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研究生：	張瑞顯Ｒay Chang
論文名稱：	摩擦攪拌銲接技術應用於鎂合金AZ31B-H24接合性質之研究 A Study of Friction Stir Welding on the Joining Properties of Magnesium Alloy AZ31B-H24
指導教授：	程金保
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工業教育學系 Department of Industrial Education
論文出版年：	2006
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	136
中文關鍵詞：	摩擦攪拌銲接、鎂合金、摩擦攪拌參數、抗拉強度、摩擦熱
英文關鍵詞：	FSW, Magnesium Alloy, FSW welding parameter, tensile strength, frictional heating
論文種類：	學術論文
相關次數：	點閱：141 下載：11
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鎂合金的輕量化、高比剛性及比強度、密度低與吸震性佳等特性，近年來被廣泛應用在3C產業及車輛材料上。鎂合金之摩擦攪拌銲接為低變形、低成本、無污染的固態接合製程，是嶄新的製造技術。

本研究針對3 mm之AZ31B-H24鎂合金板材進行摩擦攪拌銲接，採用自行設計製造的工具頭，配合固定式夾具作定位及夾持，進行各種不同型態的參數組合，包括攪拌桿傾斜角度、工具頭轉速及銲接進給速率、凸銷下壓深度。透過熱電偶作溫度紀錄，ANSYS 軟體執行溫度分佈解析，得到近似函數來估測銲道溫度；並進行金相觀察、硬度、拉伸等機械性質探討。

實驗結果發現，鎂合金AZ31B - H24摩擦攪拌銲接可接合的參數條件相當廣泛，但改變參數條件能獲得不同的機械性質，在前進傾斜角2度及導引端下壓深度0.08 mm條件下，當摩擦攪拌銲接參數設定在2和10之間，輸入熱為230 ℃到290 ℃左右，且銲道內無缺陷，攪拌區形成等軸細晶，拉伸斷裂位置在攪拌區與熱影響區交界處，接合效率介於78.75到87.11 %；其中以值趨近5.6之銲件迴轉節距適中，銲道內進給邊及退出邊摩擦熱均勻，可得最高抗拉強度值。

Due to their lightweight, high specific stiffness and specific strength, magnesium alloys have been widely used for 3C (Computer, Communication and Consumer Electronics) industries and vehicles recently. Friction stir welding (FSW) is an emerging solid-state and nonpolluting joining process that produces low-distortion and low-cost welds.

This study focus on 3-mm AZ31B-H24 plate by FSW, using the tool self-designed and self-made, with cramp fixture located and fixed, proceeding various parameter combination, including stir rod travel angle, tool rotation, traverse speeds and plunge depth. Through temperature record of thermocouples, distribution of temperature analysis executed by ANSYS software, obtain approximating function estimate temperature. Microstructures of the welds will be examined using optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). Tensile properties and micro hardness of the welds will be evaluated at room temperature.

According to the experimental results, the weldable parameters for AZ31B-H24 plates by FSW are quite board, but modifying parameters have different mechanical property. With travel angle 2∘and leading depth 0.08 mm, when FSW welding parameters between 2 to 10, obtain about 230 ℃ to 290 ℃
heat input, and the internal weld pass defect-free, fine equiaxial grain formed in stir zone, and break in boundary between stir zone and HAZ. The efficiency of joint is about 78.75% to 87.11%. Especially when approaching 5.6 with proper revolution pitch, advancing side and retreating side of weld pass have uniform frictional heating, the tensile strength is highest.

