SN490B鋼銲件之巨觀力學特性與微觀結構研究

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(1)國立高雄大學土木與環境工程學系碩士論文. SN490B 鋼銲件之巨觀力學特性與微觀結構研究 A Study on Macro-mechanism and Microstructure of SN490B Steel Welds. 研究生：林志和撰指導教授：張惠雲博士林克強博士. 中華民國九十九年一月.

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(3) 謝誌. 首先要感謝指導教授張惠雲老師及林克強老師，在學術研究及待人處世方面讓我學到了很多東西，於試驗過程中不斷地教誨，讓這個試驗順利結束，並且使我的論文在最後修改地更加完善。同時感謝口試委員黃慶淵老師及翁孟嘉老師在口試時給予寶貴的意見，使我的論文內容變得更為充實。本研究感謝台灣電力公司輸變電工程處提供經費進行試驗研究，及張福全課長與張柏彥工程師參與研究構想擬定與對於試驗過程裡一些細部的要求。也感謝瑞助營造陳學信先生、聯邦公司黃立宗技師、雄進鋼構廠全力配合。另外要感謝台大材料所的吳福訓先生，在試驗過程中，您提供寶貴的經驗，使我的試驗技術更上一層樓。感謝陳鴻文先生及國震中心的工作人員在試驗過程的幫助，以及台大機械工廠的陳朝琴師傅幫忙試體加工。在研究所期間，感謝系上的其他老師在課業上的指導。感謝政宇學長在課業與試驗過程中的幫助。也感謝同學志遠、睿宏、承昌、茂恭、彥安、聖智及官保，在課業與生活上的幫忙。另外要感謝學弟妹軍毅、柏成、星佑、宛瑾、佳蓉、詠程、硯智、琨泰、政諺與宏仁，這個試驗憑我一己之力是很難完成的，感謝你們在試驗過程的鼓勵與幫助。最後我想要感謝我的父母，因為試驗的關係，不斷地南北奔波，讓你們操心了。感謝你們長久以來的鼓勵，讓我順利地結束研究所生活。.

(4) 目錄表目錄 ..............................................................................................................V 圖目錄 ...........................................................................................................VII 中文摘要………………………………………………………………...……1 英文摘要……………………………………………………………………...2 第一章緒論 .....................................................................................................4 1.1 研究背景與動機................................................................................4 1.2 研究目的............................................................................................5 1.3 研究方法............................................................................................5 第二章. 文獻回顧...........................................................................................7. 2.1 銹蝕程度分類..................................................................................7 2.2 SN490B結構用鋼 ............................................................................7 2.3 結構用鋼金相觀察..........................................................................9 2.4 銲道與熱影響區金相觀察............................................................11 2.4.1 單道銲接.............................................................................11 2.4.2 多道銲接.............................................................................13 2.4.3 銲道韌性.............................................................................14 第三章實驗方法...........................................................................................16 3.1 銲件製作........................................................................................16 3.2 試驗參數........................................................................................16 3.2.1 銲接方法.............................................................................17 3.2.1.1 SMAW銲接..............................................................17. I.

(5) 3.2.1.2 FCAW銲接 ..............................................................17 3.2.2. 銲接面條件.......................................................................18 3.2.2.1 磨光接面..................................................................18 3.2.2.2 含銹接面..................................................................18 3.2.2.3 防銹接面..................................................................19. 3.2.3 接合型式.......................................................................................19 3.3 銲道非破壞性檢測........................................................................20 3.3.1 目視檢測.............................................................................20 3.3.2 磁粒檢測.............................................................................20 3.3.3 超音波檢測.........................................................................20 3.4 試驗項目........................................................................................21 3.4.1 拉伸試驗.............................................................................21 3.4.2 彎曲試驗.............................................................................21 3.4.3 硬度試驗.............................................................................22 3.4.4 衝擊試驗.............................................................................23 3.4.5 巨觀浸蝕試驗.....................................................................23 3.4.6 金相觀察.............................................................................23 第四章. 巨觀力學試驗結果.........................................................................24. 4.1 前言 ................................................................................................24 4.2 拉伸試驗........................................................................................24 4.2.1 規範要求.............................................................................24 4.2.2 SN490B母材 .......................................................................24. II.

(6) 4.2.3 磨光接面銲件.....................................................................25 4.2.4 含銹接面銲件.....................................................................26 4.2.4.1 銹蝕A級...................................................................26 4.2.4.2 銹蝕B級 ...................................................................26 4.2.4.3 銹蝕C級 ...................................................................27 4.2.4.4 銹蝕D級...................................................................27 4.2.5 防銹接面銲件.....................................................................27 4.2.5.1 塗可銲漆..................................................................27 4.2.5.2 貼膠帶......................................................................28 4.2.6 結果比較.............................................................................28 4.3 彎曲試驗........................................................................................30 4.3.1 規範要求.............................................................................30 4.3.2 磨光接面銲件.....................................................................30 4.3.3 含銹接面銲件.....................................................................31 4.3.3.1 銹蝕A級...................................................................31 4.3.3.2 銹蝕B級 ...................................................................31 4.3.3.3 銹蝕C級 ...................................................................31 4.3.3.4 銹蝕D級...................................................................31 4.3.4 防銹接面銲件.....................................................................31 4.3.4.1 塗可銲漆..................................................................31 4.3.4.2 貼膠帶......................................................................32 4.3.5 結果比較.............................................................................32. III.

(7) 4.4 硬度試驗........................................................................................32 4.4.1 磨光接面銲件.....................................................................32 4.4.2 含銹接面銲件.....................................................................33 4.4.3 結果比較.............................................................................33 4.5 衝擊試驗........................................................................................33 4.5.1 規範要求.............................................................................33 4.5.2 磨光接面銲件.....................................................................33 4.5.3 含銹接面銲件.....................................................................34 4.5.4 結果比較.............................................................................34 4.6 小結 ................................................................................................35 第五章. 微觀試驗結果.................................................................................36. 5.1 巨觀浸蝕........................................................................................36 5.2 金相觀察........................................................................................37 5.2.1 磨光接面銲件.....................................................................37 5.2.2 含銹接面銲件.....................................................................38 5.2.3 結果比較.............................................................................38 5.4 小結 ................................................................................................38 第六章. 結論與建議.....................................................................................40. 參考文獻 .........................................................................................................41. IV.

(8) 表目錄表 2.1 SN系列鋼材比較..............................................................................44 表 2.2. 銲道顯微組織分類...........................................................................44. 表 3.1. 試驗項目...........................................................................................44. 表 4.1. 建築結構用軋鋼料之材質規範.......................................................45. 表 4.2 SN490B母材拉伸試驗結果 .............................................................46 表 4.3. 磨光接面拉伸試驗結果...................................................................46. 表 4.4. 銹蝕A級拉伸試驗結果....................................................................46. 表 4.5. 銹蝕B級拉伸試驗結果 ....................................................................47. 表 4.6. 銹蝕C級拉伸試驗結果 ....................................................................47. 表 4.7. 銹蝕D級拉伸試驗結果....................................................................47. 表 4.8. 可銲漆拉伸試驗結果.......................................................................48. 表 4.9. 貼膠帶拉伸試驗結果.......................................................................48. 表 4.10 磨光接面彎曲試驗結果.................................................................49 表 4.11. 銹蝕A級彎曲試驗結果 ..................................................................49. 表 4.12 銹蝕B級彎曲試驗結果 ..................................................................49 表 4.13 銹蝕C級彎曲試驗結果 ..................................................................50 表 4.14 銹蝕D級彎曲試驗結果..................................................................50 表 4.15 塗可銲漆彎曲試驗結果.................................................................50 表 4.16 貼膠帶彎曲試驗結果.....................................................................51 表 4.17 磨光接面-FSR1 硬度值 .................................................................52 表 4.18 銹蝕C級-FCT1 硬度值 ..................................................................53. V.

(9) 表 4.19 銹蝕D級-FDF1 硬度值 ..................................................................54 表 4.20 衝擊試片對應編號(磨光接面) ......................................................55 表 4.21 衝擊試驗數據(磨光接面) ..............................................................55 表 4.22 衝擊試片對應編號(銹蝕C級) .......................................................55 表 4.23 衝擊試驗數據(銹蝕C級) ...............................................................56 表 4.24 衝擊試片對應編號(銹蝕D級) .......................................................56 表 4.25 衝擊試驗數據(銹蝕D級) ...............................................................56. VI.

