低碳钢电阻焊接管件金属流线检测技术

1、低碳鋼電阻銲接管件金屬流線檢測技術* 陳 春 長1* 九十七年十月二十三日在本會九十七年年會宣讀之論文中國鋼鐵公司 1.冶金技術處冶金規範及試驗組工程師以低倍率放大鏡檢視經酸液浸蝕之銲接金屬流線特徵，為電阻銲（electric resistance welding，ERW）製管業者確認銲接品質最常使用的檢測方法，但由於較低碳含量鋼種的銲接金屬流線，其浸蝕效果不明顯而衍生不易檢測的困擾，經研究利用苦味酸隔水加熱煮蝕法，控制酸液濃度、煮蝕溫度及煮蝕時間，獲致極佳金屬流線輪廓，本文建立的ERW銲接金屬流線檢驗標準金相作業流程，可用以檢視ERW製管之銲接品質，鑑定製管不良的肇因，進而提供適切改善對策。

2、關鍵詞：電阻銲、金屬流線To assure the etching-metal welding quality, the ERW pipe manufacturer usually inspects through a magnifier the characteristics of metal flow. It is well known that metal flow is not clear for visual examination in low carbon steel by traditional etching method. To solve this problem, a

3、new special etching procedure is developed. The inspection technique required immersing the sample in a hot picral solution which is indirectly heated through a water bath. Metal flow can be clearly identified by an appropriate control in etchant concentration, heating time and temperature. It allow

4、s us not only verifying the welding quality but also providing a way to improve welding procedure.Key words: ERW, Metal flow.壹、前言業界對於ERW製管銲接品質最常用的檢測方法，以圖-1來說明，首先以切割機切取一段橫跨銲道的截面試片，接著對該試片進行研磨拋光，並以棉花沾酸液擦拭表面，最後再利用低倍率的放大鏡檢視其銲接的金屬流線特徵，判定銲接製管的品質，進而驗證製管參數的設定是否正確。圖-2、圖-3分別為ERW製管流程之示意圖及高周波銲接之放大，圖-4係熱軋SPHT1鋼種經

5、ERW製管後銲道酸液擦拭法的檢測效果。業界以簡單的棉花沾酸液擦拭呈現ERW銲接金屬流線的方式，操作上雖方便、簡易，但穩定性不佳，適用範圍有限，尤其是應用在較低碳含量鋼種的銲道金屬流線會衍生不易檢測的問題，製管業者希望能就技術上給予協助，釐清酸液浸蝕方法在ERW製管上的應用。貳、建立檢測技術之目標在工業界，鍛件截面之金屬流線的分佈是用來鑑定其加工品質的主要方法，鍛件如有連續、完整並與鍛件外形保持一致的鍛打流線，就會有較佳的機械性質。ERW製管業者引用金屬流線的理念主要是因ERW製管會發生金屬流線，亦即利用高周波瞬間感應加熱工件並藉滾輪擠壓予以熔接時，鋼材在局部的熱加工變形上介於溫熱鍛的溫度作業領

6、域，而鋼材中的第二相組織、夾雜物或偏析等隨著製管擠壓加工方向延伸，形成彼此平行具方向性的條紋組織。圖-5是一ERW製管擠壓之金屬流線示意圖，圖中的銲冠已刮除，且碳含量愈高或鋼中長條狀介在物愈多或帶狀偏析愈嚴重，則流線條紋就愈明顯清晰。因此，建立ERW製管之銲接檢驗最適切方法，預計在功能上可：u1.提供ERW製管銲道品質檢驗，驗證製管參數：圖-6係一擠壓不良之流線紋，因擠壓力不足使金屬流線於近銲道處再彎折下來，造成氧化物未完全被擠出，銲道熔合不良。v2.提供鑑定ERW製管不良的肇因歸屬判斷與分析改善對策：以圖-4為例，客戶就是由銲道左側金屬流線紋的特徵認定鋼料有瑕疵，經取回樣品金相及SEM分析，

7、確認係鋼料清淨度不佳，T/4的位置上成串的硫化物呈直線排列並順沿著製管銲接金屬流線延伸而露出表面，如圖-7、圖-8金相及SEM分析鑑定結果。參、探討最佳檢測方法之試驗過程依據以往實務分析所累積的經驗及學理探討，針對影響金屬流線的相關因素，選定(1)不同碳含量的ERW管材，以(2)不同鑲埋材料備製金相試片，並搭配(3)不同的浸蝕方式進行試驗。一、試驗鋼種：碳含量愈高，鋼中第二相組織的量（如：波來鐵、碳化物）就愈多，金屬流線條紋就愈明顯清晰，試驗選定薄板管材常用的SAE 1010（C:0.10%）及SPHT1（C:0.03%）二項低碳鋼種及一項較高碳含量鋼種SAE 1536（C:0.31%）等三項

