.11 穿透式電子顯微鏡(TEM)的觀察與分析 ... 48 第四章 實驗結果與討論 4.1 實驗材料驗證-化學成份分析 ... 49 4.2 D6AC 旋形胚盂之機械性質量測... 50 4.2.1 微硬度量測... 50 4.2.2 金相顯微組織觀察... 51 4.2.3 D6AC 旋形胚盂之 X 光繞射分析 ... 51 4.2.4 D6AC 旋形胚盂之實驗結論... 52 4.3 不同旋形量對機械性質與顯微組織之影響... 53 4.3.1 實驗目的與流程... 53 4.3.2 試旋製程與結果... 53 4.3.3 微硬度量測... 56 4.3.4 金相顯微組之觀察... 57 4.3.5 不同旋形量D6AC 旋形管件之 X 光繞射分析 ... 59 4.3.6 不同旋形量D6AC 旋形管件之實驗結論... 60 4.4 不同旋形量與電子束銲接對D6AC 鋼的影響... 61 4.4.1 實驗目的與流程... 61 4.4.2 微硬度量測... 62 4.4.3 金 相 顯 微 組 織 觀 察 ... 63 4.4.4 D6AC 鋼電子束銲接後之實驗結論... 65

4.5.1 實驗目的與流程... 65 4.5.2 微硬度量測... 66 4.5.3 金相顯微組織觀察... 68 4.5.4 D6AC 鋼不同回火溫度抗拉強度分析... 71 4.5.5...D6AC 鋼不同回火溫度拉伸破斷面觀察與分析 ... 74 4.5.6 鋼銲後回火處理之實驗結論... 77 第五章 結論與未來研究方向 5.1 結論... 78 5.2 未來研究方向... 78 參考文獻... 80

表 目 錄

表2-1 各國發展超高強度鋼演進歷程及應用範圍表...7 表2-2 D6AC 鋼與其他超高強度鋼之化學成份比較(wt.%) ...10 表2-3 電子束銲機發展史與應用趨勢...24 表2-4 不同型式電子束銲機特性與銲件品質比較表...27 表2-5 不同真空度之銲接特性比較...28 表2-6 不同規格項目之電子束銲機類型區分...28 表3-1 胚件加工流程表...38 表3-2 D6AC 鋼經不同旋形量與熱處理條件之實驗試片數量表 ...44 表4-1 本研究所使用之 D6AC 超高強度鋼化學成份表(w.t. %)...49 表4-2 D6AC 旋形胚盂之洛氏硬度量測結果 ...50 表4-3 67%旋形量電子束銲件經不同回火溫度條件之機械性質 ...72 表4-4 78%旋形量銲後各組不同回火溫度條件下之機械性質 ...73

圖 目 錄

圖2-1 D6AC 之 TTT 恆溫變態曲線圖...13 圖2-2 彎旋形加工示意圖... 16 圖2-3 多道次加工示意圖... 16 圖2-4 剪旋壓加工示意圖... 18 圖2-5 改變進給速率、作用力與心軸轉速之關係... 19 圖2-6 順流旋形加工示意圖... 20 圖2-7 逆流旋形加工示意圖... 21 圖2-8 電子束銲接之鑰孔效應圖... 25 圖2-9 銲道熔融凝固過程示意圖... 26 圖2-10 電壓與電流對銲件的影響與銲道巨觀形狀比較... 27 圖2-11 銲接方法之功率密度分佈圖... 29 圖2-12 銲接艙真空壓力對銲道形狀和熔深之影響... 31 圖2-13 真空度與常態化銲接深度之關係... 32 圖2-14 EBW 和 TIG 銲接其銲道比較... 32 圖2-15 銲道形狀之比較... 33 圖2-16 異種材料之銲接特性... 34 圖3-1 全製程實驗流程圖... 36 圖3-2 順流旋形冷作加工機... 37 圖3-3 本研究使用之電子束銲接機外觀... 39 圖3-4 本研究使用之電子束銲接機內部... 39 圖3-5 本研究使用之熱處理設備外觀圖... 40

圖3-6 電子束銲後不同熱處理溫度流程... 41 圖3-7 本研究使用之微硬度設備外觀圖... 41 圖3-8 本研究使用之拉伸試驗機外觀圖... 42 圖3-9 依標準 ASTM E370 規範製作之拉伸試片尺寸圖... 43 圖3-10 金相觀察試片示意圖... 45 圖3-11 本研究使用之 X 光繞射頻譜儀外觀圖...45 圖3-12 X 光繞射原理示意圖... 46 圖3-13 場發射掃描式電子顯微鏡內部結構... 47 圖3-14 本研究使用場發射掃描式電子顯微鏡外觀圖... 47 圖4-1 以能量色散 X 光譜儀進行 D6AC 鋼成份分析... 49 圖4-2 正常化處理 D6AC 鋼製旋形胚盂金相顯微組織... 51 圖4-3 D6AC 鋼製旋形胚盂軸向與徑向之 X 光繞射分析... 52 圖4-4 D6AC 鋼製旋形胚盂經不同旋形加工量之實驗流程圖... 54 圖4-5 試旋破裂狀況... 55 圖4-6 旋後破裂面之 SEM 圖... 55 圖4-7 不同試旋旋形量之 OM 分析圖... 56 圖4-8 不同試旋旋形量之 TEM 分析圖... 53 圖4-9 不同旋形量之 D6AC 鋼管壁截面徑向微硬度分佈... 57 圖4-10 未旋形 D6AC 鋼之金相顯微組織... 57 圖4-11 67%旋形量 D6AC 鋼之金相顯微組織... 58 圖4-12 78%旋形量 D6AC 鋼之金相顯微組織...59 圖4-13 不同旋形量 D6AC 旋形管件之 X 光繞射分析... 60

圖4-14 不同旋形量 D6AC 旋形管件之電子束銲接實驗流程圖... 61 圖4-15 67%旋形量 D6AC 鋼電子束銲接前後之硬度值比較圖... 62 圖4-16 78%旋形量 D6AC 鋼電子束銲接前後之微硬度分佈圖... 63 圖4-17 67%旋形量之 D6AC 鋼電子束銲後之金相圖... 63 圖4-18 67%旋形量之 D6AC 鋼電子束銲後之金相圖(續)... 64 圖4-19 78%旋形量之 D6AC 鋼電子束銲後之金相圖... 64 圖4-20 78%旋形量之 D6AC 鋼電子束銲後之金相圖(續)... 64 圖4-21 銲後經不同溫度回火熱處理之實驗流程圖... 66 圖4-22 67%旋形量之 D6AC 鋼熔融區與熱影響區之硬度分佈圖... 67 圖4-23 78%旋形量之 D6AC 鋼熔融區與熱影響區之硬度分佈圖... 67 圖4-24 67%旋形量之 D6AC 鋼銲道熔融區與熱影響區金相顯微組織... 69 圖4-25 78%旋形量之 D6AC 鋼銲道熔融區與熱影響區金相顯微組織... 71 圖4-26 67%旋形量電子束銲件經不同回火溫度抗拉、降伏強度趨勢... 72 圖4-27 78%旋形量銲後不同回火溫度抗拉降伏強度趨勢... 73 圖4-28 67%旋形量之 D6AC 鋼不同溫度之拉伸破斷面... 75 圖4-29 78%旋形量之 D6AC 鋼不同溫度之拉伸破斷面... 77

符號說明

EBW；E ：電子束銲接 TIG ：氬銲 AV ：加速電壓 BC ：射速電流 S ：銲接速度 θ ：熱輸入量(J/mm) WM ：銲道 HAZ ：熱影響區 t ：厚度 0 t ：胚盂管壁厚 f t ：試件成品壁厚 t ε ：壁厚減縮率 max ε ：最大壁厚減縮率 F ：旋形加工 F0 ：未旋形加工 F67 ：67%旋形加工量 F78 ：78%旋形加工量 F0E ：未旋形加工+電子束銲接(120V) F67E ：67%旋形加工量+電子束銲接(120V) F78E ：78%旋形加工量+電子束銲接(120V) RT ：未回火拉伸試件(常溫) T250 ：拉伸試件(250℃) T350 ：拉伸試件(350℃) T450 ：拉伸試件(450℃) T550 ：拉伸試件(550℃) T650 ：拉伸試件(650℃)

