Ar-co2混合气体与活性助焊剂包覆焊线对不锈钢道特性的研究.doc

国 交 通 大 学工学院密与自动化工程学程硕 士 文Ar-CO2混合气体与活性助焊剂包覆焊线对锈钢焊道特性之研究The research of Ar-CO2shielding gas and flux claddingwire addition for stainless steel A-TIG weldments研 究 生 : 郭 峯 州指导教授 : 徐 瑞 坤 教授共同指导 : 周 长 彬 教授中华民国 九十八 十 月Ar-CO2混合气体与活性助焊剂包覆焊线对锈钢焊道特性之研究The research of Ar-CO2shielding gas andflux cladding wire addition forstainless steel A-TIG weldments研 究 生：郭 峯 州 Student: Feng-Chou Kuo 指导教授：徐 瑞 坤 Advisor: Dr. Ray-Quen Hsu 周 长 彬 Dr. Chang-Pin Chou国 交 通 大 学工学院精密与自动化工程学程硕 士 论 文A ThesisSubmitted to Degree Program of Automation and Precision EngineeringCollege of EngineeringNational Chiao Tung Universityin Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree ofMaster of ScienceinAutomation and Precision EngineeringOctober 2009Hsinchu, Taiwan, Republic of China中华民国 九十八 十 月Ar-CO2混合气体与活性助焊剂包覆焊线对锈钢焊道特性之研究研 究 生：郭 峯 州 指导教授：徐 瑞 坤 教授 共同指导：周 长 彬 教授国交通大学 工学院 密与自动化工程学程 硕士班 摘 要 本研究目的主要在探讨同比之氩-二氧化碳混合型保护气体与混合型活性助焊剂添加，对沃斯田铁锈钢材焊接时焊道型态及焊接变形之影响。实验材选用AISI 304沃斯田铁型锈钢及308锈钢焊线，活性助焊剂采用自调配之混合型助焊剂25Cr2O3 25TiO2 30SiO2 10MoS 10MoO3 ，焊接方法采用配合同比之Ar-CO2焊接保护气体添加，进在活性助焊剂气体钨极电弧焊(Activating-Tungsten InertGas, A-TIG)之Bead-on-Plate实验。焊接过程中用影像撷取系统(Charge-Coupled Device, CCD)记电弧动态影像及电弧电压的变化；焊道分析以实体显微镜测焊道形态，并记焊道熔深及宽以计算深宽比；以相实验观察微观组织；用肥铁含测仪/微硬测定机了解焊道机械性质；并针对锈钢焊道外观及型态之影响和作用机制，及焊道穿深能之增加机制进探讨与分析。实验结果显示： (1).以深宽比及焊道外观作为评估指标时，此混合型助焊剂可提升熔透深 及机械性质，皆优于传统氩焊制程。(2). CO2气体添加于A-TIG及TIG制程中，并无法使其熔透深及硬再 进一步强化与提升。 (3).助焊剂添加于母材或焊条上，其皆可使熔透深及机械性质获得有效 提升。-i- The research of Ar-CO2 shielding gas and flux cladding wire addition for stainless steel A-TIG weldmentsStudent：Feng-chou Kuo Advisor: Dr. Ray-Quen Hsu Dr. Chang-Pin Chou Department of Automation and Precision Engineering College of Engineering National Chiao Tung University ABSTRACT The purpose of this research is to study the effect of the differenceconcentration of Ar-CO2mixed shielding gas and specific mixedactivating flux on the angular distortion and mechanical properties of TIGwelding process on the 5mm thick austenitic stainless steel plates. TheAISI 304 stainless steel plates and 308 wire were selected , the mixedflux is 25Cr2O3-25TiO2-30SiO2-10MoS-10MoO3. A