(10) 圖目錄圖 1.1. 梁柱接頭銲接面銹蝕示意圖...........................................................57. 圖 1.2. 研究內容流程圖...............................................................................58. 圖 2.1. 銹蝕A級 ............................................................................................59. 圖 2.2. 銹蝕B級 ............................................................................................59. 圖 2.3. 銹蝕C級 ............................................................................................60. 圖 2.4. 銹蝕D級 ............................................................................................60. 圖 2.5. 含碳量不同的鋼在各種溫度下的顯微鏡組織...............................61. 圖 2.6. 碳鋼含碳量，溫度與組織之間的關係...........................................61. 圖 2.7. 鋼之鐵碳平衡圖...............................................................................62. 圖 2.8. 單道銲接...........................................................................................62. 圖 2.9. 低碳鋼銲道及熱影響區顯微組織與鐵碳平衡圖之比較 ..............63. 圖 2.10 多道銲接.........................................................................................63 圖 2.11. 多重銲道中的粗晶粒熱影響區.....................................................64. 圖 2.12 箭頭所指為晶界上之氧化物.........................................................64 圖 2.13 箭頭所指方向為針狀肥粒鐵成核位置之氧化物.........................65 圖 3.1 SMAW銲接.......................................................................................66 圖 3.2 FCAW銲接........................................................................................66 圖 3.3 SMAW銲接示意圖...........................................................................67 圖 3.4 C-76 銲條..........................................................................................67 圖 3.5. 交流電焊機.......................................................................................68. 圖 3.6 SMAW電流.......................................................................................68. VII.

(11) 圖 3.7. 銲條乾燥器.......................................................................................69. 圖 3.8. 銲夾與銲條.......................................................................................69. 圖 3.9 150℃溫度筆.....................................................................................70 圖 3.10 FCAW銲接示意圖..........................................................................70 圖 3.11. TWE-711 銲線 ................................................................................71. 圖 3.12 直流電焊機.....................................................................................71 圖 3.13 自動送線機.....................................................................................72 圖 3.14 孔徑 16 mm的銲槍.........................................................................72 圖 3.15 FCAW銲接電流..............................................................................73 圖 3.16 FCAW的保護氣體..........................................................................73 圖 3.17 保護氣體流量 20 l/min ..................................................................74 圖 3.18 使用砂輪機磨過的柱板銲接面.....................................................74 圖 3.19 使用砂輪機磨過的梁翼板銲接面.................................................75 圖 3.20 擺放室外銹蝕的試體.....................................................................75 圖 3.21 柱板銹蝕達到A級 ..........................................................................76 圖 3.22 梁翼板銹蝕達到A級......................................................................76 圖 3.23 柱板銹蝕達到B級 ..........................................................................77 圖 3.24 梁翼板銹蝕達到B級 ......................................................................77 圖 3.25 柱板銹蝕達到C級 ..........................................................................78 圖 3.26 梁翼板銹蝕達到C級 ......................................................................78 圖 3.27 柱板銹蝕達到D級 ..........................................................................79 圖 3.28 梁翼板銹蝕達到D級......................................................................79. VIII.

(12) 圖 3.29 剛擺放於室外的貼膠帶試體.........................................................80 圖 3.30 擺放室外約一個月的貼膠帶試體.................................................80 圖 3.31 擺放兩個月後撕下膠帶的柱板.....................................................81 圖 3.32 擺放兩個月後撕下膠帶的梁翼板.................................................81 圖 3.33 擺放室外的塗可銲漆試體.............................................................82 圖 3.34 擺放室外四天的塗可銲漆試體.....................................................82 圖 3.35 開槽防銹劑.....................................................................................83 圖 3.36 使用測膜儀量測可銲漆厚度.........................................................84 圖 3.37 塗可銲漆擺放兩個月後的柱板.....................................................84 圖 3.38 塗可銲漆擺放兩個月後的梁翼板.................................................85 圖 3.39 鋼板取樣示意圖.............................................................................85 圖 3.40 十字接試體平面圖.........................................................................86 圖 3.41 十字接試體立面圖.........................................................................86 圖 3.42 對接試體平面圖.............................................................................87 圖 3.43 對接試體立面圖.............................................................................87 圖 3.44 目視檢測-穚式凸輪規 ...................................................................88 圖 3.45 磁粒檢測前校正.............................................................................88 圖 3.46 磁粒檢測過程.................................................................................89 圖 3.47 磁粒檢測產生的磁力線.................................................................89 圖 3.48 超音波檢測.....................................................................................90 圖 3.49 十字接試體取樣位置圖.................................................................90 圖 3.50 對接試體取樣位置圖.....................................................................91. IX.

(13) 圖 3.51 全銲道試驗示意圖.........................................................................91 圖 3.52 斷面收縮試驗示意圖.....................................................................92 圖 3.53 萬能試驗機.....................................................................................92 圖 3.54 拉伸試片尺寸.................................................................................93 圖 3.55 自由彎曲試驗示意圖.....................................................................93 圖 3.56 導彎試驗示意圖.............................................................................94 圖 3.57 彎曲試驗過程.................................................................................94 圖 3.58 彎曲試驗-壓到 180 度 ...................................................................95 圖 3.59 背彎試片尺寸.................................................................................95 圖 3.60 側彎試片尺寸.................................................................................96 圖 3.61 維式硬度試驗機.............................................................................96 圖 3.62 衝擊試驗機.....................................................................................97 圖 3.63 依序為 240#、400#、800#、1200#、2000#砂紙與拋光布 .......97 圖 3.64 CCD接電腦與光學顯微鏡.............................................................98 圖 4.1 SN490B母材拉伸試驗試片 .............................................................99 圖 4.2 SN490B母材拉伸試驗後試片照片-試片 1 ....................................99 圖 4.3 SN490B母材拉伸試驗後試片照片-試片 2 ..................................100 圖 4.4 SN490B母材拉伸試驗後試片照片-試片 3 ..................................100 圖 4.5 SN490B母材拉伸試驗後試片照片-試片 4 ..................................101 圖 4.6. 磨光接面銲件拉伸試驗試片.........................................................101. 圖 4.7. 斷面縮率計算方式示意圖.............................................................102. 圖 4.8. 磨光接面銲件試片拉伸試驗後照片(FSR1).................................103. X.

(14) 圖 4.9. 磨光接面銲件試片拉伸試驗後照片(FST2) .................................103. 圖 4.10 磨光接面銲件試片拉伸試驗後照片(FST1) ...............................104 圖 4.11. 磨光接面銲件試片拉伸試驗後照片(SSF1) ...............................104. 圖 4.12 磨光接面銲件試片拉伸試驗後照片(SSF2) ...............................105 圖 4.13 磨光接面銲件試片拉伸試驗後照片(SSR1)...............................105 圖 4.14 接面銹蝕A級的銲件拉伸試驗試片............................................106 圖 4.15 接面銹蝕A級的銲件拉伸試驗後照片(FAT1) ............................106 圖 4.16 接面銹蝕A級的銲件拉伸試驗後照片(FAT2) ............................107 圖 4.17 接面銹蝕A級的銲件拉伸試驗後照片(SAT1)............................107 圖 4.18 接面銹蝕A級的銲件拉伸試驗後照片(SAT2)............................108 圖 4.19 接面銹蝕B級的銲件拉伸試驗試片 ............................................108 圖 4.20 接面銹蝕B級的銲件拉伸試驗後照片(FBF1) ............................109 圖 4.21 接面銹蝕B級的銲件拉伸試驗後照片(FBF2) ............................109 圖 4.22 接面銹蝕B級的銲件拉伸試驗後照片(SBT1)............................110 圖 4.23 接面銹蝕B級的銲件拉伸試驗後照片(SBT2)............................110 圖 4.24 接面銹蝕C級的銲件拉伸試驗試片 ............................................ 111 圖 4.25 接面銹蝕C級的銲件拉伸試驗後照片(FCT1)............................ 111 圖 4.26 接面銹蝕C級的銲件拉伸試驗後照片(FCT2)............................112 圖 4.27 接面銹蝕C級的銲件拉伸試驗後照片(SCT1)............................112 圖 4.28 接面銹蝕C級的銲件拉伸試驗後照片(SCT2)............................113 圖 4.29 接面銹蝕D級的銲件拉伸試驗試片............................................113 圖 4.30 接面銹蝕D級的銲件拉伸試驗後照片(FDF1)............................114. XI.

