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01. 核四鋼結構銲接施工品保要件
02. 雷射輔助摩擦攪拌銲接
03. 2002年 - 鈦合金銲接的事紀
01. 核四鋼結構銲接施工品保要件

在核能級的工程,必須依照其設計或施工規範如ASME SEC.III, ASME SEC.V, SEC.IX嚴格的施工,並以嚴格的品保制度控制設計與施工品質。

目前鋼結構之設計與施工,一般依照AWS D1.1(美國焊接學會鋼結構銲接規範)法規,在銲接施工之前應依圖面之銲口設計、鋼材規格、銲材規格、銲接方法等銲接重要參數與設計法規,對每一種類之銲道建立適當銲接程序規範(WPS)、程序檢定紀錄(PQR),而且實際擔任銲接施工之電銲技術員事先均須依照WPS進行試片銲接,所銲試片經檢定合格後才能擔任銲接工作;又若需更改重要銲接參數(如銲接方法、銲條種類),則需另行制訂WPS 並完成PQR檢定紀錄,擔任銲接工作之技術員也須依據新的WPS重新進行銲接檢定,在銲接完成後銲道必須依據法規由合格人員,以規定的非破壞檢測法(如磁粉探傷、超音波、放射線等)檢驗合格,才能確保工件品質。

在這些施工環節中,若有對各種銲接方法、法規規定都很熟悉之銲接檢驗師(CWI)擔任施工監督,可確保每一銲接施工過程都依照規範進行,降低人為疏忽產生的錯誤。美國銲接學會有一套嚴格的檢定考試,通過該學會銲接專業知識、實做、法規等三部份檢定考試的人,才能獲得銲接檢驗師(AWS - CWI)資格,才有能力對銲接工程做有效的監督。
02. 雷射輔助摩擦攪拌銲接


原著/ G. Kohn, Y. Greenberg, I. Makover and A. Munitz
翻譯/ K.H. Tseng

摘要

雷射輔助摩擦攪拌銲接(Laser Assisted Friction Stir Welding, LAFSW)是一項新式改良後的摩擦攪拌銲接(Friction Stir Welding, FSW)技術,此製程技術的發展在最近十年內已趨於成熟。由於在摩擦攪拌銲接過程中,銲接熱能乃是藉由旋轉工具與接合工件間的摩擦而產生的,亦即需要施予較大的工作負荷,因此傳統摩擦攪拌銲接系統之設備結構不僅複雜且製造費用亦較昂貴。然而,雷射輔助摩擦攪拌銲接係先採用雷射能來加熱工件,然後再藉由銲接探針來進行攪拌動作進而接合工件。因此雷射輔助摩擦攪拌銲接系統能夠達到設備結構簡易且製造費用低廉的優越性。

本文主要在敘述雷射輔助摩擦攪拌銲接技術對AZ91D鎂合金板之初步研究結果,文中並探討此製程技術的優越性。

一、傳統摩擦攪拌銲接

摩擦攪拌銲接製程是一項相當新的接合製程技術,目前此專利權乃歸屬於The Welding Institute[1],ESAB AB則將其發展成具有商業用途的製程技術。此項技術陸續衍生出許多常見的摩擦銲接方法,早期主要應用在鋁及其合金的接合技術[2]。然而在最近幾年,摩擦攪拌銲接製程則已被廣泛地應用在其它輕金屬及其合金的接合技術[3-7]。

在摩擦攪拌銲接過程中,首先使用強而有力的夾治具將欲接合的工件夾持固定在支撐板(backing plate)上,再將具有特殊輪廓外形的旋轉工具沿著工件欲接合位置移動。由於材料受到壓力與摩擦熱的作用後將會使其產生塑化,因此可藉由銲接探針來傳送此接合部位所需的熱能,進而完成工件的接合。

當鋁合金銲件厚度為40 mm時可採用單邊式摩擦攪拌銲接製程,若其銲件厚度為75 mm時則需採用雙邊式摩擦攪拌銲接製程[4, 6]。根據研究指出[3, 4, 6],當鋁、鎂合金採用摩擦攪拌銲接製程時,其將比傳統熔銲製程有較佳的銲接性能。

摩擦攪拌銲接製程可將熔銲過程中所產生的裂縫缺陷予以消除,且母材之合金元素也不會因蒸發作用而造成流失現象。此外,其銲道區域的形成主要是由於探針激烈的攪拌作用,因此將可獲致細晶結構且幾乎不會產生氣孔缺陷,進而可改善銲件機械性質。