bead onplate weldment was made using activating- tungsten inert gas arc welding(A-TIG) process. During the welding process, a charge-coupled device(CCD) was used to record the images of arc profile and voltage variation.Besides, the microstructure and morphology of the weldments wereexamined by the optical microscope, according to the measurementresults of the width and penetration of the weld bead, the depth to widthratio (D/W ratio) can be calculated Furthermore, the Ferrite Scope andVickers hardness tester was used to determine the mechanical propertiesof the weldments. According to measurements of surface appearance,welding morphology, and deep of weld shape, micro-hardness, andangular distortion on the weldments were analyzed and studied theinfluence of Ar-CO2 and flux cladding wire addition to weldments.The experimental results show that:1. According to the surface appearance and weld penetration, the mixedactivating flux can enhance the depth of weld and hardness.2. The addition of CO2shielding gas to A-TIG or TIG process shows noeffect on the depth of weld and mechanical properties.3. The cladding of mixed activating flux on both plate and wire caneffectively increase the depth of weld. -ii- 致谢 本文得以撰写完成，首先我必须深深的感谢位恩师 徐瑞坤 教授及 周长彬 教授，在多的研究过程中，耐心的给予指导与协助，仅在此致上学生由衷的谢意与敬意；口试期间承蒙黄和悦博士与玄博士等委员专业的指正与建议，使本文能够修整疏，使本文能加完善，在此表达最诚挚的谢意。另外还要特别感谢 黄和悦 博士，由于您的辞辛的指导及教导焊接及助焊剂上的知，使我能于实验及文撰写得以顺进，并得以了解在焊接世界的知；另外我必须再感谢庄弘玮、吴东明、吴昆鹏、陈庆炼同学，在这段期间感谢你们在焊接学上提供宝贵的经验及技术上的协助，使我受多。 特别感谢是我最敬爱的父母、太太及位小宝贝，谢谢您们默默的支持与鼓，这几，在这么忙的工作之余还愿意允许牺牲我们相聚的时间，让我吸收新知及顺完成硕士学程，您们是我朝梦想前进最大的支柱及后盾，谢谢您们让我感到爱及幸。 此硕士学程及文的完成，我要将这份喜悦以最感谢的心情献给所有关心及帮助我的人，谢谢您们。 最后我必须向我最爱的母亲及太太再一次，在这段时间断的给我鼓及照顾小朋友，在学习上及工作上无怨无悔的作为我最坚强的后盾，使我能无后顾之忧的完成学业，这一是妳们的帮忙才有机会让我能完成硕士学程，辛苦妳们，谢谢妳们。 -iii-目页次中文摘要i英文摘要.ii志 谢 iii目 .iv表 目 .vii图 目 ix第一章 绪1.1 研究背景与动机11.2 1.2 研究方法与目的.2第二章 文献回顾 2.1 焊接电弧之基本原4 2.1.1 焊接电弧之结构 5 2.1.2 电压电之静特性 62.1.3 电弧焊接之热源特性72.2 惰性气护钨极电弧焊接法(Gas Tungsten Arc Welding) .7 2.2.1 惰性气护钨极电弧焊接法(GTAW)原及简介 7 2.2.2 钨电极之材质及起弧之方法.92.2.3 焊接之影响.112.3 锈钢12 2.3.1 锈钢之简介.12 2.3.2 锈钢中微元素对锈钢的性能和组织的影响.13 2.3.3 锈钢的分.16 2.3.4 锈钢的焊接特性.19-iv-2.3.5 锈钢焊条的选择.242.4 焊接气体25 