(15) 圖 4.31 接面銹蝕D級的銲件拉伸試驗後照片(FDT2) ...........................114 圖 4.32 接面銹蝕D級的銲件拉伸試驗後照片(SDT1) ...........................115 圖 4.33 接面銹蝕D級的銲件拉伸試驗後照片(SDT2) ...........................115 圖 4.34 接面塗可銲漆的銲件拉伸試驗試片...........................................116 圖 4.35 接面塗可銲漆的銲件拉伸試驗後照片(FPR1)...........................116 圖 4.36 接面塗可銲漆的銲件拉伸試驗後照片(FPT2) ...........................117 圖 4.37 接面塗可銲漆的銲件拉伸試驗後照片(SPR1)...........................117 圖 4.38 接面塗可銲漆的銲件拉伸試驗後照片(SPT2) ...........................118 圖 4.39 接面貼膠帶的銲件拉伸試驗試片...............................................118 圖 4.40 接面貼膠帶的銲件拉伸試驗後照片(FTF1) ...............................119 圖 4.41 接面貼膠帶的銲件拉伸試驗後照片(FTR1)...............................119 圖 4.42 接面貼膠帶的銲件拉伸試驗後照片(STF1) ...............................120 圖 4.43 接面貼膠帶的銲件拉伸試驗後照片(STF2) ...............................120 圖 4.44 接面貼膠帶的銲件拉伸試驗後照片(STT1)...............................121 圖 4.45 FCAW在不同接合型式的比較(降伏強度).................................121 圖 4.46 FCAW在不同接合型式的比較(抗拉強度).................................122 圖 4.47 FCAW在不同接合型式的比較(伸長率).....................................122 圖 4.48 FCAW在不同接合型式的比較(斷面縮率-寬度) .......................123 圖 4.49 FCAW在不同接合型式的比較(斷面縮率-厚度) .......................123 圖 4.50 SMAW在不同接合型式的比較(降伏強度)................................124 圖 4.51 SMAW在不同接合型式的比較(抗拉強度)................................124 圖 4.52 SMAW在不同接合型式的比較(伸長率)....................................125. XII.

(16) 圖 4.53 SMAW在不同接合型式的比較(斷面縮率-寬度) ......................126 圖 4.54 SMAW在不同接合型式的比較(斷面縮率-厚度) ......................126 圖 4.55 磨光接面彎曲試片照(FSR1).......................................................127 圖 4.56 磨光接面彎曲試片照(FSF2) .......................................................128 圖 4.57 磨光接面彎曲試片照(FSR2).......................................................129 圖 4.58 磨光接面彎曲試片照(FST1) .......................................................130 圖 4.59 磨光接面彎曲試片照(SSF1) .......................................................131 圖 4.60 磨光接面試片照(SSF2) ...............................................................132 圖 4.61 磨光接面試片照(SSR1) ...............................................................133 圖 4.62 銹蝕A級彎曲試片照(FAT1) ........................................................134 圖 4.63 銹蝕A級彎曲試片照(FAT2) ........................................................135 圖 4.64 銹蝕A級彎曲試片照(SAT1) ........................................................136 圖 4.65 銹蝕A級彎曲試片照(SAT2) ........................................................137 圖 4.66 銹蝕B級彎曲試片照(FBF1) ........................................................138 圖 4.67 銹蝕B級彎曲試片照(FBF2) ........................................................139 圖 4.68 銹蝕B級彎曲試片照(SBT1) ........................................................140 圖 4.69 銹蝕B級彎曲試片照(SBT2) ........................................................141 圖 4.70 銹蝕C級彎曲試片照(FCT1) ........................................................142 圖 4.71 銹蝕C級彎曲試片照(FCT2) ........................................................143 圖 4.72 銹蝕C級彎曲試片照(SCT1) ........................................................144 圖 4.73 銹蝕C級彎曲試片照(SCT2) ........................................................145 圖 4.74 銹蝕D級彎曲試片照(FDF1)........................................................146. XIII.

(17) 圖 4.75 銹蝕D級彎曲試片照(FDT2)........................................................147 圖 4.76 銹蝕D級彎曲試片照(SDT1)........................................................148 圖 4.77 銹蝕D級彎曲試片照(SDT2)........................................................149 圖 4.78 塗可銲漆彎曲試片照(FPR1).......................................................150 圖 4.79 塗可銲漆彎曲試片照(FPT2) .......................................................151 圖 4.80 塗可銲漆彎曲試片照(SPR1).......................................................152 圖 4.81 塗可銲漆彎曲試片照(SPT2) .......................................................153 圖 4.82 貼膠帶彎曲試片照(FTF1) ...........................................................154 圖 4.83 貼膠帶彎曲試片照(FTR1)...........................................................155 圖 4.84 貼膠帶彎曲試片照(STF1) ...........................................................156 圖 4.85 貼膠帶彎曲試片照(STF2) ...........................................................157 圖 4.86 貼膠帶彎曲試片照(STT1) ...........................................................158 圖 4.87 面彎試驗結果統計圖...................................................................159 圖 4.88 背彎試驗結果統計圖...................................................................160 圖 4.89 側彎試驗結果統計圖...................................................................161 圖 4.90 硬度試驗位置(FSR1) ...................................................................162 圖 4.91 硬度試驗曲線圖(FSR1) ...............................................................162 圖 4.92 硬度試驗位置(FCT1)...................................................................163 圖 4.93 硬度試驗曲線圖(FCT1)...............................................................163 圖 4.94 硬度試驗位置(FDF1)...................................................................164 圖 4.95 硬度試驗曲線圖(FDF1)...............................................................164 圖 4.96 熱影響區衝擊試片取樣位置示意圖...........................................165. XIV.

(18) 圖 4.97 銲道衝擊試片取樣位置示意圖...................................................165 圖 5.1. 對接與十字接試體的比較.............................................................166. 圖 5.2 FCAW與SMAW不同銲接方式的比較 .........................................167 圖 5.3. 有無偏析線的比較.........................................................................168. 圖 5.4. 磨光接面巨觀浸蝕照.....................................................................169. 圖 5.5. 接面銹蝕A級巨觀浸蝕照..............................................................170. 圖 5.6. 接面銹蝕B級巨觀浸蝕照 ..............................................................171. 圖 5.7. 接面銹蝕C級巨觀浸蝕照 ..............................................................172. 圖 5.8. 接面銹蝕D級巨觀浸蝕照..............................................................173. 圖 5.9. 接面塗可銲漆巨觀浸蝕照.............................................................174. 圖 5.10 接面貼膠帶巨觀浸蝕照...............................................................175 圖 5.11. 金相觀察位置示意圖(FSR1) .......................................................176. 圖 5.12 磨光接面FSR1 銲道組織(a) ........................................................177 圖 5.13 磨光接面FSR1 銲道組織(b) ........................................................177 圖 5.14 磨光接面FSR1 銲道與熱影響區交界(c) ....................................178 圖 5.15 磨光接面FSR1 熱影響區(d) ........................................................178 圖 5.16 磨光接面FSR1 熱影響區交界(e) ................................................179 圖 5.17 磨光接面FSR1 熱影響區(f).........................................................179 圖 5.18 磨光接面FSR1 熱影響區(g) ........................................................180 圖 5.19 磨光接面FSR1 熱影響區(h) ........................................................180 圖 5.20 磨光接面FSR1 母材(i).................................................................181 圖 5.21 磨光接面FSR1 柱母材偏析線(j)[放大 380 倍] ..........................181. XV.

(19) 圖 5.22 磨光接面FSR1 柱母材偏析線[放大 95 倍]................................182 圖 5.23 磨光接面FSR1 柱母材偏析線[放大 950 倍]..............................182 圖 5.24 金相觀察位置示意圖(FCT1).......................................................183 圖 5.25 銹蝕接面FCT1 銲道組織(a) ........................................................184 圖 5.26 銹蝕接面FCT1 銲道組織(b)........................................................184 圖 5.27 銹蝕接面FCT1 銲道與熱影響區交界(c)....................................185 圖 5.28 銹蝕接面FCT1 熱影響區(d)........................................................185 圖 5.29 銹蝕接面FCT1 熱影響區(e) ........................................................186 圖 5.30 銹蝕接面FCT1 熱影響區(f) ........................................................186 圖 5.31 銹蝕接面FCT1 熱影響區(g)........................................................187 圖 5.32 銹蝕接面FCT1 熱影響區(h)........................................................187 圖 5.33 銹蝕接面FCT1 母材(i).................................................................188 圖 5.34 磨光接面FSR1 銲道腐蝕前後.....................................................189 圖 5.35 銹蝕接面FCT1 銲道腐蝕前後 ....................................................190 圖 5.36 銹蝕接面FAT1 銲道與熱影響區交界 ........................................191 圖 5.37 銹蝕接面FBF1 銲道與熱影響區交界.........................................191 圖 5.38 銹蝕接面FCT1 銲道與熱影響區交界 ........................................192 圖 5.39 銹蝕接面FDF1 銲道與熱影響區交界 ........................................192 圖 5.40 塗可銲漆FPR1 銲道組織.............................................................193 圖 5.41 貼膠帶FTF1 銲道組織.................................................................193. XVI.

