三、蒐集整理分析國內外有關鎂合金銲接及其相關文獻

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第三章研究方法與步驟

本研究目的為探討鎂合金製程參數與其銲接特性，依照研究目的與文獻分析的結果，建立研究架構，並以實驗設計找出鎂合金之銲接製程與參數。蒐集資料後進行分析，以獲得充分而有效的實徵數據，裨以探討鎂合金之銲接特性。

第一節實驗流程

本研究的實施步驟依序說明如下，可參照圖 3-1 所示：

一、蒐集相關文獻、資料整理及分析。

二、確定研究題目、目的、方法，並建立研究架構。

三、蒐集整理分析國內外有關鎂合金銲接及其相關文獻。

四、擬定研究計畫。

五、論文計畫口試。

六、修正研究方向。

七、選取銲接控制因素，並由試銲設計實驗製程參數。

八、實驗試驗材料及設備準備，進行鎂合金對接銲。

九、進行鎂合金對接銲，其銲後之機械性質試驗、金相觀察及破斷面觀察。

十、數據整理與資料分析。

十一、歸納結論並提出建議十二、撰寫研究報告。

十三、論文口試。

十四、完成研究論文。

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Literature survey

SEM & EDS Tensile test Microhardness OM

Parameters

setup GTAW

Experimental results and discussion

Preparations

Conclusions

圖 3-1 實驗流程圖。

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第二節實驗準備

壹、實驗材料

本研究所採用之母材鍛造型 AZ31 與 AZ80 鎂合金，其化學成份係由新禾輕金屬股份有限公司提供如表 3-1 所示，材料性質如表 3-2 所示(張印本，民 90)。實驗試片尺寸為 100mm × 50mm × 1.1mm 板材。施銲前將以電動鋼刷去除氧化膜，並以丙酮除去表面油漬，避免氧化層粒子滲入銲道將影響銲道品質，造成延性降低、熔透不佳或裂之現象。

貳、銲接方式

實驗係選用 Miller－Syncrowawe 250 型惰氣鎢極電弧銲接機配合 Gullco－GK191-P/18A 型自動走銲機進行鎂合金薄板之對接銲，可參照圖 3-2 與圖 3-3 及圖 3-4、3-5 所示之銲接設備。銲接方式採無預熱、無填料，

且銲接過程中以氬氣保護。

表 3-1 AZ31 與 AZ80 鎂合金之主要成份

Component Wt.%

Material

Al Mn Zn Si Cu Ni Fe Mg AZ31 3.15 0.45 0.99 0.044 0.002 0.001 0.004 其餘

AZ80 8.45 0.25 0.56 0.021 0.002 0.001 0.003 其餘

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表 3-2 AZ31 與 AZ80 鎂合金之材料性質

Properties AZ31 AZ80

Density , g / cm³ 1.77 1.8

Hardness 56 67

Tensile strength, ultimate, MPa 260 340 Tensile strength, yield, MPa 170 250

Elongation, % 21 11

Modulus of elastity, GPa 45 45 Heat of fusion, J / g 340 370 Heat capacity, J / g．mole 1.0 1.05 Themal conductivity, W/m-℃ 96 76 Linear thermal expansion, 10^-6/℃ 26 27.2

Melting point, ℃ 627 610

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50

100 1.1

單位：mm

圖 3-2 鎂合金對接銲示意圖。

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銲接基座

AZ31 AZ80

圖 3-3 銲接製程示意圖。

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圖 3-4 Miller－Syncrowawe 250 型惰氣鎢極電弧銲接機。

圖 3-5 Gullco－GK191-P/18A型自動走銲機。

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第三節銲接製程參數設計

本實驗係進行惰氣鎢極電弧銲接，其電極極性為交流電(AC)輸出型態，將使電子擊向鎂合金板材和鎢電極的時間各佔一半，此種現象對熔池有著明顯攪拌的作用。而一般交流銲接機所預設的輸出頻率為 60Hz，若將輸出頻率向上調整，將使銲道熔池的攪拌情形更為劇烈，如此將可促進溶解氣體的釋放與脫離，即能有效減低氣孔陷入的情形。

實驗過程所使用之保護氣體可以防止銲道氧化、增加熔深與避免鎢電極遭污染。本實驗採用保護氣體為氬氣，為避免使用過量之保護氣體流率或速度，而影響銲道熔融金屬液的流場。因此，本實驗氣體流量控制器，

精確的控制保護氣體之流量。

本實驗銲接製程參數之設計，首先參考相關文獻之銲接參數值，藉由實際進行試銲的測試與修正，由於本研究係針對銲接參數對鋁鋅系列鎂合金銲接性之影響，因此，在相同之熱輸入量條件下，改變銲接電流與銲接速度之搭配進行 GTAW，詳見表 3-3 及 3-4 所示。

