Ar-CO2混合氣體與活性助銲劑包覆銲線對不□鋼銲道特性之研究

(1)

工學院精密與自動化工程學程

碩士論文

Ar-CO

₂

混合氣體與活性助銲劑包覆銲線對

不銹鋼銲道特性之研究

The research of Ar-CO

2

shielding gas and flux cladding

wire addition for stainless steel A-TIG weldments

研究生 : 郭峯州

指導教授 : 徐瑞坤教授

共同指導 : 周長彬教授

(2)

對不銹鋼銲道特性之研究

The research of Ar-CO

2

shielding gas and

flux cladding wire addition for

stainless steel A-TIG weldments

研究生：郭峯州 Student: Feng-Chou Kuo

指導教授：徐瑞坤 Advisor: Dr. Ray-Quen Hsu

周長彬

Dr. Chang-Pin Chou

國立交通大學

工學院精密與自動化工程學程

碩士論文

A Thesis

Submitted to Degree Program of Automation and Precision Engineering

College of Engineering

National Chiao Tung University

in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of

Master of Science

in

Automation and Precision Engineering

October 2009

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

(3)

不銹鋼銲道特性之研究

研究生：郭峯州指導教授：徐瑞坤教授共同指導：周長彬教授國立交通大學工學院精密與自動化工程學程碩士班 [ 摘要 ] 本研究目的主要在探討不同比例之氬-二氧化碳混合型保護氣體與混合型活性助銲劑添加，對沃斯田鐵不銹鋼材銲接時銲道型態及銲接變形之影響。實驗材料選用AISI 304沃斯田鐵型不鏽鋼及308不銹鋼銲線，活性助銲劑採用自行調配之混合型助銲劑25﹪Cr2O3 － 25﹪TiO2 － 30﹪SiO2 － 10

﹪MoS － 10﹪MoO3 ，銲接方法採用配合不同比例之Ar-CO2銲接保護氣

體添加，來進行在活性助銲劑氣體鎢極電弧銲(Activating-Tungsten Inert Gas, A-TIG)之Bead-on-Plate實驗。銲接過程中利用影像擷取系統(Charge -Coupled Device, CCD)記錄電弧動態影像及電弧電壓的變化；銲道分析以實體顯微鏡來量測銲道形態，並記錄銲道熔深及寬度以計算深寬比；以金相實驗來觀察微觀組織；利用肥粒鐵含量量測儀/微硬度測定機來瞭解銲道機械性質；並針對不銹鋼銲道外觀及型態之影響和作用機制，及銲道穿深能力之增加機制進行探討與分析。實驗結果顯示： (1).以深寬比及銲道外觀作為評估指標時，此混合型助銲劑可提升熔透深度及機械性質，皆優於傳統氬銲製程。 (2). CO2氣體添加於 A-TIG 及 TIG 製程中，並無法使其熔透深度及硬度再進一步強化與提昇。 (3).助銲劑添加於母材或銲條上，其皆可使熔透深度及機械性質獲得有效提昇。

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flux cladding wire addition for stainless steel

A-TIG weldments

Student：Feng-chou Kuo Advisor: Dr. Ray-Quen Hsu Dr. Chang-Pin Chou Department of Automation and Precision Engineering

College of Engineering National Chiao Tung University

ABSTRACT

The purpose of this research is to study the effect of the difference concentration of Ar-CO2 mixed shielding gas and specific mixed

activating flux on the angular distortion and mechanical properties of TIG welding process on the 5mm thick austenitic stainless steel plates. The AISI 304 stainless steel plates and 308 wire were selected , the mixed flux is 25﹪Cr2O3-25﹪TiO2-30﹪SiO2 -10﹪MoS-10﹪MoO3. A bead on

plate weldment was made using activating- tungsten inert gas arc welding (A-TIG) process. During the welding process, a charge-coupled device (CCD) was used to record the images of arc profile and voltage variation. Besides, the microstructure and morphology of the weldments were

examined by the optical microscope, according to the measurement results of the width and penetration of the weld bead, the depth to width ratio (D/W ratio) can be calculated Furthermore, the Ferrite Scope and Vickers hardness tester was used to determine the mechanical properties of the weldments. According to measurements of surface appearance, welding morphology, and deep of weld shape, micro-hardness, and angular distortion on the weldments were analyzed and studied the influence of Ar-CO2 and flux cladding wire addition to weldments. The experimental results show that:

1. According to the surface appearance and weld penetration, the mixed activating flux can enhance the depth of weld and hardness.

2. The addition of CO2 shielding gas to A-TIG or TIG process shows no

effect on the depth of weld and mechanical properties.

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本論文得以撰寫完成，首先我必須深深的感謝兩位恩師徐瑞坤教授及周長彬教授，在兩年多的研究過程中，耐心的給予指導與協助，僅在此致上學生由衷的謝意與敬意；口試期間承蒙黃和悅博士與林玄良博士等委員專業的指正與建議，使本論文能夠修整疏漏，使本論文能更加完善，在此表達最誠摯的謝意。另外還要特別感謝黃和悅博士，由於您的不辭辛勞的指導及教導銲接及助銲劑上的知識，使我能於實驗及論文撰寫得以順利進行，並得以瞭解在銲接世界裡的知識；另外我必須再感謝莊弘瑋、吳東明、吳崑鵬、陳慶鍊同學，在這段期間感謝你們在銲接學識上提供寶貴的經驗及技術上的協助，使我受益良多。特別感謝是我最敬愛的父母、太太及兩位小寶貝，謝謝您們默默的支持與鼓勵，這幾年來，在這麼忙碌的工作之餘還願意允許犧牲我們相聚的時間，讓我吸收新知及順利完成碩士學程，您們是我朝夢想前進最大的精神支柱及後盾，謝謝您們讓我感到愛及幸福。此碩士學程及論文的完成，我要將這份喜悅以最感謝的心情獻給所有關心及幫助我的人，謝謝您們。最後我必須向我最愛的母親及太太再說一次，在這段時間不斷的給我鼓勵及照顧小朋友，在學習上及工作上無怨無悔的作為我最堅強的後盾，使我能無後顧之憂的完成學業，這一切都是妳們的幫忙才有機會讓我能完成碩士學程，辛苦妳們了，謝謝妳們。

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頁次中文摘要 … … … . . . i 英文摘要 … … … . . i i 誌謝……… iii 目錄………..iv 表目錄……… …..vii 圖目錄………ix 第一章緒論 1.1 研究背景與動機………1 1.2 研究方法與目的……….2 第二章文獻回顧 2.1 銲接電弧之基本原理………4 2.1.1 銲接電弧之結構………5 2.1.2 電壓－電流之靜特性………..6 2.1.3 電弧銲接之熱源特性………7

2.2 惰性氣護鎢極電弧銲接法(Gas Tungsten Arc Welding)……….7

2.2.1 惰性氣護鎢極電弧銲接法(GTAW)原理及簡介………7 2.2.2 鎢電極之材質及起弧之方法………..9 2.2.3 銲接參數之影響……….11 2.3 不銹鋼………..12 2.3.1 不銹鋼之簡介……….12 2.3.2 不銹鋼中微元素對不銹鋼的性能和組織的影響……….13 2.3.3 不銹鋼的分類……….16 2.3.4 不銹鋼的銲接特性……….19

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2.4.1 銲接氣體之功用……….25 2.4.2 銲接氣體之選擇…………...……….25 2.4.3 銲接氣體之特性……….28 2.5 助銲劑………...29 2.5.1 助銲劑之功用……….29 2.5.2 助銲劑成份對銲接金屬的影響……….30 2.5.3 A-TIG 銲接增加銲道熔深之機制………..31 2.6 銲道熔透深度變異之原因………34 2.6.1 影響熔融區流體流動之機構……….………34 2.6.2 微量元素對銲接性之影響……….35 2.7 銲接缺陷與防範對策………...40 2.7.1 銲道缺陷之種類……….40 2.7.2 銲接缺陷之防制方法……….47 2.7.3 銲件變形之形式……….50 2.7.4 銲接變形之形成……….51 2.8 肥粒相對銲道金屬的影響………...52 第三章實驗設備及方法 3.1 實驗流程………..54 3.2 GTAW 之設備………..54 3.3 銲接試驗………..57 3.4 電弧形狀與陽極斑點拍攝………..60 3.5 電壓值量測………..60 3.6 銲道外觀拍攝………..61 3.7 角變形量測……….……….61 3.8 金相實驗……….62 3.9 銲道深寬比量測………….………63

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3.11 微硬度量測………64 第四章實驗結果與討論 4.1 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接製程對銲道外觀之影響……….65 4.2 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接製程對鎢電極之影響……….67 4.3 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接製程對銲道型態之影響……….69 4.3.1 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道熔透深度之影響………..69 4.3.2 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道斷面型態之影響………..71 4.3.3 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道熔融面積之影響………..79 4.4 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧電壓之影響………....83 4.4.1 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對平均電弧電壓之影響………..83 4.4.2 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對熱輸入量之影響………..88 4.5 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧型態之影響………89 4.5.1 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對電漿電弧之影響………..89 4.5.2 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響………..93 4.6 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道肥粒相含量之影響………….101 4.7 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道微硬度之影響……….116 4.8 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲件角變形之影響……….117 第五章結論………120 參考文獻………..122