(20) SN490B 鋼銲件之巨觀力學特性與微觀結構研究. 指導教授：張惠雲 1、林克強 2 1 國立高雄大學土木與環境工程研究所 2 國家地震工程研究中心學生：林志和國立高雄大學土木與環境工程研究所摘要本研究從巨觀力學試驗與微觀金相組織，探討銲接面上的銹蝕對銲件之可能影響。本研究模擬施工現場，使用遮護金屬電弧銲接(Shielded Metal Arc Welding, SMAW)與包藥銲線電弧銲接(Flux Cored Arc Welding, FCAW)兩種銲接方法，來對 25mm 的 SN490B 鋼板進行銲接。鋼板接合方式有十字接與對接之兩種。銲接面條件分別為磨光接面、銹蝕 A 級、銹蝕 B 級、銹蝕 C 級、銹蝕 D 級、貼膠帶以及塗可銲漆。本研究之主要結果如下： (1) 銲接面上的銹蝕對銲件的降伏強度、抗拉強度、伸長率、斷面縮率、硬度值以及衝擊值，沒有明顯的影響。但銲接面有銹蝕的拉伸試片在母材與銲道交界處有裂縫。 (2) 銲接面上的銹蝕不會對銲道與熱影響區之金相組織型態做改變，但銹蝕接面的孔洞較多。這也證實了接面上的銹蝕在銲接時經高溫溶解成氣體不會完全逸散，因此會殘留增加銲道內孔隙。 (3) 偏析線對銲件的降伏強度與抗拉強度沒有明顯的影響，但會減少銲件的伸長率與斷面縮率，並使破裂面完全呈脆性。從金相組織也可看出，偏析線是由一排或數個孔洞連續排列所組成，故拉伸試驗銲件容易斷在偏析線上。由(1)與(2)可知，銲接面上有銹蝕的銲件在母材與銲道交界處易有裂縫，且銹蝕在銲接時經高溫溶解成氣體、會增加銲道內孔隙。建議後續研究針對此定性結果，進一步模擬地震作用來對銲接面上有銹蝕的銲件進行反覆載重試驗，以更瞭解銲接面上的銹蝕對銲件之影響。關鍵字：SN490B 鋼、銲接面銹蝕、偏析線、力學試驗、金相觀察. 1.

(21) A Study on Macro-mechanism and Microstructure of SN490B Steel Advisor: Dr. Heui-Yung Chang Institute of Department of Civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung Co-Advisor: Dr. Ker-Chun Lin National Center for Research on Earthquake Engineering Student: Chih-ho Lin Institute of Department of Civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung ABSTRACT To investigate the effects of welding surface rust, this study carries out a series of mechanic testing on SN490B steel welds, comparing the metallurgical structure under microscope. The T-joints and butt joints welds were made of 25-mm steel plates. Two kinds of welding methods were used, including shielded metal arc welding (SMAW) and flux cored arc welding (FCAW). These two methods are also the most popular ones at construction sites. The welding surfaces were polished, covered with rust of Grade A, B, C and D, struck with tape, and coated with a layer of weldable paint, respectively. From the above study, the following conclusion can be drawn. (1) Welding surface rust cannot cause severe impact on yield and tensile strength, elongation, cross-section shrinkage, hardness and toughness of steel welds. However, the rust may cause the initial cracks between weld and steel metal. (2) Welding surface rust almost cannot change the pattern or metallurgical structure of weld, heat-affected zone and steel metal. But the rust may increase porosity in weld and heat-affected zone. It suggests that welding cannot cause surface rust to escape completely, and part of the rust finally makes corrosion holes. (3) Segregation lines may not cause severe impact on the yield strength and tensile strength of steel welds, but can significantly reduce the elongation and cross-section shrinkage rate, causing brittle fracture. It can be seen under microscope that segregation lines are a row of holes. That explains why the T-joints may fail for the segregation lines in column plates. 2.

(22) (4) From (1) and (2), it can be suggested that welding surface rust may increase porosity in weld and heat-affected zone, causing the initial cracks between weld and steel metal. To further investigate the effects, cyclic tests will be undertaken at the next phase of this research. Keywords: SN490B Steel, welding surface rust, Segregation line, mechanic testing, metallurgical structure.. 3.

(23) 第一章緒論 1.1 研究背景與動機近年來隨著鋼材品質與種類的提升，許多工業化國家開始廣泛地使用鋼結構建築物。在 921 集集大地震之後，台灣的鋼結構工業也開始迅速地發展。現今台灣許多超高層大樓都是採用鋼結構。鋼構件從鋼構廠生產出來後，運送到工地現場準備進行組裝與電銲。四面環海的台灣氣候深受海洋氣流所影響，除每年七月至九月間有颱風侵襲，平時降雨機率也特別高，故生活中含鐵的金屬製品容易銹蝕。即使鋼構件於出廠前已經過除銹的程序，但放置於工地現場後還是易與空氣中的水氣產生氧化現象，若是遇到雨水再經陽光曝曬則鋼材生銹的速度更是迅速。在工地現場，施工人員也會使用膠帶或是防銹漆來隔絕銲接面與空氣的接觸。不過，根據工地現場的觀察，膠帶與防銹漆之防銹效果並不是那麼的理想。而鋼結構銲接規範規定，接合面及其附近區域不得有銹皮、銲渣、水氣、油漬及影響銲接之物質[12]。所以，進行銲接前須先除銹，且須依表面銹蝕程度來選擇不同的除銹工具與方法[13]。而放置於超高層大樓上的鋼材若是遇到雨天時，銲工就沒辦法進行銲接的工作。在停工的這段時間裡，銲接面因潮濕的水氣而使銹蝕的現象更加明顯。而位於高樓層的鋼材因除銹不易，所以施工現場的梁柱接頭在銲接時會有連銲接面上的銹也一起銲進去之情況發生，如圖 1.1 所示。對鋼結構建築物而言，銲接的優良與否關係到整個銲件的強度與變形能力。銲接是母材與熔填金屬經高溫熔融結合在一起的一種過程。銲接區域的顯微組織會隨著鋼材及融填金屬成份、銲接入熱量、預熱溫度. 4.

(24) 及冷卻速率而有所不同，而銲道及熱影響區所形成的顯微組織直接控制銲接區域的機械性質[1]。在工地現場，銲接面因水氣產生的銹蝕在經過銲接後對於整個建築結構是否產生影響，目前還不清楚，所以有研究探討的必要性。. 1.2 研究目的本研究主要藉力學試驗與金相觀察，來瞭解銹蝕對鋼製銲接式梁柱接頭(以下簡稱銲件)之影響。本研究模擬施工現場的情況，來設計與製作銲接面上有銹蝕的 SN490B 銲件，並對銲件進行標準力學試驗，以暸解銲接面上的銹蝕被銲接進去後對銲件強度與變化能力是否產生影響，並利用金相組織觀察來探討銹蝕影響銲件的可能原因，以其相關成果可供現場施工與管理之參考。. 1.3 研究方法本研究針對銲接面條件不同的銲件來做接合能力試驗，研究流程如圖 1.2 所示。銲接的種類有四十多種，本研究使用工地現場最常採用的銲接方式，包括遮護金屬電弧銲接(Shielded Metal Arc Welding, SMAW)與包藥銲線電弧銲接(Flux Cored Arc Welding, FCAW)兩種銲接方法，對 25mm SN490B 鋼板進行銲接。在施工現場，鋼材因受潮程度不一而有著不一樣的銹蝕程度。為了防止銹蝕，施工人員會在銲接面上使用貼膠帶或是塗防銹漆的方式來防銹。本研究為了使試驗條件與施工現場情形一樣，除了磨光銲接面外，也模擬鋼材不同的銹蝕程度來進行銲接，以及在銲接面上塗可銲漆與貼膠帶後，置於室外一段時間才銲接。銲接完成後，藉由銲件拉伸試驗與彎曲試驗，來比較其力學特性與觀察巨觀破裂面。另. 5.

(25) 外，由金相組織的觀察來探討銲接面上的銹蝕影響銲件力學特性之可能原因。本研究論文共六章。第一章說明本研究的背景與動機、目的以及方法。第二章收集與整理國內外有關 SN490 鋼銲件之銲道與熱影響區金相組織研究，並由文獻來瞭解整個銲接區域的力學特性與破壞模式。第三章則對本試驗所使用之方法及參數做說明。第四章為巨觀力學試驗結果與比較，即探討銲件在不同銲接面條件下的力學特性。第五章為微觀試驗結果與比較，藉金相觀察來暸解接面銹蝕對於銲件影響之可能原因。第六章根據試驗比較結果提出結論，並對未來的研究方向提出建議。. 6.

