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研究生: 陳政儒
Zheng Ru Chen
論文名稱: 鈦合金Ti-6Al-4V應用電漿銲之銲接性研究
A Study on Weldability of PAW for Titanium
指導教授: 鄭慶民
Cheng, Ching-Min
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: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 104
中文關鍵詞: 鈦合金電漿銲惰性氣體鎢極電弧銲熱處理
英文關鍵詞: Ti-6Al-4V, PAW, TIG, heat treatment
論文種類: 學術論文
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  • Ti-6Al-4V鈦合金是應用最廣泛的鈦合金,同時也是最早被開發之商用鈦合金。Ti-6Al-4V是典型α+β型鈦合金之代表,為目前使用量最大的鈦合金。近年來,隨著材料冶煉與加工技術漸趨成熟,鈦金屬的應用領域更為廣泛,是各界近年來積極開發的輕金屬材料之一。
    本論文主旨在探討Ti-6Al-4V鈦合金在不添加銲料的方式下,進行鈦合金板材電漿對接銲再加氬銲對銲道表面進行重熔。此銲接方式為目前工業界常用之方法,其目的為消除鈦合金因板材過厚又或是接點附近因母材充填的不足,在電漿對接銲的過程中,發生過熔低焰(under cut)之現象。加上實驗出之最佳參數,探討鈦合金之銲接性,進而探討其機械性質,經過微硬度試驗、拉伸試驗、光學顯微組織觀察、掃描式電子顯微鏡觀察(SEM)、能量散佈光譜儀(EDS)進行分析探討,並對銲件實施施銲後熱處理,找出熱處理最佳參數,希望對Ti-6Al-4V合金能有進一步之瞭解,以期能改善鈦合金銲接性之各項問題。
    研究結果顯示,利用PAW加TIG能成功銲接Ti-6Al-4V鈦合金,且能夠保證銲道不會有未熔透、裂縫、氣孔等銲接缺陷出現。Ti-6Al-4V鈦合金母材與銲後破斷面之顯微組織、銲件與銲件經退火熱處理後之拉伸破斷面之顯微組織,其破斷的位置皆在母材區域,且破壞處兩端均有頸縮現象,進一步觀察破斷面可發現韌窩狀組織與微小的空孔,綜合以上結果,故推斷破壞模式屬於延性破壞。而銲件經固溶加時效熱處理後之拉伸破斷面,其顯微組織是另一種與延性破壞完全不同的脆性破壞,脆性材料最明顯的特徵就是有劈裂的情形產生,這些裂痕都是沿著晶界生長,存在裂縫生成與延伸的區域,由此方法分析,破壞模式應是脆性破壞。
    熱處理試驗取Ti-6Al-4V鈦合金熱處理最佳參數範圍之最大與最小溫度值,作為本研究之實驗參數,結果顯示退火熱處理最佳參數為720C(2 hr),空冷至室溫。而析出熱處理則是固溶熱處理925C(10min),水冷;時效熱處理535C(4 hr),空冷。

    Ti-6Al-4V Titanium is the most widely used titanium alloy, it is also the first to be developed commercial titanium alloys. Ti-6Al-4V is a typical α + β type titanium alloy of the representatives, it is also the largest capacity of currently used titanium alloy. In recent years, as long as the processing technology matured, wider application of titanium, it is one of the development of light metal materials.
      This study focuses on the Ti-6Al-4V titanium alloy in the solder manner without adding. For titanium alloy sheet used PAW welding added TIG welding on the surface remelting. This welding method for the current methods commonly used in industry. The aim of titanium due to plate too thick or near the junction due to lack of base metal filling, In the welding process of under cut the situation. Experiment with the best parameters of the welding of titanium alloy then to study their mechanical properties. Through tension testing, hardness testing, optical microscope, scanning electron microscope, energy dispersive spectrometers. And implementation of treatment, identify the optimal treatment parameters, want to Ti-6Al-4V alloy can further the understanding, in order to improve the problem of welding titanium.
      The results show that the successful use of PAW welding add TIG welding Ti-6Al-4V titanium alloy. Can guarantee there will be no weld cracks, cavities and other weld defects occur. Titanium alloy, the fracture location of all the base metal region. Further observation can be found in the fracture surface dimple-like organization with tiny air holes, the above results, it is inferred failure mode is ductile fracture. The other is brittle, the most obvious feature is a split condition. Test taking Ti-6Al-4V titanium alloy heat treatment the best range of parameters the maximum and minimum temperature, as the study of experimental parameters. The results showed that the optimum parameters of annealing is 720℃(2hr) air cooling, Solution heat treatment is 925℃(10min) water cooling, Heat treatment 535℃(4hr) air cooling.