第一章 前言

1.1 簡介

D6AC 鋼 是 一 種 中 碳 低 合 金 超 高 強 度 鋼 (Medium-Carbon Low-Alloy Ultrahigh-Strength Steel)[1]，主要添加 V，並提高 C、Cr、Mo 等元素，同時並降低 Ni 含量，而最重要是其製程係經大氣熔煉(Air Melting)，再經由真空電弧精煉(VAR)製造而 成，經過如此的純化製程技術，使得D6AC 鋼材料內之非金屬介在物、內部及表面不連 續缺陷較少也較小[1]，成為具極低硫、磷等雜質含量的高品質材料，其與同屬超高強度 鋼的SAE 4340 比較，因 D6AC 鋼的化學成份中，擁有細化晶粒的釩，與較高含量的鉬 及矽，因而可獲得結合高溫、高強度與高破裂韌性的特質及熱處理後尺寸精確度，具備 較高的硬化能[1,2]及使其能勝任航太用途的特殊需求，因此各國均廣泛地應用於飛機、 火箭、飛彈等航太零組件[3-7]。 一般而言，強度愈高的鋼鐵材料，愈具有氫脆敏感的特性，容易導致沿著沃斯田鐵 晶界產生破壞[8]；另外，於完成銲接之後，因銲道固化時較高的溫度區間還會增加偏析， 因而降低了銲道的高溫強度和韌性。而D6AC 鋼是一種淬火硬化鋼，除了可採用傳統的 淬、回火程序，用足夠的冷卻速度得到脆硬的麻田散鐵，再以不同的溫度回火得到所需 的強度與韌性外，另外在熱處理特性上較一般鋼材不同，有明顯的沃斯田鐵灣(Austenitic Bay)[1]，因此可採用獨特的 Aus-Bay Quenching 方式淬火，淬火方式則宜採油淬或鹽浴 淬火，可有效降低淬火變形量，同時保持零件的精確度，且可獲得最佳強度與韌性組合 特性之銲件[9]。

為能發揮D6AC 鋼的優良特性及精密的製程品質控制，航太科技工業經常應用流旋

形加工(Flow forming)及電子束銲接(Electron beam welding, EBW)精密加工製程技術，製 造高性能的飛行推進器及飛彈結構系統。旋壓成型加工為一製造高強度、高精度薄殼工 件之非切削性、無屑之冷作成形加工製程技術[10-13]，可製造長且薄的高精密無縫管 件，如飛彈、火箭之發動機、加力器等殼體，並已廣泛應用於一般機械工業、汽車工業 及航太工業等各種零件產品製造，同時因具有節省材料、尺寸精度高、加工時程短、製 造成本低、模具整備簡易及高彈性化生產等優點，極適合應用於火箭或飛彈彈體等需具 有高精度要求之大型載具[14-17]。

電子束銲接技術[18-20]則具有操作簡單、銲接速度快、熱輸入量小、銲道深寬比大、 熱影響區(Heat affected zone, HAZ)窄、銲後變形小、銲接滲透力強及在高真空中實施銲 接，無污染、工件表面不易氧化、銲縫品質佳等優異特性，因而各國均廣泛應用電子束 銲接技術於航太、核能及火箭殼體等需高強度零件之製造。

1.2 研究動機與目的

D6AC 超高強度鋼自 1960 年代由美國開發以來，以其超高強度及優異的機械 性質，除了成為戰術和戰略導彈發動機殼體及飛機結構件等航太科技工業主要的應用材 料外，到了 1970 年代起更廣泛應用在太空梭推進器殼體、大氣層內之飛行器及核能工 業等高科技產品。隨著航太科技工業需求性能的不斷提升，傳統的製造技術已不符效 益。因此，各國均積極致力於開發朝更精密、更快速及高效率的製程技術，以發揮各種 材料的優異性能。 一般航太科技工業所應用的飛行載具除了必須具備重量輕、強度高的要求條件外， 在使用的過程中，更必須同時承受內部燃燒所產生的高溫、高壓及外部因飛行氣流產生 的熱效應，以及支撐整體結構的高應力負荷，因此載具必須具備一定的結構強度及應變 能力。因此，為了提升製程效益及材料機械性質與控制品質，各國航太科技工業經常同 時運用「流旋形冷作加工」及「電子束銲接」製程技術製作精密無縫的大型飛行載具。 而之前的研究顯示，由於D6AC 鋼對於破裂的敏感性高，所以在銲接前對銲件的表 面清潔就必須特別注意，可使用細砂紙及丙酮將銲件表面之污垢、油漬、氧化物、塗料 等清除乾淨[21]，如需使用銲條銲接時，則必須將銲條上常施予的保護用油膜及塗鍍層 也須先清理乾淨，可將銲道污染、氣孔等缺陷降到最低，也可減少破裂發生。而Bob 針 對低合金超高強度鋼的銲接做研究，歸納出銲後之銲接強度與銲條的選用、銲件厚度、 外型設計、銲接程序、銲道合金的均勻性以及銲後熱處理的反應等因素有關，特別在銲 條選用方面，最好是和銲件材料一致的化學成分，或熱處理後會和銲件材料性質相近為 宜[22]。另外，Davis 研究指出，銲條亦需經過真空熔煉，且需比銲件材料的含碳量少， 並盡量挑選硫、磷等雜質含量低，銲接後之銲道強度，將會比母材為佳[1]。銲條在使用

鉻、鉬易與空氣中的氧產生作用，對工件的品質影響甚鉅，因而在銲件背面採用適當之 氣體保護非常重要，一般使用氬氣徐吹銲件背面，或在銲件背面襯以銅墊；且銲件的尖 端絕對不可在保護氣體的範圍外，避免影響銲接品質[22]。 另外在銲接過程中，銲道及其熱影響區均會生成硬脆之麻田散鐵組織及殘留沃斯田 鐵，在殘留沃斯田鐵之晶界所形成的連續碳化物，則會增加脆裂的程度[24]，因為低合 金超高強度鋼皆有硬化脆裂的問題，須在銲前或銲後搭配合適的熱處理的措施，因不同 的熱處理製程，均會影響銲道、熱影響區及母材的組織及機械性質。Tsay 等人以雷射銲 接D6AC 鋼作一系列實驗，研究結果發現如採用低溫回火時，可獲得高強度及硬度，但 是隨著回火溫度的增加，銲道的衝擊強度及伸長率也都會隨之增加[25]。 然而在國外積極研究與應用之際，目前國內迄今並無具體D6AC 鋼應用在國防與航 太科技工業，而一般性的學術研究也僅就D6AC 鋼板材分別施以惰氣鎢極電弧銲、電漿 電弧銲接等進行研究，探討鋼材本身之氫脆特性如何改善與利用疲勞裂縫成長試驗探討 疲勞特性[26-28]，並未針對實體應用做系統性之製程技術開發。有鑑於此，本研究有計 畫的將D6AC 鋼作完整的製程應用研究開發，同時運用「流旋形冷作加工」及「電子束 銲接」製程技術製作精密無縫的大型管件，針對D6AC 鋼在旋形加工與電子束銲接及銲 後熱處理之機械性質特性做整合性之研究，透過一系列的實驗，擬以有系統的實驗規劃 進行三階段之研究與分析，以獲得最適化的結果與數據： 1. 將淬火+回火之 D6AC 鋼旋胚試件分別施以 0%、67%及 78%不同旋形加工量， 並經由各項實驗以獲得不同旋形加工量對材料強度及延伸率的影響。 2. 針對不同旋形加工量之 D6AC 鋼進行相同參數之電子束銲接，經由實驗分析以 獲得不同旋形量電子束銲件與機械性質的相互關係及影響程度。 3. D6AC 鋼經不同旋形加工量及電子束銲接後，進行不同回火溫度的熱處理，以 獲得不同溫度對母材與銲道的機械性質及顯微組織結構之影響。 本研究經由材料特性分析、文獻探討與藉由以上有系統的實驗設計規劃與研究分 析，將 D6AC 鋼經不同壁厚縮減率之旋形加工為精密無縫管件，並施予電子束銲接製 程，銲後並施予不同熱處理條件，將分別獲得：

1. 不同旋形加工量對各種機械性質之影響。 2. 電子束銲接對不同旋形加工量之機械性質的影響。 3. 熱處理溫度對不同旋形加工量、電子束銲件的機械性質及顯微組織結構之影 響。 最後分別獲得各項具體結果後，再依據實驗結果規劃設計解決的方案，同時進行全 尺寸之實體試驗與分析，以獲得最適化的製程參數與成果，期望能達成建立國內D6AC 超高強度鋼完整製程開發技術，並達成本研究的規劃目標，而能實際廣泛應用於國防科 技及航太科技領域，以提升D6AC 鋼對航太科技工業發展與貢獻。

