第三章實驗方法與步驟

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第三章實驗方法與步驟

3.1 實驗流程

本研究之實驗流程如圖3-1，參閱 FSW 相關文獻後規劃製程參數，接著準備實驗設備、器材及檢測儀器。

實驗設備與前置準備包括(1)工具頭材料；(2)鎂合金板片；(3)車床：依參數條件車削出工具頭；(4)銑床：調整主軸轉數並搭配銲接進給率；(5)夾具之設計與製作安裝：以能克服工具頭之扭矩及銲接進行之推力為重心；(6)k 型熱電偶線、溫度截取器：透過 DXA100 DAQSTANDARD 軟體之轉檔，最後以 Excel 檔案格式輸出數據及溫度曲線圖。

檢測方面為(1)初步目測：就外觀判定是否為不良品；(2)溫度檢測：讀取 MV100 溫度截取器視窗上之數值，決定銲道是否完成熱塑流狀態；(3)巨觀及顯微觀察：試片處理後由巨觀檢視銲道及銲核，作為微硬度及顯微組織 OM、

SEM 觀察之依據；(4)微硬度機：比較銲道內各區域及母材之強度關係；(5)拉伸實驗機：求得拉伸強度及斷裂情形；(6)拉伸破斷面觀察。

3.2 實驗材料及設備

本實驗所使用之材料為 AZ31B 鎂合金商用軋延薄板，其原始厚度 3 mm 左右，化學組成、機械性能、物理性質如表 3-1、3-2^[44]、3-3^[45]所示。本實驗之鎂合金原始型號為 AZ31B–H24，H24 表示材料係軋延過後進行部份退火處理。

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本研究之實驗過程製程簡單，不需額外添置昂貴設備，只要具有變換旋轉主軸及自動進給移動床台之銑床工作母機，如圖 3-2，永峻昌工業有限公司生產之床台型強力立式銑床(heavy duty bed type vertical milling machine) 即可達成。但若要獲得良好銲接品質的銲件，摩擦攪拌桿的設計及製程條件的選擇仍必須有效的加以控制。

本研究採用鎂合金板為母材，以SKD61 工具鋼材質鋼棒製作摩擦攪拌桿，

尺寸ψ28 mm × 90 mm，前端攪拌尖稍探針略小於厚度之尺寸，以成型車刀車削便於固定幾何形狀，車削後之SKD61 工具頭經多次實驗發現以鍍氮化鈦為最耐磨耗，又因兼顧剛性夾持部份，採用直徑20 mm 最不容易扭斷並能承受衝擊力，因此建議採用此表面處理工具頭減少磨耗延長使用壽命，如圖3-3。

工具頭鍍膜處理程序敘述如下：使用直流式非平衡磁控濺鍍系統(DC Unbalance-Magnetron Sputtering System)製鍍氮化鈦薄膜，並搭配英商 Megatech 公司所製Reactaflo^TM光學發射光譜儀(Optical Emission Spectrometer, OES)，因利用偵測特定波長輻射的瞬間強度，故須先校準 Ti²^＋離子發射光波長為 454 nm，並透過高速迴路控制壓電閥門，以調整反應氣體氮氣在該瞬間的供給量；

固定參數為OES60%、鍍膜時間 80 分鐘、氬氣工作壓力 2.0×10^-3 Torr。

利用套筒將工具頭(或稱為攪拌桿)夾持於銑床主軸上，主軸之轉數(rotating speed) 可調整，銲接進給速率(traverse speed)可經由機器設定，可自動進給。

兩板狀試片利用夾具夾持與定位於床台上，壓接工具攪拌桿固定速度旋轉，經由床台之移動來執行進給動作。

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3.3 實驗過程

進行實驗前先將試片欲接合面以銑床加工平整，銲接時所接觸到的表面或摩擦面先用丙酮擦拭去除油脂，再以砂紙去除氧化層。銲接固定用背板採用厚 8 mm 之低碳鋼，經銑床加工、熱處理後再用磨床磨平，夾持時底板下方使用平行塊墊高，降低摩擦熱經虎鉗而散失影響銲接攪拌之熱能，並預防過熱導致材料塌陷造成攪拌不良的狀況發生。接合材料為 AZ31B-H24 之鎂板片，單一板片之尺寸為 50×100×3 mm 採兩片對接形式，材料夾持時除側面需用虎鉗固定外，尚需配合快速夾持顎夾夾具適度鎖固，防止摩擦攪拌銲接過程中，具傾斜角之凸銷插入時產生強大之扭矩反力，以及銲接進給所形成的進給推力，導致材料浮動、翹曲變形；但夾持力亦不可過劇以避免殘留應力(residual stresses) 作用在銲件，造成成品在縱向的 (longitudinal) 及橫向的 (transverse) 變形 (distortion)^[46]，如圖3-4。

主軸轉數範圍經初步實驗，將可行的轉數參數分別訂為 591、982、1615、

2622、3925 rpm，銲接進給率由 72 至 1056 mm/min，當此二參數搭配好後，即形成摩擦攪拌係數Θ值(Θ為主軸轉數與銲接進給速率之比值)，同時啟用溫度截取器，轉動工具頭後凸銷壓入材料，俟溫度到達材料塑流狀態形成擠製區(且凸銷底部與材料間產生漩渦區)，即進行摩擦攪拌銲接之銲接進給步驟，最後提起工具頭完成一片銲件。