2.4.1 焊接气体之功用.25 2.4.2 焊接气体之选择.252.4.3 焊接气体之特性.282.5 助焊剂29 2.5.1 助焊剂之功用.29 2.5.2 助焊剂成份对焊接属的影响.302.5.3 A-TIG焊接增加焊道熔深之机制.312.6 焊道熔透深变之原因34 2.6.1 影响熔融区体动之机构.342.6.2 微元素对焊接性之影响.352.7 焊接缺陷与防范对策.40 2.7.1 焊道缺陷之种.40 2.7.2 焊接缺陷之防制方法.47 2.7.3 焊件变形之形式.502.7.4 焊接变形之形成.512.8 肥相对焊道属的影响.52第三章 实验设备及方法 3.1 实验程.54 3.2 GTAW之设备.54 3.3 焊接试验.57 3.4 电弧形与阳极斑点拍摄.60 3.5 电压值测.60 3.6 焊道外观拍摄.61 3.7 角变形测.61 3.8 相实验.62 3.9 焊道深宽比测.63-v- 3.10 肥相测.63 3.11 微硬测64第四章 实验结果与讨4.1 CO2气体添加于 A-TIG 焊接制程对焊道外观之影响.654.2 CO2气体添加于 A-TIG 焊接制程对钨电极之影响.674.3 CO2气体添加于 A-TIG 焊接制程对焊道型态之影响.69 4.3.1 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道熔透深之影响.69 4.3.2 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道断面型态之影响.714.3.3 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道熔融面积之影响.794.4 CO2气体添加于A-TIG焊接对电弧电压之影响83 4.4.1 CO2气体添加于A-TIG焊接对平均电弧电压之影响834.4.2 CO2气体添加于A-TIG焊接对热输入之影响.884.5 CO2气体添加于A-TIG焊接对电弧型态之影响89 4.5.1 CO2气体添加于A-TIG焊接对电浆电弧之影响.894.5.2 CO2气体添加于A-TIG焊接对阳极斑点之影响.934.6 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道肥相含之影响.1014.7 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道微硬之影响.1164.8 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊件角变形之影响.117第五章 结120考文献.122 -vi- 表 目 页次表2-1 TIG 熔接常用之钨电极92-2 表2-2 GTAW电型式及特性.112-3 表2-3 钢中合元素的效果比较.152-4 表2-4 锈钢之主要分表.162-5 表2-5 锈钢之物性质.172-6 表 2-6 锈钢各系特性.182-7 表2-7 各锈钢之化学成分表.182-8 表2-8 沃斯田铁系锈钢与一般碳钢焊接特性比较.192-9 表2-9 锈钢电弧焊用焊条选用表.242-10 表2-10 焊接保护气体之性质和用途.272-11 表2-11 焊接气体的比重.282-12 表2-12 焊接气体的解电压值.292-13 表2-13(a) 常之焊道缝型.412-14 表2-13(b) 常之焊道缝示意图.422-15 表2-14 常的气孔缺陷型.442-16 表2-15 常的夹渣缺陷.452-17 表2-16 完全熔融与接点渗透.452-18 表2-17 完全外形缺陷.462-19 表2-18 常之其它焊接缺陷.462-20 表3-1 AISI 304锈钢属成分表.572-21 表3-2 E308锈钢属成分表572-22 表3-3 焊接气体比表.59 -vii-表3-3 焊接气体比表.59表4-1 CO2气体添加于TIG焊接制程对焊道熔透深之影响.69表4-2 CO2气体添加于A-TIG焊接制程对焊道熔透深之影响.70表4-3 CO2气体添加TIG制程对焊道焊道深宽比之影响.71表4-4 CO2气体添加于A-TIG制程对焊道焊道深宽比之影响.73表4-5 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道熔融面积之影响.80表4-6 CO2气体添加于A-TIG焊接对平均电弧电压之影响.83表4-7 CO2气体添加于A-TIG焊接对热输入之影响.88 -viii- 图 目 页次图 2-1 熔极式电弧焊接.4图 2-2 非熔极式电弧焊接.4图 2-3 惰气钨极电弧焊之电弧结构与电压的关系.5图 2-4 电压-电的静特性曲线.7图 2-5 惰性气体钨极焊接示意图.8图 2-6 钨电极之形10图 2-7 钨棒角与熔深关系图10图 2-8 钨棒角、电弧形与功密示意图.10图 2-9 