    謝誌 I 中文摘要 II ABSTRACT III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 前言 1 1.1 研究緣起與背景 1 1.1.1鈦及鈦合金之應用 1 1.1.2全球鈦合金之產業應用 4 1.1.3鈦及鈦合金之接合技術 10 1.2 研究動機 11 1.3 研究目的 12 第二章 文獻探討 13 2.1鈦合金介紹 13 2.1.1純鈦 13 2.1.2合金和相 15 2.1.3商業用合金 21 2.2電漿電弧銲之基本原理 25 2.2.1電漿電弧銲之結構 25 2.2.2 PAW(plasma arc welding)銲接法 26 2.2.3銲接參數 28 2.2.4電漿電弧銲之優缺點 31 2.3惰氣鎢極電弧銲基本原理 32 2.3.1銲接電弧之結構 33 2.3.2電壓-電流之靜特性 35 2.3.3 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)銲接法 36 2.3.4銲接參數 38 2.3.5惰氣鎢極電弧銲之優缺點 39 2.3.5-1惰氣鎢極電弧銲之優點 39 2.3.5-2惰氣鎢極電弧銲之限制 39 2.4鈦合金的銲接 40 2.5鈦合金的銲接缺陷 42 2.6鈦合金的熱處理 44 2.6.1熱處理 44 2.6.2鈦合金熱處理之種類與方法 44 2.6.3 Ti-6Al-4V之熱處理 49 第三章 研究設計與實施 53 3.1實驗設計流程 53 3.2前置實驗 55 3.2.1 實驗材料 55 3.2.2 銲接方式 55 3.3銲接製程參數設計 59 3.4鈦合金之熱處理條件 60 3.5拉伸試驗 61 3.6金相顯微組織觀察 64 3.7微硬度試驗 67 3.8 SEM顯微觀察及EDS分析 69 第四章 實驗結果與討論 71 4.1製程參數對鈦合金銲道外觀形態之影響 71 4.1.1 銲接製程對銲道外觀之影響 71 4.1.2 銲接製程與母材熱影響區之關係 73 4.2拉伸試驗 73 4.2.1抗拉強度分析 75 4.2.2破斷位置分析 77 4.3金相組織觀察 78 4.4微硬度試驗 85 4.4.1 硬度分析 85 4.4.2 銲接製程對銲道微硬度之影響 85 4.5 SEM觀察與EDS分析 89 4.5.1 破斷面SEM觀察與EDS分析 89 4.5.2 銲道SEM觀察與EDS分析 89 第五章 結論與建議 98 5.1結論 98 5.2建議 99 參 考 文 獻 100 表目錄 表1-1鈦合金產品之應用範圍 5 表1-2鈦合金汽門機構與鋼製汽門機構之比較 8 表2-1純鈦的基本物理性質 14 表2-2鈦之物理性質與其它金屬之比較 14 表2-3鈦合金性能之比較 19 表2-4鈦合金與其它常用金屬材料之機械性能比較 22 表2-5高電流電漿銲接電漿氣體選用參數 30 表2-6低電流電漿銲接電漿氣體選用參數 30 表2-7各種金屬TIG銲法使用的保護氣體及特性 34 表2-8鈦及鈦合金之銲接性 41 表2- 9鈦及鈦合金之退火處理條件 46 表2-10鈦合金固溶化、淬火條件 48 表2-11鈦及鈦合金之時效處理條件 49 表3-1鈦合金Ti-6Al-4V之主要成份 55 表3-2 TIG之銲接製程參數 59 表3-3 PAW之銲接製程參數 59 表3-4 Ti-6Al-4V熱處理(退火條件) 60 表3-5 Ti-6Al-4V析出熱處理(固溶處理+時效處理條件) 60 表3-6拉伸試件尺寸之規格 63 表3-7 Ti-6Al-4V腐蝕液配方 64 表3-8微硬度實驗參數 67 表4-1 Ti-6Al-4V鈦合金常溫拉伸試驗結果 75 表4-2 Ti-6Al-4V鈦合金銲接銲件之硬度平均值 87 表4-3母材拉伸破斷面成份分析結果 97 圖目錄 圖1-1鈦合金生產過程 1 圖1-2添加不同合金元素對鈦合金機械性質變化趨勢 3 圖1-3波音商用飛機中鈦金屬用量百分比 6 圖1-4波音787商用飛機材料組成百分比 6 圖1-5燃氣渦輪發動機(渦槳發動機)主要材料用量的變化趨勢 