(26) 第二章文獻回顧 2.1 銹蝕程度分類本研究主要藉力學試驗與金相觀察，來暸解銹蝕對鋼製銲接式梁柱接頭(以下簡稱銲件)之影響。鋼結構銲接規範規定[12]，銲接接合面及其附近區域不能有銹蝕，否則要表面處理後才能進行下一步的銲接程序。瑞典標準協會(SIS-05-5900)建議的處理方式有二，一為以手工具或電動砂輪機除銹，另一則為噴砂處理。銲件根據銹蝕程度的不同，應選擇適當的表面處理方式以確實除銹[13]。實際上，運送到工地現場的銲件數量很多，且每個銲件在室外的受潮程度不一，以致表面生銹程度也不同。因此，在工地現場，特別是高樓層的銲件往往因銲接面除銹不易，會有連銹蝕面也一起銲接進去的情況發生。美國鋼結構油漆協會(Steel Structure Painting Council, SSPC)，對未經表面處理鋼材之銹蝕程度分為 A, B, C, D 四級[13]： A 級：鐵塊表面全部附著黑皮，完全或些許鐵銹附著，如圖 2.1 所示。 B 級：鐵塊表面附著些許鐵銹，但沒有整面附著，如圖 2.2 所示。 C 級：鐵塊表面完全附著鐵銹，甚至有些許深層鏽蝕，如圖 2.3 所示。 D 級：鐵塊不只附著鐵銹，深層鏽蝕淺顯易見，如圖 2.4 所示。. 2.2. SN490B結構用鋼鋼構造建築物鋼結構設計技術規範指出[14][15][16]，台灣的鋼結構. 建築梁多為 H 型鋼，而柱則以組立之箱型斷面為主。傳統使用於耐震結構之鋼材為 A36 及 A572(Grade 50)。早期台灣以 A36 鋼材做為一般結構用鋼。921 集集大地震後，台灣開始改用 A572(Grade 50)的鋼材，那是因. 7.

(27) 為 A36 鋼材實際強度與標稱強度的比值較高，導致韌性設計的結果變異性增高，故規範建議不宜再使用。1994 年北嶺地震發生後發現既有鋼材的變異性過高，故在 AISC 推動下開發 ASTM A992 規格型鋼(不含鋼板規格)，具有降伏強度範圍限制及降伏比要求(0.85)，已被建議用來取代 A36 與 A572(Grade 50)型鋼。日本於 1995 年阪神大地震發生後，其鋼結構規範開始規定耐震構材應使用 SN 鋼材，因原先所使用的 SS 與 SM 鋼材品質要求不夠嚴謹，容易產生品質瑕疵，在地震後被認為可能無法適用於所有的耐震建築構材。從 2007 年後開始，在台灣鋼構造建築物設計規範中之耐震設計也開始建議採用 SN 鋼材。於 SN 鋼材中，其規格還可再分為 SN-A 系列、SN-B 系列與 SN-C 系列，如表 2.1 所示。若以抗拉強度來區分，可分成 400MPa 與 490MPa 兩種，而以內部品質特性區分則可分成 SN400A、SN400B、SN400C 三種 400MPa 強度等級鋼材，但 490MPa 強度等級的 SN 鋼材只有 B 與 C 兩種[16]。SN400B 與 SN490B 除了基本性質分別與 SM400 及 SM490 相近外，還具有狹降伏強度及低降伏比之特性，更適合使用於耐震構材。 SN-C 系列對於鋼板厚度方向性質與超音波檢驗有另外要求，且對於 S 與 P 的成分含量要求再降低，其原因在於 SN490C 主要用於板厚大於 40 mm 的組合箱型柱，而板厚愈大愈易導致鋼板在銲後產生層裂，故 SN-C 系列對於厚度方向之機械性質有較嚴格之規定。SN-B 系列鋼材多用於梁，故對於厚度方向之機械性質，規範就沒有嚴格的要求[14][15]。文獻[1][11][18]提到，SN 鋼材是用傳統的控制滾軋(conventional controlled rolling, CCR)方式來生產。CCR 方式首先由電爐設備將廢鋼熔. 8.

(28) 成鑄胚，再將鑄胚放入高溫爐中均質化，然後分段熱軋成板狀，傳統控制滾軋製程 (CCR) 後搭配加速冷卻控制就是所謂的熱機處理 (thermo-mechanical-controlled processing, TMCP)。原來的鑄造組織因變形而破損，但因處於沃斯田鐵化狀態而又再結晶，此種再結晶受到溫度及每次通過的滾輪發生變形，添加少量鈮等晶粒細化元素，可使鋼材具有更細緻的肥粒鐵晶粒，而晶粒愈細則機械性質較為良好。鑄造期間因偏析所造成的成分不均勻會因軋延逐漸減少，而非金屬不純物也會被壓碎變形，均勻散佈在鋼中。因此鑄胚品質會影響之後軋延成品的品質好壞。鑄胚內部品質缺陷主要有四種，分別為內部裂縫、中心孔洞、大型介在物與中心偏析。內部裂縫與中心孔洞兩種缺陷主要發生在軋延過程或凝固不良時。大型介在物來源則分為兩類，一為外界進入分金屬介在物，另一為脫氧生成物。中心偏析為鑄胚凝固時，結晶粒往鑄胚中心成長，造成硫或碳等低溫合金最後凝固在鑄胚中心，而偏析現象較為顯著的鑄胚軋成鋼板時，其品質必然較差。. 2.3 結構用鋼金相觀察鋼鐵材料可以分為鑄鐵(生鐵)、熟鐵(純鐵)、碳鋼、合金鋼等四種材料，碳鋼隨著含碳量程度的不同，又可以分成低碳鋼(0.025~0.25%C)，中碳鋼(0.25~0.55%C)與高碳鋼(0.55~2.0%C)[11]。鋼之微觀組織主要為肥粒鐵、波來鐵與雪明碳鐵的混合物，而結構用鋼多屬於低碳鋼，在 A1 變態溫度下，低碳鋼的顯微組織為肥粒鐵與波來鐵，如圖 2.5 與 2.6。由此可知，鋼的微觀組織與其含碳量及溫度有關。而物質主要由分子或原子所構成，由於溫度等外在條件的變化，使得分子或原子的結合形式發生變. 9.

(29) 化，此種狀態變化稱為變態，而鋼鐵的各種性質起因於變態[6]。於鋼之鐵碳平衡圖中，標示了幾個鋼的變態點，如圖 2.7 所示。A0 變態溫度為 210℃，其變態原因是起因於雪明碳鐵的磁性變態，在 210℃以下雪明碳鐵具有強磁性，但超過 210℃時，雪明碳鐵會失去磁性，而鋼在 A1 點以下的組織為肥粒鐵與雪明碳鐵之共存組織，但肥粒鐵在 210℃到 A1 點之間仍有磁性，故整個鋼還是具有磁性，只是比 210℃以下時要小[11]。A1 變態溫度為 723℃，鋼會發生 A1 變態的最低含碳量為 0.02%，若含碳量低於此值並不會發生 A1 變態。當碳鋼被加熱時，組織內的波來鐵變為沃斯田鐵時的溫度是一定的，超過這溫度時，組織內尚未變化的肥粒鐵或雪明碳鐵會漸次溶入沃斯田鐵內，到了某一溫度就會全部溶入沃斯田鐵中[6]。鋼之 A2 變態與純鐵相同，隨著溫度的增高，磁性程度會慢慢減少，到 768℃就會失去磁性，此即 A2 變態。圖 2.7 上之 G 點，為純鐵之 A3 變態點，其變態溫度為 910℃，其變態會隨著含碳量的不同(如圖 2.7 中之 GS 曲線)而作變化[11]。 SN490B 鋼內之金相組織為肥粒鐵與波來鐵，由於在生產過程中經過軋延製程，所以其波來鐵組織常成帶狀。肥粒鐵又稱α鐵，具有強度小、硬度低以及延性佳等機械性質[6]。波來鐵組織是由肥粒鐵與雪明碳鐵成層狀交互排列，其層間距離取決於沃斯田鐵變態反應時之溫度，溫度愈高，距離愈大，而溫度愈低其層間距離就愈細。肥粒鐵與雪明碳鐵本身的機械性質並不會因其厚薄與排列的距離而改變，若混合狀態愈細，抗拉強度、降伏點及硬度皆愈高[2][6][11]。. 10.

(30) 2.4 銲道與熱影響區金相觀察 2.4.1 單道銲接銲接是指將母材依需要將其加熱或兼施壓的方式，並依接合處狀況選擇是否使用銲條，使金屬材料之原子間互相融化，重新結合成一體的過程[4]。受到銲接熱源的影響，銲道與熱影響區的金相組織會發生改變，其顯微組織會隨著合金含量、冷卻速率、含氧量及沃斯田鐵晶粒尺寸等因素而改變[1][3]。單道銲接如圖 2.8 所示，在銲接時所輸出的熱量，從銲道中心往母材方向傳遞，銲道可以分為熔融區(fusion zone)與熱影響區(Heat Affected Zone, HAZ)，熔融區在銲接時溫度超過母材的熔點，熱影響區為在銲接過程中靠近熔融區的母材位置，隨著與銲道中心熱源的遠近而有不同的熱影響區，如圖 2.9 所示[1][3][9][19]。 (1) 熔融線(Fusion Line) 銲接金屬與母材的交界面組織變化相當急遽。此界面之溫度剛好介於液相線與固相線之間，熔融線也稱液-固過渡區(Solid-liquid Transition Zone)，可以看到狹長之部分溶解區[3]。 (2) 晶粒成長區(Grain Growth Zone) 又稱粗晶區熱影響區(Grain-coarsened HAZ, GCHAZ)。靠近熔融線的母材溫度接近 1500℃，此時沃斯田鐵晶粒成長特別迅速，因而長成粗大的晶粒。沃斯田鐵晶粒成長主要由保持時間來決定，而高熱量或是緩冷的情況都容易造成粗大的晶粒，加 Ti 對細化晶粒效果顯著，可改善熱影響區晶粒粗大現象，有助於韌性的提高[3]。粗晶區常含硬且脆的組織，. 11.