8、鋼捲，比較金屬流線條紋的顯示效果。二、鑲埋材料：選擇適當的鑲埋材料除方便試片研磨拋光，並可獲得較清晰的流線條紋，研磨拋光愈精細，金相觀察便愈精準，將薄片狀的管材用樹脂鑲埋起來除方便金相試片的備製，並可減少研磨砂紙或拋光布損傷，且能獲得較佳的拋光面，鑲埋方式有熱鑲埋及冷鑲埋兩種。1. 熱鑲埋：熱鑲埋所需的時間較短。有熱固性，由酚樹脂（Phenolic Resins）添加木粉組成，俗稱電木粉鑲埋；及熱塑性，由壓克力粉（Acrylics）組成，俗稱透明粉鑲埋。2. 冷鑲埋：鑲埋時間較長，其中自然硬化型通常需8小時的置放時間，但價格較便宜。通常由樹脂（如：環氧樹脂Epoxy系列）和硬化劑組成，在常溫依

9、固定比例充分混合後，注入模內放置硬化後再脫模，有自然硬化型及烘烤硬化型二種。三、浸蝕方式：浸蝕目的在於能清晰顯示ERW管件金屬流線，本研究不再沿用傳統業界常用的酸液擦拭法，而改採金相試驗常用的浸入式浸蝕法及煮蝕法進行比對。1. 浸入式浸蝕法：室溫下試驗，是碳鋼金相試驗最常用也最方便的浸蝕方式，不但浸蝕時間短，浸蝕效果也容易控制，若能顯示金屬流線的分佈，通常建議採行該浸蝕方式，試片先經研磨拋光處理再浸入苦味酸酒精溶液（Picral）或硝酸酒精溶液（Nital）。(1) 苦味酸酒精溶液：7g苦味酸+100ml酒精（95%），均勻攪拌，適用於浸入式浸蝕法。(2) 硝酸酒精溶液：7ml硝酸+100ml

10、酒精（95%），均勻攪拌，亦適用於浸入式浸蝕法。2. 煮蝕法：煮蝕法的裝置如圖-9，依所設定的煮蝕條件採水浴法利用隔水加熱的方式進行試驗，除可獲得較穩定的煮蝕溫度外，尚可控制苦味酸水溶液的濃度及液面高度，煮蝕時添加數滴中性洗潔劑作為界面活性劑。3. 影響煮蝕法之參數：影響煮蝕法浸蝕效果的因素除金相試片備製所用的鑲埋材料外，尚有煮蝕液濃度、煮蝕溫度及煮蝕時間三項，煮蝕條件設定如下：(1) 浸蝕液濃度：5%、10%之苦味酸水溶液。(2) 煮蝕溫度：50、70及90。(3) 煮蝕時間：8分鐘、16分鐘。肆、試驗結果與討論一、浸入式浸蝕法的顯示能力：試驗顯示，碳含量愈高金屬流線的浸蝕效果愈好，而且Pi

11、cral的浸蝕效果又較Nital好，但當C=0.10%時，僅能隱約能看到金屬流線的紋路，而當C=0.03%時，除了偏析的顯示外，幾乎看不到金屬流線，圖-10圖-12為不同碳含量浸入式浸蝕法金屬流線比較。正常情況下，對於絕大多數低碳鋼薄板管材用料C0.10%而言，以一般常用的浸入式浸蝕法並不適用，不論用Picral或Nital，皆無法觀察到其ERW製管金屬流線的紋路，得須再研究一特殊可行的浸蝕方法。二、鑲埋材料的影響：經驗顯示浸入式浸蝕法不受鑲埋材料的影響，而以煮蝕法浸蝕時，會有一層膠膜覆蓋在試片表面，煮蝕溫度愈高，膠膜的色澤愈深，以酚樹脂或壓克力為主的熱鑲埋試片，其所生成的膠膜並無法以高壓水霧