7 圖1-6鈦合金在小型車的應用潛力 8 圖2-1純鈦之兩種同素異形體 15 圖2-2鈦合金之基本二元相圖 16 圖2-3 Ti-6Al-4V之相圖 17 圖2-4合金元素對鈦合金相圖之影響 17 圖2-5各類鈦合金之高溫潛變特性圖 20 圖2-6各類鈦合金之破壞韌性與強度的比較 20 圖2-7各種輕金屬材料之比強度與溫度之關係圖 23 圖2-8鈦合金(Ti-6Al-4V)與耐蝕鋼(12Cr Steel)之疲勞強度比較圖 24 圖2-9電漿之離子態(有別於一般固、液、氣三態) 25 圖2-10電漿電弧銲接法原理與設備 26 圖2-11傳導式(左)與非傳導式(右)兩種電漿銲鎗的基本結構 27 圖2-12 Gullco-GK191-P/18A型自動走銲機 27 圖2-13電漿銲接法(左)與惰氣鎢極電弧銲法(右)之比較 31 圖2-14惰氣鎢極電弧銲之設備 32 圖2-15惰氣鎢極電弧銲之示意圖 33 圖2-16電壓-電流之靜特性曲線 35 圖2-17鈦合金硬化之示意圖 47 圖2-18 Ti-6Al-4V之三元相圖 50 圖2-19 Ti-6Al-4V在不同溫度及不同冷卻方式之微觀組織 50 圖2-20 Ti-6Al-4V 在不同冷卻速率之下微觀組織 51 圖3-1研究架構圖 54 圖3-2鈦合金對接銲示意圖 56 圖3-3銲接製程示意圖 57 圖3-4定電流電漿電弧銲接機 58 圖3-5惰氣鎢極電弧銲接機 58 圖3-6 CNC放電加工線切割機 61 圖3-7線切割示意圖 62 圖3-8拉伸試驗之試片 62 圖3-9金相組織觀察之試片 62 圖3-10拉伸試件尺寸 63 圖3-11慢速鑽石切割機 65 圖3-12 Olympus BH型光學顯微鏡 65 圖3-13熱鑲埋機 66 圖3-14研磨機 66 圖3-15拋光機 66 圖3-16微硬度試驗機 68 圖3-17維克氏壓痕對角線 68 圖3-18微硬度測點示意圖 68 圖3-19薄膜蒸鍍試驗機 70 圖3-20掃描式電子顯微鏡 70 圖3-21掃描式電子顯微鏡加裝之EDS 70 圖4-1電漿對接銲加氬銲之銲後巨觀圖 72 圖4-2母材與銲接、銲後熱處理切割完成之實際試片 74 圖4-3 Ti-6Al-4V鈦合金母材、銲後與銲後經熱處理之破斷位置圖 77 圖4-4銲件金相組織示意圖 78 圖4-5 Ti-6Al-4V鈦合金銲後之銲件金相組織圖 79 圖4-6 Ti-6Al-4V銲後經退火熱處理720℃之銲件金相組織圖 79 圖4-7 Ti-6Al-4V銲後經退火熱處理730℃之銲件金相組織圖 80 圖4-8 Ti-6Al-4V銲後經退火熱處理740℃之銲件金相組織圖 80 圖4-9 Ti-6Al-4V銲後經固溶熱處理925℃之銲件金相組織圖 81 圖4-10 Ti-6Al-4V銲後經固溶熱處理940℃之銲件金相組織圖 81 圖4-11銲件銲後與各種熱處理之母材金相顯微組織 82 圖4-12銲件銲後與各種熱處理之熱影響區金相顯微組織 83 圖4-13銲件銲後與各種熱處理之銲道金相顯微組織 84 圖4-14 Ti-6Al-4V鈦合金微硬度取樣示意圖 86 圖4-15微硬度試驗量測示意圖 86 圖4-16銲件與退火熱處理後試片之平均硬度分佈曲線圖 88 圖4-17銲件與固溶加時效熱處理試片之平均硬度分佈曲線圖 88 圖4-18 Ti-6Al-4V鈦合金母材破斷面顯微組織 90 圖4-19 Ti-6Al-4V鈦合金母材銲後破斷面顯微組織 91 圖4-20 Ti-6Al-4V母材銲後退火熱處理720℃破斷面顯微組織 92 圖4-21 Ti-6Al-4V母材銲後退火熱處理730℃破斷面顯微組織 93 圖4-22 Ti-6Al-4V母材銲後退火熱處理740℃破斷面顯微組織 94 圖4-23 Ti-6Al-4V銲後固溶925℃加時效處理破斷面顯微組織 95 圖4-24 Ti-6Al-4V銲後固溶940℃加時效處理破斷面顯微組織 96 圖4-25母材拉伸破斷面分析位置 97

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