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頁次表 2-1 TIG 熔接常用之鎢電極………9 表 2-2 GTAW 電流型式及特性………..11 表 2-3 鋼中合金元素的效果比較……….……….15 表 2-4 不銹鋼之主要分類表………..16 表 2-5 不銹鋼之物理性質………..17 表 2-6 不銹鋼各系列特性………...18 表 2-7 各類不銹鋼之化學成分表………..18 表 2-8 沃斯田鐵系不銹鋼與一般碳鋼銲接特性比較………..19 表 2-9 不銹鋼電弧銲用銲條選用表………..24 表 2-10 銲接保護氣體之性質和用途………..27 表 2-11 銲接氣體的比重………..28 表 2-12 銲接氣體的解離電壓值………..29 表 2-13(a) 常見之銲道裂縫類型……….…41 表 2-13(b) 常見之銲道裂縫示意圖……….42 表 2-14 常見的氣孔缺陷類型………..44 表 2-15 常見的夾渣缺陷………..45 表 2-16 不完全熔融與不良接點滲透………..45 表 2-17 不完全外形缺陷………..46 表 2-18 常見之其他銲接缺陷………..46 表 3-1 AISI 304 不鏽鋼金屬成分表………..57 表 3-2 E308 不鏽鋼金屬成分表………57 表 3-3 銲接氣體參數流量比例表………..59

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表 4-1 CO2氣體添加於 TIG 銲接製程對銲道熔透深度之影響…………..69 表 4-2 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接製程對銲道熔透深度之影響………..70 表 4-3 CO2氣體添加 TIG 製程對銲道銲道深寬比之影響………..71 表 4-4 CO2氣體添加於 A-TIG 製程對銲道銲道深寬比之影響…………...73 表 4-5 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道熔融面積之影響………...80 表 4-6 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對平均電弧電壓之影響………...83 表 4-7 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對熱輸入量之影響………...88

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頁次圖 2-1 熔極式電弧銲接……….4 圖 2-2 非熔極式電弧銲接………..4 圖 2-3 惰氣鎢極電弧銲之電弧結構與電壓降的關係………..5 圖 2-4 電壓-電流的靜特性曲線……….……….7 圖 2-5 惰性氣體鎢極銲接示意圖………..8 圖 2-6 鎢電極之形狀………10 圖 2-7 鎢棒角度與熔深關係圖………10 圖 2-8 鎢棒角度、電弧形狀與功率密度示意圖……….10 圖 2-9 沃斯田鐵不銹鋼中合金元素對強度之影響……….16 圖 2-10 各型號不銹鋼關係圖(304 不銹鋼為例)………..17 圖 2-11 Fe-Cr-Ni 之三相系統圖(1100℃)……….20 圖 2-12 Fe-Cr-Ni 之三相平衡圖……….20

圖 2-13 Fe-Cr-Ni 平衡圖與銲道凝固組織之關係(Schaeffler diagram)...21

圖 2-14 Fe-Cr-Ni 平衡圖與銲道凝固組織之關係(Delong diagram)…….22

圖 2-15 凝固型式 A、B、C 的顯微組織和 Creq/Nieq 值的關係圖……….23 圖 2-16 銲接氣體對銲道截面形狀之影響……….……...27 圖 2-17 銲接氣體的熱傳導性………...28 圖 2-18 熔池中的 Marangoni 對流………...33 圖 2-19 助銲劑吸附電子造成電弧收縮示意圖………...33 圖 2-20 銲池中驅動流體流動之力量……….35 圖 2-21 含硫量對表面張力-溫度變化之影響………...36 圖 2-22 添加氧氣於保護氣體中鎢電極損耗情形………..………..38 圖 2-23 添加 He-CO2保護氣體對鎢電極損耗情形……….…………38 圖 2-24 添加氧氣於保護氣體中金相照片(氣體流量 20L/min)…………..38 圖 2-25 添加 O2 及 CO2於保護氣體對銲道金屬中氧化物之影響...39

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圖 2-27 氧化物對深寬比之影響…..………….……….……...40 圖 2-28 沿晶式破裂示意圖……….43 圖 2-29 穿晶式破裂示意圖……….43 圖 2-30 銲接變形之基本形式……….50 圖 2-31 對接銲角變形之形成示意圖……….52 圖 2-32 銲接熱裂縫之裂縫形式及發生位置……….52 圖 3-1 實驗流程圖……….54 圖 3-2 HOBART 惰氣鎢極電弧銲接機與其配件………55 圖 3-3 HOBART 惰氣鎢極電弧銲接機--銲接檯與其配件……….56 圖 3-4 鎢電極研磨器……….58 圖 3-5 助銲劑調配與塗敷……….59 圖 3-6 CCD 鏡頭架設圖……….60 圖 3-7 Web-Cam 鏡頭架設圖………..61 圖 3-8 銲件變形量測示意圖……….62 圖 3-9 銲件角變形量測原理……….63 圖 3-10 銲道深寬比量測示意圖……….………63 圖 3-11 FerritScope M10B-FE 型肥粒相測定儀……….63 圖 3-12 Matsuzawa MHT-1 微硬度測定機………...64 圖 3-13 銲道微硬度量測位置圖……….64 圖 4-1 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接製程對不銹鋼銲道外觀影響……….66 圖 4-2 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接製程對鎢電極之影響……….67 圖 4-3 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接製程對銲道熔透深度之影響……….70 圖 4-4 CO2氣體添加對 TIG 製程對銲道深寬比之影響……….72 圖 4-5 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道斷面型態之影響(0%)………74 圖 4-6 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道斷面型態之影響(0.25%)…...74 圖 4-7 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道斷面型態之影響(0.5%)…….75

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圖 4-11 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道斷面型態之影響(5%)………77 圖 4-12 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道斷面型態之影響(7.5%)……77 圖 4-13 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道斷面型態之影響(10%)...78 圖 4-14 CO2氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道深寬比之影響………..…….78 圖 4-15 CO2氣體添加對 A-TIG 銲道熔融面積之影響………80 圖 4-16 氧化物層對熔池內流動力的影響………..…82 圖 4-17 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧電壓之影響(平均電壓)...84 圖 4-18 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧電壓之影響(0%)…….…84 圖 4-19 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧電壓之影響(0.5%)…..…85 圖 4-20 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧電壓之影響(1%)…….…85 圖 4-21 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧電壓之影響(2.5%)…..…86 圖 4-22 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧電壓之影響(5%)…….…86 圖 4-23 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧電壓之影響(7.5%)…..…87 圖 4-24 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電弧電壓之影響(10%)……...87 圖 4-25 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對熱輸入量之影響…………..…88 圖 4-26 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響(0%)….…90 圖 4-27 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響(0.5%)…..90 圖 4-28 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響(1%)…….91 圖 4-29 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響(2.5%)…..91 圖 4-30 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響(5%)…….92 圖 4-31 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響(7.5%)…..92 圖 4-32 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對電漿電弧柱之影響(10%)…...93 圖 4-33 Ar-0%CO2 對電弧寬度及陽極斑點收縮比例之影響…...94 圖 4-34 Ar-0.5%CO2 對電弧寬度及陽極斑點收縮比例之影響…...95 圖 4-35 Ar-1%CO2 對電弧寬度及陽極斑點收縮比例之影響…...95 圖 4-36 Ar-2.5%CO2 對電弧寬度及陽極斑點收縮比例之影響…...96

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圖 4-38 Ar-7.5%CO2 對電弧寬度及陽極斑點收縮比例之影響…....97 圖 4-39 Ar-10%CO2 對電弧寬度及陽極斑點收縮比例之影響…....97 圖 4-40 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響(0%)……….98 圖 4-41 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響(0.5%)……..98 圖 4-42 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響(1%)……….99 圖 4-43 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響(2.5%)……..99 圖 4-44 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響(5%)……...100 圖 4-45 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響(7.5%)……100 圖 4-46 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對陽極斑點之影響(10%)…….101 圖 4-47 CO2 氣體添加於 A-TIG 銲接對銲道肥粒相含量之影響……102 圖 4-48 Ar – 0%CO2 對 A-TIG 銲接金相圖(100x) ………103 圖 4-49 Ar – 0.25%CO2 對 A-TIG 銲接金相圖(100x)………104 圖 4-50 Ar – 0.5%CO2 對 A-TIG 銲接金相圖 (100x) ………105 圖 4-51 Ar – 0.75%CO2 對 A-TIG 銲接金相圖 (100x) ………..106 圖 4-52 Ar – 1%CO2 對 A-TIG 銲接金相圖(100x) ……….107 圖 4-53 Ar – 2.5%CO2 對 A-TIG 銲接金相圖(100x) ………..108 圖 4-54 Ar – 5%CO2 對 A-TIG 銲接金相圖 (100x) ……...…………109 圖 4-55 Ar – 7.5%CO2 對 A-TIG 銲接金相圖 (100x) ………110 圖 4-56 Ar – 10%CO2 對 A-TIG 銲接金相圖 (100x) ………..111 圖 4-57 Ar – 0%CO2 對 A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x) ……….112 圖 4-58 Ar – 0.25%CO2 對 A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)…….112 圖 4-59 Ar – 0.5%CO2 對 A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)..…….113 圖 4-60 Ar – 0.75%CO2 對 A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)…….113 圖 4-61 Ar – 1%CO2 對 A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)….…….114 圖 4-62 Ar – 2.5%CO2 對 A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)………114 圖 4-63 Ar – 5%CO2 對 A-TIG 銲道顯微組織之影響(200x)………..115

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圖 4-67 混合型助銲劑對 304 不銹鋼角變形之影響………...118 圖 4-68 銲件角變形示意圖（熔深未超過母材厚度一半）…………..119 圖 4-69 銲件角變形示意圖（熔深超過母材厚度一半）………..119