沃斯田铁锈钢中合元素对强之影响.16图 2-10 各型号锈钢关系图(304 锈钢为).17图 2-11 Fe-Cr-Ni 之三相系统图(1100).20图 2-12 Fe-Cr-Ni之三相平衡图.20图 2-13 Fe-Cr-Ni平衡图与焊道凝固组织之关系(Schaeffler diagram).21图 2-14 Fe-Cr-Ni平衡图与焊道凝固组织之关系(Delong diagram).22图 2-15 凝固型式A、B、C的显微组织和Creq/Nieq值的关系图.23图 2-16 焊接气体对焊道截面形之影响.27图 2-17 焊接气体的热传导性.28图 2-18 熔池中的Marangoni对.33图 2-19 助焊剂吸附电子造成电弧收缩示意图.33图 2-20 焊池中驱动体动之.35图 2-21 含对表面张-温变化之影响.36图 2-22 添加氧气于保护气体中钨电极损耗情形.38图 2-23 添加 He-CO2保护气体对钨电极损耗情形.38图 2-24 添加氧气于保护气体中相照片(气体 20L/min).38图 2-25 添加 O2及 CO2于保护气体对焊道属中氧化物之影响.39 -ix-图 2-26 Fe-O 系统中氧含及温对表面张之影响.39图 2-27 氧化物对深宽比之影响.40图 2-28 沿晶式破示意图.43图 2-29 穿晶式破示意图.43图 2-30 焊接变形之基本形式.50图 2-31 对接焊角变形之形成示意图.52图 2-32 焊接热缝之缝形式及发生位置.52图 3-1 实验程图.54图 3-2 HOBART惰气钨极电弧焊接机与其配件55图 3-3 HOBART惰气钨极电弧焊接机-焊接台与其配件.56图 3-4 钨电极研磨器.58图 3-5 助焊剂调配与涂敷.59图 3-6 CCD 镜头架设图.60图 3-7 Web-Cam镜头架设图.61图 3-8 焊件变形测示意图.62图 3-9 焊件角变形测原.63图 3-10 焊道深宽比测示意图.63图 3-11 FerritScope M10B-FE型肥相测定仪.63图 3-12 Matsuzawa MHT-1微硬测定机.64图 3-13 焊道微硬测位置图.64图 4-1 CO2气体添加于A-TIG焊接制程对锈钢焊道外观影响.66图 4-2 CO2气体添加于A-TIG焊接制程对钨电极之影响.67图 4-3 CO2气体添加于A-TIG焊接制程对焊道熔透深之影响.70图 4-4 CO2气体添加对TIG制程对焊道深宽比之影响.72图 4-5 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道断面型态之影响(0%)74图 4-6 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道断面型态之影响(0.25%).74图 4-7 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道断面型态之影响(0.5%).75图 4-8 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道断面型态之影响(0.75%).75 -x-图 4-9 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道断面型态之影响(1%).76图 4-10 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道断面型态之影响(2.5%).76图 4-11 CO2气体添加于A-TIG焊接对焊道断面型态之影响(5%)77图 4-12 CO2气体添加于 A-TIG焊接对焊道断面型态之影响(7.5%)77图 4-13 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对焊道断面型态之影响(10%).78图 4-14 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对焊道深宽比之影响.78图 4-15 CO2气体添加对A-TIG焊道熔融面积之影响80图 4-16 氧化物层对熔池内动的影响.82图 4-17 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电弧电压之影响(平均电压).84图 4-18 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电弧电压之影响(0%).84图 4-19 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电弧电压之影响(0.5%).85图 4-20 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电弧电压之影响(1%).85图 4-21 