第二章 文獻回顧

2.1 D6AC 鋼簡介

2.1.1 超高強度鋼 一般超高強度鋼是指其抗拉強度超過1380 Mpa 的鋼材[1]。因其機械性能優越，廣 泛應用於航太及軍事工業[5,7]。超高強度鋼系列依組成主要區分為下列四種[7]： 1. 中碳低合金超高強度鋼─利用低溫回火麻田散鐵組織強化機械性質。例如 SAE 4140、SAE 4340、D6AC 及 300M 等材料，已廣泛應用於飛彈之發動機殼體與 飛機之結構件。 2. 中合金二次硬化超高強度鋼─利用特殊碳化物之二次硬化提高強度。例如 HY 180、AF 1410、HP 9-4-20 及 HP 9-4-30 等材料，已應用在美國海軍艦載機的起 落架及捕捉勾等結構件。 3. 高合金析出硬化鋼─利用金屬間化合物析出硬化方式強化機械性質。例如 AISI 15-5PH 與 PH 13-8-M 等材料，一般應用在發動機零組件以及 C5A、C17 等運輸 機的貨物載卸系統。 4. 麻時效鋼─在低碳麻田散鐵內加入時效硬化元素 Co Mo，再施以時效熱處理方 式強化機械性質。例如 C250、C300 等材料，已應用在航太發動機及深海潛艇 等大型殼體之結構件。 2.1.2 D6AC 超高強度鋼 D6AC 鋼是一種淬火硬化中碳低合金超高強度鋼，為 1960 年代由 Ladish 公司所開 發出之材料[1]，原始開發需求是為了熱加工模具使用，但因其機械性質佳、硬化能高、 抗回火能力強等優異特性，而廣泛應用在飛機的蒙皮、起落架及飛彈結構之彈身，發動 機外殼等需要高疲勞強度和韌性的航太結構件上，如太陽神火箭及F-111 飛機上，其中 F-111 之結構材料中 D6AC 鋼即佔約 30%以上[3-5,7]。

D6AC 鋼是以 SAE4340 為基礎，主要添加 V，並提高 C、Cr、Mo 等元素，同時並

純化製程技術，使得D6AC 鋼成為具極低硫、磷等雜質含量的高品質材料，其與 SAE 4340 比較，因D6AC 鋼的化學成份中，有細化晶粒的釩，與較高含量的鉬及矽，因而具備較 高的硬化能[1,2]。 本研究選用D6AC 鋼之主要原因除了其本身所具有之優越的機械性質外，因 D6AC 鋼的總合金含量較低(約 4%左右)且價格與同屬應用於航太與火箭殼體的 C250 麻時效鋼 比較之下，由於麻時效鋼合金含量較高，含有較多Ni、Co、Mo 等貴重金屬，價格昂貴， 遠比D6AC 鋼高約 6-10 倍，且不易取得，因而 D6AC 鋼在國防上之應用更具潛力與競 爭力。 2.1.3 發展歷程與應用層面 隨著航太及軍事工業蓬勃發展，超高強度結構鋼材之需求日益迫切，由1940 年起， 美國與蘇聯各自研發屬低合金超高強度鋼的SAE 4340 及 30XГCH2A 以運用在 F-104 飛 機起落架，1950 年則由中國仿製蘇聯的 30XГCH2A 研發出 30CrMnSiNi2A 鋼材，本研 究所採用之D6AC 鋼則在 1960 年代問世，當時主要應用在戰術和戰略導彈發動機殼體 及飛機結構件上。於1970 年則進一步研發出將 D6AC 鋼應用於固體火箭發動機殼體、 美國新型地對空導彈「愛國者」，小型導彈「紅眼睛」，大中型導彈「民兵」、「潘興」、「北 極星」、「大力神」，以及美國太空梭助推器殼體、F-111 飛機的起落架和機翼軸等處 [3-5,7]。 自1970 年代中期起，Co 成為重要的戰略物資，但由於來源獲得不易且價格昂貴， 在應用上受到極大限制。1981 年由美國 Teledyne Vasco 公司自行研發以價格較低廉的 Ti 為主要強化元素之無 Co 麻時效鋼[29-32]，形成以 Co 強化及 Ti 強化兩大系列，自此 世界各國也針對更優異性能的超高強度結構鋼材積極展開研發。本研究彙整各國歷年發 展超高強度鋼之演進歷程及應用範圍如表2-1 所示。

表2-1 各國發展超高強度鋼演進歷程及應用範圍表 年代 國名 超高強度鋼種類/名稱 應用範圍 1940s 美國 低合金超高強度鋼 SAE 4340 F-104 飛機起落架等零件 1940s 蘇聯 低合金超高強度鋼 30XГCH2A 和 40XH2CMA 鋼 研發試驗階段 1952 美國 低合金超高強度鋼 300M 美國的軍機和主要民航飛機的起落 架，包含F-15、F-16、DC-10、MD-11 等軍用戰鬥機；波音747 起落架及波音 767 飛機機翼襟滑軌、縫翼管道等零件 1950s 中國 低合金超高強度鋼 仿製前蘇聯的鋼種為主，如 30CrMnSiNi2A(仿 30XГCH2A 鋼) 研發試驗階段 1960s 美國 低合金超高強度鋼 D6AC 戰術和戰略導彈發動機殼體及飛機結 構件 1962 美國 麻時效鋼18Ni(200)、18Ni(250) 和18Ni(300)鋼 火箭發動機殼體等零件 1960s 中國 麻時效鋼 仿製18Ni(250)和 18Ni(300) 研發試驗階段 1965 美國 二次硬化超高強度鋼HY180 鋼 深海艦艇殼體，海底石油勘探裝置等零 件 1970s 美國 低合金超高強度鋼 D6AC 固體火箭發動機殼體、美國新型地空導 彈「愛國者」，小型導彈「紅眼睛」，大 中型導彈「民兵」、「潘興」、「北極星」、 「大力神」，以及美國太空梭助推器殼 體F-111 飛機的起落架和機翼軸等零 件 1970s 中國 麻時效鋼 研發試驗階段 1978 美國 二次硬化超高強度鋼 AF1410（HY180 鋼改良） 航空用構件 1980 中國 麻時效鋼 超高純、高強高韌的CM-1 鋼，高彈性的TM210 鋼 濃縮鈾離心分離機之旋轉筒體等零件

表2-1 各國發展超高強度鋼演進歷程及應用範圍表(續) 年代 國名 超高強度鋼種類/名稱 應用範圍 低合金超高強度鋼 1. 仿 製 (1) 45CrNiMo1VA 鋼 （仿D6AC 鋼） (2) 40Si2Ni2CrMoVA 鋼（仿300M 鋼） (3) 40CrNi2MoA 鋼 （仿4340 鋼） (1) HQ-7 地空導彈發動機殼體、反坦 克導彈的發動機殼體和高壓氣瓶 等零件 (2) J-8II、J-10 等殲擊機起落架等零件 1970s- 1990s 中國 2. 自 主 研 發 (1) 不含鎳的 406 (38SiMnCrNiMoV ) (2) D406A (31Si2MnCrMoV) 、 40CrMnSiMoVA (GC-4) (3) 無鎳鉻的 35Si2Mn2MoVA (4) 含少量鎳的 37Si2MnCrNiMoV A (1) 大型固體火箭發動機殼體，如巨浪 一號兩級發動機殼體等零件 (2) 東風和巨浪系列導彈一級發動機 殼體等零件 1990s 中國 麻時效鋼 T250、T300 固體發動機殼體等零件 1992 美國 二次硬化超高強度鋼 Aermet 100 超高強度合金鋼 F/A-22 戰鬥機起落架和 F-18 艦載機的 起落架等零件 1995 中國 二次硬化超高強度鋼 G99 神舟系列飛船的黑匣子殼體等零件 2000s- 2010s 中國 二次硬化超高強度鋼 仿製美國之Aermet 100 鋼 四代機和艦載機的起落架等零件 由於尖端科技技術及航太工業的快速發展，各國研發超高強度鋼迄今，針對合 金化之研究已達到相當高之水平，且不斷透過鋼種添加合金元素的特性，利用冶金與熔 煉技術的精進，充分發揮合金元素的作用，將有害元素的含量儘量減少，提高鋼材破裂 韌性，不斷朝超純化、超細化、高均質、低偏析等技術進行創新研究，而近十年來各國 仍持續不斷研發更具有優異性能的鋼種，也在武器系統競賽中不斷超越，展現國防武 力，更希望能突破超高強度鋼研發之四大關鍵技術，已成為各國冶金技術創新積極追求 的目標。 1. 超純化之量產冶金技術。