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第一章緒論

1.1 研究背景與動機 電弧銲接法在材料接合技術為機械工業最不可或缺也是最重要的加工方式，隨著機械工業的發展，銲接技術不斷地增進且朝向高品質、高效率、低成本的趨勢發展，而對應的接合材料也不再只是鐵金屬，更多非鐵金屬如鋁合金、銅合金、鎂合金，甚至是鈦合金也可完美的結合。不銹鋼具有良好機械性質，因添加大量鎳與鉻，具有優異的抗熱性、耐銹性、耐蝕性與耐氧化性等，還具有優良的加工性，所以在石油化學工業、國防工業、航空工業、動力工業、機械設備製造工業等廣泛的被運用。304 不銹鋼係屬於沃斯田鐵型不銹鋼材料，在各種溫度下均保持原有沃斯田鐵組織，因此施以熱處理並不能使材料硬化，所以通常都是以冷加工的方式來增加其硬度與強度。工業界最常使用之電弧銲接方法為惰性氣體鎢極電弧銲(Inert-gas tungsten arc welding, GTAW)，亦稱為鎢極惰氣銲接(Tungsten inert-gas welding, TIG)，電極使用非消耗性之鎢電極(Tungsten electrode)，及銲接時使用保護性之惰性氣體作為屏蔽，常用之保護氣體為氬或氦，其主要功能除了穩定電弧外還可保護熔池不受空氣中氧、氮、氫等有害元素和水分的影響[1]。氣體鎢極電弧銲在銲接過程中，可看見熔池與電弧的狀況，在銲道的表面不易殘留銲渣，填充金屬也不會穿過電弧，故不易產生銲濺物。氣體鎢極電弧銲有良好之銲接性、能量密度高、及任何位置皆可銲接之特性，大部分金屬及其合金皆可使用此方法銲接，但傳統氣體鎢極電弧銲中由於其銲道的穿透深度都小於 3mm，為提高其穿透深度，則必須在銲接前開槽進行多道次銲接，因而增加成本與時間。為了使熔接效率及品質獲得提升，活性化銲接(Activating flux TIG, A-TIG) 技術逐漸受到重視，並且國內外諸多學者也相繼地投入研究與開發 [11,17,18,25,42,62]，活性化銲接技術是在銲接前於欲銲接部位之銲件表面塗敷活性助銲劑，常用之助銲劑主要成分類型有：氧化物、氯化物及氟化物。此技術是針對熔接厚板材料，可有效的改善熔融深度及熔接品

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質，效果可達 2~3 倍，例如：厚度 8mm 的不銹鋼板材銲接，可以免開槽且只需施ㄧ銲道即可達成完全熔透之效果，大幅低減銲接前的準備工作及加工成本。一般常用的銲接保護氣體為氬氣(Ar)、氦氣(He)、氫氣(H2)、氮氣(N)、二氧化碳(CO2)或氬氣(Ar)混合氣體等六種氣體，其中氬氣為最常用的銲接保護氣體，氬氣的標準含量通常足以降低氧氣的含量，另外氫氣的解離電壓值低起弧容易；氦氣起弧較氬氣困難，因為其密度低於空氣所以會向上升，因此若作為容器頂端及管類銲接的上半部銲道的保護氣體有較佳的效果，適用於立銲或仰銲；氮氣可提高銲道根部的耐孔蝕性，電弧的能量分佈亦較集中，可有效增加銲道的熔融深度，並改善銲道的品質；氫氣的添加（通常約為 5%）可對沃斯田鐵不銹鋼的滲透深度及銲接速度有正面的影響。二氧化碳則屬於活性（氧化性）氣體，解離電壓值較氫氣低起弧容易，但易產生煙霧及飛濺物。在許多研究文獻中僅對氣體鎢極電弧銲中的保護氣體比例[12 -16]，或只針對混合型助銲劑配方對銲接性質及銲道特性的影響進行探討 [33-34]，且大部分助銲劑的使用方式皆為塗敷於母材表面，鮮少對於助銲劑添加於母材或銲線上與混合性保護氣體(Ar+CO2)所產生之影響作統合性的討論，因此本實驗以 304 不銹鋼為銲接材料，以添加混合型氧化物助銲劑於母材表面及 308 銲線表面，配合不同比例之氬氣(Ar)與二氧化碳(CO2)的混合保護氣體作為氣體鎢極電弧銲接過程之保護氣體來進行銲接實驗，探討混合型保護氣體與活性助銲劑包覆於銲線上對銲道特性之影響。 1.2 研究方法與目的 本實驗材料選用 AISI 304 不銹鋼及為 308 銲線，使用氣體鎢極電弧銲為銲接方式，將混合型活性助銲劑均勻塗在母材欲銲接之部位及銲線上，配合不同比例之氬氣(Ar)及二氧化碳(CO2)之混合型保護氣體，採用 Bead-on-plate 方式對母材進行銲接。本研究目的主要在探討不同比例之 Ar-CO2銲接保護氣體與混合型活性助銲劑添加，對沃斯田鐵不銹鋼材銲接時銲道形態及銲接變形之影響。具體而言，本研究目的包括下列方面：

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1. 研究添加不同比例之氬-二氧化碳混合型保護氣體與混合型活性助銲劑，塗敷於母材表面進行氣體鎢極電弧銲接，針對不銹鋼銲件銲道外觀、深寬比、微硬度、微觀組織、殘留肥粒相含量及銲件角變形之影響作探討。 2. 研究氬-二氧化碳混合氣體與活性助銲劑，塗敷於銲線表面對不銹鋼銲件銲道外觀、深寬比、微硬度、微觀組織、殘留肥粒相含量及銲件角變形之影響，並且與塗敷於母材表面之實驗結果相比較。 3. 探討添加不同比例之氬-二氧化碳混合型保護氣體，與混合型活性助銲劑進行氣體鎢極電弧銲接時，對不銹鋼銲接電弧型態與電壓變化之影響。

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第二章文獻探討

2.1 銲接電弧之基本原理 電弧的形成是在一種低電壓高電流的條件下，因電子通過一離子化之氣體所產生的放電作用，而電弧的持續則是由於陰極受熱而釋放的熱電子活動的結果。電弧通常產生於電極與銲接工件之間，母材連接至電線接地端，供電系統(交/直流電均可)可藉由電極的瞬時碰觸母材而造成短路，引起一可受控制的極大的電流，此時熱量增高使電極與母材接觸處達到足夠的高溫度進而釋放出離子化熱電子，此時因電極與母材間產生電位差而導致電流中斷而產生光束即為電弧(Arc)。一般而言，供電系統的負電極端皆於非消耗性的鎢電極，正電極端則接於銲接之工件上，此熔接法之熱量主要由電弧所供給，其溫度可高達 2000℃~ 5000℃；又由於氬氣的活性不佳，故常作為遮蔽電弧之保護氣體，以防止銲接部位高溫氧化之用。銲接的電弧產生於電極及工件之間，其電極形式可區分為熔極式電極與非熔極式電極，其原理皆同，其示意圖如圖 2-1 及圖 2-2 所示[3]，圖 2-1 為熔極式電極方式，即電極會熔解當作銲條使用。通常以金屬電極(銲條)及母材間所發生電弧(稱為金屬電弧)之熱，來熔解電極及母材。採用此方式銲接法有遮蔽金屬電弧銲、潛弧銲、氣體金屬電弧銲、包藥電弧銲等等；圖 2-2 為非熔極方式，以碳化鎢或碳棒作電極，與母材間產生電弧熱量將母材或加入之銲條熔解，採用此種方式之銲接法有碳及電弧銲、氣體鎢極電弧銲與電漿電弧銲。圖 2-1 熔極式電弧銲接[3] 圖 2-2 非熔極式電弧銲接[3]

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換言之，電弧是一種可以控制的「局部氣體長時間穩定之導電現象」。值得注意的是，由於電弧在放電或導電的過程中，除了會產生大量的熱能外，同時亦會形成強烈的弧光，因此在進行銲接工作時必須要注意銲接電弧的高溫與強光危害。 2.1.1 銲接電弧之結構 如圖2-3 所示，為一惰氣鎢極電弧銲之電弧結構與電壓降的關係圖。由圖中可明顯得知銲接電弧之結構主要可分為陰極區(Cathode zone)、弧柱區(Arc column zone)及陽極區(Anode zone)等三大部分，茲將其重要特性簡述如下[4]：圖 2-3 惰氣鎢極電弧銲之電弧結構與電壓降的關係 [4] 1.陰極區此區域的範圍約為 10−5~10−6cm 左右。由於陰極區之帶電離子呈不均勻的分佈狀態，因此會形成一陡峭的電壓降，此稱為陰極壓降(Cathode drop)。 2.弧柱區此區域介於陰極區與陽極區之間。一般所稱的電弧長度(Arc length) 其實就是指弧柱長度。由於弧柱區之帶電離子呈均勻的分佈狀態，因此會形成一趨於線性的電壓降，此稱為電漿壓降(Plasma drop)。

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3.陽極區此區域的範圍約為10−3～10−4cm 左右。由於陽極區(工件)之帶電離子亦呈不均勻的分佈狀態，因此也會形成一陡峭的電壓降，此稱為陽極壓降 (Anode drop)。存在於兩電極間或電極與工件間的電壓降特稱為電弧電壓(Arc voltage)。其中，電弧電壓即為陰極壓降、電漿壓降及陽極壓降三者之總合電壓降。值得一提的是，當電極或銲條材料、電源種類、電流極性及保護氣體等皆維持定值的情況下，電弧電壓值的高低主要係決定於電弧長度的大小(亦即當電弧長度增加時其電弧電壓值將會隨之提高；反之當電弧長度縮短時其電弧電壓值將會隨之降低)。 2.1.2 電壓－電流之靜特性 當電極或銲條材料種類、保護氣體型式及電弧長度大小等皆維持定值，且亦保持銲接電弧穩定性的情況下，電弧電壓與銲接電流變化的關係即稱為電壓-電流靜特性（Static Volt-Ampere Characteristic）。

