第五章 接合程序

1. 前言 5.1 氣體銲接 5.2 電弧銲接 5.3電阻銲接 5.4 固態銲接 5.5 軟銲和硬銲 5.6 其它銲接法 5.7 銲接處理 5.8 機械式緊固 5.9 黏著接合 第五章 接合程序

2. 前言 • 零件本身在成形的過程中也會因考慮諸多原因而需先進行組合加工，此即所謂的接合程序。 • 裝配與接合程序在機械製造之實際應用上並無明確之區分，並可通稱為接合。 • 接合的方法： • 非永久性的接合(如螺紋扣接，捆綁等) • 永久性的接合(如鉚接，黏結，銲接等)，以銲接最為重要。

3. 前言(續) • 銲接： • 又稱為熔接，已成為當今工業上不可或缺的材料接合方法。 • 廣泛的用於各種產品的生產和維修。 • 由於銲接技術及設備不斷的進步，超過50種以上的銲接方法已被發展出來。 • 可用於靜態、動態或疲勞形式負載作用的結構體，也可用於低溫、高溫、高壓或存有強蝕介質之環境的結構體。

4. 前言(續) • 美國銲接學會(AWS)對銲接的定義 ： • 將兩件或兩件以上的金屬或非金屬工件，在接合處加熱至適當溫度使其徹底熔化或者在其熔化狀態下加壓力，或是僅使添加的填料熔化，並於冷卻凝固後可使工作件接合在一起的程序。 • 銲接可分為氣體銲接、電弧銲接、電阻銲接、固態銲接、軟銲、硬銲和其它銲接法等七大類，如圖5.1(a~d)所示。

5. 前言(續) 圖5.1a

6. 前言(續) 圖5.1b

7. 前言(續) 圖5.1c

8. 前言(續) 圖5.1c

9. 前言(續) • 若依接合原理分類 ，則可分為： • 1.熔化銲接：將工件接合於部位的材料加熱到熔化狀態，經冷卻凝固完成接合者，如氣體銲接、電弧銲接等。 • 2.壓力銲接：主要是利用施加壓力於工件接合部位之方式完成接合者，如端壓銲法、冷銲法等。 • 3.鑞銲：將熔點較工件材料低的填料熔化於工件接合部位，凝固後將工件接合者，如軟銲、硬銲等。

10. 前言(續) • 銲接時所使用的能源分類，可分為： • 1.化學反應能銲接：利用燃燒或化學反應生熱的方式產生融化工件材料所需之高溫。 • 2.電磁能銲接：利用電能直接轉換成熱能，或經由光能、動能再轉換成熱能者。 • 3.機械能銲接：利用機械能所產生之壓力為主以促使工件接合者。 • 4.結晶能銲接：當原子擴散或毛細作用而使工件接合者。

11. 前言(續) • 銲接接頭： • 兩工件在接合部位的組合狀態。 • 可分為對接接頭，搭接接頭，邊緣接頭，角緣接頭和T型接頭五種，如圖5.2所示。 • 銲接接頭的設計受到銲接方法和材料的限制。

12. 前言(續)

13. 前言(續) • 銲接位置： • 指工件之銲接部位在空間中所處的位置 • 分為平銲位置，橫銲位置，立銲位置和仰銲位置等四種，如圖5.3所示。 • 大多數的銲接方法可應用於不同的銲接位置，只有少數銲接方法受到限制，潛弧銲，電熱熔渣銲。

14. 前言(續)

15. 前言(續) • 銲接具有下列的優點： • 1.節省零件接合使用的材料，使產品輕量化，因此降低材料、加工及能源使用成本。 • 2.施工方法簡單，且工作效率高。 • 3.產品設計彈性大，不受工件形狀及厚度之限制。 • 4.可依需求選擇最適合的銲接方法加以使用，故應用的領域極為廣泛。

16. 前言(續) • 5.容易實現機械化和自動化。 • 6.可用來接合不同的工件材料。 • 7.工件發生缺陷時容易修補或改善。 • 8.接合率高，水密性及氣密性良好，外表平滑。

17. 前言(續) • 銲接的缺點有： • 1.許多銲接方法會產生強光、高熱及煙塵，工作環境不佳，對人體健康有害。 • 2.工件因局部高溫作用，造成收縮變形及殘留應力問題，影響產品的功用。

18. 前言(完) • 3.工件接合處易產生銲道表面氧化、偏析、相變態、氣孔、熱裂紋、冷裂紋、夾渣等熱影響區所造成的缺陷。 • 4.經銲接完成的工件，常需要做非破壞性檢驗，甚且機械性質的測試，以確保銲接品質，因而增加製造成本。

19. 5.1 氣體銲接 • 氣體銲接是將可燃氣體和助燃氣體以適當的比例混合後，利用火焰燃燒將化學能轉換為熱能的型式產生高溫，促使工件和銲條(即填料)熔化而接合的方法。 • 氣體銲接的設備簡單，成本低，應用範圍很廣，包含大多數金屬材料的銲接。