3. 鋼錠均質化之技術、大鍛比之鍛造技術。 4. 超細化之鍛造製程技術和熱處理製程技術。

目前各國已廣泛應用D6AC 合金鋼在飛彈、太空梭殼體及火箭上，如美國已使用於

愛國者、Minuteman、Harm 及 AGM-88A 等飛彈及大型導彈等武器系統，英國則用於 Sky Flash、Sea Eagle 等飛彈系統，而法國則應用於 Magic R550 等系列之飛彈系統，強

化國防武力。然而在國外積極研究與應用之際，目前國內迄今並無具體D6AC 鋼應用在 國防與航太科技工業。有鑑於此，本研究有計畫的將D6AC 鋼作完整的製程應用研究， 針對D6AC 鋼在旋形加工與電子束銲接及銲後熱處理之機械性質特性研究，透過一系列 的實驗，擬以有系統的實驗規劃進行三階段之研究與分析，經由材料特性分析、文獻探 討與實驗，獲得各項具體結果後，再依據實驗結果規劃設計解決的方案，同時進行全尺 寸之實體試驗與分析，以獲得最適化的製程參數與成果，期望能達成建立完整製程開發 技術之具體目標，而能實際廣泛應用於國防科技及航太科技領域。

2.1.4 D6AC 鋼合金元素及特性 由 D6AC 鋼與其他超高強度鋼的化學成份比較，可知由於 D6AC 鋼添加 V 並提高 C、Cr、Mo 等元素及降低 Ni 含量，且製程係經大氣熔煉 ，再經由真空電弧精煉而成， 經過如此的純化製程，使得D6AC 鋼成為僅具極低硫、磷雜質含量的高品質材料，其與 SAE 4340 比較，因 D6AC 鋼的化學成份中，有細化晶粒的釩，與較高含量的鉬及矽， 因而具備較高的硬化能[1,15]，各超高強度鋼之化學成份比較如表。 表2-2 D6AC 鋼與其他超高強度鋼之化學成份比較(wt.%) Alloy C Mn P S Si Cr Ni Mo V Fe D6AC 0.42~ _0.48 0.6~ _0.9 <0.01 <0.01 0.15~_0.3 0.9~ _1.2 0.4~ _0.7 0.9~ _1.1 0.05~_0.1 balance 4130 0.28~ _0.33 0.4~ _0.6 <0.01 <0.01 0.2~ _0.35 0.8~ _1.1 - 0.15~ _0.25 - - 4140 0.38~ _0.43 0.75~ _1.0 <0.01 <0.01 0.2~ _0.35 0.8~ _1.1 - 0.15~ _0.25 - - 4340 0.38~ _0.43 0.6~ _0.8 <0.01 <0.01 0.2~ _0.35 0.7~ _0.9 1.65~_2.0 0.2~ _0.3 - - 以D6AC 超高強度鋼中所添加的各種合金元素，對其機械性質，各有其影響性與提 升之效果，如 1. 鎳(Ni)的添加可使鋼材晶粒細化，提升高溫強度。 2. 鉻(Cr)則可提高材料的淬火性與耐蝕。 3. 鉬(Mo)則幫助鋼材提高淬火性與高溫強度。 4. 釩(V)與鈷(Co)均能增加其耐磨耗特性，其中釩(V)能使晶粒微細化。 5. 氮(N)及氧(O)：屬雜質，因此含量越低越好[19]，否則會因晶格變形，導致脆性 升高。尤其在真空冶煉時，N 含量要低，否則會使降伏強度降低。 6. 硫(S)：亦為有害之雜質，其含量須控制在 0.01 wt.%以內，愈少愈好，此元素對 強度及韌性均為負面的影響[19,33]。

2.1.5 D6AC 鋼銲接特性 對一般低合金超高強度鋼而言，不可以在已硬化的狀況下施以銲接，因為容易有熱 裂與冷裂的現象，故通常必須在已退火或過回火的情況下銲接，如要達到需求的強度或 硬度，則應進行適當的銲後熱處理[13]。各種銲接法皆易導致各種不同之材料缺陷，如 氣孔、冷裂縫、熱裂縫、變形與殘留應力、熱影響區強度降低等問題[34]。一般若採用 電子束銲接時使用之材料，因為硫的含量會增加銲道的熱裂敏感度，而磷則會降低延性 和韌性，同時增加銲道的冷裂敏感度，因此精密控制硫、磷等雜質的含量，在這種高硬 化能的鋼種中非常的重要，若採用強度可達 1400MPa 以上的超高強度鋼，則須再加以 真空熔煉將這兩種元素含量降至0.015 %以下，才能發揮其優異的性能。 另外，由於D6AC 鋼對於破裂的敏感性，所以在銲接前對銲件的表面清潔必須特別 注意，一般可使用細砂紙及丙酮將銲件表面之污垢、油漬、氧化物、塗料等清除乾淨[21]， 如需使用銲條銲接時，則必須將銲條上常施予的保護用油膜及塗鍍層也須先清理乾淨， 可將銲道污染、氣孔等缺陷降到最低，也可減少破裂發生。而Bob 等人針對低合金超高 強度鋼的銲接做研究，歸納出銲後之銲接強度與銲條的選用、銲件厚度、外型設計、銲 接程序、銲道合金的均勻性以及銲後熱處理的反應等因素有關，特別在銲條選用方面， 最好是和銲件材料一致的化學成分，或熱處理後會和銲件材料性質相近的銲條為宜[22]。 另外，Davis 等人研究指出，銲條亦需經過真空熔煉，且需比銲件材料的含碳量少， 並盡量挑選硫、磷等雜質含量低，則銲接後之銲道強度，將會比母材為佳[3]。銲條在使 用前，最好需加以烘烤，以降低氫脆的影響性[35]；另外，在銲接過程中，因為銲件本 身的鉻、鉬易與空氣中的氧產生作用，對工件的品質影響甚鉅，因而在銲件背面採用適 當之氣體保護非常重要，一般可使用氬氣徐吹銲件之背面，或在銲件背面襯以銅墊質之 方式處理；且銲件的尖端絕對不可在保護氣體的範圍外，避免影響銲接品質[36]。 另外在銲接過程中，銲道及其附近區域(熱影響區)均會生成硬脆之麻田散鐵組織及 殘留沃斯田鐵，在殘留沃斯田鐵之晶界所形成的連續碳化物，則會增加脆裂的程度[24]， 因為低合金超高強度鋼皆有硬化脆裂的問題，須在銲前或銲後搭配適當的熱處理，而不 同的熱處理製程，則會影響銲道、熱影響區及母材的組織及機械性質。Tsay 等人將 D6AC 鋼施以雷射銲接，發現如採用低溫回火時，可獲得高強度及硬度，但是隨著回火溫度的

增加，銲道的衝擊強度及伸長率也都會隨之增加[25]。 一般冷裂(Cold cracking)產生的溫度約在 315℃以下的延遲裂縫，為穿晶破裂。其主 因為麻田散鐵形成導致熱影響區硬度提升、殘留應力的產生與氫的脆化作用，發生區域 在母材熱影響區與銲道熔融區。 改善冷裂的方法，可採續熱處理消除殘留應力並軟化之，或在銲接前施予預熱能夠 降低材料本身所累積的殘留應力，並能夠使材料內部組織轉換成變韌鐵組織，此方法能 夠降低材料對氫的敏感性[28]。另外降低銲材之冷卻速度，可選用含氫氣量較少的銲條， 也能有效改善冷裂之問題。 而熱裂縫(Hot cracking)產生的溫度約在 315℃以上，發生於銲接進行時的沿晶式裂 縫。主因為晶體介面變弱或液化、殘留應力的產生或是偏析物的液化作用。主要發生區 域亦為母材熱影響區與銲道熔融區。 欲防止熱裂縫產生，可降低銲接時銲件承受外力的程度或選用雜質較少的母材，另 外在整個銲接過程前後避免多重熱循環情形的發生，也可預防熱裂問題。 2.1.6 D6AC 鋼熱處理特性 D6AC 鋼在熱處理特性上較一般鋼材不同，圖 2-1 所示 D6AC 鋼之 TTT 相圖 (Time-Temperature-Transformation diagram) 中 [1] ， 具 有 明 顯 的 沃 斯 田 鐵 灣 (Austenitic Bay)，因此 Gordon[37]研究可採用獨特的 Aus-Bay Quenching 方式淬火，淬火方式則宜 採油淬或鹽浴淬火，可有效降低淬火變形量，保持零件的精確度，且可獲得最佳強度與 韌性組合特性之銲件[9]。D6AC 鋼之 Aus-Bay Quenching 主要製程係將 D6AC 鋼施以 899