表 3-3 惰氣鎢極電弧銲之銲接參數電極極性電極種類電極直徑

(mm) 保護氣體保護氣體流量 (L/min) AC 純鎢 1.2 氬氣 15

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表 3-4 各熱輸入量之銲接參數彙整表

Input energy ( J/mm )

Welding current ( A )

Travel speed ( mm/sec )

Arc voltage ( V )

30 12 10 35 14 10 40 16 10 12.5

45 18 10 30 9 10 40 12 10 16.67

50 15 10 30 7.5 10 40 10 10 20

50 12.5 10 30 6 10 35 7 10 40 8 10 45 9 10 25

50 10 10

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第四節顯微組織觀察

根據研究目的隨著銲接製程參數之改變，探討惰氣鎢極電弧銲銲後對鎂合金所造成之差異。因此，透過金相實驗的觀察，能夠判斷在不同參數條件下銲道品質狀況，以及比較不同鎂合金成份銲後其銲道型態之影響。

故本研究茲將鎂合金之金相組織觀察分為兩部分作探討，一部分為銲道之外貌與型態觀察；另一部分則是晶粒顯微組織觀察。

金相實驗試片之準備，觀察用的試片可參照圖 3-6 所示。首先採用慢速鑽石切割機進行試片之取樣，再經研磨、拋光、腐蝕，將完成腐蝕的試片用丙酮或酒精，以超音波振盪清洗，再進行光學顯微鏡觀察，並調整適當倍率與焦聚，針對銲道型態、銲道晶粒顯微組織、孔洞及裂縫分佈、晶粒成長方向等予以記錄。實驗所使用之腐蝕液成份為：4.2g Picric acid＋

10ml Acetic acid＋10ml Water＋70ml Alcohal。

圖 3-6 OM、SEM、微硬度試片取樣示意圖。

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第五節微硬度試驗

本實驗係採用惰氣鎢極電弧銲接銲接方式，在銲接過程中，由於母材受高溫所造成金相組織的改變，於不同銲接製程參數條件及不同之合金成份，利用Future Tech－FM-700型微硬度試驗機，試驗荷重100gf，荷重保持時間10秒之情形下，探討銲後對鎂合金熔融區、熱影響區及母材等三個區域之微硬度值變化情形，圖3-7為FM-700型微硬度試驗機。

圖 3-7 Future Tech－FM-700 型微硬度試驗機。

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第六節拉伸試驗

本研究係採用鍛造型 AZ31 與 AZ80 之鎂合金進行惰氣鎢極電弧銲接。其銲接製程參數及合金成份之差異，藉由進行拉伸試驗探討上述兩種材料銲後拉伸強度之差異情形。並且評估鎂合金銲後其二次相的析出，對鎂合金的機械性質之影響。使用 SHIMADZU－UHI-50 噸級萬能試驗機，

在室溫環境下，以 2mm/min 拉伸速度進行拉伸試驗，求得各試片之抗拉強度，根據試驗量測結果做更深入之分析與探討。本實驗拉伸試片的製作係參考 ASTM 標準 E8 規範加工而得，其中試片規格及取樣位置如圖 3-8 所示。

10

100 30 32 32

6.25 R6

T=1.1mm

圖 3-8 拉伸試片規格及取樣位置。

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第七節 SEM 觀察及 EDS 分析

為瞭解材料破壞行為，試片經拉伸試驗破壞後，利用 JEOL－JSM 6360 型掃描式電子顯微鏡（Scanning electronic microscope, SEM）進行破斷面觀察，再以 OXFORD－INCA Energy 300 型能量散佈光譜儀（Energy dispersive spectrometers, EDS）進行定性分析。另有半定量分析、Line Scan、EDS Mapping 等功能，將可呈現各元素分佈的區域，以瞭解鎂合金銲後其二次相析出的分佈與型態，可參照圖 3-9、3-10 所示。

SEM 試片製備係用丙酮或酒精，以超音波振盪清洗，再鍍上一層厚度約 50-200 angstroms 的金屬膜或碳膜，膜層應均勻無明顯特徵，以避免干擾試片表面。金屬膜較碳膜容易鍍，適用於 SEM 影像觀察而碳膜較適於 X 光微區分析，主要是因為碳的原子序低，可以減少 X 光吸收。

圖 3-9 JEOL－JSM 6360 型掃描式電子顯微鏡。

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圖 3-10 OXFORD－INCA Energy 300 型能量散佈光譜儀。