如圖 2-4 所示為電壓-電流的靜特性曲線。由圖中可明顯得知電壓-電流之靜特性曲線呈一U 形分佈，茲將其重要特性簡述如下: l.下降特性曲線（ab 線段）在較低的銲接電流區間內，當銲接電流增加時其電弧電壓將隨之降低。 2.水平特性曲線(bc 線段) 在較高的銲接電流區間內，無論銲接電流增加或減小其電弧電壓近乎保持一定位。 3.上升特性曲線(cd 線段) 在極高的銲接電流區間內，當銲接電流增加時其電弧電壓將隨之提高。至於影響電壓-電流靜特性之主要因素則有下列兩方面: (1).電弧長度之影響當電弧長度增加時，由於電弧電壓值將會提高，因此電壓-電流的靜特性曲線也會隨之提升。 (2).保護氣體之影響主要係取決於保護氣體的熱傳導性。舉例而言，CO₂比Ar 氣體會產生較高的電弧電壓值，亦即會提升電壓-電流的靜特性曲線位置。由於 CO₂氣體的高溫熱傳導性優於Ar 氣體，因而會造成 CO2氣體有較高的

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熱量損失率，進而使得單位電弧長度上要有較高的IE 值與其保持平衡。因此當銲接電流在維持定值的情況下，其電弧電壓勢必要提高。 Welding Current a Arc Voltag e b _c d Electrode Arc Lenght Arc Voltage 圖2-4 電壓-電流的靜特性曲線[4,5] 2.1.3 電弧銲接之熱源特性 在銲接處由外部所供給的熱量之銲接進入熱量，而其銲件吸入熱量之百分比謂之熱效率。以AWSE-6010 之塗料銲條試驗熱量進入銲件之大約數值，電弧產生熱能的15%約為熔化所需，45~65%為銲件之加熱之輻射、對流等所需，熔池中金屬僅為20~40%；若加大銲接電流及銲接走速，更能有效使用熱量，若電弧過長，由於輻射及對流變化大將致使熱效率降低。

2.2 惰性氣護鎢極電弧銲接法(Gas Tungsten Arc Welding) 2.2.1 惰性氣護鎢極電弧銲接法原理及簡介

惰性氣體鎢極電弧銲(Inert-Gas Tungsten Arc Welding，GTAW)，亦稱為鎢極惰氣銲接(Tungsten Inert- Gas Welding，TIG)，電極使用非消耗性之鎢電極(Tungsten Electrode)，其材質常用鎢棒或鎢合金。保護遮蔽氣體從銲槍供給來保護電極、銲池、電弧、及鄰近受熱區域避免氧化現象。熱源的產生是電流通過離子化之保護氣體所引發之電弧所供給，其中電弧在鎢電極與母材之間產生。可添加銲線填料於電弧之間，使填料熔化。銲炬另通出氬、氦惰性保護氣體(圖 2-5)，以保護熔融狀之銲道，使其不被氧化，待凝固後即形成銲道。

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圖 2-5 惰性氣體鎢極銲接示意圖[3] 惰性氣體鎢極電弧銲施銲的方法可分為手動、半自動、全自動，依需求可進行連續銲接銲、間歇銲及點銲。由於此屬非消耗式電極所以時可視需求加添加或不添加熔填金屬。TIG 特別適用於薄板材料之銲接，從 0.l3mm 至 6mm 皆可。大部分的金屬及其合金皆可使用TIG 銲接，如碳鋼、合金鋼、不銹鋼、熱阻合金 (耐熱合金)，高溫金屬，鋁合金、銅、鎂、鎳、鈦及鋯等。可銲接但需特殊程序之金屬類為含鋼及其他鍍有鉛、鋅、錫、鎘或鋁之金屬，唯鉛與鋅金屬極易氣化不易銲接[1]。 ‧TIG 銲接法之優點 1. 沒有銲渣及潑濺物，減少銲接後清理的時間。 2. 適合銲接抗腐蝕性及其他難以銲接之材料，如鋁、鎂、不銹鋼等。 3. 不需使用銲劑，沒有銲劑的影響，可清楚的看見熔池的狀況。 4. 熱輸入控制容易，且可不添加填料，對薄板材料的銲接較為方便。 5. 銲接品質良好。 6. 銲接時煙霧少，銲接環境較佳。 ‧TIG 銲接之限制： 1. 銲接速率及堆積率慢，厚斷面的銲接費時且昂貴。 2. 電極端易沾上熔池的金屬，更換耗時。 3. 填料式及某些位置之銲接自動化較不易。

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2.2.2 鎢電極之材質及起弧之方法 GTAW 常用的電極有三種：純鎢電極棒、釷鎢電極棒、鋯鎢電極棒，其特性如下： 1. 純鎢電極棒：為未加任何合金之鎢電極，因電極末端施銲後形成光亮半球形，電弧穩定性良好，但收斂性較差，故於小電流(30A 以下)時不易引弧，其耐電流量亦比同尺寸之鎢合金電極小，故易燒毀且燒毀之鎢電極易熔入銲道中，造成銲道的污染，所以一般使用於小電流且銲接品質要求不高之場合。 2. 釷鎢合金電極棒：於鎢電極中添加 1~4%ThO2，一般於市面上常用的為WTh-1(ThO2含量約為1%)及 WTh-2(ThO2含量約為2%)之釷鎢電極，加入釷元素可使鎢電極對電流負載能力提升30%，故燒毀率低，但若於交流環境使用時易使電極形成凹凸不平的表面造成電弧不穩，故較適於直流方面之銲接；因釷元素為放射性元素，若長期暴露於銲接蒸氣中影響銲接者健康甚巨，需多先進工業國家已不採用。 3. 鋯鎢合金電極棒：於鎢電極中添加 0.3~0.5%ZrO2，其耐電流能力較釷鎢電極棒高，適用於交流或直流的銲接環境中，在銲接時，電極的末端部會形成小半圓形之光亮面，引弧性良好，且其成分不會混入熔金內，但價格較昂貴。表2-1 TIG 熔接常用之鎢電極[6] 成份 (%) 種類記號 W ThO2 ZrO2 其他端面顏色純鎢電極棒 WP 99.95↑ -- -- 0.05↓ 白 1%釷鎢電極棒 WTh-1 98.75↑ 0.9~1.2 -- 0.05↓ 黃 2%釷鎢電極棒 WTh-2 97.75↑ 1.8~2.2 -- 0.05↓ 紅 0.5%鋯鎢電極棒 WZr 99.45↑ -- 0.3~0.5 0.05↓ 褐 GTAW 銲接法是以惰性氣體來取代銲劑，以保護電弧及熔池，但因交流電每秒鐘高達120 次之電壓歸零，電弧將因電中斷而導致熄滅之現象，因此銲機本身必須配置高週波產生器來幫助起弧，同時在交流電時不致使電弧停頓，因高週波的頻率有跳躍間隙的特性，故於TIG 起弧時，鎢電極不需接觸母材。

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電極角度對銲接之影響，如圖2-6中所示之鎢棒的端點角度(Vertex angle)及截斷面形狀( Trunca- tion)，會影響電弧形狀、電源密度分佈及銲道熔深，如圖2-21所示。一般而言，在銲接參數固定的情形下，隨著鎢棒端點角度的增加，電弧會較為緊縮，故功率密度(Power density)的分佈也較為集中，所以銲道的深寬比會隨之增加[22,24]，如圖2-7及圖2-8 所示。圖2-6 鎢電極之形狀[23] 圖2-7 鎢棒角度與熔深關係圖[22] 圖2-8 鎢棒角度、電弧形狀與功率密度示意圖[22]

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2.2.3 銲接參數之影響 在應用銲接時為考量得到良好的銲接結果，任何銲接法皆需考量下列主要變數：[8] 1.操作處理上的控制變數：即因銲接處理程序須控制之變數，如電極伸出量、電極距工件距離、銲槍角度、護帽角度、送線速度…等，一般會由銲機來做自動或半自動之控制。 2.機械控制變數：即主要影響銲接熱輸入量之變數，如銲接電壓、銲接電流、銲接走速。 3.母材控制變數：即依母材成份來決定保護氣體之種類及流量、銲接接頭型式、銲線種類、銲線大小…等。上述之變數皆有相互之影響關係，故於銲接皆需考量，因本實驗採用自動化GTAW 銲接機，故針對主要之銲接參數影響性概述如下： 1.銲接電流(I)：銲接電流越大則表示熱輸入量越高，電弧壓力增大，可增加熔透與熔解效率。常見之電流型態有DCEN，DCEP，AC 三種，如下表 2-2 所示。表2-2 GTAW 電流型式及特性電流型式 DCEN DCEP AC 鎢棒極性負正 -- 電子及離子流向熔融滲透性表面氧化膜清潔作用無有有電弧熱量分佈狀況 70%在工件 30%在鎢棒尖端 30%在工件 70%在鎢棒尖端 50%在工件 50%在鎢棒尖端滲透性深，窄淺，寬中等鎢棒承載電流能力優不好良