℃沃斯田鐵化，沃斯田鐵灣淬火到482-552℃，鹽浴淬火至 191℃，66-93℃空冷，再加

熱至191℃進行應力消除。如果再施以 552℃之二次回火，則可達到 HRc 47-48、抗拉強

度1638 MPa、降伏強度 1524 MPa、12 %延伸率的機械性能[37]，因 D6AC 鋼具有高強

度與高韌性之特質，另外拉伸強度隨回火溫度高低而改變，強度可從 800 MPa 變化至

2100 MPa。其中破裂韌性不只受回火溫度影響，其淬火速率與沃斯田鐵化溫度亦是重要 影響因素之一，淬火速度快有助於提昇材料韌性。因此針對形狀較複雜或較厚的工件欲

得到高強度、同時又具備良好韌性，在熱處理程序中就必需加以嚴格控制。另外D6AC 鋼對壓應力(Impact loading)也有很高的阻抗，具有良好的缺口韌性，且其常溫強度較 SAE 4340 為強，在高溫下也能維持較高的強度。Chang 等人研究發現 D6AC 鋼在含水汽或腐 蝕之環境下，對應力腐蝕裂縫及腐蝕疲勞具敏感性，尤其在強度較高的時候，其敏感程 度更高，這個現象與強度同屬超高強度鋼等級的300M 鋼材特性相類似[1,8,36,38]。 圖2-1 D6AC 之 TTT 恆溫變態曲線圖[39] 一般低合金超高強度鋼在銲接上易有冷裂及熱裂敏感性的問題[34]，D6AC 鋼也不 例外。通常可以透過改變材料組織，並將組織轉換成韌性較佳且對氫氣也較不敏感的變 韌鐵。但是若要將殘留沃斯田鐵完全改善為韌性佳的變韌鐵時，則預熱的溫度至少要達 到麻田散鐵起始點(Martensite start temperature，Ms) + 10℃以上[22,40]，同時要持溫一小 時以上[22,23]。對 D6AC 鋼而言，Ms 溫度約在 300℃左右，因此預熱溫度至少要達到 310℃以上，但要特別注意在 288℃以上時，母材表面會開始產生氧化層，容易造成銲道 缺陷[40]。同時還要留意預熱完後之銲間溫度到銲接完成接續銲後熱處理的中間過程， 皆須保持在預熱溫度以上，否則只要低於Ms 的溫度以下，就會產生麻田散鐵，進而影 響銲件的韌性[40]，故一般在銲後，須施以一小時的續熱溫度持溫，可確保銲道及熱影 響區的組織都轉化為變韌鐵，並可讓過程中溶入的氫溢散出去。一般而言，使用較低的 回火溫度時，可保持較高的硬度及強度，Tsay 等人的研究歸納指出，如欲提高韌性，採

600℃一小時的回火方式，可將脆性碳化物之含量降至最低[25]。 D6AC 鋼因具有淬裂之敏感性，當工件經過淬火處理後會有殘留淬火應力，可透過 回火熱處理，減少淬火應力之殘留及淬裂之產生。回火熱處理除了可有效降低殘留應力 外，同時對於鋼材之強度與韌性亦影響甚鉅，一般D6AC 鋼材回火處理可區分為四個階 段[41]： 1. 第一階段：麻田散鐵→回火麻田散鐵+碳化物 材料於室溫至250℃之範圍內回火時，其相由體心正方麻田散鐵組織轉化為回火麻 田散鐵組織，亦即體心立方麻田散鐵組織，同時會有薄板狀的碳化物析出，並釋放 淬火所累積的內應力，導致硬度下降，韌性上升[42]。 2. 第二階段：殘留沃斯田鐵→肥粒鐵+碳化物 材料於200℃至 300℃之範圍內回火時，Paxton 等人研究發現[43]，此時的碳化物為 在先前殘留的沃斯田鐵與麻田散鐵之邊界產生，通常與碳化合之元素為 Cr、Mn， 其排列方式與雪明碳鐵(Fe3C)相似。 3. 第三階段：回火麻田散鐵+碳化物→肥粒鐵+雪明碳鐵 材料於 300℃至 400℃之範圍內回火時，於第一階段產生之回火麻田散鐵組織會再 轉變生成肥粒鐵與雪明碳鐵[44]。 4. 第四階段：雪明碳鐵凝聚成球狀 材料於 400℃至 A1溫度之範圍內回火時，在 550℃以下回火時，雪明碳鐵會因 Fe 以外的合金元素限制，逐漸隨溫度上升會凝聚成球狀，當溫度升至550℃之後，球 化現象將會顯著增加，同時使材料韌性急遽上升。 2.2 旋形加工 旋形加工(Spinning)為一種非常適合於製造高強度、高精度長形薄殼無縫管件之無屑 塑性加工技術，透過此製程使工作材料產生流動而成形，晶粒結構因受應變作用而成纖 維狀組織，並受加工硬化增加其強度，因此旋形加工技術各國均大量運用於製造飛彈彈 體、火箭之發動機、加力器等航太及高科技產業[45,46]。 一般傳統車削加工於製造長形薄管時，經常因壁厚太薄，會有加工變形、加工後尺

寸精度難掌握、加工工時長，不易達到量產及降低成本的需求，尤其製造長形薄管時， 更不易達到所要求的壁厚、內徑公差及直度等精度要求，因應汽車、航太及高科技產業 的研發需求，流旋形加工技術的發展應用亦日趨多樣化[47]。 而流旋形加工乃是將中空金屬胚管(Blank)或杯形胚盂(Preform)於一定的速度旋轉 下，利用一組滾輪(Roller)依不同材料特性，施以適當的局部壓力，使其金屬材料產生塑 性變形而包於型模或心軸上，製成具有所需之中空、圓形截面的管殼、容器等工件的一 種管件成形製造技術。具有旋形後使管件材料依金屬特性而產生不同的加工硬化效果， 且管件品質容易控制，加工時間短，及節省材料等優異特性。故適用於製作大型、高精 度、長形、薄殼無縫之高強度航太及火箭推進器等零組件，可增加推進燃料及酬載之容 量，以達各國不斷研發射程更遠、酬載更高之目標。 2.2.1 旋形加工基本原理與種類 旋形加工(又稱旋壓成形、旋壓加工)是將金屬材料固定於可轉動之型模上，利用旋 轉滾輪連續對材料局部進行旋壓（即進行點加工），同時朝某個方向施予一定之壓力， 使金屬材料沿旋形型模產生塑性變形和流動，滾壓成薄壁管件或錐形工件之加工技術， 屬於無屑之塑性成形加工，常用於加工製作軸對稱之圓形中空工件。旋形加工按其加工 特性可區分為彎旋形、剪旋形與流旋形等三種類型，依不同加工方式區分，剪旋形又可 分為錐形剪旋及凹型剪旋；而流旋形則可分為順流旋形及逆流旋形[48]。主要之加工參 數為主軸轉速、進給速率、滾輪幾何形狀工件及壁厚減縮率等，產品優點為強度高、精 度高、材料節省、生產道次減少、加工時間縮短等。 1. 彎旋形加工基本原理 彎旋形加工即一般所稱之傳統旋壓加工(Conventional Spinning)，在傳統的術語 中，旋壓成形被定義為將一圓形平板透過增加總長度或是不改變其壁厚的狀況下重 新塑造圓弧，其產品種類繁多，應用範圍極為廣泛，加工過程如圖2-2 所示。胚料 一般為板料或已加工之半成品，採用滾輪運動軌跡之方式，對工件進行多道次旋壓 成形加工，只改變胚料形狀，而不改變胚料壁厚，加工方式類似沖壓加工的深引伸 加工，以成形模取代沖頭，以滾輪取代沖模，因滾輪循環移動多道次地加工出成品，

