钢结构之高效率銲接技术

鋼結構之高效率銲接技術摘要 近年來在日本由於都市土地取得不易及為了充分利用室內空間，鋼構大樓逐漸朝向高層化及大跨化發展之趨勢，相對的建物所使用之鋼板厚度也越來越厚。隨著鋼板厚度的增加，銲接所需之工時也將大為提高，為提昇施工效率節省人工成本，板厚 50mm 能以一道銲接完成的高入熱量潛弧銲接技術被成功的開發應用。 而近年來我國也面臨了都市土地取得不易因此鋼構物必需往高層發展與人工成本高漲的問題，下游鋼結構業者對這種高效率銲接技術之需求日漸殷切。本文擬針對此項技術之特色，及其應用時可能面臨的問題及改善對策加以探討，以利於有興趣引進此項製程技術之鋼構業者參考。 壹、前言 銲接為重工業上不可或缺的重要接合技術，舉凡鋼結構、造船業及製管業等領域都與銲接息息相關，因此銲接技術之良窳對構件之品質及其使用壽命具有舉足輕重的影響。對鋼結構之銲接而言，常用的方法有手銲、CO2 銲接、潛弧銲、電渣銲及電氣銲等，各種方法有其適用之場合；因此銲接方法之選用宜從施工效率及銲接品質方面加以考慮，以達到高效率及高品質的目的。 在日本近年來為有效利用土地空間，大樓高層化及大跨距已成為鋼構建築物之發展趨勢，相對的使用的鋼板厚度也愈來愈厚（1，2）。為因應這種趨勢，在銲接方法之應用也有相當大的改變。例如在高層大樓箱型柱(Box Column)之銲接上，日本已發展出板厚 50mm 的鋼板能用 1 道(one pass)銲接完成的雙極高入熱量潛弧銲接；目前甚至連板厚70mm 的鋼板也能 1 道銲接的三極潛弧銲接法也已被成功開發 (3，4)，這種高入熱量銲接法之發展對提高銲接效率及節省施工成本有相當大的好處。而近年來我國也面臨都市土地取得不易，因此鋼構大樓必須往高層發展及人工成本高漲的問題，下游鋼結構業者對厚板能一道銲接完成之高入熱量潛弧銲接法之需求日漸殷切。 本文以下將針對這種銲接方法之特色及其可能面臨的問題加以探討，以利其在國內之推廣應用。 貳、高入熱量與傳統銲接在鋼構箱型柱接合上之差異 在鋼構箱型柱的銲接上，傳統的作法是先以 CO2 銲接打底後再以中入熱量潛弧銲接填滿銲縫。由於銲接道數多，因此作業時間相當長，再加上開槽面積大，所以銲材之消耗量也也很多；但若以高入熱量潛弧銲接施工的話，因其採用高電流作業，電弧穿透能力強，且熔填效率高，即使板厚 50mm 的鋼板也能 1 道銲接完成。圖 1 所示為高入熱量與傳統銲接方式在箱型柱接合之開槽形狀與作業時間之比較，圖中顯示，高入熱量銲接之開槽面積比較小，而且作業時間也比傳統銲接方式低；而且板厚越厚時作業時間減低的幅度越顯著。表 1 所是為高入熱量與傳統潛弧銲接之銲接條件之比較，表中顯示，傳統潛弧銲接因熱量比較低，50mm 厚的鋼板大約要 14道才能銲接完成；反觀高入熱量銲接法因入熱量高達 400KJ/cm，因此僅需 1 道就可填滿銲道。圖 2 所示為二種銲接方式之銲件巨觀金相的相片，圖中顯示高入熱量銲接之銲道完美性並不亞於傳統銲接法。 參、高入熱量潛弧銲接之參數設計 高入熱量潛弧銲接之施工效率雖然很高，但如果銲接條件選用不當，不但無法獲得最高的銲接效率，還會衍生銲道熱裂、夾渣及穿透不良等銲接缺陷，因此適當的參數設計乃銲接成功與否之基礎。