如下所述,摩擦攪拌銲接有許多優越性:

1. 整個銲接過程相當簡單,且不需使用銲條或填料等消耗物。
2. 接頭邊緣不需前加工處理。
3. 銲接前不需事先清除工件表面的氧化物。
4. 整個過程可採自動化的銲接方式,且可採全姿勢(all position)的銲接位置。
5. 對鋁、鎂合金銲件而言,摩擦攪拌銲接可達到高接合強度的性能要求。
6. 摩擦攪拌銲接可使用於對銲道裂縫敏感性較高的合金材料。

至於摩擦攪拌銲接的缺點則包括需要強而有力的夾治具來將工件夾持固定在銲接工作台上。此外,由於需要施予較大的工作負荷才能驅使旋轉工具進行移行動作,因此銲接探針會產生較高的磨耗率。

在Midling等人[8]所申請的專利範疇中,即針對摩擦攪拌銲接製程提出改良設計,其中包括在旋轉工具的前方採用移動式感應線圈來當作熱源,藉以提供位於銲接探針下方材料所需的熱能。當材料受到熱能作用後將會產生塑化現象,至於銲接探針的主要作用乃在控制預熱材料的塑流型態,且可破壞存在於工件表面的氧化薄膜。

然而此改良後的摩擦攪拌銲接製程仍存有某些缺失。例如無法利用感應線圈在特定位置上予以精確加熱。所有傳導性材料,包含銲接探針與夾持裝置皆會受到感應線圈中之電流所產生的熱能影響而受熱。此外,感應電流可能會橫越銲接路徑進而形成不良的放電火花。當然利用感應線圈加熱的方式,只能適用於傳導性材料,至於其他非金屬、非傳導性材料則無法適用此加熱方式。

二、雷射輔助摩擦攪拌銲接

為了要克服傳統摩擦攪拌銲接製程之缺失,遂發展出一套雷射輔助摩擦攪拌銲接系統[9]。此系統結合了工業用途的銑床設備及一套Nd : YAG雷射系統。至於雷射能的主要作用乃在預熱工件(位於旋轉工具前方的局部區域),如此將可使位於旋轉工具前方的工件產生塑化現象(如圖1所示)。接著工件就如同傳統摩擦攪拌銲接製程將其予以接合。由於雷射能的高溫作用將會使位於旋轉工具前方的工件軟化,因此不需要強而有力的夾治具將欲接合的工件夾持固定在銲接工作台上。此外,由於僅需施予較小的工作負荷即能驅使旋轉工具進行移行動作,因此可減少銲接探針的磨耗。在此新製程中的雷射能更具有另一優越性:即使在高速銲接狀態下,亦不會造成旋轉工具過度的磨損現象。

若將商業用途的光束操縱器與決定雷射功率的高精密控制器相配合,則可協助操作者準確控制傳遞至工件的能量大小。如此一來,將可有效地控制工件加熱的區域及雷射能量傳遞至工件的總額,以避免銲接探針與夾持裝置受到雷射光束所產生的熱能影響而受熱。
圖1 雷射輔助摩擦攪拌銲接原理之示意圖

三、實驗方法與設備

銲接實驗系統包含有一套700 W之多模態Nd:YAG雷射系統,其波長為1064 nm,及一台3 hp之傳統立式銑床。

實驗試片利用4個23 mm的螺栓予以固定在銑床機台上。旋轉工具為一直徑20 mm的高速鋼圓柱,其下方則有一直徑9 mm、長4 mm的探針,此探針的主要作用為銲接實驗試片。利用纖芯為800 μm、長度為5 m的階射率光纖將雷射光束傳遞至實驗試片。雷射光束在旋轉工具前方被完全聚焦成直徑1 cm的光點(如圖1所示)。利用點銲方式將熱電隅接至實驗試片表面以校正銲件溫度。雷射功率設定為200 W,利用此能量將實驗試片加熱至320 ℃左右。至於旋轉工具的轉速則為1700 rpm,而銲接速度為5 cm/min。