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2.銲接電壓(V)：銲接電壓變化對保護氣體、電弧長度、與電極幾何形狀有密切關係，圖 2-6 顯示電壓大小與熔融深度之關係。在實驗時，將上述三個參數設定為定值，則電壓大小變化不大。 3.銲接走速(S)：銲接走速愈快，熱量集中在銲道，熔解效率高；銲接走速愈慢，熱量由母材吸收，熔解效率低。但銲接走速愈快則易生成 Undercut 及 Centerline crack。 4.熱輸入量(Q)：在同一銲接速度下，熱輸入量愈大，則熔透量愈多，不同之電流、電壓與銲接走速之組合，可得相同之熱輸入量。但其熔融狀態和熔解效率隨著銲接速度加快而增加。弧銲的熱輸入量，可以採用以下的公式：式中 Q 為熱輸入量（kJ/cm），V 為電壓（V），I 為電流（A），S 為銲接速度（cm/min），Efficiency（效率）的取值取決於所採用的銲接法：手工電弧銲為0.75，氣體金屬電弧銲和埋弧銲為 0.9，氣體鎢極電弧銲為0.8。 5.電極角度銲接參數固定的情形下，隨著鎢棒端點角度的增加，銲道的深寬比會隨之增加[22,24] 2.3 不銹鋼 2.3.1 不銹鋼之簡介 不銹鋼乃於鋼材中加入鉻(Cr)及鎳(Ni)之元素，來改善鋼材的耐蝕性，使其在各環境中不易生銹，其中主要合金元素以鉻(Cr)為主，其耐蝕力隨Cr 含量之增加而增高。Cr 與空氣中的氧作用後，在表面會形成一層薄氧化膜Cr2O3。此氧化物膜十分安定且緻密，使金腐與空氣隔絕，不會繼續起氧化作用，以保持表面之光澤[2]，另再添加鎳(Ni)元素之不銹鋼，可增進對非氧化性之抗腐蝕能力(如：鹽酸、硫酸之腐蝕)，此為鎳鉻 (Cr-Ni)系不銹鋼。 V × I × 60 Q = × Efficiency (2-1) S × 1000

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一般所稱的不銹鋼是指含Cr 量在 12%以上，但低於 30%Cr 之鋼材， Cr 含量超過 12%者可耐高溫氧化、硝酸、亞硫酸氣體及高溫高壓氫氣等之腐蝕，可說幾乎不再被一般之腐蝕環境所侵蝕；因此12%Cr 為界限，超過者歸類為不銹鋼，即13 鉻鋼；低於 12%者屬於耐蝕鋼(corrosion resisting steel)，超過 30%者，主要是用在若超過 30%一般用於高溫之狀態下，屬耐熱鋼之範圍[2]。 2.3.2 不銹鋼中微元素對不銹鋼的性能和組織的影響目前已知的化學元素有 100 多種，在工業中常用的鋼鐵材料中可以遇到的化學元素約二十多種，對不銹鋼系列來說，最常用的元素有十幾種，除了組成鋼的基本元素鐵以外，對不銹鋼的性能與組織影響最大的元素是：碳、鉻、鎳、錳、硅、鉬、鈦、鈮、鈦、錳、氮、銅、鈷等。這些元素中除碳、硅、氮以外，都是化學元素週期表中位於過渡族的元素。實際上工業上應用的不銹鋼都是同時存在幾種以至十幾種元素的，當幾種元素共存於不銹鋼中時，它們的影響要比單獨存在時複雜得多，因為在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作用，而且要注意它們互相之間的影響，因此不銹鋼的組織決定於各種元素影響的總和。下面針對主要影響之元素進行介紹[2,19,20]。 1.鉻(Cr)在不銹鋼中的作用：鉻為決定不銹鋼屬性的重要元素，每種不銹鋼都含有一定數量的鉻。目前尚沒有不含鉻的不銹鋼。所以鉻之所以成為決定不銹鋼性能的主要元素，主要原因於鋼中添加鉻作為合金元素以後，促使其內部的形成鐵鉻合金。鐵鉻合金其含鉻量愈多，在一般大氣中之防蝕性就愈好，有利於抵抗腐蝕破壞的方面發展。添加鉻於不銹鋼中之效果： (1).腐蝕及氧化抵抗性增加 (2).硬化能增加 (3).高溫強度增加 (4).耐磨性增加(高碳鋼) 2.碳(C)在不銹鋼中的作用碳是工業用鋼材的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定於碳在鋼中的含量及其分佈的形式，在不銹鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不銹鋼中對組織的影響主要表現在兩方面，一方面碳是穩定沃斯田鐵相的元素，並且作用的程度很大（約為鎳的30 倍），另一方面由於碳和鉻的親和力很大，與鉻形成一系列複雜的碳化物。所以，

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3.鎳(Ni)在不銹鋼中的作用鎳是優良的耐腐蝕材料，也是不銹鋼的重要合金元素。鎳在不銹鋼中是抑制肥粒相增生形成沃斯田鐵相的重要元素，但低碳鎳鋼要獲得良好的沃斯田鐵相組織，由Fe-Cr-Ni 平衡圖中可得知，若單獨添加鎳使其組織變化成沃斯田鐵相，其合金鋼中含鎳量要達到24%以上；且在含鎳27%以上時才使鋼在某些介質中的耐腐蝕性能顯著改變。所以鎳元素添加於鋼中是不能單獨構成不銹鋼。但是鎳與鉻同時存在於不銹鋼中時，含鎳的不銹鋼卻具有許多可貴的性能。添加鎳於不銹鋼中之效果： (1).使鋼之淬火回火韌性增加。 (2).使波來鐵及肥粒鐵的韌性增高。 (3).使高 Cr-Fe 合金變成沃斯田鐵組織。 4.錳(Mn)和氮(N)在不銹鋼中的作用 鉻鎳沃斯田鋼的優點雖然很多，但近幾十年來的大量發展與使用，而鎳的礦藏量較少且又集中分佈在少數地區，因此鎳在供需方面產生問題。所以在不銹鋼與許多其他合金領域中，開始找尋其他元素取代鎳，在這方面研究和應用比較多的是以錳和氮來代替不銹鋼與耐熱鋼中的鎳。錳對於沃斯田鐵的作用與鎳相似。但說得確切一些，錳的作用不在於形成沃斯田鐵，而是在於它降低鋼的臨界淬火速度，在冷卻時增加沃斯田鐵的穩定性，使高溫下形成的沃斯田鐵得以保持到常溫。在提高鋼的耐腐蝕性能方面，錳的作用不大，如鋼中的含錳量從0 到 10.4%變化，也不使鋼在空氣與酸中的耐腐蝕性能發生明顯的改變。這是因為錳對提高鐵基固溶體的電極電位的作用不大，形成的氧化膜的防護作用也很低，所以工業上雖有以錳合金化的沃斯田鐵鋼（如 Cr-Mn-Ni 系鋼），但它們不能作為不銹鋼使用。由雪弗圖可得之，錳在鋼中，可抑制肥粒相生成穩定沃斯田鐵相，其作用約為鎳的一半。添加錳於不銹鋼中的效果： (1).防止硫造成的脆性 (2).增加硬化能氮為抑制肥粒相生成有要元素，添加氮在鋼中使用，其作用的程度比鎳還要大。

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5.上述元素為為對影響較大之元素，仍有許多元素會使不銹鋼中組織及特性產生變化，其將元素效果表列如表2-3 所示，其相關合金元素對沃斯田鐵的強度影響如圖2-9 所示。表2-3 鋼中合金元素的效果[2] 元素效果鋁 (Al) 1.強的脫氧劑 2.抑制晶粒成長(形成分散氧化物或氮化物) 3.氮化鋼的合金元素鈷 (Co) 1.硬化肥粒鐵使鋼具有高溫硬度 2.降低硬化能鉬 (Mo) 1.使沃斯田鐵的粗大化溫度上昇 2.使硬化層深入 3.防止回火脆性 4.高溫強度、潛變強度、高溫硬度增加 5.使不銹鋼的腐蝕抵抗性增加 6.形成耐磨耗粒子磷 (P) 1.增加低碳鋼的強度 2.腐蝕抵抗性增加 3.改良易削鋼的機械性質矽 (Si) 1.為常用之脫氧劑 2.電磁鐵板用合金 3.使鋼氧化抵抗性優良 4.略使鋼的硬化能增加 5.使低合金鋼的強度增加鈦 (Ti) 1.易形成 TiC 之碳化物，防止長時間加熱下不銹鋼內鉻的局部減少 2. 可防止晶界腐蝕 鎢 (W) 1.使工具鋼內生成硬而耐磨耗性粒子 2.增進高溫硬度及強度釩 (V) 1. 使沃斯田鐵晶粒粗大化溫度昇高 2.增加硬化能 3. 抵抗回火軟化及使回火時生二次硬化銅 (Cu) 1. 耐蝕性、強度增加 2.使高合金耐酸鋼的性能增強

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圖 2-9 沃斯田鐵不銹鋼中合金元素對強度之影響[20]

2.3.2 不銹鋼的分類:

不銹鋼依其微觀結構可分為以下四大類:

l.麻田散鐵型不銹鋼(matensitic stainless steels)； 2.沃斯田鐵型不銹鋼(austenitic stainless steels)； 3.肥粒鐵型不銹鋼(ferritic stainless steels)；

4.析出硬化型不銹鋼(precipitation stainless steels)；

(表 2-4 與表 2-5 分別為不銹鋼之主要分類表及不銹鋼之物理性質)[2] 表2-4 不銹鋼之主要分類表[2] 按成分分類按組織分類 1.鉻系不銹鋼 (AISI 400 系) 1. 麻田散鐵型不銹鋼 2. 肥粒鐵型不銹鋼 2.鉻鎳系不銹鋼 (AISI 200 及 300 系) 3. 沃斯田鐵型不銹鋼 4. 析出硬化型不銹鋼

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表2-5 不銹鋼之物理性質[2] 母材比重 g/cc 熔點 ℃ 相對熱導係數Cu=1 熱膨脹係數比熱 cal/g℃ 導電係數 % 電阻 mΩ/cm 沃斯田鐵系不銹鋼 7.9 1395 0.12 9.6 0.117 3.0 75.0 麻田散鐵系不銹鋼 7.7 1430 0.17 9.5 0.118 3.0 57.0 肥粒鐵系不銹鋼 7.7 1507 0.17 9.5 0.334 3.0 60.0 美國鋼鐵協會(AISI)研定的不銹鋼規格，大都用三位數字表示，第一個數字代表特定之系列(參照表 2-6)，本實驗所使用之 304 不銹鋼屬於沃斯田鐵型不銹鋼，其304 與其 300 系不銹鋼關係圖可參閱圖 2-10[18]；以下將只討論304 不銹鋼之機械性質與特性： 2-10 各型號不銹鋼關係圖(304 不銹鋼為例)[19]