20. 5.1 氣體銲接(續) • 氣體銲接的操作方式可分為： • 1.前手銲法 • 依銲接進行方向，銲條在銲炬火口的前面，火炬指向即將施銲部位並先行加以預熱，如圖5.4(a)所示。 • 2.後手銲法 • 銲條在銲炬火口的後面，火焰指向熔池和已完成銲接之銲道，如圖5.4(b)所示。

21. 5.1 氣體銲接(續)

22. 5.1 氣體銲接(續) • 5.1.1 氧乙炔氣銲法： • 大部份的氣體銲接加工是採用氧乙炔氣銲法。 • 乙炔氣和氧氣分別存放在不同的鋼瓶中，經由軟管輸送道銲炬內混合燃燒，再從火口噴出火焰進行銲接工作。 • 燃燒產生的溫度可高達3300C以上。

23. 5.1 氣體銲接(續) • 火焰形式依乙炔氣和氧氣的混合比例不同而變化，可分為三種類型： • 1.還原焰(又稱碳化焰) • 供應的氧氣量比乙炔氣量少時，火焰形成三個區域，火口處為溫度較低的白色內焰，中間為最高溫的乙炔羽其長度隨乙炔氣量的多少而定，外層則是明亮的外焰，如圖5.5(a)所示。

24. 5.1 氣體銲接(續) • 2.中性焰： • 氧氣量和乙炔氣量的比例為1:1時，兩者可完全燃燒都沒有殘留，故無乙炔羽出現，如圖5.5(b)所示。 • 3.氧化焰： • 氧氣調整至比乙炔氣量多時，火焰形式與中性焰類似，但內焰變短，如圖5.5(c)所示 。

25. 5.1 氣體銲接(續)

26. 5.1 氣體銲接(續) • 5.1.2 氫氧氣銲法： • 使用的燃料以氫氣取代乙炔氣外，其餘大致與氧乙炔氣銲法相同。 • 燃燒所得的火焰溫度約為2000C左右，一般用來銲接較薄工件或低熔點金屬。 • 一般採用還原焰以避免金屬產生氧化的現象。

27. 5.1 氣體銲接(完) • 5.1.3 空氣乙炔氣銲法： • 當乙炔氣燃燒所需助燃之氧氣改由空氣提供時，所得之火焰類似本生燈，其溫度比其它氣體銲接法都低，通常使用的場合為鉛之熔接或低溫之軟銲、硬銲等。

28. 5.2 電弧銲接 • 將電極和工件分別接於電源之負極和正極，當電極和工件快速碰撞接觸後，立即提起分開，造成在兩者間的空氣被電離形成電弧，此步驟稱為起弧。 • 電弧的溫度高達5500度，可將工件接合部位的材料和填料同時熔化，於冷卻凝固後接合在一起。

29. 5.2 電弧銲接(續) • 起弧的方法有兩種： • 1.敲擊法 • 將電極垂直向下碰觸工件表面，在起弧成功後，將電極自高處稍微下降以保持正確的電弧長度。 • 2.摩擦法 • 將電極以圓弧動作方式摩擦工件表面，起弧成功後之動作同敲擊法 。

30. 5.2 電弧銲接(續) • 電弧銲接的方法依電極是否可熔化而分為兩大類： • 1.電極式 • 電極用可熔化的銲條，與工件接合部位一起被電弧之高溫熔化，如圖5.6(a)所示。 • 2.非熔極式 • 電極為碳化鎢棒或碳棒，做為與工件起弧之用，但電弧產生的高溫並不會熔化電極，而是熔化外加之銲條和工件接合部份的材料，如圖5.6(b)所示 。

31. 5.2 電弧銲接(續)

32. 5.2 電弧銲接(續) • 5.2.1 碳極電弧銲法： • 以碳棒為電極，利用熔化外加之銲條來接合工件。 • 碳棒本身並不熔化，較適合正極性接法，因為其所得電弧較為穩定。

33. 5.2 電弧銲接(續) • 5.2.2 遮蔽金屬電弧銲法： • 使用包覆塗料之金屬銲條為電極，當與工件起弧後，電弧產生的熱量熔化銲條和工件材料形成熔池，在冷卻凝固後即為銲道用以接合工件。 • 銲條上的塗料被電弧燃燒，會生成的氣體和銲渣，遮蔽著電弧與熔池等，使之與空氣隔絕，保護熔融金屬不被氧化，如圖5.7所示。

34. 5.2 電弧銲接(續)

35. 5.2 電弧銲接(續) • 遮蔽金屬電弧銲法一般簡稱為電銲，是一種古老又簡單的銲接方法，在所有銲接法中最為廣泛使用。 • 電銲主要的優點有： • 1.設備簡單，價格低廉且攜帶方便。 • 2.銲條塗料分解時，可提供氣體保護層，故不需另外使用輔助之保護氣體。 • 3.適用於各種不同的銲接位置。 • 4.適用的金屬材料很廣 。