且加工條件較深引伸加工有更大的自由度，因此可加工形狀較複雜之零件，非常適 合塑性佳及壁厚較薄之材料使用，多道次加工方式如圖2-3 所示。彎旋形加工缺點 為尺寸不易控制、加工技術較高、生產效率較低，且因只改變胚料形狀，而不改變 胚料壁厚，亦限制了使用範圍。 圖2-2 彎旋形加工示意圖 圖2-3 多道次加工示意圖 彎旋形製程參數是影響旋壓成形產品能否成功的最重要因素，以下將各製程參 數的影響逐一說明。 (1) 進給速率比 進給速率比的定義為滾輪的進給速率與主軸速度的比值，一般而言即使滾輪進給和 主軸速度改變，但只要進給速率比維持固定，在產品品質上幾乎沒有任何明顯的影 響。因此針對材料特性施以合宜的進給速率比相當重要，尤其使用高進給速率比 時，會產生較高的作用力，容易導致破裂。相對地，使用太低的進給速率比，則將 會在外表方向造成過度的材料變形流動，易造成不必要的工作力降低和不當的管壁

變薄[49]。Wang 等人[50]指出，主軸速度提昇除了會造成高變形率導致主軸作用力 的增加外，同時因為進給速率比與主軸速度(mm/rev)成反比，將使每個轉速所需的 變形能量降低。 (2) 滾輪路徑 滾輪路徑是決定最後零件管壁厚度品質的最重要因素，因為正確的滾輪路徑可以避 免皺褶趨勢和減低皺褶產生的破裂。一般滾輪的凹形路徑最經常使用於彎旋壓加 工，因此在設計滾輪路徑時，必須同時考慮材料的縮減率[51]。而 Liu 等人經研究 [52]建立了一種彈塑性有限元素模型，可以分析彎旋形針對首次旋壓道次在不同滾 輪路徑的應力和應變的分佈狀況，亦即對胚料變成心軸形狀，會產生線性、渦形和 二次函數曲線變化。其研究結果發現，渦形曲線同時會對徑向和切向產生最小的應 力和應變，並進一步歸納分析出三種不同的路徑所造成的應力和應變分佈，可以在 彎旋形加工中，對於如何選擇較適用的滾輪路徑提供理論參考之基礎。 (3) 滾輪設計 設計滾輪時必須同時針對工件形狀、壁管厚度、尺寸大小等規範進行影響評估，尤 其滾輪圓鼻端如果半徑太小，也將造成高應力和導致壁管厚度品質不易控制。 (4) 旋壓比 旋壓比的定義為胚料外徑比心軸外徑的比值，一般而言，越高的旋壓比在旋形加工 中難度就愈高，旋壓比太大，就無法將管壁上產生的高徑向拉力傳送出去，進而沿 著凸緣到管壁的周圍就會有變形撕裂的狀況。 2. 剪旋形加工基本原理 剪旋成型最早是在瑞典使用，而真正大量使用時期則是因為輔助的動力機構改 為液壓設備[53]。剪旋形加工並未改變胚料外徑，僅改變板厚，其加工原理係依循 正弦定律（或稱剪旋定律）及體積不變定律，即旋前胚盂之體積等於旋後成品之體 積，加工過程如圖2-4 所示，此法與彎旋形加工不改變板厚之方式不同。其依加工

方式又可分為錐型剪旋及凹型剪旋，其中錐型剪旋最常使用，適合加工量小、可大 量生產之工件（直徑約180mm 以下）；而凹型剪旋一般用途較少，僅用於薄形工件。 剪旋形加工方法的優點是滾輪僅用一個道次成形，加工時間短，效率快，加工 表面佳，產品精度高，操作簡單、機具調整比彎旋形加工容易，尤其適合於大量生 產。缺點為因塑性變形的程度較彎旋形大，如因板厚減少太多，易導致缺陷，造成 產品良率降低。而在現今一般工業界所使用的旋形設備中，生產相同的零件，已可 同時使用剪旋形和彎旋形的複合加工技術，進而改善此缺點。 圖2-4 剪旋壓加工示意圖 對剪旋形製程而言，不同的進給速率、滾輪鼻端半徑、心軸旋轉速度等製程 參數對作用力及工件表面光度有重大影響。 (1) 心軸轉速 心軸轉速的增加會使正切作用力明顯降低，Chen 研究[54]使用回歸分析方法，分析 製程變數，將工件初始厚度對軸向、徑向和正切作用力的實驗數據資料導入統計分 析系統軟體(SAS/STAT)，可求出回歸方程式。而 Slater 的研究發現，對軸向作用 力和徑向作用力而言，心軸轉速的增加會降低其作用力，並歸納出在已知的心軸傾 角和進給速率下，可以得到一個適當的心軸轉速[55]，如圖 2-5 所示。

圖2-5 改變進給速率、作用力與心軸轉速之關係[55] (2) 滾輪圓鼻和進給速度 從Chen 的研究分析結果，當同時使用較大的滾輪圓鼻和較低的進給速度時，則會 明顯降低成品的表面粗度[54]。而 Slater 的研究則指出，在已知的錐度和固定的進 給率之下，可找到一個特定的心軸轉速，使成品的表面粗糙度達到最小[55]。 (3) 可旋壓性(Spinnablity) 可旋壓性定義為金屬在接受剪旋形變形時沒有產生破裂的能力。Kegg 等人[56]從 拉伸試驗中提出預測可旋壓性的方法，主要是利用一個夾角在180º 和 0º 之間變化 的半橢面的旋壓心軸，當對材料有 80％或是較小的拉伸縮減量時，其極限旋壓縮 減量必須等於或是大於其極限拉伸縮減量。 Cui 等人則研究[57]造成旋壓過程破裂的原因，提出可藉由減少胚料和滾輪之間的 間隙，降低圓錐外在的拉伸應力，可有效避免破裂現象。Kalpakcioglu[58]則接續 延伸在可旋壓性上的分析和實驗上的研究，其研究結果認為滾輪圓鼻的半徑、滾輪 的速度和心軸的速度並不會影響到材料的可旋壓性。但另一方面，心軸的角度在加 工材料所受的應力及其可旋壓性上則有重大的影響。

3. 流旋形加工加工基本原理

流旋形加工又稱管旋形加工，是由金屬環形中空胚管或杯形胚盂於一定的速度 旋轉下，利用一組滾輪施以旋壓，使其金屬發生塑性變形而包於形模(或心軸)上， 製成具有所需之中空、圓形截面的管殼、容器等工件的一種管件成形製造技術[47]， 常用於製造長形中空薄殼之無縫管件。流旋形加工依其滾輪運動與工件材料流動方 向之不同而區分為順流旋形（Forward Flow Forming）與逆流旋形（Backward Flow Forming）兩種加工形式：如圖 2-6 與圖 2-7 所示，當滾輪運動方向與金屬胚料流動 方向相同者稱為順流旋形；反之，若滾輪運動方向與金屬胚料流動方向相反者則稱 為逆流旋形[59]。 以順流旋形與逆流旋形加工方式比較，一般採順流旋形方式加工，其優點為精 度高、不易扭曲、可製作做管狀及杯狀工件，其缺點為加工製程較複雜、加工時間 長、成本高、強度略低，主要適用在製造高精密薄壁的圓筒，如火箭外殼、液壓缸、 高壓容器和發射管等精密零件。若採逆流旋形方式加工，其優點則為胚管加工較 易、加工時間短、成本低、強度佳、型模費用低，而其缺點為旋形長度不易控制、 工件較易扭曲、不能執行杯狀工件加工，一般適用在當原材料的延展性太低而無法 應付加工產生的拉伸應力時，如鑄造件和銲接件之產品。而本研究採用適合於製作 大型、高精度、長形、薄殼無縫之高強度航太及火箭推進器等組件之順流旋形加工 製程技術作為本研究之旋形加工。 ‘ 圖2-6 順流旋形加工示意圖

圖2-7 逆流旋形加工示意圖 對流旋形加工製程參數而言，不同進給速率、滾輪形狀、鼻端半徑、壁厚縮減率 等參數對作用力及產品表面光度均有重大影響。 製程參數的影響 (1) 進給速率、胚料厚度和滾輪形狀的影響 Ma 的研究指出[60]，滾輪最佳作用角度會隨著滾輪外徑和摩擦係數的增加而降 低，但是隨著進給速率和管壁初始厚度與減縮量的增大而增加。因此如要獲得良好 的表面粗度，則必須在進給率、胚料厚度和滾輪形狀間取得一個平衡點[9]。一般 進給率太低，材料會流向直徑方向，進而增加胚料的內徑，如進給率太高，則易產 生厚度不均及粗糙表面不佳等缺陷[61]，且進給率如超過某一個固定值時，則影響 管壁表面精度與產生螺旋的鋸齒狀現象[62]。而 Chang 等人[63]曾針對鋁管在流旋 形加工中，探討進給速率對壁厚應變、徑向作用力、直徑精度和表面粗糙度的影響， 進而歸納出隨著進給速率的增加會導致旋壓作用力、壁厚應變和表面粗糙度的增 加，而外徑的精度反而隨進給速率的增加而降低。 (2) 可旋壓性 可旋壓性即材料的最大減縮量，Kalpakcioglu[58]的研究指出，在管狀和圓錐體材 料中，拉伸力降低區域的最大減縮量相似，製程參數包含鼻徑大小、滾輪角度和進 給速率，其中只有進給速率對可旋壓性會造成重大影響。另外 Xu 和 Feng 則進一