謝誌.………………………………………………………………………………Ⅰ
中文摘要.…………………………………………………………………………Ⅱ
英文摘要.…………………………………………………………………………Ⅲ
目錄….……………………………………………………………………………Ⅳ
表目錄.……………………………………………………………………………Ⅶ
圖目錄……………………………………………………………………………Ⅷ
第一章 前言………………………………………………………………………1
第二章 文獻探討…………………………………………………………………3
2.1 鎂合金材料的性質…………………………………………………….. 3
2.1.1 鎂合金之分類規範及意義…………………………………………3
2.1.2 合金元素添加及其效應……………………………………………3
2.1.3  AZ31B-H24鎂合金板片製程…………………………………… 4
2.2 鎂合金之變形行為…………………………………………………….. 4
2.2.1 溫度效應……………………………………………………………4
2.2.2 雙晶與動態再結晶…………………………………………………6
2.2.3  AZ31熱軋延板片…………………………………………………7
2.3 FSW的原理與實務探討……………………………………………….. 9
2.3.1  FSW製程簡介…………………………………………………….9
2.3.2  FSW接合原理..…………………………………………………..10
2.3.3  FSW的八個參數因子.………………………………………….. 11
2.4  FSW的熱塑性流動 .…………………………………………………13
2.4.1 熱量部份...………………………………………………………....13
2.4.2 塑流部份...…………………………………………………………14
2.4.2.1 洋蔥狀與迂迴波線形…………………………………………14
2.4.2.2 塑流場模式與材料塑流 .……………………………………..15
2.4.2.3 數位X光照片與電腦材料斷層掃描檢測塑流.. .……………16
2.4.2.4 凸銷工具頭磨耗評估 .………………………………………..17
2.4.2.5 運用2D CFD分析凸銷 ..……………………………………..17
        2.4.2.6 凸銷攪拌所形成之塑性區 .…………………………………..18
2.5  AZ系鎂合金之FSW………………..…………………………………19
2.5.1 鎂合金AZ31同材之摩擦攪拌銲接.. ……………………………..19
2.5.2 鎂合金AZ61同材之摩擦攪拌銲接...……………………………..23
2.5.3 鎂合金AZ91同材之摩擦攪拌銲接 .……………………………..24
第三章 實驗方法與步驟.......…………………………………………………….44
3.1 實驗流程…...……………………………………………………………44
3.2 實驗材料及設備…...……………………………………………………44
3.3 實驗過程….……..………………………………………………………46
3.4 塑性流的溫度檢測..….…………………………………………………46
3.5 顯微組織觀察….…..……………………………………………………47
3.6 微硬度測量….……..……………………………………………………47
3.7 拉伸試驗 ..………...……………………………………………………48
3.8 拉伸破斷面觀察 .………………………………………………………48
第四章 研究結果與討論  …...………………………………………………… 57
4.1 工具頭製程設定 ..…...…………………………………………………57
4.1.1 進給傾斜角 ..……...……………………………………………… 57
4.1.2 工具頭設計變因 ..…...…………………………………………… 58
4.1.3 下壓深度 ..……………...………………………………………… 59
4.1.4 作用於板材之總垂直深度推導 .....……………………………… 60
4.2 接合缺陷成因及防止 .………………..………………………………. 61
4.2.1 缺陷分類 .…………………………..…………………………….. 61
4.2.2  值形成之缺陷..………………………….………………………. 62
4.2.2.1  值過高造成過熱…………………….……………………… 62
4.2.2.2  值過低造成過冷..…………………….…………………….. 63
4.2.3  值無法控制之缺陷……………………………………………… 64
4.2.3.1 銲道未銲透缺陷..……………………………………………... 64
4.2.3.2凸銷未達板材底部缺陷..……………………………………… 64
4.2.3.3 背板選用不當的缺陷..…………………………………………65
4.3 銲道溫度推估..……………………………………………………………. 66
4.3.1 使用ANSYS與MATLAB軟體…...………………………………66
4.3.1.1  ANSYS模擬溫度分佈 ...…..…………………………………66
4.3.1.2 最小平方近似法與MATLAB計算溫度..….………………….69
4.3.2 加工條件對溫度之影響….…………………………………………74
4.4 微觀組織觀察..……………………………………………………………. 76
4.4.1 試片橫截面微觀組織觀察.…………………………………………. 76
4.4.2 微觀組織晶粒量測.…………………………………………………. 77
4.5微硬度試驗…...……………………………………………………………. 79
4.6拉伸試驗……...……………………………………………………………. 80
4.6.1 抗拉強度與伸長率…………………………………………………… 80
4.6.2  SEM檢視拉伸斷口.………………………………………………… 81