(31) 使得材料往往從此區破壞，在粗晶區可看到的顯微組織有費德曼肥粒鐵（Widmanstäten ferrite，WF）、晶界肥粒鐵(Allotriomorphic ferrite)、波來及部分麻田散鐵(Martensite)等硬脆組織[10]。 (3) 再結晶區(Recrystallized Zone) 又稱細晶粒熱影響區(Fine-grained HAZ, FGHAZ)。沃斯田鐵晶粒與熔融區距離愈遠則晶粒愈小，在這個溫度範圍沃斯田鐵產生在結晶現象，因此晶粒有細化的效果，由於這區域冷卻速度較快，因此母材原有帶狀組織(banded structure)都消失[22]。本區的顯微組織主要有細微肥粒鐵、少許的費德曼肥粒鐵，以及一些細波來鐵，有良好的機械性質[9]。 (4) 部分變態區(Partially Transformed Zone) 又稱臨界熱影響區(Intercritical partially transformed HAZ, ICHAZ)。此區溫度範圍介於 750℃到 900℃之間，母材仍保持帶狀組織之型態，原來的肥粒鐵帶沒有變化，而原來的波來鐵帶則被沃斯田鐵化，經冷卻變態為初析肥粒鐵(pro-eutectoid ferrite)與波來鐵之細微組織[3]。本區主要的顯微組織為肥粒鐵、一些球化的波來鐵和層狀波來鐵[10]。 (5) 回火區(Tempered Zone) 又稱下臨界熱影響區 (Subcritical partially transformed HAZ, SCHAZ)。此區溫度範圍介於 700℃到 750℃之間，母材本身沒有產生明顯相變化，波來鐵中的雪明碳鐵被球化，使得母材有軟化現象[3][10]。 (6) 未受影響之母材區(Unaffected Base Metal) 此區的顯微組職主要為肥粒鐵與波來鐵所組成，因製程時之軋延，所以波來鐵成層狀排列[4]。. 12.

(32) 2.4.2 多道銲接由(林, 2007)的研究得知，SN490B 的銲道顯微組織在銲道區的肥粒鐵型態主要以晶界肥粒鐵 PF (G)、肥粒鐵側板 FS (SP)及針狀肥粒鐵 AF 為主。晶界肥粒鐵 PF (G)生長在原沃斯田鐵晶界上，原沃斯田鐵晶粒呈現柱狀結構，肥粒鐵側板 FS (SP)呈現鋸齒狀，針狀肥粒鐵 AF 整體上呈現編織結構型態，且成核在原沃斯田鐵晶粒內的非金屬夾雜物上。粗晶粒熱影響區的顯微組織以上變韌鐵 FS (UB)為主。多道銲接如圖 2.10 所示，因為銲接的重復性會造成前銲道的晶粒熱影響區(GCHAZ)組織被後續銲道再熱行為而改變。根據再熱溫度的範圍可分四類，如圖 2.11 所示，下臨界再熱晶粒粗化區(Subcritical reheated grain-coarsened zone, SBCGC) 溫度低於 AC1 、臨界再熱晶粒粗化區 (Intercritical reheated grain-coarsened zone, ICCGC)溫度在 AC1 與 AC3 之間、上臨界再熱晶粒粗化區(Supercritical reheated grain-coarsened zone, SPCGR)溫度高於 AC3 但低於 1200℃以及未改變的晶粒粗化區(Unaltered grain-coarsened zone, UAGC)溫度低於 200℃或高於 1200℃[1][20]。國際銲接協會（International Institute of Welding, IIW）針對肥粒鐵之銲道的顯微組織分類如表 2.2 所示[1][3][21]。一般低碳鋼之銲道的顯微組織包括(1)晶界肥粒鐵 PF（G）、(2)肥粒鐵側板 FS（SP）又稱費得曼肥粒鐵（Widmanstäten ferrite, WF）、(3)針狀肥粒鐵（AF）及微相（Microphases）包含少量的麻田散鐵（M）與(4)殘留沃斯田鐵（RA）或退化的波來鐵（P）。熱影響區的顯微結構和銲道的顯微結構相同，除針狀肥粒鐵組織外，為針狀肥粒鐵組織的成核在於非金屬夾雜物（Nonmetallic inclusions）的存. 13.

(33) 在，其型態相對於晶界肥粒鐵及肥粒鐵側板可提供較高的韌性[1][22]。 (1) 晶界肥粒鐵(Allotriomorphic ferrite) 晶界肥粒鐵所佔據的晶界，容易使裂紋沿之生長，因而對鋼材韌性造成不良影響[10]。 (2) 費得曼肥粒鐵（Widmanstäten ferrite, WF）在鋼的相變化中，從高溫冷卻下來時，第二相以板狀型態在母相的晶界上成核成長，且有一定的方向性。肥粒鐵平板之間常會生成脆硬的微細組織(Microphase)，這些組織通常是由麻田散鐵、殘留沃斯田鐵或是波來鐵所構成，使得材料衝擊韌性下降[10]。 (3) 針狀肥粒鐵(Acicular ferrite) 針狀肥粒鐵是變韌鐵的一種，針狀肥粒鐵是利用在沃斯田鐵晶粒中的夾雜物作為成核位置，針狀肥粒鐵是在晶粒內部生長，而變韌鐵是在晶界處成核生長，當晶粒尺寸很大，且晶粒內部有析出物分佈時，才會得到針狀肥粒鐵，否則將以變韌鐵為優先成核成長機制。針狀肥粒鐵與變韌鐵相變化特徵相同，皆屬於剪切型相變化，由於針狀肥粒鐵交錯複雜且微細的組織特徵，因此使得針狀肥粒鐵的抗衝擊性質比變韌鐵更優異，針狀肥粒鐵成為許多銲接熱影響區，特別是粗晶區所希望得到的顯微組織[10]。. 2.4.3 銲道韌性 (李, 2002)提到，1970 年代中期開始有人研究銲道之顯微組織與韌性之關係，研究發現針狀肥粒鐵對於提高銲接金屬之強度與韌性有助益的效果。1978 年以後才又發現，氧含量是影響針狀肥粒比例之機構，如圖. 14.

(34) 2.12 所示。當銲接金屬中氧含量適當的話，針狀肥粒鐵容易在沃斯田鐵晶粒內先行長出。若氧含量低時，會導致變韌鐵的生成，使得銲接金屬韌性下降。如圖 2.13，氧含量高時，沃斯田鐵晶界會有大型界在物存在，利於晶界邊板狀肥粒鐵(side-plate ferrite)成長。氧含量約在 300~400ppm 左右可得到最佳的韌性，針狀肥粒鐵含量在 70%時可得到最高衝擊韌性值[3]。. 15.

(35) 第三章實驗方法 3.1 銲件製作本研究主要為台灣電力公司(輸變電工程處)為了解鋼材之鏽蝕對鋼構銲接面接合能力，而訂定之試驗計劃[23]，藉由力學試驗與金相觀察，來瞭解銹蝕對鋼製銲接式梁柱接頭(以下簡稱銲件)之影響。本研究首先透過標準試驗，探討銲接面上的銹蝕對銲件巨觀力學特性之影響。之後從金相組織觀察，探討銲接面上的銹蝕影響銲件之可能原因。為了模擬梁柱接頭，本研究試驗初期規劃銲件採用十字接接合型式，並依據 AWS D1.1 (2006) WPS 規範來製作。進行拉伸試驗後發現，銲件斷裂在柱板中間偏析線的問題。故後來的試驗將部份銲件接合型式改為對接型式。本研究試驗主要參數包括：銲接方法、銲接面條件與接合型式。試驗初期規劃為一組試驗參數製作三組銲件，其一取拉伸試片、巨觀浸蝕與金相試片各一個，另一取面彎試片、側彎試片、巨觀浸蝕與金相試片各一個，而最後一組銲件則取背彎試片、側彎試片、巨觀浸蝕與金相試片各一個。後來考慮進一步控制銲接品質，變更為一組試驗參數製作兩組銲件，其一取拉伸試片、面彎試片與側彎試片各一個，以及巨觀浸蝕與金相試片各三個；另一取拉伸試片、背彎試片與側彎試片各一個，以及巨觀浸蝕與金相試片各三個。最後，為集中觀察銲道根部的銲接品質，變更為一組試驗參數製作一組銲件，並於同一銲件上取拉伸試片、背彎試片與側彎試片各一個，以及巨觀浸蝕與金相試片各三個。. 3.2 試驗參數於試驗過程中，銲接方法有 SMAW 與 FCAW 兩種銲接方式。銲接. 16.

