1. 前言 鋁合金銲接技術之研究及實務 * 賴仲明 * 楊正信 ** 詹啟精 * 信造船股份有限公司 ** 聯合船舶設計發展 心 ** 陳祥明 近年來船舶設計有朝向輕量化及高速化之趨勢, 船體結構使用鋁合金的機會愈來愈多, 但國內造船業界鋁銲技術與 才並不充裕, 往往錯失承造高單價鋁合金船舶之機會 信造船公司有鑑於此, 多年來即相當重視鋁銲 才的培訓, 除獲得 國驗船 心 (CR) 及挪威驗船協會 (DNV) 建造鋁合金船舶之銲接認證外, 亦具有鋁合金小艇及大型 部結構建造實績 本公司技術 員更在九十年度 華民國銲接協會舉辦之鋁合金銲接技能競賽 大放異彩, 包辦前面獎項, 對於開拓高品質鋁合金船舶市場更是深具信心 鋁合金質量輕 強度佳 耐蝕性良好, 又不似 FRP 有環保問題, 為理想之船用構材 但由於其特定性質, 鋁合金銲接與鋼材相較, 顯得難度較高, 銲接品質不易掌握 本文因此針對鋁合金電銲施工要領 銲接常見缺陷 銲接檢測技術及影響銲接品質之因素進行探討, 再考量現場施工容易碰到之問題加以解決, 希望能拋磚引玉提高國內鋁合金銲接施工技術 2. 鋁合金的銲接特性 與鋼鐵相較, 鋁是屬於銲接困難較高的金屬, 其主因乃由於鋁材在某些性質 異於鋼材所致 茲將影響鋁合金銲接性之各項性質分述於后 : (1) 表面覆有緻密氧化膜, 此氧化膜的厚度約為 0.1μm, 密度為鋁的 1.4 倍, 其熔點則高達 2080 左右 此氧化膜的存在, 不僅於銲接時會阻礙電子的移行, 影響電弧穩定性, 且因氧化膜會吸附水氣, 極易於銲接過程 造成氣孔缺陷, 所以在銲接之前, 鋁材表面之氧化膜㆒定要徹底清除 (2) 鋁合金之熱傳導係數約為鋼材的 3~4 倍, 因此於銲接時, 熱極易自熔池散出, 使熱源不易集, 因其熱傳導率大, 故焊接時熱影響區亦較廣, 在接頭部份會造成冶金的不連續性, 進而降低強度及耐蝕性 此外, 鋁材之比熱及熔解潛熱等亦大, 所以雖然鋁材之熔點遠低於鋼材, 但其銲接時所需要之熱量卻大於鋼材 (3) 合金元素易熔融揮發 鎂 鋅等低熔點元素為鋁合金之主要合金成份, 由於這些元素之熔點甚低, 在銲接過程 極易因電弧之高溫而燒損, 使銲道之合金成份改變, 影響銲道之性質 (4) 熔融的鋁極易吸附氫氣, 在凝固過程, 熔池內的氫氣若無充分時間逸除, 則將於銲道內形成氣孔缺陷, 氣孔的存在將損及銲道強度及耐蝕性等 (5) 鋁合金於高溫, 其強度甚低, 因此在打底銲接時, 極易出現燒穿及銲蝕等問題, 因此銲接鋁合金時, 必需選用適當的背襯板 1
(6) 鋁合金之比重很小, 因此在熔池內之氧化物等不易 浮而積存於銲道內 (7) 鋁合金由固體變為液體時不像鋼材有無顏色 的變化, 對銲接者而言, 對熔池之掌握較為困難 (8) 鋁合金之熱膨脹係數約為鋼材的兩倍, 因此在銲接過程 所引發的變形較鋼材嚴重, 此外, 凝固時所產生的收縮應力也比較大 銲接是在局部投入大量的熱以熔解母材的㆒部份 ; 因此明顯的產生了不平均的溫度分佈, 結果銲接部近傍高溫加熱的範圍產生了塑性變形和體積變化 這些現象和熔解金屬的凝固收縮相關連而產生殘留應力, 為產生銲接變形的原因, 應此在設計 銲縫位置應儘量安排在結構 應力較小的位置 述之各項特性外, 鋁合金於銲接後, 其銲道熱影響區軟化極為明顯 此外又具有強烈的熱裂敏感性, 因此鋁合金為㆒銲接性較差的金屬, 所以銲接鋁合金時必需格外謹慎, 以確保銲道品質的良好 3. 鋁合金的銲接缺陷 對鋁合金而言最常見之銲道缺陷包括氣孔 夾渣 銲蝕 裂紋 燒穿及熔融不良 等, 以 僅就各類缺陷的特徵及成因, 簡述於後 : (1) 氣孔 (Porosity) 鋁合金最常見的銲道缺陷, 而氫氣存在則是鋁合金銲道氣孔形成的主因, 鋁合金對氫的固溶量在液態與固態間, 有很大的差異 因此在凝固過程 必須要有足夠的時間讓熔池氫氣逸除, 若於凝固前未能將氫氣排出, 則殘留之氫氣將於銲道內形氣孔缺陷 ㆒般而言要獲得完全沒有氣孔的鋁合金銲道是十分困難的, 然對微細而均勻之氣孔而言, 其對銲道強度之影響是有限的 但對於體積過大或局部密集的氣孔, 則將損及銲道性質, 故需加避免 (2) 夾渣 (Slag) 銲道內的夾渣, 主要為氧化膜 熔渣 夾鎢及夾銅等 氧化膜及熔渣主要是因銲前銲道之清潔度不佳所致, 而夾鎢及夾銅則是在惰性氣體保護電弧焊接時, 因採用之焊接電流過高, 或送線不順, 使鎢棒及銅嘴出現局部熔融, 混入熔池內而形成 (3) 銲蝕 (Undercut) 銲蝕的產生主要是因焊接條件設定不良, 例如銲速太快 電弧過長 電壓過高以及焊接操作不當所造成 由於銲蝕不僅會縮減銲道承受負荷的斷面積, 更易於受力時產生應力集, 損及結構之安全性, 故須加以避免 (4) 裂紋 (Crack) 對鋁合金而言, 其焊接過程 所出現的裂紋缺陷主要為高溫龜裂, 就出現位置而言, 可分為銲道凝固及熱影響區液化龜裂兩大類 銲道內低熔點共晶組織偏析, 形成液體薄膜, 並於凝固收縮拉應力作用 分離, 為銲道熱裂紋產生的機構 而影響區於焊接過程 累積過度溫度, 使晶界 之低熔點共晶組織熔融, 並於冷卻過程 受收縮拉應力作用而分離, 則是熱影響區液化龜裂的成因 2