36. 5.2 電弧銲接(續) • 電銲的缺點有： • 1.銲接熔接率偏低。 • 2.銲條接近完全熔化後需更換另一支銲條重新起弧 。 • 3.每完成一道或一層銲接工作都必須進行銲渣去除，造成銲接效率低。

37. 5.2 電弧銲接(續) • 5.2.3 氣體鎢極電弧銲法： • 利用非消耗性的鎢棒做為電極，外加銲條於電弧間，利用銲炬噴出的惰性氣體形成遮蔽作用保護熔融狀態的銲道不被氧化，故又稱為惰氣鎢極電弧銲法，如圖5.8所示。 • 銲接時會產生高溫，所以銲炬需通以循環水冷卻。

38. 5.2 電弧銲接(續) • 起弧方式則改用銲接機所產生的高週波來達成。 • 惰性氣體中以氬氣最為實用，因而又稱之為氬銲。 • 在施銲完畢後，仍保持數秒到數十秒的惰性氣體(氬氣)吹送，以便充分保護銲道。

39. 5.2 電弧銲接(續)

40. 5.2 電弧銲接(續) • 惰氣鎢極電弧銲法和其它銲接方法比較時，具有下列之優點： • 1.除了低熔點的鉛、錫、鋅等合金外，大部份合金均可用此法銲接。 • 2.沒有熔渣及銲濺物，可節省銲接後處理的時間。 • 3.熱輸入控制容易，對薄工件的銲接特別有利。 • 4.銲接工件的品質良好。 • 5.銲接環境優良。

41. 5.2 電弧銲接(續) • 6.可以不用銲條，直接對工件接合部位加熱熔融。並可用於任何位置之施銲。 • 缺點則有： • 1.銲接速率較慢。 • 2.因其堆積速率慢，對厚截面工件的銲接很費時且成本較高。 • 3.電極容易沾到熔池內的金屬，因此電極常需更換，很費時 。 • 4.需使用惰性氣體提供銲道及電弧之保護。

42. 5.2 電弧銲接(續) • 5.2.4 氣體金屬極電弧銲法： • 使用消耗性的金屬電極，故不需外加銲條，又稱為惰性金屬極電弧銲接簡稱(MIG)，如圖5.9所示。 • 保護惰性氣體可使用氬氣、氮氣、二氧化碳或混合氣體等。 • 穿透性良好，銲接速度快 。

43. 5.2 電弧銲接(續)

44. 5.2 電弧銲接(續) • MIG銲接與TIG銲接的功能及優缺點類似。 • TIG適用於薄工件銲接，而MIG則因為堆積效率較高，故可用在較厚的工件上。

45. 5.2 電弧銲接(續) • 5.2.5 潛弧銲法： • 使用可熔性顆粒狀銲劑覆蓋在銲接周遭區域，將電極插入銲劑堆中，其尾端和工件起弧進行銲接。 • 銲接過程中，電弧、電極尾端和銲道都被銲劑及一部份熔化銲劑形成的銲渣所遮蔽，故看不到弧光，且無銲濺物及煙塵，所以稱為潛弧銲。

46. 5.2 電弧銲接(續) • 電極可為赤裸銲線或包覆塗料銲線 ，形式可為單極或多極式 。 • 銲劑可經由一輸送管送到電極前端，未被熔化的銲劑則可經由另一條吸管回收再利用，如圖5.10所示。 • 潛弧銲法可分為半自動與全自動兩種。 • 半自動潛弧銲法與MIG相似，係使用銲炬，以手握持方式操作。 • 全自動潛弧銲法則為一般常見之依靠行走驅動馬達做全自動的前進裝置。

47. 5.2 電弧銲接(續)

48. 5.2 電弧銲接(續) • 潛弧銲法的優點有： • 1.弧光不外洩，無銲濺物及煙塵等，工作環境佳且安全性高。 • 2.可使用大電流，故金屬堆積速率快 • 3.適合厚板銲接，且接頭開槽可以較小，甚至不用開槽，可節省銲接時間。 • 4.銲劑可加入合金，得以改善銲接產品的品質。 • 5.銲道品質良好，外觀平滑均勻。

49. 5.2 電弧銲接(續) • 潛弧銲法的缺點有： • 1.設備費用高。 • 2.只適合於平銲位置，無法用於橫銲、立銲或仰銲等位置 。 • 3.銲接過程中，銲道的好壞不能即時觀察得知，若有缺陷無法立刻進行補救。 • 4.銲劑容易受潮，一旦受潮使用時會造成銲道出現氣孔。 • 5.產生的熱量大，造成熱影響區之材料結晶變粗大，影響其機械性質。

50. 5.2 電弧銲接(續) • 5.2.6 電漿電弧銲法： • 使用的氣體有氬氣、氮氣或混合氣體等。 • 主要的優點有電弧穩定、電極壽命較長、較低的電流需求、較高的銲接速率、和良好的銲接品質。 • 缺點則有設備昂貴、只適用於平銲和立銲位置之銲接。