以下將針對銲接參數對銲道品質及施工效率的影響加以介紹： (一) 極性配置方式之影響(5)： 通常雙極潛弧銲接之極性配置方式不外乎是 DC-DC，DC-AC 及 AC-AC 等三種。就熔填效率(Deposition rate)而言，以 DC-DC 之聯接方式為最高，其次為 AC-AC 的方式，而以 DC-AC 之方式為最低。至於在穿透深度(Penetration)方面，以 DC-AC 的方式最深，DC-DC 之聯接方式居次，而以 AC-AC 者為最淺。在這三種聯接方式之應用場合方面，DC-DC 之聯接方式於銲接時易生偏弧現象(Arc blow)，較適合使用在接頭型式較單純之銲接。至於 DC-AC 之方式則適合應用於大的穿透深度及需要熔填大量銲道金屬之場合，如厚板箱型柱之銲接。而 AC-AC 之聯接方式因其對銲接時之偏弧現象不敏感，因此可應用於結構件形狀複雜而銲接時易生偏弧之處。 (二)電流之影響(6，7) 電流為重要的銲接參數之一，其對銲接入熱量及穿透深度之效應如式(1)及式(2)所示。 HI：入熱量(J/cm) E：電壓(Volt) I：電流(Amp) V：銲速(cm/min) P：穿透深度(mm) K：與銲藥種類有關之常數 由(1)、(2)二式可知，銲接入熱量及穿透深度會隨電流的增加而提高。此外，由(2)式也可看出電流是主宰穿透深度之主要參數。對於雙極潛弧銲接而言，前導電極(Lead electrode)之作用在於穿透，而尾隨電極(Trail electrode)則在於熔填銲道金屬及修飾前導電極銲接所生成柱狀晶之生長方向。因此一般而言，前導電極之銲接電流都比尾隨電極來的高以獲得足夠之穿透深度。至於二極電流比(I1/It)則應從銲道熱裂之防止及穿透等方面來考慮圖 3 所示為 I1/It 比値對穿透，銲道寬度及 Wc/W 比値之影響，通常為了防止銲道熱裂之發生，Wc/W(Wc：板厚中心之銲道寬度，W：銲道之最大寬度) 之比值應在 0.35 以上，此外為獲得足夠的穿透，穿深量需在 6mm 以上。為了滿足上述的要求，二極電流比應控制在 0.750.85 之間較佳。 (三) 電壓之影響 電壓為銲接施工中之另一個重要參數，隨著電壓的昇高會提高銲接入熱量但卻會降低穿透深度(如式(1)、(2)所示)。以外，隨著電壓的增加會降低銲道高度及增加銲道寬度。對雙極潛弧銲接而言，通常尾隨電極之電壓都比前導電極高，以獲得平整美觀之銲道。 (四) 銲速之影響 通常隨著銲速的增加會減低銲接入熱量及穿透深度(如式(1)、(2)所示)，此外銲道高度及寬度也會隨著銲速的提高而降低。當進一步提高銲速時會造成銲蝕(Undercut)現象，因此銲接速度宜針對板厚及開槽大小作適度的調整。 (五) 極間距離之影響(8) 極間距離對銲道熱裂有顯著的效應，其對銲道熱裂之影響如圖 4 所示。圖中顯示，當極間距離設定在5070mm 時，銲道柱狀晶呈現往銲道上方生長的方式，因此可以防止銲道中心熱裂之生成。這是因為當極間距離位於此一範圍時，原先前導電極所熔填而朝銲道中心生長之柱狀晶經尾隨電極之重熔後，改變其原來之生長方向而朝銲道上方生長，這種柱狀晶之生長方式可以減低雜質元素(如 FeS)在銲道中心的偏析，因此可防止熱裂的發生，然而當極間距離大於或小於最佳値時，將使柱狀晶朝銲道中心生長，不利抗熱裂性。 (六) 銲藥覆蓋高度之影響(3) 銲藥覆蓋高度對銲道外觀有相當大的影響，當覆蓋高度太高時，銲接所生成之氣體不易跑出，因而形成粗造之銲道外觀；此外也會使銲道寬度變窄及銲道高度變得非常的高。