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电弧电压之影响(2.5%).86图 4-22 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电弧电压之影响(5%).86图 4-23 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电弧电压之影响(7.5%).87图 4-24 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电弧电压之影响(10%).87图 4-25 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对热输入之影响.88图 4-26 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电浆电弧柱之影响(0%).90图 4-27 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电浆电弧柱之影响(0.5%).90图 4-28 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电浆电弧柱之影响(1%).91图 4-29 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电浆电弧柱之影响(2.5%).91图 4-30 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电浆电弧柱之影响(5%).92图 4-31 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电浆电弧柱之影响(7.5%).92图 4-32 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对电浆电弧柱之影响(10%).93图 4-33 Ar-0%CO2对电弧宽及阳极斑点收缩比之影响.94图 4-34 Ar-0.5%CO2对电弧宽及阳极斑点收缩比之影响.95图 4-35 Ar-1%CO2对电弧宽及阳极斑点收缩比之影响.95图 4-36 Ar-2.5%CO2对电弧宽及阳极斑点收缩比之影响.96 -xi-图 4-37 Ar-5%CO2对电弧宽及阳极斑点收缩比之影响.96图 4-38 Ar-7.5%CO2 对电弧宽及阳极斑点收缩比之影响.97图 4-39 Ar-10%CO2对电弧宽及阳极斑点收缩比之影响.97图 4-40 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对阳极斑点之影响(0%).98图 4-41 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对阳极斑点之影响(0.5%).98图 4-42 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对阳极斑点之影响(1%).99图 4-43 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对阳极斑点之影响(2.5%).99图 4-44 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对阳极斑点之影响(5%).100图 4-45 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对阳极斑点之影响(7.5%)100图 4-46 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对阳极斑点之影响(10%).101图 4-47 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对焊道肥相含之影响102图 4-48 Ar 0%CO2对 A-TIG 焊接相图(100x) 103图 4-49 Ar 0.25%CO2对 A-TIG 焊接相图(100x)104图 4-50 Ar 0.5%CO2对 A-TIG 焊接相图 (100x) 105图 4-51 Ar 0.75%CO2对 A-TIG 焊接相图 (100x) .106图 4-52 Ar 1%CO2对 A-TIG 焊接相图(100x) .107图 4-53 Ar 2.5%CO2对 A-TIG 焊接相图(100x) .108图 4-54 Ar 5%CO2对 A-TIG 焊接相图 (100x) .109图 4-55 Ar 7.5%CO2对 A-TIG 焊接相图 (100x) 110图 4-56 Ar 10%CO2对 A-TIG 焊接相图 (100x) .111图 4-57 Ar 0%CO2对 A-TIG 