步針對壁厚縮減率及鑄鋼件的可旋壓性進行研究，歸納出影響其可旋壓性的主要因 素為正切拉伸應變，會造成直徑的增加[64-66]。 (3) 旋形型模設計 型模係依據製品內形、內徑尺寸、材料規格及其加工方式等考量，據以參考設計型 模外部尺寸、加工磨損及材料疲勞等影響，最後綜合評估選擇最適當之型模壁厚及 材料，依不同製造需求一般可採用AISI D2、D3 等工具鋼或 SAE4130、4140 超高 強度合金鋼等材料製造獲得。 (4) 滾輪設計及製造 旋形滾輪的外型為主要製程參數之一，一般滾輪外型包含前攻角（α）、圓角半徑（R） 及後讓角（β）三個角度，依材料軟硬程度設計不同之前攻角，而圓角半徑則影響 旋後之管件內徑，後讓角則會影響旋後之表面粗度。故滾輪設計時需考量旋形加工 量多寡及滾輪磨耗性等因素決定選用適當之滾輪材料，一般常用之材料可採用耐磨 耗性佳AISI D2、D4 等工具鋼或 AISI W2、或碳化鎢等材料製造獲得。

2.3 電子束銲接

2.3.1 電子束技術

電子束技術(Electron Beam Technology)之發展迄今已超過三百年以上的歷史，而真 正將電子束相關設備大量應用各項科技與工業生產則是在第二次世界大戰後才開始，尤 其此技術最適合於高品質之零件加工，如航太、核能、火箭等零件之製造。而近年來隨 著資訊時代來臨，對於電子材料應用及特殊製程需求，電子束技術之研究與應用面則更 趨廣泛。

電子束銲接技術[20,67-69]是利用熱電子放射(Thermal electron emission) 經高電壓 加速成為具有高能量的電子束，再經過聚焦線圈，將電子束聚集在很小的區域內，以此 種作用方式應用於銲接工作，進行金屬熔接的一種精密銲接技術。其所聚焦的電子束具 高功率密度及其可調性的優點，使得輸入工件內之熱量減到最低，且銲縫極為細窄，熱 影響區及變形量小，銲道強度大，產品品質優異等特性。電子束加工除銲接外還可用來 做表面加熱硬化、表面鍍膜及鑽微細孔洞，其品質是傳統加工方法所無法達到的，因而 此技術最適合於高品質之零件加工，如航太、核能、火箭等零件之製造。

1950年德國Carl Zeis 公司的Dr. Steigerword，最先利用電子束於熱熔接。1957年J.A. Stohr在巴黎的核子燃料元件會議上發表論文，說明原子爐燃料棒的外殼用電子束銲接的 效果最好，此後引起歐美各國以及日本對電子束銲接技術的研究發展。到1960年，工業 用途的第一部電子束銲接機問世，主要用於核能工業需求，接著並大量運用於汽車工業 與航太工業，現今電子束銲接機已有數千台遍佈世界各地，廣被應用，至2001年德國科 學家Florian Banhart首度利用場發射掃瞄式電子顯微鏡(Field Emission SEM，FESEM)所 產生電子束接合直徑15nm之奈米碳管(Carbon Nanotube，CNT)。

2.3.2 電子束銲機發展史與應用趨勢

如表2-3 所示，為電子束技術被應用於銲接之發展史及趨勢：

表2-3 電子束銲機發展史與應用趨勢

西元年分 大 事 紀 要

1879 英國_{產生熔化的現象。} Sir William Cookes 發現陰極射線管中的鉑陽極因被陰極射線轟擊而

1907 西德Marcello Von Pirani 發現電子束做為高能量密度熱源的可能性，並成

功的熔煉了鉭。 1948 西德K.H. Steigerwald 博士發現高功率密度的電子束可以熔化、燒蝕、沖 刷金屬之現象。 1952 西德K.H. Steigerwald 博士製造了第一台電子束加工機。 1957 法國 J.A.Stohr 博士在巴黎的原子能國際會議介紹了世界上第一台專門用 於銲接的電子束銲機，加速電壓 15kV，採用靜電聚焦、真空保護，奠定 發展低壓電子束銲機之技術基礎。 1958 美國、英國、蘇俄各自研製出該國第一台真空電子束銲機，主要應用於核_能工業。 1960 日本研製出該國第一台真空電子束銲機，至此可看出此技術最初應用都是 與當時核能工業需求(銲接特殊金屬)相關。 1965 英國Cambridge 公司首先推出商品化之掃瞄式電子顯微鏡，此類設備主要 用以觀察材料表面型態，若另加裝能量散佈光譜儀或波長散佈光譜儀

（Wavelength Dispersive Spectrometer，WDS），則可進一步分析材料成份。

1966 日本富士重工首先用電子束銲接汽車變速箱齒輪。 1967 美國通用汽車公司用電子束銲接發動機中的飛輪與齒環，至 70 年代中期 世界各大汽車公司都先後引進了電子束銲接技術。 1976 德國萊寶(Leybold)公司成為世界上最大的「高壓型」電子束銲機製造商； 美國西雅基(Sciaky)公司成為世界最大的「低壓型」電子束銲機製造商， 同時為美國國防工業最大的電子束銲接設備供應商，提供各大航空公司提 供大型真空電子束銲機。 2001

德國科學家 Florian Banhart 首度利用場發射掃瞄式電子顯微鏡（Field

Emission SEM，FESEM）所產生電子束接合直徑 15nm 之奈米碳管（Carbon Nanotube，CNT）。 2003 G. Smolka 成功採用具四組電子槍的掃瞄式電子顯微鏡 LEO DSM 962，執 行微米級電子束銲接。 日、德、俄等國填絲─在大厚度材料第一次銲接的基礎上，再進行第二次 填絲銲接來彌補頂部下凹或咬邊缺陷，改善銲縫品質。 近期發展 中技術 日本及法國發展雙槍電子束銲接技術，將雙槍─第一電子束用以進行金屬 材料的熔化，同時第二電子束則用來控制銲縫形狀並改善銲縫品質，可提 升銲接速度與品質。

2.3.3 電子束銲接運作原理

電子束銲接過程中，銲件係在一高度真空的環境中，電子束經過加速與聚焦後，自 電子鎗射出，進入真空艙撞擊工件表面，而在瞬間將極大的動能轉變成熱能。由於電子

束之能量密度高達108 W/mm2，當撞擊工件表面時，會引起局部的金屬汽化瞬間穿透工

件，形成一個熔融金屬包圍的金屬蒸汽孔(Vapor hole)，稱為鑰孔(Key hole)。此孔由其 周圍液態金屬產生的流體動力與汽化金屬的蒸汽壓力，，在銲接進行中，始終保持互相 平衡的狀態，如圖2-8 所示。 而當熱源沿著銲縫往前移動時，熔池前端的金屬繼續熔解，同時沿著鑰孔周圍流到 熔池後方凝固而形成銲道，鑰孔銲接係因熱源能量可直接穿透工件，造成工件的局部熱 熔合，進而達成銲接目的[35,70]。 圖2-8 電子束銲接之鑰孔效應圖[13] 銲接過程，工件因受到電子束高能量密度作用而形成熔融狀態，冷卻後即形成銲 道；當銲道隨時間冷卻凝固時，母材熔融部份形成鑄造組織，而靠近銲道附近之母材因 受高溫影響產生冶金組織，稱為熱影響區[71,72]。 銲道金屬凝固現象與金屬凝固過程類似，在金屬銲接時，晶粒向銲池中心(Weld Pool) 生長，有如一小型的鑄造過程，如圖2-9 所示。因此銲道金屬之凝固模式與凝固後相變 態是決定銲道金相組織之關鍵因素，金相組織之型態則與銲道之抗拉強度、裂縫延展能