第五章 結論...……………………………………………………………………130
參考文獻 ...………………………………………………………………………131




表 目 錄

表2-1  ASTM標準鎂合金分類規範四部份之記號 …………………..………25
表2-2  鎂合金銲接等級 ………………………………………………..………26
表2-3  FSW參數因子簡表………………………………………………..…… 27
表2-4  6N01(T5)化學組成成份以及拉伸性質.…………………………..…….28
表3-1  AZ31B-H24化學成份……………………………………………..…… 49
表3-2  AZ31B-H24鎂合金片、板機械性能……………………………..…… 49
表3-3  AZ31B-H24鎂合金的物理性質 …………………………………..….. 49
表4-1   值參數設定表……………………………………………………..…. 83
表4-2   值形成之缺陷表……………………………………………………... 84
表4-3  預熱溫度及銲道最大溫度……………………………………………... 85
表4-4  AZ31B-H24鎂合金FSW製程後部分試片晶粒徑值  ..……………...86
表4-5  抗拉強度與伸長率….………………………………………………….. 87
表4-6  第6號試片EDS成分分析表..…………………………………………88











圖 目 錄

圖2-1  Al-Mg 二元合金圖………………………………………………………29
圖2-2  鎂合金的滑動系統示意圖。（a）底面、柱面及錐面滑移系統
（b）雙晶面………………………………..29
圖2-3  AZ31鎂合金雙晶誘發動態再結晶之微觀模式…………...……………30
圖2-4  FSW能完成的銲接平板形式 ………………………………………….. 30
 圖2-5  左圖為雙面鋁擠型面板結構進行FSW加工示意圖；中間的圖為
Doubleskin extrusion panel完成FSW接合的斷面放大圖；右圖為
       700系新幹線用大型床材實物 … ………………………………………31
圖2-6  左圖為車殼未接合前板料相對位置示意圖，右上圖為斷面局部放大；
       右圖為FSW在車體結構的銲接示意圖，紅色粗線部份為銲道………31
圖2-7  車殼床板樣本  ………………………………………………………… 32
圖2-8  FSW加工程序 ………………………………………………………….. 32
圖2-9  摩擦攪拌銲接銲道區域示意..………………………………………….. 33
圖2-10  置入記號點材料(圖中圓顆粒)觀察進給傾斜角TA對銲道內塑流的
        影響 ……………….……………………………………………………34
圖2-11  各種材料厚度與接合進給速度關係….………………………………..35
圖2-12  產生缺陷的兩個區塊(6N01 T5及5083 O) ……………………………35
圖2-13  以剖視圖表現熱塑流及力的關係… …………………………………. 36
圖2-14  FSW在銲道上因時間而產生溫度循環變化…………………………...36
圖2-15  凸銷與肩部的熱比例 …….……………………………………………37
圖2-16  凸銷與肩部的熱量 ………….…………………………………………37
圖2-17  (a)FSW加工俯視圖；(b)塑流擠壓示意前視圖 ...……………………38
圖2-18  洋蔥環與波形流線銲道 ………………….……………………………39
圖2-19  三種流場模式合成環繞凸銷的塑流 …….……………………………40
圖2-20  (a) 數位X光相片(Digital radiograph); (b) 電腦斷層掃描(CT slice) .. 40
圖2-21  MMC─FSW凸銷磨耗，由下而上逐漸被磨平因為塑流中夾帶磨料…41
圖2-22  由左自至右依序為第一種、第二種、第三種、第四種凸銷斷面….….41
圖2-23  第一種凸銷斷面(a) stick condition; (b) slip model ..……………….…. 42
圖2-24  (a)第四種凸銷斷面流線圖；(b)第四種凸銷轉動60∘……………..…..42
圖2-25  (a)金屬塑流型態；(b)摩擦攪拌銲接過程中各冶金區域之形成與變
化..…………………………………………………………………….. 43