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表2-6 不銹鋼各系列特性[2] 系列代號基地組織主要合金元素熱處理的硬化能磁性 2xx 沃斯田鐵 Cr-Ni-Mn 不能硬化但可加工硬化無磁性 3xx 沃斯田鐵 Cr-Ni 不能硬化無磁性 4xx 麻田散鐵 Cr 可硬化有磁性 4xx 肥粒鐵 Cr 不能硬化有磁性 5xx 麻田散鐵 Cr-Mo 可硬化有磁性 PH 型(析出硬化型) 沃斯田鐵或半沃斯田鐵或麻田散鐵或沃斯田鐵 +肥粒鐵 Cr-Ni 可硬化(析出硬化) 視基地組織而定沃斯田鐵型不銹鋼是從 Fe-Cr-Ni 合金系統發展出來的，其所含有的鉻(Cr)元素含量通常高於 16%，且其鎳(Ni)元素含量有一定之比例(表 2-7 為各類不銹鋼之化學成分表)，用以維持在室溫下沃斯田鐵結構之穩定性。其微觀結構屬面心立方體結構，無磁性，也沒有延脆性轉換溫度。所以在極低的操作溫度下，仍保持相當的韌性，其使用的範圍由 240℃ ～1093℃[9]。表 2-7 各類不銹鋼之化學成分表[9] 化學成分 (%) AISI 規格新JIS 規格對應之舊 JIS 規格 _{C Si Mn P S} _Ni _Cr 201 SUS201 -- 0.15 1.00 5.5~7.5 0.06 0.03 3.5~5.5 16~18 202 SUS202 -- 0.15 1.00 7.5~10.0 0.06 0.03 4.0~6.0 17~19 302 SUS302 SUS40B 0.15 1.00 2.00 0.04 0.03 8.0~10.0 17~19 304 SUS304 SUS27B 0.08 1.00 2.00 0.04 0.03 8.0~11.0 18~20 304L SUS304L SUS28 0.03 1.00 2.00 0.04 0.03 9.0~13.0 18.0~20.0 310 -- -- 0.25 1.50 2.00 0.045 0.03 19.0~22.0 24.0~26.0 310S SUS310 SUS42B 0.08 1.50 2.00 0.04 0.03 19.0~22.0 24.0~26.0 316 SUS316 SUS32B 0.08 1.00 2.00 0.04 0.03 10.0~14.0 16.0~18.0 316L SUS316L SUS33B 0.03 1.00 2.00 0.04 0.03 12.0~16.0 16.0~18.0 321 SUS321 SUS29B 0.08 1.00 2.00 0.04 0.03 9.0~13.0 17.0~20.0 L.代表極低含碳量 S 代表安定化（stabilization）

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此類型的不銹鋼在各種溫度下均保持沃斯田鐵組織(austenitic structure) ，亦即不會因溫度的變化而產生相變化 (Phase transformation)，因此不能用熱處理的方法將其硬化。但卻可經冷加工來增加其硬度與強度；其冷作硬化速率隨Ni 含量的增加而遞減。但是，經冷作加工後，抗腐蝕性降低，尤其是在氮化物環境中會有應力腐蝕（stress corrosion）問題產生，此為沃斯田鐵型不銹鋼在應用上所遭遇的問題之一，應特別注意[28]。 2.3.4 不銹鋼的銲接特性 沃斯田鐵系不銹鋼與一般碳鋼在材料與銲接特性上相比較，有四項主要差異，分別為：熱膨脹率、熔點、電阻與熱傳導率[10]，其差異特性及對銲接之影響性如表2-8 之說明：表 2-8 沃斯田鐵系不銹鋼與一般碳鋼銲接特性比較[29] 項目碳鋼沃斯田鐵不銹鋼差異說明 (以碳鋼為 BASE) 對銲接之影響性熱膨脹率 11.7 17.1~19.2 較高(約增加 50%) 銲接變形嚴重容易發生銲道龜裂熔點 1538 1400~1450 較低不適合高電流銲接電阻 69~102 較高必須使用低銲接電流，以避免過熱熱傳導率 60 18.7~22.8 約為碳鋼之 40~50% 電弧熱停留時間長，散熱不易不銹鋼的基本銲接特性如上述，其銲接過程凝固過程產生的變化，如圖2-11 及 2-12 為 Fe-Cr-Ni 之系統圖及平衡圖[19][27]所示，由於銲道的冷卻速度極快，無法達到平衡的相變化，而會有偏析(Segregation)之現象，當冷卻速度產生變化時其結果便有所差異。有關銲道的凝固現象探討源自傳統的凝固理論，其差異僅在於凝固的範圍大小與速度。由於不銹鋼的合金成份複雜，一般均以鐵-鎳-鉻合金含鐵 70%的擬二相圖 (pseudo-binary diagram)來探討”液-固”相間的變化。當鎳鉻成分在三相γ+δ+L 共存區右邊時，固溶中任何肥粒鐵會出現在樹枝狀之間，對此區域的組成是肥粒鐵一開始固溶成樹枝狀，然後因包晶反應使肥粒鐵轉變成沃斯田鐵，最後固溶成沃斯田鐵(γ)與肥粒鐵(δ)；而低Ni 含量時(鉻含量增加)，樹枝狀結構一開始也是肥粒鐵固溶，然後轉變成沃斯田鐵+肥粒鐵固溶體，與前面不同的是，前者固溶後

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圖2-11 Fe-Cr-Ni 之三相系統圖(1100℃)[19]

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評估Fe-Cr-Ni 平衡圖與銲道凝固組織之關係及特性(如熱裂、抗腐蝕) 已有多方學者探討，但其中近年來被各方常使用主要的有 Schaeffler diagram(圖 2-13)、Delong diagram(圖 2-14) 下列分別介紹[19]。

Schaeffler diagram 雪弗圖：於 1949 年 Anton Schaeffler 提出，探討合金元素(Creq,鉻當量)對肥粒相提升及合金元素(Nieq,鎳當量)對肥粒相抑制之關係圖。使用此圖，先計算熔池內之鉻/鎳當量再於此圖估算其微組織的範圍。實驗顯示其對常見的 300 系列不銹鋼推估是合理的。一般少使用於高氮存在的條件下。

Delong diagram 杜龍圖：於 1974 年由 W.T DeLong 提出主要用於探討氮在增進沃斯田鐵相及肥粒鐵相消耗之影響，若氮分析量於計算中無法取得，則一般在TIG 製程假設為 0.06%，MIG 製程中假設為 0.08%，即杜龍圖是乃在鎳當量中加入氮元素因子，因氮元素添加可使銲道形成沃斯田鐵穩定相。

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圖2-14 Fe-Cr-Ni 平衡圖與銲道凝固組織之關係(Delong diagram)[19] 雪弗圖之計算：Creq = Cr + Mo + 1.55 Si + 0.5 Nb (2-2) Nieq = Ni + 30 C + 0.5 Mn (2-3) 杜龍圖之計算：Creq = Cr + Mo + 1.55 Si + 0.5 Nb (2-4) Nieq = Ni + 30 C+ 30 N + 0.5 Mn (2-6) Suutala 等更將其觀察到之凝固時的微觀結構，依據其特徵及肥粒相的含量，區分為五個程度(圖 2-15)，並綜合歸納成 A、B、C 三種型式，並找出其對應的Creq / Nieq 值。Creq 和 Nieq 是依銲接金屬的成分而變，但冷卻速率會影響凝固態，因此實際對應的Creq / Nieq 值會隨著銲接條件的不同而變更。[32]

1. 型式 A(圖 2-9，a、b)： Creq / Nieq＜1.48

凝固時主要為沃斯田相，若有肥粒相出現也只是少量並存在於枝狀結構(Dendritic)，含量約在 3~6%。

2. 型式 B(圖 2-9，c、d)： 1.48＜Creq / Nieq＜1.95

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3. 型式 C(圖 2-9，e) ：Creq / Nieq＞1.48

凝固時幾乎全部為肥粒相，很少有沃斯田相出現，而在稍後的固態冷卻中以魏德曼(Widmanstatten)組織析出。

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2.3.5 不銹鋼銲條的選擇銲接不銹鋼時銲條的選擇是非常重要的，除銲接時的銲層強度及機械性質外，原則上須依母材之性質選取適用之銲條，否則易發生銲接不良如熱裂、碳化物析出等問題，表2-9 為常用不銹鋼銲條選用表表2-9 不銹鋼電弧銲用銲條選用表[3] 類別母材使用狀態(a) 銲條(b) 備註 301,302,304,305,308 1、2 308 (c) 302B 1 309 (d) 304L 1、4 347,308L -- 303,303(Se) 1、2 312 (e) 309,309S 1 309 -- 310,310s 1 310 -- 316 1、2 316 (f) 316L 1、4 318、316L (f) 317 1、2 317 (f) 317L 1、4 317(Cb) (f) 318,316(Cb) 1、5 318 (f) 321 1、5 347 (g) 347 1、5 347 (h) 沃斯田鐵系 348 1、5 347 (j) 403,410,416,416(Se) 2、3 410 (k) 403,410 1 308,309,310 (m) 416,416(Se) 1 308,309,312 (m) 420 2、3 420 (n) 431 2、3 410 (n) 麻田散鐵系 431 1 308,309,310 (p) 405 2 405(Cb),430 (q) 405,430 1 308,309,310 (m) 430F,430F(Se) 1 308,309,312 (m) 430,430F,430F(Se) 2 430 (r) 446 2 446 -- 肥粒鐵系 446 1 308,309,310 (s) 註：(a). 1：銲接狀態 2：退火狀態 3：硬化後再作應力消除 4：應力消除 5：安定化處理與應力消除 (b).前面 E 或 ER 省略 (c).308 的銲接金屬亦即 18-8 與 18-9 的成份，其成分為 0.08% max C、19%min Cr、9%min Ni

