軟鋼及高張力鋼銲材

1.母材屬性介紹:
所謂的「鋼」是含碳(C)量為0.02%~2%的鐵碳合金,一般的運用上會再添加錳(Mn)、矽(Si)等合金元素。
在鋼鐵材料中,以軟鋼及490 N/mm2級高張力鋼的運用最為普遍,業界的銲接經驗也最豐富;除了須選用適當匹配的銲材,並遵守規範的規定及銲材廠家的建議,銲道品質才能達到工程規範的要求。


2.銲接方法與特性:

「銲接」是為了達到金屬與金屬間的接合而發展出的一種工法,經過銲接讓兩個或兩個以上分離的金屬能結合,以達到力量傳遞及乘載負荷的目的。銲接本身就是對原有的金屬母材的銲接部位實施一次或多次的熱處理,所以在銲接部位附近的母材已經不再是原有的組織性質,而是否能達到「銲接有效性」,有以下幾個的關鍵影響因素:

2.1母材的碳當量之影響:
在達到金屬間接合目的之前提下,如何讓銲接部位附近的母材受到的質變降到最低,則需先掌握母材屬性、銲材特性、銲接方法、銲接程序、銲工技藝等關鍵因素。在鋼材的可銲接性評估中,需先對一個重要的指標「碳當量(Ceq或CE)」做了解,而常用的評估公式有以下兩種:
Ceq (JIS) = C + 1/6Mn + 1/24Si + 1/40Ni + 1/5Cr + 1/4Mo + 1/14V  (%)
CE (IIW) = C + Mn/6 + (Ni+Cu)/15 + (Cr+Mo+V)/5  (%) 
         
軟鋼母材在銲接後的迅速冷卻過程,僅會產生一些麻田散鐵組織,熱影響區的硬化現象有限;對於中高碳鋼、高張力鋼或低合金鋼母材而言,在熱影響區的硬度值就會明顯地增高,此類材料的硬度值以熔合線外附近的粗粒區為最高,也表示此區域含有很多的麻田散鐵。
國際銲接協會(IIW)的文獻中提到,熱影響區之最高硬度值一旦超過Hv350時,發生龜裂的風險性會大幅增加。

2.2工件拘束度的影響:
銲接時,由於銲接部位受熱膨脹及冷卻收縮影響而產生變形;薄板工件受熱後較容易自由伸縮,而產生較大之變形量;相對於厚板工件,則本身即有防止變形之特性,這種狀態叫拘束力,而評估拘束力量大小的程度稱之為「拘束度(K)」:

拘束度(K)= 拘束係數(K0) * 板厚(t)   (kg/mm‧mm)
K0=拘束係數(kg/mm2‧mm)
t  =板厚(mm)  

拘束係數與街頭的設計及銲接工法有關,工件的板厚與拘束度為正相關,而拘束度愈大則愈容易引起龜裂現象。

2.3擴散氫的影響:
另一項引起龜裂的因素為「氫」的問題,銲材的銲藥含水率、母材表面的水分、銲接時大氣的濕度都會影響到銲道的氫含量;銲接時,這些水分受到電弧熱的解離,會溶入銲道中,由於氫的分子很小,隨著銲後降溫過程,會在晶界之間游離擴散及聚集,當氫氣持續累積的體積大到一定的程度,就會撐開一個空間,也就是所謂的延遲龜裂現象。

2.4溫度管理的影響:
銲接前工件的溫度控制、銲接中的道溫控制、銲接時的入熱量控制、銲接後的降溫控制、銲接後是否需實施後加熱及後熱處理等溫度管理措施,都是在避免麻田組織過度生成及作應力消除之用,溫度管理須遵照工程規範、WPS、銲材規範及材料廠家的建議來執行。

2.5銲道微量成分的影響:
對一般的鋼材而言,除非有特殊的需求性,銲道中的磷(P)、硫(S)、銅(Cu)、硼(B)、氧(O)、氮(N)、氫(N)等微量元素殘留量須盡量降至最低,以避免銲道產生龜裂或氣孔等品質問題,這些會影響銲道品質的成分主要來自母材與銲材本身。

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