圖2-26  AZ31鎂合金板片經FSW加工後進行深抽 …………………………. 43
圖3-1  實驗流程………………………………………………………………… 50
圖3-2  床台型強力立式銑床(heavy duty bed type vertical milling machine).… 51
圖3-3  (a)工具頭尺寸圖;(b)工具頭實物.………………………………….…… 52
圖3-4  虎鉗夾具搭配顎式夾鉗之固定方式….…………………………………52
圖3-5  (a)6個溫度截取位置示意圖；(b)實際熱電偶裝配圖………………….53
圖3-6  溫度截取器MV100. ……………………………………………………. 54
圖3-7  FM700微硬度計.…………………………………………………………54
圖3-8  (a)拉伸試片示意圖；(b)試片……………………………………………55
圖3-9  FANUC CUT α-OA 放電線切割機 …………………………………… 55
圖3-10  掃描式電子顯微鏡SEM( JEOL JSM6360 )………………………..…. 56
圖4-1  AZ31-H24板材銲道受進給傾斜角影響之比較圖………………..…… 89
圖4-2  工具頭導引端與拖曳端示意圖……………………………..……..…… 90
圖4-3  工具頭主要因子圖.………………………………………………………90
圖4-4  工具頭主要因子分離圖.…………………………………………………91
圖4-5  工具頭外形設計圖.………………………………………………………92
圖4-6   值對銲道外觀之影響(a)銲道表面擦傷；(b)一般銲道表面.…...……93
圖4-7  銲道肩部之surface galling缺陷 (a)銲道表面擦傷(3925 rpm、174
mm/min， ＝22.6) ；(b)一般銲道表面（1615rpm、365mm/min，
 ＝4.4）.…………………………………………………………………94
圖4-8  銲道表面surface laps缺陷.………………………………………………94
圖4-9  主軸轉數3925 rpm之垂直柱狀空孔(vertical hole) 缺陷.……………...95
圖4-10  scalloping缺陷(a)銲道掏空型；(b)兩板片分離型.………………………95
圖4-11  wormhole缺陷.……………………….…………………………………96
圖4-12  凸銷未貫穿板底金相圖(a)未貫穿板底；(b)未穿透起點局部放大
.………..…..……………………………………………………………97
圖4-13  銲道中心下緣LOP缺陷  …………….………………………………98
圖4-14  背板選用不當使銲道塌陷(a)外觀；(b)巨觀圖 ..………………………98
圖4-15  ANSYS節點及元素定義圖(a)預熱；(b)銲道 .……………………….99
圖4-16  MATLAB溫度估計圖(a)預熱；(b)銲道 .……………………………..99
圖4-17  與13號試片相同 值之6 mm板材預熱溫度(a)6條k型熱電偶線
之溫度量測記錄；(b)使用ANSYS軟體作一維熱傳遞之溫度分析
(c)應用MATLAB軟體之非線性迴歸獲得銲道中心溫度 .…………100
圖4-18  第12試片板材預熱溫度(a) 6條k型熱電偶線之溫度量測記錄；
(b)使用ANSYS軟體作一維熱傳遞之溫度分析；(c)應用MATLAB
軟體之非線性迴歸獲得銲道中心溫度...…………..…………………101
圖4-19  第13號試片板材預熱溫度(a)6條k型熱電偶線之溫度量測記錄
(b)使用ANSYS軟體作一維熱傳遞之溫度分析；(c)應用MATLAB
軟體之非線性迴歸獲得銲道中心溫度 .…………………………..…102
圖4-20  第20號試片板材預熱溫度 (a) 6條k型熱電偶線之溫度量測記錄
        (b)使用ANSYS軟體作一維熱傳遞之溫度分析；(c)應用MATLAB
軟體之非線性迴歸獲得銲道中心溫度 ...……………………………103
圖4-21  ANSYS之3D模擬(a)建立實體模型(solid model)；(b)建立網格
(mesh)；(c)定義邊界條件；(d)後處理求出解；(e)觀察溫度分佈；
(f)六個測溫點 .…………………………………………..……………104
圖4-22  第12號試片銲道溫度(a) k型熱電偶線之溫度量測記錄；(b)使用