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(d).也可用 310(1.5%min Si)但易生熱裂紋。 (e).316,316L,317 與 317(Cb)銲條的耐蝕力差，可藉下列熱處理來改善：316 與 317 母材：1066~1121℃完全退火：316L 與317L871~899℃安定化處理。 (g).321 的包覆銲線很少製造。 (h).厚板銲接時要注意熱影響區的龜裂問題。 (j).核子用途時，母材與銲接金屬的 Ta 不可超過 0.1%，Co 不可超過0.2%。 (k).熱影響區與銲道作退火軟化，增加延性。銲接金屬的熱處理方法與母材同。 (m).銲接狀態下，沃斯田鐵的銲接金屬軟且具延性，但熱影響區的延性較差。 (n).預熱與銲後熱處理要小心，以避免龜裂。 (p).預熱要謹慎，若在銲接狀態下使用，要考慮熱影響區為硬度較高的組織。 (q).退火增加熱影響區與銲接金屬的延性，405 銲條的銲接金屬含有Cb 可減小硬度，且 Cb 的效果比 Al 好。 (r).退火可增加銲接接頭處的延性。 (s).308 銲條對銹皮的抵抗能力比母材差，而且母材與銲接金屬的熱膨脹係數不同。 2.4 銲接氣體 2.4.1 銲接氣體之功用 電弧銲接時使用保護氣體的主要目的如下： 1.銲接時由銲炬同出保護氣體，保護電極、電弧、填料金屬、熔融狀之銲道等，以避兔直接與大氣接觸，防止大氣中氧和氮與熔金作用，造成氧化。 2.提供熱能的傳遞，由於銲接機主要的作用乃是將電能轉換成熱能，而這些熱能就是經由銲接保護氣體來加以傳遞到銲件上。 2.4.2 銲接氣體之選擇 一般常用的銲接氣體有氬氣、氦氣、二氧化碳、氧氣、氫氣及氮氣等六種氣體，其中氬氣、氦氣、二氧化碳及氮氣可單獨使用或與其他氣體相混合使用，至於氧氣與氫氣則需與氬氣相混合使用，其銲接保

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護氣體之用途請參閱表 2-10。在此僅將氬氣、氦氣、二氧化碳及氮氣等來做一簡單的介紹： 1.氬氣(argon) a、屬於惰性氣體。 b、起弧較氦氣容易(因為氬氣的解離電壓值較氦氣低)。 c、適用於平銲(因為氬氣比空氣重)。 d、適合薄板材料的銲接(因為氬氣的熱傳導性較氦氣低)。 e、銲池的流動性較差(與氦氣相比較)。 f、會形成較窄而深的銲道截面形狀(與氦氣相比較)。 2.氦氣(helium) a、屬於惰性氣體。 b、起弧較氬氣困雞(因為氦氣的解離電壓值較氬氣高)。 c、適用於立銲或仰銲(因為氦氣比空氣輕)。 d、適合厚板材料的銲接(因為氦氣的熱傳導性較氬氣高)。 e、銲池的流動性較佳(與氦氣相比較)。 f、會形成較寬而淺的銲道截面形狀(與氬氣相比較)。 g、氣體價格較昂貴。 3.二氧化碳(carbon dioxide) a、屬於活性(氧化性)氣體。 b、電漿電弧的能量分佈較均勻。 c、一般用於低碳鋼材料的銲接。 d、容易產生煙霧與飛濺物。 e、氣體價格較低廉。 4.氮氣(nitrogen) a、屬於活性(高溫反應性)氣體。 b、電漿電弧的能量分佈亦較集中。 c、一般用於銅及銅合金材料的銲接。 d、容易形成氣孔。 e、容易造成鎢電極的損耗與污染。值得一提的是，由於氬氣電漿電弧呈現中心區域較高而外圍區域較低的能量分佈，因此會形成窄而深的漏斗狀銲道截面(如圖 2-16(a)所示)。至於氦氣電漿電弧的能量分佈由於較為均勻，因此會形成寬而淺的碗碟狀銲道截面(如圖 2-16(a)所示) 由此可得知若欲得到一寬且深的銲道截面形狀則可採用氬-氦混合氣體(如圖 2-16(b)所示)。

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(a) 氬氣與氦氣對銲道截面之影響 (b)氬-氦混合氣對銲道截面之影響圖2-16 銲接氣體對銲道截面形狀之影響表 2-10 銲接保護氣體之性質和用途用途銲接氣體性質熔極式非熔極式 Ar He Ar+Cl2 惰性惰性惰性鋼料，合金使用美國為主要銲接氣體防止鋁合金產生氣孔所有金屬銲接施工 --- --- H2 Ar+10%~50%H2 N2+10%~40%H2 N2 還原性還原性還原性還原性 Plasmajet 銲接 --- --- 入熱量大，適合銲銅使用原子氫銲接鋁、銅、鎂等金屬之 Plasma Cutting 碳鋼、不銹鋼等金屬之 Plasma Cutting 不銹鋼之 Plasma Cutting Ar+1%~5%O2 Ar+25%CO2 Ar+15%CO2+5%O2 Ar+75%CO2 氧化性氧化性氧化性氧化性合金鋼用短路電弧法使用多層銲，短路電弧法使用管線銲接 --- --- --- --- CO2 CO2+10%~25%O2 氧化性氧化性碳鋼、低合金鋼使用 --- CO2 - 50%>O2 CO2 – 50%>N2 氧化性氧化性沃斯田鐵系不銹鋼用 --- Ar + He Ar He

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2.4.3 銲接氣體之特性 由使用目的可知保護氣體對銲接工作的影響甚鉅，其主要為銲接氣體的特性所影響，其中包括有比重、熱傳導性及解離電壓值等，茲將其重要特性簡述如下: 1.比重一般而言，比重大的銲接氣體較適用於平銲。相對地，比重小的銲接氣體則較適用於立銲或仰銲。如表2-11 所示即為常用之銲接氣體的比重，其CO2>Ar>O2>N2>He>H2。表2-11 銲接氣體的比重 Welding gas Ar He CO2 O2 H2 N2 Specific gravity 1.380 0.137 1.530 1.105 0.069 0.967 2.熱傳導性銲接氣體的熱傳導性可視為氣體將電弧熱量傳遞到銲件的能力，亦即熱傳導性較高的銲接氣體，將可傳遞較多的電弧熱量到銲件上。如圖2-17 所示即為銲接氣體的熱傳導性。圖2-17 銲接氣體的熱傳導性[5]

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3.解離電壓值(Ionization Potential)

銲接氣體的解離電壓值可視為氣體形成穩定電弧的難易度，亦即解離電壓值較低的氣體，將可容易形成穩定的電弧。如表 2-12 所示即為銲接氣體的解離電壓值，其 He>Ar≅H₂ ≅N₂>CO₂>O₂。

表2-12 銲接氣體的解離電壓值

Welding gas Ar He CO2 O2 H2 N2

Ionization potentialb

15.7 24.5 14.4 12.5 15.6 15.5

b_{Unit is electron volts}

2.5 助銲劑 2.5.1 助銲劑之功用 助銲劑(塗料)是構成銲條的要素，它在銲接過程中因為電弧熱源之作用，會產生複雜的化學變化形成氣體及熔渣，及其它冶金之效果，以提高銲接件之品質。茲將助銲劑之主用功用分述如下[1]： (1)保護熔池防止外圍氣體侵入。銲條於銲接過程中受電弧熱源之作用使助銲劑燃燒，會產生 CO、 CO2、H2、H2O 等氣體，這些氣體將銲接區周圍的空氣排擠掉，避免熔池之高溫金屬與氧接觸而氧化，達到保護熔化金屬的目的。助銲劑在燃燒時除了產生氣體外，亦會形成大量熔渣，熔渣在通過電弧空間向熔池傳播時包覆著熔滴，防止氣體之侵入，銲接完成後熔渣覆蓋在熔池之上，使熔融金屬與大氣隔絕，避免被氧化及氮化，並使銲接的冷卻速率減緩以改善銲道的性質。 (2)脫氧作用。保護氣體與溶渣若含有氧化性物質，或銲條受潮、銲件處理不淨、沾油、銹及其它氧化物等，都會使銲接金屬產生氧化的現象；可在塗料中添加Al、Ti、Si、Mn、C 等脫氧劑以克服銲接金屬被氧化。 (3)助銲劑內加入合金元素以調整銲接金屬的成份。為調整銲接金屬之合金成份，可在助銲劑中加入所要之合金粉末，銲接過程中合金燃燒損失小，可達到添加合金成份於銲道金屬之目的。 (4)穩定電弧作用。常用之穩弧劑為鹼金屬和鹼土金屬的化合物，如 CaCO3、K2CO3、 Na2CO3、KNO3、長石、花崗石、水玻璃等，穩弧劑中所含之 K、Na、 Ca 等元素，其電離電位很低，助銲劑內含有這些低電離電位的物質，可

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以改善電弧空間氣體的電離條件，使銲接電流易於通過電弧空間，因此可以增加電弧的穩定性。