然而若銲藥覆蓋高度太淺時，將形成激烈之吹弧現象，使熔填金屬往上噴濺，因而造成銲道向中央突起的情形。此外過低的銲藥覆蓋高度也容易形成蛇行銲道，導致銲道二側融合不良的現象發生。通常銲藥覆蓋高度與鋼板厚度有關，若鋼板之厚度為 t，則最適之銲藥覆蓋高度約為 t 加(010)mm。 (七)電極突伸量之影響(9) 一般而言，電極突伸量越長，熔填量越高，這是因為電極突伸量越長時，電阻加熱之效應越高所致。關於電極突伸量與電阻加熱的關係可用式(3)表示 H：焦耳熱 P：銲線之電阻係數 D：銲線直徑 L：電極突伸量 由式(3)可知，隨著突伸量的增加，銲線受電阻加熱的程度愈高，因此熔填率愈高。對雙極高入熱量潛弧銲接而言，銲線突伸量約為銲線直徑的 1013 倍。 (八) 銲接完成時之收尾處理 銲接完成時之收尾處理相當重要，若處理不當極易衍生銲接缺陷，現將處理的步驟列述如下： (a)當前導電極到達收尾導板(End tab plate)時，將銲機電源切斷，但讓銲 接台車繼續往前行走。 (b)當尾隨電極也到達收尾導板時，先停止銲接台車之行走，但讓銲接電弧持 續產生。在銲接電弧持續約 57 秒後，再切斷其電源，如此可使收尾所殘 留之銲疤(Cracter)被完全填滿。 (c)若未能確實遵行上述的步驟，將產生如圖 5 所示長且深的銲疤，使熱裂缺 陷在此處衍生進行而延伸到整個銲道。所以上述(a)、(b)二項步驟必須嚴 加遵行以確保銲道品質。 肆、高入熱量潛弧銲接所面臨之問題點 高入熱量潛弧銲接之效率雖然很高，但若是銲接條件或是銲材及鋼板選用不當的話極易產生銲道熱裂及熱影響區組織脆化問題。關於熱影響區脆化問題已有專文討論，本文中不再介紹，以下將針對銲道熱裂問題作進一步的探討。銲道熱裂的巨微觀組織照片如圖 6 所示，由巨觀照片可看到熱裂是發生在銲道中心最後凝固的位置(如圖 6(a)，以及凝固樹枝狀結晶的界面(圖 6(b)，也就是低熔點雜質元素偏析最嚴重的地方。在破裂面的觀察中可清楚看到凝固樹枝狀結晶的特徵(圖 6(c)、(d)，由上述的特徵，可判斷其形成的原因是在銲道金屬凝固的末期，由於粒界低熔點雜質的富集，造成界面結合力不足，再加上銲接所衍生熱應力的作用，而引發此種裂紋(10-12)。至於影響此種銲接缺陷之因素有銲道成份，銲道的凝固型態及銲道的拘束度等三個因素，以下將進一步介紹這些因素對熱裂之影響： 圖 6-(a)(b) 銲道熱裂的巨觀組織照片 圖 6-(c)(d) 銲道熱裂的微觀組織照片 4.1 銲道成份之影響 銲道成份對熱裂之影響，一般可以熱裂敏感指標(Unit Crack Susceptibility, UCS)來評估。 銲道成份的 UCS 値越低，則發生熱裂之機率越低。由 UCS 公式中顯示最易助長銲道發生熱裂之元素是 C 及 S。圖 7 所示是銲道熱裂比例與銲道碳含量的關係圖(13)，可看到當銲道之碳含量在 0.13以下且硫含量不超過 100ppm 時不會發生熱裂，但是當碳含量超過 0.13時，即使硫含量低於 50ppm 亦會導致熱裂的發生，因此在熱裂缺陷的防止上，應儘可能降低銲道之碳及硫含量。