        ANSYS軟體作一維熱傳遞之溫度分析；(c)應用MATLAB軟體
之非線性迴歸獲得銲道中心溫度 ...…………………………………106
圖4-23  第13號試片銲道溫度(a)k型熱電偶線之溫度量測記錄；(b)使用
        ANSYS軟體作一維熱傳遞之溫度分析；(c)應用MATLAB軟體
之非線性迴歸獲得銲道中心溫度.……………………………………107
圖4-24  第20號試片銲道溫度(a) k型熱電偶線之溫度量測記錄；(b)使用
        ANSYS軟體作一維熱傳遞之溫度分析；(c)應用MATLAB軟體
之非線性迴歸獲得銲道中心溫度 .……………………..……………108
圖4-25  與13號試片相同 值之6 mm板材銲道溫度(a)k型熱電偶線之
         溫度量測記錄；(b)使用ANSYS軟體作一維熱傳遞之溫度分析
(c) 應用MATLAB軟體之非線性迴歸獲得銲道中心溫度 .………109
圖4-26  3925 rpm在不同銲接速率條件之熱電偶量測溫度變化(a)預熱溫
度；(b)銲道溫度 .……………………..………………………………110
圖4-27  製程參數 值形成進給邊與退出邊的預熱溫差...………..………….111
圖4-28  未經FSW製程之AZ31B-H24鎂合金母材之金相組織…………….112
圖4-29  經FSW製程加工後銲道攪拌區雙晶數量變少 …………………….113
圖4-30  第2號試片橫截面巨觀及金相組織圖(a) macro–structure；(b) A區
        為arm；(c) B區為weld nugget；(d) C區為HAZ；(e) D區為SZ / HAZ
 ..……………….…………………………………………..……………114
圖4-31  銲道臂區上緣微觀組織圖(a)第6號試片銲道臂區上緣；(b)第8號
        試片銲道臂區上緣；(c)第20號試片銲道臂區上緣………………...115
圖4-32  第2號試片微觀組織圖(×200) (a) arm；(b) weld nugget；(c) HAZ…117
圖4-33  第2號試片微觀組織圖(×500)(a) arm；(b) weld nugget；(c) HAZ.…118
圖4-34  第20號試片微觀組織圖(×500)(a) arm；(b) weld nugget；(c) HAZ.…119
圖4-35  第1號試片之SEM相片(×2000)(a) arm；(b) weld nugget；(c) HAZ…120
圖4-36  固定主軸轉數為1615 rpm之微硬度分佈圖.…………………………121
圖4-37  固定主軸轉數為2622 rpm之微硬度分佈圖.…………………………121
圖4-38  試片2號及試片28號之微硬度分佈比較圖.…………………………122
圖4-39  抗拉強度與銲接進給率的關係...………………………..……………122
圖4-40  伸長率與銲接進給率的關係...……………………………..…………123
圖4-41  拉伸試驗斷裂後試片之正面及橫截面.……………………………….123
圖4-42  拉伸試片斷裂狀態.…………………………..………………………..124
圖4-43  第6號試片下壓力不足破斷面SEM相片(a) SEM低倍率觀察拉伸
斷面；(b) arm/HAZ；(c) arm/HAZ截取放大；(d) arm/HAZ截取放
大.……………………………….……………………………………...125
圖4-44  第6號試片下壓深度0.03 mm之weld nugget/HAZ破斷面SEM相
片(a) SZ/HAZ截取放大；(b) SZ/HAZ截取放大 .…………….……126
圖4-45  第6號試片拉伸破斷面SEM相片(a) SEM低倍率觀察拉伸斷面；
(b) SZ/HAZ截取放大；(c) SZ/HAZ截取放大 .…………………....……126
圖4-46  第6號試片拉伸破斷面之EDS分析結果... .………………………..127
圖4-47  第18號試片拉伸破斷面SEM相片(a)SEM低倍率觀察拉伸斷面
..…………....……………………………….…………………………128
圖4-48  AZ31B-H24之3 mm板材摩擦攪拌銲接可銲接範圍………………129
                                

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