2.5.2 助銲劑成份對銲接金屬的影響

助銲劑中的化學性質決定了助銲劑的冶金性能，助銲劑鹼度及活性是常用來表示助銲劑化學性質的指標。根據國際銲接學會 (International Institute of Welding , IIW ) 將助銲劑鹼度以鹼性指數( Basicity Index B.I. )作為說明，B.I.計算公式為：式中所列為銲劑中的重量百分比。根據計算結果作如下的分類： 1.酸性銲劑( B.I.<1.0 )：通常酸性銲劑具有良好的銲接性、銲道成形美觀，但是銲道金屬含氧量高，耐衝擊韌性較低。 2.中性銲劑( B.I.=1.0~1.5 )：熔融金屬的化學成份與銲絲的化學性質相近，銲道金屬含氧量有所降低。 3.鹼性銲劑(B.I.>1.5)：通常鹼性銲劑之熔接金屬的含氧量較低，可以獲得較高的衝擊強度，但是銲接性較差。銲劑中的 B.I.值愈大，則熔接金屬之 Mn 分佈較均勻，同時 P 及 S 的含量較少。氧含量隨著 B.I.值的增加而減少。B.I.值愈小，銲渣愈偏酸性渣系。此時銲劑的耐火性愈高。熔融速度可提高，銲道比較寬及平整。此外，相對化學活性係數(Af)可以把各種成份的助銲劑分為高活性助銲劑( Af≧0.6 )，活性助銲劑( Af=0.3~0.6 )，低活性助銲劑( Af=0.1~0.3 ) 和惰性助銲劑( Af≦0.1 )。

助銲劑在銲接過程中，是以液態熔渣形式覆蓋在銲接金屬表面以保護銲接熔池(weld pool)不受大氣的污染，並可改善銲接金屬的化學成份、機械性質及微觀組織等，因此茲將助銲劑中成份之功用分述如下：[14] 1. 助銲劑中屬於鹼性助銲劑的成份有：CaO、MgO、FeO 及 MnO。而

屬於酸性的則有 SiO2，P2O5，TiO2，及Al2O3。鹼性助銲劑具有去硫

及磷的能力，因此衝擊韌性及延性較佳。酸性助銲劑則是在銲接過程 ) ( 2 1 ) ( 2 1 . . 2 2 3 2 2 2 2 2 ZrO TiO O Al SiO FeO MnO CaF O K O Na BaO MgO CaO I B + + + + + + + + + + =

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中容易控制及去除銲渣容易。但銲接金屬中含有較多的介在物 (inclusion)，因此韌性較低。 2. Al2O3及Cr2O3會降低電弧穩定性。 3. CaO 可改善電弧穩定性，並使銲渣(Slag)之粘度下降。 4. 助銲劑中的 SiO2增加，可調整粘度並增加電流能量(耐高電流)。SiO2，並可使銲渣中的 MnO2及 FeO 含量增加，銲接金屬中的 Si 及 O 含量也會增加。 5. 增加 MnO 可增加電弧滲透性能(Penetration)以及減少對銹的敏感性。MnO 增加同時可增加銲接金屬中的 Mn 及 O 含量。 6. 助銲劑中加入 CaF2的作用，是希望形成HF 的氣體以降低熔填金屬中的擴散氫含量。此外，銲接時 CaF2 大量的蒸發，產生的氣體有利於降低氫的分壓，促使氫在液態金屬中的溶解度降低而達到脫氧的作用。CaF2另外還有二個重要的作用，其一，為提高熔渣的透氣性，有利於熔池中氫的逸出；其二，為銲劑中的 CaF2可促進CaO 的熔化，降低鹼性渣的粘度。 7. Al2O3在鹼性助銲劑中可降低粘度，在酸性助銲劑中則可增加粘度，但是無法提升銲道的熔透深度。

8. 助銲劑中的 CaCO3、MgCO3 與 BaCO3 經銲接後起分解作用形成

CO2，分解的 CO2氣體可與氫原子直接作用生成 OH，達到脫氧的作

用。

9. TiO2、Fe2O3、AlF3與 SiO2可增加銲道的熔透深度。

2.5.3 A-TIG銲接增加銲道熔深之機制

為探討提升TIG銲接的效率，於1960年由烏克蘭Paton Electric Welding Institute (PEWI) 研究群提出，在TIG銲接製程中加入活性助銲劑(Activating flux)的方法，此方法亦稱為A-TIG銲接法；A-TIG一直到1990 年代，由於人們對提高銲接效率和降低銲接成本的追求，才引起學者的注意而進一步研究及發表，包括更Edison Welding Institute (EWI)及 United Kingdom Welding Institute (UKWI)及日本大阪熔接研究所等大型研發中心；有關A-TIG銲接對銲道熔深之機制，目前有許多學者提出，針對A-TIG銲接製程能增加銲道熔深的物理機制[43]，簡述說明如下：

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第一個解釋是由於Heiple et al. [45]於1982年所提出的Marangoni效應。由於活性助銲劑能改變熔池的表面張力，融化在熔池中的表面活性劑更可能使對溫度梯度相依的表面張力係數∂γ/∂T由負轉正，將熔池的 Marangoni對流逆轉，對流從放射狀往上往外，轉由往內往下。在鋼中的表面活性劑更S、O、 Se及Te等元素。在圖2-18(a)、(b)及(c)表面活性劑較低的鋼中，靠近熔池中央表面張力較低且溫度較高的液態金屬，被靠近熔池邊緣張力較高且溫度較低的液態金屬往外拉；在圖2-18(d)、(e) 及(f)表面活性劑較高的鋼中，靠近熔池邊緣表面張力及溫度皆較低的液態金屬，被靠近熔池中央表面張力及溫度皆較高的液態金屬往內拉，因此造成銲道熔深增加。

第二個被提出來的機制是為Simonik et al.在1976及Howse et al.在 2000所提出的電弧收縮理論[49-50]。他們認為氣化的活性助銲劑能使電弧收縮是藉由捕捉電弧外圍的電子，使外圍負責傳遞電流的電子數量減少所造成。收縮的電弧之所以增加陽極的溫度是由於電流密度的增加與較高的電弧電壓造成，如圖2-19所示。由於氣化的助銲劑中可能含有氧，也時候也可能包含了氟。已知此類的蒸氣會吸附電子，被吸附的電子在電弧邊緣會產生較電子移動慢之氧或氟的負離子，因此，在給定的電流下，電弧中心的電流密度就會增加，因此就更可能會造成熔深的增加。被吸附的電子與氣化分子及解離原子形成負電荷粒子，會對電子的吸收作用造成影響。電子吸附僅能發生在較低溫的外圍區域，因電子能量較低且電場較弱；接近電弧中央的區域，其電場較強且溫度較高，所以電子更非常高的能量，故電離作用為主要的支配力量。因此，收縮的電弧流場使得在電漿中及陽極上，靠近電弧中央區域的電流密度增加，所以造成緊縮的電弧及較深的銲池。活性助銲劑的組成分子或原子若更較大的電子吸附截面積，則會促進電弧收縮的現象。如當鹵素化合物解離時，因其更較大的電子吸附截面積，故對電子更較佳之親和力。其它的化合物，如金屬化合物，雖然更較小的電子吸附截面積，但是因其更較高的解離溫度，故能等效地收縮電弧，就如同他們能在電弧外圍偍供較大量的氣化分子與原子一般。第三個解釋是由Lowke et al.[43]在2005所提一種更可能的機制來解釋活性助銲劑所拌演的角色。其解釋電弧收縮理論是由於活性助銲劑為絕緣體所造成。一般而言，活性助銲劑是金屬的氧化物，故為電的絕緣

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體，雖然氧化物的阻抗隨著溫度的增加而降低，但仍顯著大於液態的熔池，如TiO2在2123K時的阻抗為107 ohm-cm，因此助銲劑的效用為在熔池的外圍區域增加一層高電子阻抗區。所以，在熔池中央因為更較高的電流密度及表面熱能，所以助銲劑很更可能揮發，造成較深之銲道。圖2-18 熔池中的Marangoni對流[52] (a), (b)及(c)為含硫量低之鋼 (d), (e)及(f)為含硫量高之鋼圖2-19 助銲劑吸附電子造成電弧收縮示意圖[22]

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2.6 銲道熔透深度變異之原因 在304 不銹鋼之銲接時，除了有銲道熱裂及熱影響區敏化之問題外，因不同爐次之微量元素差異所形成穿深變異是銲接時常面臨之問題 [44-48]，對於此一問題，國外已有不少學者，進行此方面之研究[48,51]，結果顯示鋼材中之S、Mg、Al、Ca 等微量元素對穿深變異有頗著之效應。為了解釋上述微量元素對穿深之影響，有二種機構被提出，一為表面張力驅動銲池流體流動之機構[53-55]，另一則是電弧之效應[56,57]，以下針對上述之機構加以說明。 2.6.1 影響熔融區流體流動之機構[44-48] 對電弧銲接而言，驅動銲池(Weld pool)中熔融金屬流動之力量有四種如下： (1). 表面張力：熱毛細作用所引起之表面張力 (2). 電弧效應：銲池表面之電漿電弧力 (3). 電磁力：流過銲池表面之電流所形成之電磁力 (4). 浮力：因銲池內流體密度差異所形成之浮力上述四種力且對流體流動之效應如圖 2-20 之示意圖所示並概述如下。 1. 表面張力在純金屬或銲池中不存在活化元素時，銲池表面張力一般隨溫度的升高而減小(亦即銲池表面張力之溫度係數為負值)，因此熔融液態金屬將會形成由銲池中央向銲池外緣流動的表面張力流(Outward flow)，進而形成寬而淺的銲道截面形狀。然而，當銲池中存在有活化元素時，銲池表面張力則會隨溫度的升高而增加(亦即銲池表面張力之溫度係數為正值)，因此熔融液態金屬將會形成由銲池外緣向銲池中央流動的表面張力流(Inward flow)，進而形成窄而深的銲道截面形狀(如圖 2-20 b 所示)。 2.電弧效應關於不銹鋼因微量元素所造成穿深之變異，也有學者認為是因電弧特性受到改變所致[56,57]。通常在氬銲時，電弧熱傳遞到母材是發生在陽極區(Anode root)，也就是電弧所涵蓋的區域。所有的電弧熱中有 80%會