3.4 塑性流的溫度檢測

先以ψ0.3 mm 之鑽頭鑽入 AZ31 板材深度達 1.5 mm 處，再將 k 型熱電偶 (thermocouple)線打成 ψ0.25 mm 的單股，分別插入進給邊(advancing side，AS)

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及退出邊(retreating side，RS)距銲道中心 10 mm 處，兩側各有 3 個量測點(合計 6 點)如圖 3-5，熱電偶另一端固定於 YOKOGAWA 之 mv100 型溫度截取記錄器如圖3-6 所示，檢測前以冰塊作歸零校正，將各種參數條件下的溫度狀態資料儲存於記錄器。依一維熱傳導性質配合ANSYS 8.0 軟體作熱分佈解析，並使用 MATLAB 6.5 軟體作非線性迴歸找出數學模型，來修正銲道的實際溫度，獲得較佳接合溫度條件。

3.5 顯微組織觀察

經不同製程條件銲接後之試片切取橫截面，先將試片以砂紙研磨至

#2000，再進行拋光。拋光過程分別以 1 µm 、0.3 µm 及 0.05 µm 之氧化鋁顆粒混合純酒精作為拋光液。拋光完之試料以腐蝕液(苦味酸 4.2 g＋冰醋酸 10 ml

＋水10 ml＋乙醇 70 ml)加以腐蝕，再使用光學顯微鏡(OM)、掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察其顯微組織變化情形，並區分出銲核(nugget)、攪拌區(stir zone)、

熱影響區(HAZ)及母材(BM)等區域。比較不同製程條件的差異，仔細觀察並記錄各區域微觀組織、晶粒形狀及量測粒徑之變化。

3.6 微硬度測量

將切取橫截面的試片拋光後，進行維克氏硬度(Micro Vickers Hardness)機 (如圖 3-7)測量硬度，荷重 100 g，保持時間 15 秒。由銲道中心向兩旁測量，每隔 0.4 mm 測量一點，包括銲道、熱影響區及母材。測試後將所硬度值繪製成微硬度分佈曲線，比較不同製程條件所造成之影響。

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3.7 拉伸試驗

試片依據ASTM E8 規範如圖 3-8，使用放電線切割機 FANUC CUT α-OA 如圖3-9 所示，正確地裁切出拉伸試片尺寸及幾何形狀，截取垂直銲道之拉伸試片，在國產58503 型萬能材料試驗機(universal tester)進行拉伸試驗，拉伸的夾頭速度為0.2 mm/sec，進行拉伸獲得銲件能承受之最大負荷，將結果加以彙整、分析。

3.8 拉伸破斷面觀察

以 JEOL JSM6360 型之 SEM 如圖 3-10，進行顯微斷面分析，並以 INCAs-sight Energy300 型之能量分散光譜儀( EDS )分析微區成份。

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表3-1 AZ31B 化學成份^[44]

鎂 Mg

鋁 Al

錳 Mn

鈣

Ca Ih 鋅

Zn Zr 銅 Cu

鐵 Fe

鎳 Ni

矽 Si

其他元素

餘量 2.5~3.5 0.20Min0.04Max. — 0.7~1.3 — 0.05 0.005 0.005 0.05 0.30

表 3-2 AZ31B-H24 鎂合金片、板機械性能^[45]

合金代號調質度

抗拉強度 MPa

降伏強度 MPa

伸長率

%

壓縮降伏強度MPa

勃氏硬度 (HB500) AZ31B-H24 290 220 15 180 73

表3-3 AZ31B-H24 鎂合金的物理性質^[45]

物理條件數值單位 elastic modulus 4.48E+10 Pa

Poisson's ratio 0.35

density 1770 kg/m³ thermal conductivity 95.19 W/m．K

specific heat 180 J/cm³．K

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相關文獻探討

準備實驗設備及器材

不同製程條件進行摩擦攪拌銲接

巨觀及微觀組織觀察

微硬度及接合強度試驗

熱塑性溫度

檢測 EDS成份分析

資料統計分析

撰寫整理

不同參數條件及溫度檢測進行摩擦攪拌銲接

ANSYS軟體分析銲道溫度

圖 3-1 實驗流程

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圖 3-2 床台型強力立式銑床(heavy duty bed type vertical milling machine)

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ψ14 ψ20 ψ24

88

5^O

10 ^O

4 8

88 16

2.8

(a) (b)

圖3-3 (a)工具頭尺寸圖；(b)工具頭實物

圖3-4 虎鉗夾具搭配顎式夾鉗之固定方式

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2 1 3

4 5

9

6

40 40

10

100

9

40 40

14 100

接合起始邊

10 10

(a)

(b)

(11)

圖 3-6 溫度截取器 MV100

圖3-7 FM700 微硬度計

(12)

(a)

(b)

圖3-8 (a)拉伸試片示意圖；(b)試片

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圖3-10 掃描式電子顯微鏡 SEM( JEOL JSM6360 )

第三章 實驗方法與步驟