焊道显微组织之影响(200x) .112图 4-58 Ar 0.25%CO2对 A-TIG 焊道显微组织之影响(200x).112图 4-59 Ar 0.5%CO2对 A-TIG 焊道显微组织之影响(200x).113图 4-60 Ar 0.75%CO2对 A-TIG 焊道显微组织之影响(200x).113图 4-61 Ar 1%CO2对 A-TIG 焊道显微组织之影响(200x).114图 4-62 Ar 2.5%CO2对 A-TIG 焊道显微组织之影响(200x)114图 4-63 Ar 5%CO2对 A-TIG 焊道显微组织之影响(200x).115图 4-64 Ar 7.5%CO2对 A-TIG 焊道显微组织之影响(200x)115 -xii-图 4-65 Ar 10%CO2对 A-TIG 焊道显微组织之影响(200x)116图 4-66 CO2气体添加于 A-TIG 焊接对焊道微硬之影响.117图 4-67 混合型助焊剂对 304 锈钢角变形之影响.118图 4-68 焊件角变形示意图（熔深未超过母材厚一半）.119图 4-69 焊件角变形示意图（熔深超过母材厚一半）.119-xiii- 第一章 绪1.1 研究背景与动机 电弧焊接法在材接合技术为机械工业最可或缺也是最重要的加工方式，随着机械工业的发展，焊接技术断地增进且朝向高质量、高效、低成本的趋势发展，而对应的接合材也再只是铁属，多非铁属如铝合、铜合、镁合，甚至是钛合也可完美的结合。 锈钢具有好机械性质，因添加大镍与铬，具有优的抗热性、耐锈性、耐蚀性与耐氧化性等，还具有优的加工性，所以在石油化学工业、国防工业、航空工业、动工业、机械设备制造工业等广泛的被运用。304 锈钢系属于沃斯田铁型锈钢材，在各种温下均保持原有沃斯田铁组织，因此施以热处并能使材硬化，所以通常是以加工的方式增加其硬与强。 工业界最常使用之电弧焊接方法为惰性气体钨极电弧焊(Inert-gastungsten arc welding, GTAW)，亦称为钨极惰气焊接(Tungsten inert-gaswelding, TIG)，电极使用非消耗性之钨电极(Tungsten electrode)，及焊接时使用保护性之惰性气体作为屏蔽，常用之保护气体为氩或氦，其主要功能除稳定电弧外还可保护熔池受空气中氧、氮、氢等有害元素和水分的影响1。气体钨极电弧焊在焊接过程中，可看熔池与电弧的况，在焊道的表面残焊渣，填充属也会穿过电弧，故产生焊溅物。 气体钨极电弧焊有好之焊接性、能密高、及任何位置皆可焊接之特性，大部分属及其合皆可使用此方法焊接，但传统气体钨极电弧焊中由于其焊道的穿透深小于3mm，为提高其穿透深，则必须在焊接前开槽进多道次焊接，因而增加成本与时间。为使熔接效及质量获得提升，活性化焊接(Activating flux TIG, A-TIG) 技术逐渐受到重 视， 并且 国内 外 多学 者也 相继 地投 入研 究与 开发11,17,18,25,42,62，活性化焊接技术是在焊接前于欲焊接部位之焊件表面涂敷活性助焊剂，常用之助焊剂主要成分型有：氧化物、氯化物及氟化物。此技术是针对熔接厚板材，可有效的改善熔融深及熔接品 1 质，效果可达 23 倍，如：厚 8mm 的锈钢板材焊接，可以免开槽且只需施焊道即可达成完全熔透之效果，大幅低减焊接前的准备工作及加工成本。 一般常用的焊接保护气体为氩气(Ar)、氦气(He)、氢气(H2)、氮气(N)、二氧化碳(CO2)或氩气(Ar)混合气体等种气体，其中氩气为最常用的焊接保护气体，氩气的标准含通常足以低氧气的含，另外氢气的解电压值低起弧容；氦气起弧较氩气困难，因为其密低于空气所以会向上升，因此作为容器顶端及管焊接的上半部焊道的保护气体有较佳的效果，适用于焊或仰焊；氮气可提高焊道根部的耐孔蚀性，电弧的能分布亦较集中，可有效增加焊道的熔融深，并改善焊道的质量；氢气的添加（通常约为5%）可对沃斯田铁锈钢的渗透深及焊接速有正面的影响。二氧化碳则属于活性（氧化性）气体，解电压值较氢气低起弧容，但产生烟雾及飞溅物。 在许多研究文献中仅对气体钨极电弧焊中的保护气体比12 -16，或只针对混合型助焊剂配方对焊接性质及焊道特性的影响进探讨33-34，且大部分助焊剂的使用方式皆为涂敷于母材表面，鲜少对于助焊剂添加于母材或焊在线与混合性保护气体(Ar+CO2)所产生之影响作统合性的讨，因此本实验以 304 锈钢为焊接材，以添加混合型氧化物助焊剂于母材表面及308焊线表面，配合同比之氩气(Ar)与二氧化碳(CO2)的混合保护气体作为气体钨极电弧焊接过程之保护气体进焊接实验，探讨混合型保护气体与活性助焊剂包覆于焊在线对焊道特性之影响。1.2研究方法与目的 本实验材选用AISI 304锈钢及为308焊线，使用气体钨极电弧焊为焊接方式，将混合型活性助焊剂均匀涂在母材欲焊接之部位及焊在线，配合同比之氩气(Ar)及二氧化碳(CO2)之混合型保护气体，采用Bead-on-plate方式对母材进焊接。