四、結果與討論

如圖2所示為雷射輔助摩擦攪拌技術對4 mm厚之AZ91鎂合金板之銲製結果。圖3(a)即為圖2之局部熔透銲道(partial-penetration weld)之橫斷面圖。圖3(b)則為圖3(a)箭頭指示區域之局部放大圖,由圖3(b)可明顯發現採用雷射輔助摩擦攪拌銲接技術可獲致無缺陷(defect-free)的微細結構。

圖2 雷射輔助摩擦攪拌技術對AZ91鎂合金板之銲製結果
03. 2002年 - 鈦合金銲接的事紀


金屬工業研究發展中心 / 銲接組 郭俊生

1. AWS籌備委員會將建立D 1.9,Structure Welding Code-Titanium規範

鈦及其合金是眾所週知的工程用材料具有比強度高、耐腐蝕等特點,自1950年起即於航太產業的應用如氣體渦輪引擎、飛機結構等,近年來鈦的應用已漸走入至民生用品如高爾夫球頭、太陽眼鏡等。隨著應用領域的加大,亦經常需要銲接,卻無鈦合金結構件銲接規範可依循,目前僅有壓力容器及航太工業有建立其所需的規範,但是結構件及武器結構件等如照片1-3所示,亦須有其相關的規範以為施行的依據。

由於鈦合金銲接對於大氣的反應非常敏感,因此須特別針對此將銲槍、尾罩、背吹及保護氣等的氣體露點列為主要變因,基於此本規範主要欲建立一共用的文件適用於目前尚缺少之鈦合金相關的設計、成果及結構製造之銲接。

目前D1.9委員會代表主要為美國國內鈦合金製造廠、國防分包商、石油/天然氣製造商、銲接學術單位、美國海軍及陸軍、以及獨立之銲接分包商等。國際之D1.9委員會代表包括國外的國防分包商及石油/天然氣製造商。成員約有25個單位代表,此委員會每年開會兩次,至今已開會3次分別為2001年3月及10月、2002年3月。本委員會必須於有限的公開資料中建立符合大多數使用者需求的規範,其中將可能納入美國陸軍已進行研究的機械手脈沖GMAW銲接製程。

2. 美國海軍提昇其船艦之配管管路

美國海軍最新之LPD-17兩棲運補船已與鈕奧良之Avondale 公司最近簽下超過12000英呎長之1/2至12英吋管徑的2號鈦(Ti-2)管路建置的合約,其主要更換為鈦管路的原因是節省成本,因為傳統之鎳銅合金管路其壽命約5-7年且維修時間10個月至1年,為了減少維修成本及時間,並提昇其使用壽命,因此美國聯邦政府計劃將鈦管應用於此新型的船艦上以對得起納稅人。

Avondale 公司為了對銲接施工及品質的確保,積極進行人員的訓練如照片4所示及工廠的整備建立1650平方呎之清靜室並與其他金屬的工作場所隔離,以避免所有可能對於銲道的污染。

3. 最新之商品化鈦合金銲接保護尾罩

通常鈦合金銲接保護尾罩大多是依工件的尺寸及接頭型式而自行依需求來製作,依經驗尚無商品化的保護尾罩上市。今年的AWS welding journal 的廣告已有如照片5所示的商品化保護尾罩問世,其商品具有其獨特的輕薄優點及可彎曲組合特性,與一般自行製作需用鋼絲絨及體積較大、尺寸固定、適用範圍窄等有所區別,其產品屬於機械加工,並以螺絲組合可依需求來搭配遮護尺寸的尾罩如照片6所示,如果管徑尺寸不一,可以彎曲來屈就其曲率,其靈活運用性高可減少製作尾罩的加工時間及成本,是一項很有創意的產品。

參考資料:
(1) SUSAN CAMPBELL “Socity News”,Welding Journal 2002 March Vol.81 No.3,P49-50。
(2) MIKE SAMMONS “Navy Upgrades Ship’s Piping”,Welding Journal 2002 June Vol.81 No.6,P31-33。
(3) Advertise on Welding Journal 2002 June Vol.81 No.6,P39。

照片1、十字軍自走式榴彈砲
Crusader self-propelled howitzer

照片2、XM777輕量式榴彈砲
Lightweight howitzer

照片3、阿不搭比機場候機大廳屋頂的規劃設計
Proposed design for the Abu Dhabi airport terminal roof

(A)

(B)
照片4. Avondale 公司鈦合金管路銲接訓練的情形

照片5. 鈦合金銲接保護尾罩的廣告

照片6. 鈦合金銲接保護尾罩的組合分解情形

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