12、去除，且煮蝕溫度愈高或煮蝕時間愈久，膠膜與試片間的結合力愈強，須借助研磨拋光作業去除，但得精準控制以避免將所形成的金屬流線紋也一併拋除掉。而以環氧樹脂為主成分的冷鑲埋法，煮蝕時雖也會生成一層膠膜覆蓋試片表面，但只要以高壓水霧沖洗便能去除掉，且不會傷到所生成的金屬流線紋，見圖-13(a)(d)煮蝕法鑲埋材料的影響之試片外觀。圖-14為SPHT1 C:0.03%管材分別以自然硬化型及烘烤硬化型二種冷鑲埋方式，試片經研磨拋光後以5%苦味酸水溶液90煮蝕8分鐘後金屬流線紋之比較，金相顯示二者效果相似，選用時純就效率因素考量，而以烘烤硬化型效率較高。三、煮蝕參數的影響：浸蝕是電化學的溶解過程，藉由各相溶

13、解度的差異來顯現顯微組織的形貌，附件一AD為SPHT1及SAE 1010M鋼種各以5%、10%的苦味酸水溶液分別於50、70及90下煮蝕8分鐘、16分鐘後金屬流線紋的比較，試驗結果可歸納：1. 碳含量較高的SAE 1010M煮蝕參數的影響較小，而C:0.03%的SPHT1相對地煮蝕參數對顯示金屬流線的紋路影響較大；三項煮蝕參數的影響依序為苦味酸水溶液濃度煮蝕溫度煮蝕時間。2. 5%苦味酸水溶液的煮蝕效果較10%佳，以C:0.03%的SPHT1鋼種而言，在較低的浸蝕液濃度，可選擇的煮蝕溫度範圍較大，然在較高的浸蝕液濃度下，進行煮蝕操作時就得注意溫度上的控制，有效顯示流線紋路的區間相對較窄。3.

14、兩鋼種均以5%苦味酸水溶液搭配70及8分鐘的煮蝕條件，所顯示的金屬流線紋清晰度最佳。四、其他影響因素：除管材碳含量、金相製備所用的鑲埋材料及浸蝕方法的影響外，尚有製管後退火熱處理的影響，當溫度超過再結晶溫度時，製管擠壓所形成的條紋組織會被消除而恢復到擠壓加工前的狀態，影響金屬流線紋的顯示。通常，高強度管材有強制性後熱處理以消除硬脆的麻田散鐵組織，一般採正常化熱處理，而較低強度的管材，因基於後續冷抽均勻性的需求，也會加做應力消除退火處理，可建議製管業者於熱處理前取樣分析金屬流線紋。伍、建立檢測金屬流線之程序針對ERW管材金屬流線之鑑識分析，由樣品備製至顯微鏡觀察所建立的制式化作業流程，整理如圖-

15、15及表-1。表-1 浸蝕作業浸蝕方式浸蝕液浸蝕作業浸入式浸蝕法7%苦味酸酒精溶液。 依7 g 苦味酸：100ml酒精(95%)之比率泡製。拋光面向下浸入盛有浸蝕液的玻璃皿中，並不斷擺動。煮蝕法5%苦味酸水溶液。 依5 g 苦味酸：100ml水之比率泡製。採隔水加熱，浸蝕液中添加界面活性劑，於70下煮蝕8分鐘。陸、結論業界以棉花沾酸擦拭所呈現ERW銲接金屬流線的方式，應用在低碳鋼會衍生不易檢測的問題，本案研究影響金屬流線的相關因素，針對u鋼管碳含量v鑲埋材料w鑲埋方式x浸蝕液種類y浸蝕方法等因素進行試驗，探討最適之銲道金屬流線檢測方法，試驗結果如下：1. 碳含量愈高，金屬流線顯示效果愈佳。碳含量0.10%之鋼種可優先選用一般熱固型熱鑲埋備樣試片，採浸入式浸蝕法，且浸入苦味酸酒精溶液的浸蝕效果又較硝酸酒精溶液佳。2. 碳含量0.10%之鋼種則選用環氧樹脂冷鑲埋方式備樣，採煮蝕法，隔水加熱，苦味酸水溶液中並添加數滴界面活性劑。3. 影響煮蝕效果的參數依序為苦味酸水溶液濃度煮蝕溫度煮蝕時間，且碳含量愈低，差異性愈顯著。4. 煮蝕法最佳煮蝕條件為5%的苦味酸水溶液於70下煮蝕8分鐘。所建立最適之低碳鋼ERW管