(36) 面的條件分別為磨光接面、含銹接面與防銹接面等三種。銲件接合型式有十字接與對接兩種，如表 3.1 所示。. 3.2.1 銲接方法為了模擬工地施工情況，本研究採用現場最常使用的 SMAW 與 FCAW 兩種銲接方法來做試驗，如圖 3.1 與圖 3.2 所示，以下針對這兩種不同的銲接方式來做說明。. 3.2.1.1 SMAW 銲接遮護金屬電弧銲接(Shielded Metal Arc Welding, SMAW)，其銲接方式為使用包覆銲條當電極，利用電極與母材間產生的電弧熱量來熔融銲條與母材，冷卻凝固後形成銲道而將銲件結合。在銲接過程中，銲條之塗料被電弧燃燒，生成氣體與浮渣，對電弧與銲接熔池形成遮蔽，使熔融的金屬與空氣隔絕避免被氧化，如圖 3.3 所示[7]。本試驗所使用的銲條由中國銲條機械股份有限公司所製造，型號為 C-76，銲條規格 AWS SFA-5.1 E7016，而銲條直徑 5mm。銲接前，銲條放在乾燥器內 45 分鐘，確保銲條乾燥。施銲過程中，銲接電流控制在 180~280AMP，而電壓控制在 18~28V。層間溫度降低到 150℃以下時，才開始進行下一道銲接，測量溫度的工具為使用 150℃的溫度筆，如圖 3.4 到圖 3.9 所示。銲接型式為全滲透開槽銲，而銲接姿勢為平銲。. 3.2.1.2 FCAW 銲接包藥銲線電弧銲接(Flux Cored Arc Welding, FCAW)，其銲接方式為電弧產生在連續輸送之消耗性電極與熔池之間，填料金屬為內部裝填銲藥的管狀線材，銲藥的功能為參與冶金反應及生成熔渣。一般採用 CO2 為. 17.

(37) 保護氣體，以降低成本，若不需使用保護氣體者，則需採用會產生遮護氣體的銲藥，如圖 3.10 所示[7][12]。本試驗所使用的銲接機型號為 Duke 650A，銲線由天泰公司所製造，型號為 TWE-711，銲條規格 AWS A5.20 E71T-1C，銲線直徑 1.2mm，使用的保護氣體為 CO2，氣體流量控制在 201/min。於施銲過程中，銲接電流控制在 280AMP±7%，而電壓控制在 36V±10%。層間溫度低於 150℃ 時，才開始進行下一道銲接，測量溫度的工具為使用 150℃的溫度筆，如圖 3.11 到圖 3.17 所示。銲接型式為全滲透開槽銲，銲接姿勢為平銲。. 3.2.2. 銲接面條件. 本研究探討銹蝕對於銲件的力學特性是否造成影響，因此針對磨光接面與含銹接面之銲件來做比較。為了防止銲接面生銹，工地現場常在銲接面上黏貼膠帶或塗可銲漆來防銹。因此，本研究也在銲接面上黏貼膠帶以及塗可銲漆，藉此探討其防銹效果及對銲件之力學特性影響。. 3.2.2.1 磨光接面如圖片 3.18 與圖 3.19 所示。在工地現場，鋼板銲接面上之黑皮會先磨掉。故本研究於銲接前，梁翼板與柱板銲接面先使用砂輪機磨光，以確保銲接面上沒有任何的黑皮與銹蝕。. 3.2.2.2 含銹接面為了模擬工地現場鋼板銹蝕的情況，本研究將鋼板置於室外銹蝕，待銲接面上之銹蝕等級分別達到 A、B、C、D 級時鋼板才組立銲接，如圖 3.20 所示，為擺放在室外銹蝕的試體。置於室外一個月後經判斷接面銹蝕達到 A 級程度的銲件，如圖 3.21 與圖 3.22 所示。置於室外三個半月. 18.

(38) 後經判斷接面銹蝕達到 B 級程度的銲件，如圖 3.23 與圖 3.24 所示。置於室外六個月後經判斷接面銹蝕達到 C 級程度的銲件，如圖 3.25 與圖 3.26 所示。置於在室外九個月後經判斷接面銹蝕達到 D 級程度的銲件，如圖 3.27 與圖 3.28 所示。. 3.2.2.3 防銹接面本研究接面防銹有兩種，一為接面貼膠帶，另一為接面塗可銲漆。為了模擬工地現場，待銲接面貼上膠帶後將其置於室外，如圖 3.29 與圖 3.30 所示。膠帶名稱為 TOWER P.V.C TAPE，而製造廠商為晉通化學工業股份有限公司。貼膠帶的鋼塊於擺放兩個月後進行銲接，其撕下膠帶的照片如圖 3.31 與 3.32 所示。銲件面塗可銲漆的試體也擺放於室外，等待兩個月後才進行銲接，如圖 3.33 與圖 3.34 所示，為其擺放室外銹蝕的過程。如圖 3.35 所示，可銲漆名稱為 TT-SILVER 開槽防銹劑，製造廠商由天泰銲材工業股份有限公司所製造，擺放室外前先使用測膜儀量測所塗的可銲漆厚度，如圖 3.36 所示。圖 3.37 與圖 3.38 為擺放在室外兩個月後的塗可銲漆試體。. 3.2.3 接合型式本試驗使用厚度 25mm 的 SN490B 鋼板來切成試片，如圖 3.39 所示。銲件接合型式分為兩種，一為十字接，另一為對接，銲件開槽角度與根寬距離依據 AWS D1.1 (2006) WPS 規範來製作。如圖 3.40 與圖 3.41 所示，十字接為使用兩塊梁翼板與一塊柱板進行組立，其開槽角度 30°，根寬 10mm。對接為使用兩塊梁翼板進行組立，其開槽角度 60°，根寬 6mm，如圖 3.42 與圖 3.43 所示。. 19.

(39) 3.3 銲道非破壞性檢測在不破壞銲件的條件下，為了檢查銲道是否有因銲接不良而產生的瑕疵，銲件之銲道必須通過非破壞性檢測(Nondestructively Test, NDT) 後，才能進行下一步試驗。本試驗對於銲件的銲道檢測使用方法為目視檢測、磁粒檢測與超音波檢測三種。以下將針對上述的三種銲道檢測方法做說明。. 3.3.1 目視檢測如圖 3.44 所示，目視檢測(Visual Test, VT)，即檢測人員使用簡單的量測工具，例如用照明燈、放大鏡以及穚式凸輪規(Bridge Cam Gauge)等輔助工具，以目視方式來檢查銲道的外觀，藉此判斷銲道的外觀是否有瑕疵。對於銲蝕與銲冠的評判標準，規範規定[12]母材厚度等於 25mm 者，其銲蝕深度不得超過 1.6mm，銲冠高度不得超過 3mm。. 3.3.2 磁粒檢測如圖 3.45 到 3.47 所示，於檢測過程對銲件通電成磁場，即所謂的磁粒檢測(Magnetic Particle Test, MT)。依據磁力線分布的原理，若銲道有龜裂則磁力線會有不連續的現象，此時銲件上噴灑的磁粉會集中在缺陷的部位，由此可知銲道的缺陷位置[9]。. 3.3.3 超音波檢測對銲件發出高頻率的超音波，根據回音路程原理，由各種不同反射波型來比較判斷出銲道缺陷位置[9]，即超音波檢測(Ultrasonic Test, UT)。本試驗在超音波的檢驗方式上，主要採用反射式檢驗法，將超音波藉由發射探頭發出於被檢測的銲道內，如圖 3.48 所示。依發射角度又可分為. 20.