至於銲道成份與鋼板母材成分有何關聯，這其中就牽涉到銲接稀釋率的問題，所謂稀釋率如圖 8 所示是銲道金屬中來自被電弧熱所溶解鋼板母材所佔之比例，因此銲接之稀釋率越大，母材被熔入的量就越大，由圖 8 也可清楚看出，隨著銲接入熱量的增加，鋼板被熔入銲道的量越大，使得稀釋率顯著的增加。由於一般鋼板的碳含量基於母材機械強度的考慮要比銲線高出許多，經此銲接的稀釋作用會造成銲道碳含量顯著增加，這也就是為什麼在高入熱量銲接作業下，因稀釋增加導致銲道容易產生熱裂的原因。 根據質量不滅定律，銲道稀釋率與入熱量之關係式以及 0.13之銲道臨界碳含量，建立了發生銲道熱裂之臨界入熱量 HI 與鋼板碳含量 Cp及銲線碳含量 Cw 之關係 利用上述的關係式可以推測當鋼板之碳含量降低到 0.16以下，而銲線之碳含量降低到 0.08時，即使銲接入熱量高達 580KJ/cm 銲道亦無發生熱裂之虞。 4.2 銲道凝固型態之影響(11) 銲道凝固型態主要是受到銲道的形狀所支配，為了減低銲道熱裂生成的機率，銲道柱狀晶之生長方向應朝向銲道上方生長而非朝銲道中心生長。通常柱狀晶朝銲道上方生長的方式與穿透深度較淺之銲池(Weld pool)有關。至於銲道柱狀晶朝銲道中心生長的方式與穿透較深之銲池有關。以下將針對影響銲道凝固型態之因素加以介紹。 (a)銲道深/寬比值之影響 通常提高銲道之深/寬比值會提昇銲道熱裂敏感性，這是由於銲道之凝 固型態受到改變，使得柱狀晶之生長方向由偏平銲道時向上生長改變為深 銲道時之朝中心生長。這種柱狀晶朝銲道中心生長的方式不但使雜質元素 (如 S、P)在中心偏析的傾向更為嚴重，而且銲接的收縮應變也會也會集中 在銲道中心的區域，導致熱裂敏感性的提昇。 (b)銲道凹凸程度之影響 通常上凸形(Convex-tapped)銲道也就是所謂過度熔填之銲道對熱裂 有較佳之抵抗性，這是因為少許的凝固收縮可藉此種過度熔填之銲道獲得 調整。然而內凹型銲道則有撐開(Open up)中心收縮處之傾向，而且這種 內凹型銲道之柱狀晶易於朝向銲道中心生長，所以對熱裂之抵抗性較低。 (c)銲接速度之影響 一般而言，高銲速比低銲速時更容易引起銲道熱裂，這是因為提高銲 接速度會改變銲池形狀及雜質元素在銲道中之分佈型態所致。銲接速度對 銲池形狀及雜質元素分佈型態之影響所圖 9 所示，圖中顯示在低銲速食呈 現橢圓形(Ellipical)銲池，其銲道柱狀晶是朝著銲接方向生長(上視 圖) ，這種方式使銲道中之雜質元素呈現 random 的分佈而非聚集在銲道中 心，因此對熱裂之抵抗性高；反觀在高銲速時呈現淚滴形的銲池，其柱狀 晶之生長朝銲道中心發展，使得 FeS 之類的低融點雜質在凝固之最後階段 殘留在銲道中心，因此淚滴形之銲道抗熱裂性低。 4.3 銲接應變之效應 銲接應變是來自於銲道金屬之凝固收縮所造成。關於銲接應變量與銲道熱裂長度之關係如圖10 所示，可清楚看出隨著應變量的增加，熱裂的敏感性隨之昇高(14)。 通常影響銲接應變大小之因素有以下幾項： (a)鋼板厚度效應：通常銲接應變量會隨板厚的增加而增加，因而提高熱裂之 敏感性。此外於鋼板的生產過程中，隨著板厚的增加，為了維持應有的機 械強度，鋼板的碳含量也會提高，因此銲道的熱裂敏感性會隨板厚的增加 而提高。 (b)母材之強度效應：一般而言，即使在相同之銲道成份下，銲道熱裂敏感性 會隨母材降伏強度的增加而提高。這是由於強度較高的母材比較不易補償 因銲道凝固收縮所產生之應變所致。 (c)預熱之效應：預熱對銲道熱裂之影響頗為複雜，通常為了防止銲件的變形 而施加充分的拘束時，則預熱對熱裂之減輕有正面的效果，而且整體的均 勻預熱比局部預熱來得更為有效。然而，在銲件拘束較弱的場合，預熱則 會導致扭曲變形的產生，以致於撐開接頭間隙而提昇銲道熱裂敏感性，因 此預熱對銲道熱裂之影響視銲件之拘速程度而定。 伍、銲道熱裂之防制 關於銲道熱裂的防制可從銲道成分(與鋼板及銲材有關 )及/或是銲道之凝固型態控制著手。 (一)銲道成份控制：由 4.1 節之說明可知，銲道的 UCS 指標主要是受到鋼板及銲材成分的影響。為了減低銲道熱裂生成的機率，於對接銲時(Butt Welding)時，UCS 指標通常控制在 25 左右；而在填角銲接(Fillet Welding)時UCS 約控制在 19左右。然而在熱裂敏感性高的銲接作業條件時(如厚板、高拘束度、高的銲道深/寬比值)則 UCS 指標要比上述的正常値低；至於在熱裂敏感性較低之作業條件(如薄板、低拘束及低的銲道深/寬比值)則可允許較高的 UCS 值。另外從鋼板及銲線之成分來看，當鋼板及銲線之碳含量分別控制在0.16及 0.08以下，即可大幅降低銲道熱裂敏感性。 (二) 銲道凝固型態之控制： 銲道凝固型態之控制在於使銲道柱狀晶之生長方向朝銲道上方而非銲道中心生長，此可經由二極電流比及極間距離之調整來獲得。 陸、高入熱量銲接之銲材選用 高入熱量潛弧銲接在日本已廣泛被應用於箱型柱及 H 型鋼的銲接，為滿足銲接作業及銲道性質之需求，一系列高入熱量銲接用銲材已被成功開發。此項技術在國內推廣之初，因銲接材料完全受制於日本，使得下游鋼構業者不敢貿然採用。為了使這種高入熱量銲接技術能在國內順利推廣應用，中鋼公司於 81 年中結合了國內鋼構廠及銲材製造業者共同合作開發高入熱量銲接用銲材，經過 1 年半的努力，成功開發了此項技術所需之銲線及銲藥。這些銲材並經下游已引進此項高入熱量銲接技術之某鋼構廠使用，證實效果相當良好。表 2 所示即為國內開發的銲材在下游進行銲接作業性評估時所使用之銲接條件，板厚 35的鋼板在 271KJ/cm 的入熱量可一道銲接完成。圖 11 所示為銲接試片之外觀及橫斷面之巨觀金相，可清楚看出銲道外觀相當均勻且無銲道缺陷產生，說明了國內開發之銲材已可滿足高入熱量銲接之作業性。表 3 所示為銲道之機械性質，表中顯示銲道機械性質可滿足 50公斤級結構用鋼板高入熱量銲接之需求。表 4 歸納了國內外生產相關銲材之製造廠家，以供下游有興趣採用此項高效率銲接製程之業者參考。 柒、結論 今年年初日本阪神發生大地震，造成結構物大量倒塌，使人員生命及財產蒙受重大損失，結構物之安全性受到各界的重視。調查顯示，在所有結構物中以鋼結構之抗震性最佳，因此可以預測鋼結構將是未來建物之主流。此外調查也顯示，倒塌之鋼結構物有大部份肇因於銲接施工不良所引起，因此為提昇鋼構物之耐震性及安全性，銲接施工品質必須嚴加管理。制虞如何在提昇銲接效率的同時也能兼顧銲接品質是鋼結構業者所應思考的問題，而高入熱量潛弧銲接製程之應用不失為能兼顧上述二項要求之可行對策。 捌、參考文獻 1.真喜志卓，田中一男，岡松真之，溶接學會誌，第 58 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