本研究目的主要在探讨同比之Ar-CO2焊接保护气体与混合型活性助焊剂添加，对沃斯田铁锈钢材焊接时焊道形态及焊接变形之影响。具体而言，本研究目的包括下方面： 2 1. 研究添加同比之氩-二氧化碳混合型保护气体与混合型活性 助焊剂，涂敷于母材表面进气体钨极电弧焊接，针对锈钢焊 件焊道外观、深宽比、微硬、微观组织、残肥相含及焊 件角变形之影响作探讨。2. 研究氩-二氧化碳混合气体与活性助焊剂，涂敷于焊线表面对锈 钢焊件焊道外观、深宽比、微硬、微观组织、残肥相含 及焊件角变形之影响，并且与涂敷于母材表面之实验结果相比较。3. 探讨添加同比之氩-二氧化碳混合型保护气体，与混合型活性 助焊剂进气体钨极电弧焊接时，对锈钢焊接电弧型态与电压 变化之影响。 3 文献探讨 第二章 文献探讨2.1焊接电弧之基本原 电弧的形成是在一种低电压高电的条件下，因电子通过一子化之气体所产生的放电作用，而电弧的持续则是由于阴极受热而释放的热电子活动的结果。电弧通常产生于电极与焊接工件之间，母材接至电线接地端，供电系统(交/直电均可)可藉由电极的瞬时碰触母材而造成短，引起一可受控制的极大的电，此时热增高使电极与母材接触处达到足够的高温进而释放出子化热电子，此时因电极与母材间产生电位差而导致电中断而产生光束即为电弧(Arc)。 一般而言，供电系统的负电极端皆于非消耗性的钨电极，正电极端则接于焊接之工件上，此熔接法之热主要由电弧所供给，其温可高达2000 5000；又由于氩气的活性佳，故常作为遮蔽电弧之保护气体，以防止焊接部位高温氧化之用。焊接的电弧产生于电极及工件之间，其电极形式可区分为熔极式电极与非熔极式电极，其原皆同，其示意图如图2-1及图2-2所示3，图2-1为熔极式电极方式，即电极会熔解当作焊条使用。通常以属电极(焊条)及母材间所发生电弧(称为属电弧)之热，熔解电极及母材。采用此方式焊接法有遮蔽属电弧焊、潜弧焊、气体属电弧焊、包药电弧焊等等；图 2-2 为非熔极方式，以碳化钨或碳棒作电极，与母材间产生电弧热将母材或加入之焊条熔解，采用此种方式之焊接法有碳及电弧焊、气体钨极电弧焊与电浆电弧焊。 图2-1熔极式电弧焊接3 图2-2非熔极式电弧焊接3 4 文献探讨换言之，电弧是一种可以控制的局部气体长时间稳定之导电现象。值得注意的是，由于电弧在放电或导电的过程中，除会产生大的热能外，同时亦会形成强的弧光，因此在进焊接工作时必须要注意焊接电弧的高温与强光危害。2.1.1 焊接电弧之结构 如图2-3所示，为一惰气钨极电弧焊之电弧结构与电压的关系图。由图中可明显得知焊接电弧之结构主要可分为阴极区(Cathode zone)、弧柱区(Arc column zone)及阳极区(Anode zone)等三大部分，兹将其重要特性简述如下4：图2-3 惰气钨极电弧焊之电弧结构与电压的关系 41.阴极区 此区域的范围约为105106cm左右。由于阴极区之带电子呈均匀的分布态，因此会形成一陡峭的电压，此称为阴极压(Cathodedrop)。2.弧柱区 此区域介于阴极区与阳极区之间。一般所称的电弧长(Arc length)其实就是指弧柱长。由于弧柱区之带电子呈均匀的分布态，因此会形成一趋于线性的电压，此称为电浆压(Plasma drop)。 5 文献探讨3.阳极区 此区域的范围约为103104cm左右。由于阳极区(工件)之带电子亦呈均匀的分布态，因此也会形成一陡峭的电压，此称为阳极压 (Anode drop)。 存在于电极间或电极与工件间的电压特称为电弧电压(Arcvoltage)。其中，电弧电压即为阴极压、电浆压及阳极压三者之总合电压。值得一提的是，当电极或焊条材、电源种、电极性及保护气体等皆维持定值的情况下，电弧电压值的高低主要系决定于电弧长的大小(亦即当电弧长增加时其电弧电压值将会随之提高；反之当电弧长缩短时其电弧电压值将会随之低)。2.1.2 电压电之静特性 当电极或焊条材种、保护气体型式及电弧长大小等皆维持定值，且亦保持焊接电弧稳定性的情况下，电弧电压与焊接电变化的关系即称为电压-电静特性（Static Volt-Ampere Characteristic）。 如图 2-4 所示为电压-电的静特性曲线。由图中可明显得知电压-电之静特性曲线呈一U形分布，兹将其重要特性简述如下: l.下特性曲线（ab线段） 在较低的焊接电区间内，当焊接电增加时其电弧电压将随之 低。 2.水平特性曲线(bc线段) 在较高的焊接电区间内，无焊接电增加或减小其电弧电压 近乎保持一定位。 3.上升特性曲线(cd线段) 在极高的焊接电区间内，当焊接电增加时其电弧电压将随之 提高。至于影响电压-电静特性之主要因素则有下方面:(1).电弧长之影响 当电弧长增加时，由于电弧电压值将会提高，因此电压-电的静特性曲线也会随之提升。(2).保护气体之影响 主要系取决于保护气体的热传导性。举而言，CO2比Ar气体会产生较高的电弧电压值，亦即会提升电压-电的静特性曲线位置。由于CO2气体的高温热传导性优于Ar气体，因而会造成CO2气体有较高的 6 文献探讨热损失，进而