(40) 垂直反射式與斜角反射式兩種。利用此檢測，可以從示波器的反射波型判斷銲道內有無缺陷，並測得缺陷的位置。. 3.4 試驗項目銲道在通過 VT、MT、UT 等非破壞性檢測後，銲件經加工處理製成拉伸試驗與彎曲試驗之試片，以進行銲件的破壞性試驗，藉此比較銲件之力學特性，並透過巨觀浸蝕與金相試驗來觀察其銲道、熱影響區與母材之顯微組織。試片取樣位置如圖 3.49 與圖 3.50 所示。. 3.4.1 拉伸試驗銲件在拉伸試驗上分為兩種，一種為全銲道試驗(All Weld Metal Tension)，試片由銲件之銲道內取樣，如圖 3.51 所示，此種試驗主要求得銲接填料的抗拉強度以及各種拉伸特性。另一種為斷面收縮試驗 (Reduced Section Tension Test)，主要試驗銲接接點之抗拉強度，如圖 3.52 所示[7]。本研究做的拉伸試驗為斷面收縮試驗，如圖 3.53 所示。根據 AWS 規範，以板厚 25mm 來選擇適當的拉伸試片尺寸，如圖 3.54 所示，藉此量測銲件的伸長率、縮減率、降伏強度與抗拉強度，並觀察其破裂位置與破裂面，比較不同銲接面條件下之銲件，其拉伸試驗結果是否有所不同。根據鋼結構施工規範，其強度之試驗值不得低於母材鋼種之規格值[13][17]。. 3.4.2 彎曲試驗彎曲試驗主要用來檢測銲件的延性，測試銲件是否因母材或銲道的缺陷而導致脆裂，銲道的彎曲試驗分為自由彎曲試驗(Free-Bend Test)與導彎試驗(Guideed-Bend Test)兩種。自由彎曲試驗如圖 3.55 所示，從銲件取. 21.

(41) 樣下來的試片，其銲道位於試片中央，於銲道面離銲接邊緣 1.6mm，畫兩線記為最初位置 x，然後將試片初彎成 30 度角，接著將初彎的試片放入壓力機使其試片兩端緊靠，試驗後重新測量兩線間的距離 y，進而求出延長百分比[7]。導彎試驗是指將試片橫置於夾具上模與下模之間，然後以壓力機自上將上模往下壓，直到試片壓入下模，彎曲成 180°為止，如圖 3.56 所示[9]。本研究使用的為導彎試驗，如圖 3.57 到圖 3.58 所示。在彎曲試片的製作過程中，選擇加工背彎與側彎兩種試片，根據 AWS 規範，以板厚 25mm 規格來選擇適當的尺寸大小，如圖 3.59 與 3.60 所示。藉由彎曲試驗來觀察銲道被彎曲部分之外側有無裂痕或缺陷，比較不同銲接面條件下之銲件，其彎曲試驗結果是否有所不同。根據鋼結構施工規範，於彎曲試驗結束後，以目視檢測彎曲後之凸出表面，其接受標準不得超過以下情況[13][17]： (1)表面任何方向之瑕疵超過 3mm， (2)瑕疵超過 1mm，小於或等於 3mm 時，其總和長度超過 10mm， (3)最大邊裂長度超過 6mm，但由目視可判定其邊裂是由夾渣或融合不良等情況所造成時，其瑕疵仍不可大於 3mm。當邊裂不是夾渣或融合不良所造成時，如超過 6mm 時，可重新由原來試片再取樣重做。. 3.4.3 硬度試驗受到銲接入熱的影響，銲道旁的熱影響其晶粒較為粗大且硬脆。為了比較磨光接面與銹蝕接面在銲道與熱影響區的硬度差異，本研究規劃進行磨光接面、銹蝕 C 級與銹蝕 D 級之銲件硬度試驗。本研究所做的硬度試驗為維式硬度試驗，而維式硬度試驗機如圖 3.61 所示。試驗荷重為. 22.

(42) 5kgf，荷重保持時間為 15 秒，由打完硬度得到的壓痕對角線長度經查表換算可求出硬度值。. 3.4.4 衝擊試驗為了瞭解接面銹蝕對銲道與熱影響區韌性所造成之影響，本研究針對磨光接面以及接面銹蝕 C 級與 D 級的銲件，針對其銲道與熱影響區做衝擊試驗，以進行比較。Charpy 衝擊試驗機如圖 3.62 所示。將擺鎚昇至一個高度後釋放，於衝斷試片後，藉由位能與動能間的能量換算公式求其衝擊值，可由衝擊值的高低來判斷材料的韌性。. 3.4.5 巨觀浸蝕試驗從試體取樣下來的巨觀浸蝕試片厚度為 20mm，將不進行鑲埋而直接研磨，使用 240 號砂紙進行簡單粗磨後，浸蝕於 2 %的硝酸酒精(Nital) 約 5~10 分，之後以大量清水沖洗乾淨，再用酒精沖洗並吹乾後，直接觀察其銲道結構，並使用翻拍架以相機進行拍攝。. 3.4.6 金相觀察從試體取樣下來的金相試片厚度為 10mm，且不進行鑲埋的動作，依序從 240 號、400 號、800 號、1200 號及 2000 號砂紙直接來研磨，然後使用 0.3μm 的氧化鋁粉在拋光布上進行拋光。最後再浸蝕於 2%的硝酸酒精(Nital)約 5~10 秒，待試片表面起霧狀後，將浸蝕完的試片以大量清水沖洗乾淨，再用酒精沖洗並吹乾。利用黏土與壓平器來使金相試體在光學顯微鏡下不至於有焦距不對的情況產生，藉由適當的倍率來觀察顯微組織，使用 CCD 接顯微鏡來拍攝金相照片，如圖 3.63 與圖 3.64 所示。. 23.

(43) 第四章巨觀力學試驗結果 4.1 前言在巨觀力學試驗這部份，本研究進行了拉伸試驗、彎曲試驗、硬度試驗以及衝擊試驗，藉此比較銲件在不同銲接面條件下的力學特性。. 4.2 拉伸試驗 4.2.1 規範要求表 4.1 為建築結構用軋鋼料之材質規範。本試驗使用的鋼材為厚度 25mm 的 SN490B 鋼。由表 4.1 可知，厚度 16mm＜t≦40mm 之鋼板，降伏強度應在 325~445N/mm2 範圍內，抗拉強度要求在 490~610N/ mm2。在伸長率部份，厚度 16mm＜t≦50mm 之鋼板，伸長率至少≧21%。. 4.2.2 SN490B 母材本研究首先對 SN490B 母材進行試驗。SN490B 母材拉伸試片如圖 4.1 所示。試片的數量為四組，其中試片 1 與試片 2 長度為 460mm，而平行部長度為 200mm。為了比較，本研究按照 AWS 規範對銲件之規定，另外製作兩組長度為 300mm，平行部長度為 100mm 的拉伸試片，其分別編號為試片 3 與試片 4。 SN490B 母材拉伸試驗結果如表 4.2 所示。試體之降伏強度介於 369~401N/mm2，符合表 4.1 降伏強度應在 325~445N/mm2 的規範要求。試體抗拉強度介於 525~534N/mm2，也符合表 4.1 規定的 490~610N/ mm2 之要求。試片伸長率都大於 31%，也符合表 4.1 規定的 21%以上之要求。綜合以上所述，本研究使用之 SN490B 母材在降伏強度、抗拉強度以及伸長率都符合規範要求。另外，由表 4.2 之母材拉伸試驗結果可知，試片. 24.

(44) 長度對降伏強度、抗拉強度以及伸長率之影響不大。圖 4.2 到圖 4.5 為 SN490B 母材拉伸試驗後試片照片，而各試體的巨觀破裂面均有延性破面與脆性破面之兩種構造。. 4.2.3 磨光接面銲件本試驗根據 AWS 規範規定製作銲件拉伸試片，圖 4.6 為磨光接面銲件拉伸試驗試片。試片 FSR1、FST2 與 FST1 之銲接方式為包藥銲線電弧銲接(FCAW)，而試片 SSF1、SSF2 與 SSR1 之銲接方式為遮護金屬電弧銲接(SMAW)。六組銲件中，除了 FST1 與 SSR1 的接合型式為對接，另外四組銲件皆採十字接型式銲接。銲件拉伸試驗結果如表 4.3 所示。於六組試體中，有兩組斷在銲道、兩組斷在柱板中間的偏析線，另外兩組斷在梁母材。除了 FST1 試片(降伏強度為 366.13N/mm2)與 SSR1 試片(降伏強度為 379.14N/mm2)偏低外，其餘磨光接面銲件之降伏強度皆超過 400N/mm2，並大於表 4.2 的母材降伏強度要求。又表 4.3 之銲件抗拉強度介在 538~571N/mm2 範圍，較表 4.2 母材抗拉強度 525~534N/mm2 略高。在伸長率部份，除了 FSR1(伸長率為 10.32%)偏低外，其餘銲件伸長率皆在 15%以上。將表 4.3 與表 4.2 比較可知，磨光接面銲件的伸長率介於 10%~26%，遠低於母材伸長率 30%~36%，且對接銲件的伸長率普遍較十字接銲件要佳。斷面縮率的計算方式如圖 4.7 所示，十字接型式銲接的 FSR1 與 SSF2 斷面縮率明顯低，且其破裂位置皆在柱母材中間的偏析線上，也就是說偏析線導致銲件斷面縮率變差。圖 4.8 到圖 4.13 為磨光接面銲件試片拉伸試驗後照片。除了圖 4.8. 25.