量(Ep)、裂縫起始能量(Ei)及機械性質等有密不可分之關係。 圖2-9 銲道熔融凝固過程示意圖[73] 2.3.4 電子束銲接系統分類 一般文獻對於電子束銲接系統分類，均以電子槍之電壓高低與工作艙之真空度為主 要劃分界限。前者以60 kV 為界，區分為高、低壓系統。電壓大小主要在賦予電子束之 加速動能，進而決定熔穿深度；後者則以750 torr 與 10-3torr 區分為三類，依次為非、低 及高真空系統，可判知電子束移動過程因空氣分子阻擋產生之散射與能量損耗，藉此決 定銲道寬度。凡此二者，均會分別影響銲件品質[74]。 圖 2-10 為高電壓低電流與低電壓高電流之銲道巨觀形狀比較圖，由圖顯示高電壓 低電流銲道之寬度與熱影響區寬度較低電壓高電流之銲接系統為小，表2-4 為本研究彙 整不同形式電子束銲接特性與銲件品質比較表，表 2-5 為不同真空度之銲接特性比較 表，表則以不同加速電壓、真空度、工作艙容積、功率大小、操作模式等設備規格項目 區分電子束銲接機類型。

(a)低電壓高電流 (b)高電壓低電流 圖2-10 電壓與電流對銲件的影響與銲道巨觀形狀比較[75] 表2-4 不同型式電子束銲機特性與銲件品質比較表 銲機型式 比較項目 高壓型電子束銲機 低壓型電子束銲機 額定加速電壓 100kV 以上(通常為 150kV) 40~60kV 左右 槍與工件間之 工 作 距 離 (GTW) 因加速電壓高，致空間電荷 密度小，透鏡和銲件之最大 有 效 焦 距 可 達 700 至 800mm，甚至超過 1000mm 透鏡和銲件之最大有效焦距 較短，僅約500mm 銲接對象 因陰極尺寸小，電子束聚焦 小，故相同功率下高加速電 壓和電流可使電子束聚成 更細的束徑，獲得更高功率 密度；故適於精密銲接及大 厚度工件銲接 電 子 束 徑 較 大 ， 功 率 密 度 低，較不適於精密銲接和大 厚度工件銲接 設備特性 體積大，架構複雜，設備售 價高 體積小，架構簡單，售價較 低，一般動鎗式銲機幾乎均 採用低壓鎗 銲機特性 放射線問題 工 作 艙 鋼 板 厚 度 須 超 過 12mm，外壁需包覆鉛板以 屏蔽放射線，危險性較高 工作艙鋼板厚度超過12mm 即可有效屏蔽放射線，危險 性低 銲接精度 高 高 殘留磁性 有些微殘留，但影響不致過 大 殘留磁性的作用影響，約6倍 於高壓型 銲道深寬比 銲道極窄，深寬比達20:1 較高壓型稍寬 銲件品質 變形量 非常小 稍大 備註 隨著電子束銲接技術的發展，電子鎗設計製造技術不斷提 升，低壓型電子鎗性能與高壓型差距已逐步縮小

(a)

(b)

表2-5 不同真空度之銲接特性比較[76] 真空度 銲接特性 高真空 低真空 非真空 銲道汙染情形 極純淨之銲道，無 殘存氣體之污染 可 容 許 少 量 污 染 的 金屬熔接 較多的銲道污染 適用材料 可適於特殊合金之 銲接，如 T1 或 T2 合金 適於金屬如鋼、Ni、 Cu 及 Al 合金之銲接 適於金屬如鋼、Ni、 Cu 及 Al 合金之銲接 銲道寬度 在工作距離(GTW) 增大下，仍保有極 狹窄精密之銲道 當工作距離(GTW)加 大時，銲道稍寬 受 到 工 作 距 離 之 限 制 ， 最 大 間 距 為30 mm，銲道較寬，深 寬比為3:1 抽真空時間 抽真空時間較長 抽真空時間較短 幾 乎 可 省 去 抽 真 空 時間 表2-6 不同規格項目之電子束銲機類型區分 規格項目 類型區分 電子束加速電壓 A.高壓型 B.低壓型 工作艙之真空度 A.高真空 B.低真空 C.非真空 銲件是否完全置於工作艙內 A.全部真空 B.局部真空 工作艙容積 A.大型 B.中型 C.小型 功率大小 A.大功率 B.中等功率 C.小功率 銲接過程電子鎗可否移動 A.定鎗式 B.動鎗式 操作模式 A.手動控制 B.自動控制 C.數控 D.計算機控制 設備專業化程度 A.通用型 B.專用型

2.3.5 電子束銲接參數

電子束的主要銲接參數有加速電壓(Accelerating voltage, AV )、射束電流(Beam current, BC)、聚焦電流(Beam focus, BF)、銲接速度(Travel speed, TS)、燈絲電流(Filament current; FC)及射束偏轉(Beam deflection, BD)、工作距離(Gun-to-work distance, GTW)、真空度 (Vacuum)等[20]。電子束在工件表面所形成射束斑點(Beam spot)的大小是由 AV、BC、BF

及GTW 所決定。AV 或 BC 增加，則 EB 穿透深度及銲道寬度會增加，然 AV 對穿透深度 影響較大，而BC 對銲道寬度較具貢獻；AV 與 BC 的乘積為射束功率，其可以決定熔解金 屬的量。若相關參數不變，僅增加TS 則穿透深度幾乎成正比例的降低，銲道寬度會稍微減 小。 電子束銲接之輸出功率密度是目前使用銲接設備中最高的(圖 2-11)。其銲接時之熱 輸入量(θ)與射束功率(AV 與 BC 的乘積)有關，熱輸入量及功率密度之計算為： (2-1) (2-2) 圖2-11 銲接方法之功率密度分佈圖[35]

一般銲接深度與加速電壓、射束電流、銲接速度有下列關係： (2-3) (2-4) 其中，

h

_{為銲接深度(mm)}

Q

_{為單位長度之銲接熱輸入能量(J/mm)}

S

_{為銲接速度(mm/s)} V為加速電壓(kV) I _{為射束電流(mA)} 由以上公式得知，加速電壓V 是影響銲接參數中銲接深度之主要因素，此外，銲道 的深寬比也正比於加速電壓。 另由公式： (2-5) 可知其中，W 為電子束之寬度(即電子束之直徑)(mm)電子束直徑與電流大小成正 比，加速電壓成反比。 另外，工作鎗之真空度與電子束的聚焦位置亦會對銲道品質有所影響，當工作鎗之 工作壓力高於 4.9×10-5atm 時，電子束被散射的現象變得十分顯著，而使電流密度遽然 減少，導致銲接深度及深/寬比嚴重下降如圖 2-12 所示。電子束聚焦位置則是由聚焦電 流所控制，隨著聚焦位置之不同，亦會影響銲道性質。 2 1 2 3 QV S IV h∝ ∝

S

IV

Q

=

8 3

)

(

V

I

W

∝

圖2-12 銲接艙真空壓力對銲道形狀和熔深之影響[13] 2.3.6 銲接環境對銲接品質的影響 一般在較低的真空環境中，電子束會因繞射作用而影響銲接品質。如電子束的聚焦 調整部家，將導致形成的最大能量密度減小，進而降低銲接穿透能力；而電子透鏡的焦 距則會因顯著降低而使電子鎗至工件的工作距離變短，可知工作環境的氣體濃度對銲接 穿透能力及工作距離會造成影響。如圖2-12 所示，其銲道形狀隨真空度之升高而愈形 狹長，其深寬比值亦愈大。因此，工作環境真空壓力之不同，對銲接工作之銲道形狀和 熔深有很大的影響(圖 2-13)。因此目前工業上應用的電子束銲接設備，其電子鎗大都維 持在低於5×10-4Torr 的真空環境內，並依工作艙的真空環境可概分為高真空、低真空及 非真空三個等級。

圖2-13 真空度與常態化銲接深度之關係[11] 2.3.7 電子束銲接之優良特性及特殊限制 電子束銲接一般較雷射銲接、TIG 與其他傳統銲接方法比較，具有下列的優良特性 [74]： 1. 銲縫品質佳，變形少，熱影響區窄： 利用電子束施以高電壓(25KV～200KV)加速運動(0.3～0.7 倍光速)，產生極高之動 能撞擊工件轉換為熱能，但輸入工件內之總熱量低，靠母材本身熔接，銲道及熱影 響區窄，如圖2-14 所示。EBW 與 TIG 銲接之銲道和熱影響區比較。因銲接殘留應 力少，工件收縮變形小，故極適於精密製造。 (a)EBW (b)TIG

(a)

(b)