鋁合金因合金元素含量較高, 其凝固區間寬廣, 以及熱膨脹係數高, 凝固時收縮率大, 因此具有強烈的熱裂敏感性, 然只要掌握施銲鋁材之焊接特性, 採用合適的銲材 焊接條件及施工程序, 則銲道裂紋缺陷將可加以避免 (5) 熔穿 (Fusion) 熔穿形成的原因甚多, 如銲件之間隙過大 假銲銲點間距過長 銲件之焊接變形量過大 以及銲件局部加熱過高 焊接條件設定不當 以及焊接操作不良等 (6) 熔融不良 (Imperfect shape) 熔融不良最常出現於銲道根部, 以及銲道之開槽面, 其產生的可能原因包括焊接條件不佳, 如焊接電流太低, 銲件之間隙太小 焊接速度太快 開槽面之氧化膜或污垢未清潔, 背鏟深度不夠 ( 厚板雙面焊接時 ) 等 4. 鋁合金銲接施工要領 鋁板之接頭形狀及開槽情況在設計階段即應加以充分的檢討, 在各種狀況均列入考慮後才決定 研磨開槽面之砂輪片不可與研磨過其他金屬之砂輪片混合使用, 必須使用鋁合金專用之顆粒度 (60# 以 ) 組合假銲工作的精度常直接影響銲道品質及變形因素 假銲前必須要注意確實清除氧化膜 ; 避免使用油壓系統的千斤頂, 以防止漏油時污染鋁材 ; 對接銲縫最好不得超 4m/m 的間隙 ; 大構件或長板材之組合宜由 央向兩側組合假銲 適當的除濕可預防起弧氣孔, 防止熔滲不良及龜裂, 並減少變形量, 而除濕的溫度約 50 為宜 選擇銲接條件, 電銲作業者常忽略此步驟, 實際 施工前視銲接情況 ( 板厚 銲姿 開槽形狀 電銲母機操控等 ), 作銲前試銲選擇銲接條件是有必要的 以 範例為某㆒巡邏艇鋁合金銲接之施工要領, 謹於此提供參考 : 擠型材 (PI-Section) 材質 6N01 板材材質 5083 厚度 4 m/m 銲線材質 5556 Ø1.2 m/m 或 0.9 m/m (1) 擠製型材對接銲 平板對接銲或擠製型材與平板對接銲, 以自動設備銲機施工, 先作不銹鋼或銅背襯予以固定, 縫隙在 2~2.5 m/m 之間作全滲透㆒道銲接 先除去擠型材及平板材之氧化膜, 點銲再反面用不銹鋼絲刷除渣作自動銲接, 電流在 140A~180A 之間, 電壓 23V~25V, 銲接速度 70~80 CPM, 遮護氣體 ( 純氬氣 ) 氣流率 30 CFH, 清潔表面作滲透銲接, 反面磨除點銲, 實施背鏟再銲 (2) 填角銲電流 90A~120A, 電壓 18V~23 V, 銲接速度 65~75 CPM, 遮護氣體 25~30 CFH, 角銲施予跳銲腳長 3.5~4.0 m/m; 水氣密及暴露部份需全銲, 腳長 3.0~4.0 m/m, 全部銲道銲前必須清潔, 銲後要求平順美觀 (3) 兩性材與平板及擠型材接合電銲必須溫度控制, 避免溫度 昇影響兩性材材質 3
5. 鋁合金的銲接檢測 銲件的檢查, ㆒般以是否會對被檢查物造成使用性能 (serviceability) 的破壞, 而分為非破壞性檢驗與破壞性測試兩種 目前工業界較常用的幾種破壞性測試方法及非破壞檢驗方法介紹如 5.1 破壞性檢測 破壞性測試, 由於須將檢驗物做成試片, 往往會造成銲件使用性能 的破壞, 且由於使用設備較為複雜, 故㆒般多在實驗室 進行, 並多在銲接的實驗性階段即予以完成 金屬材料受到外力時會產生反應, 因所加外力之性質或是條件不同, 材料之反應也就不同 材料之機械性質可以簡單 分為 : 強度 延性 韌性等㆔項 ; 強度是表示材料對外力的抵抗能力, 延性則表示不發生破壞時材料永久變形的能力, 而韌性則表示當材料受到衝擊力時吸收能量之能力 在實用, 針對原材料各種機械反應所歸納出之試驗類型有 : 化學成分分析 拉伸試驗 硬度試驗 衝擊試驗 疲勞試驗 金相觀察等 針對材料銲接性所做的 : 最大硬度試驗 冷裂敏感性試驗 熱裂試驗, 以及銲接後所做的彎曲試驗等 5.2 非破壞試驗 銲件在完工後, 除了㆒般的目視檢查 (visual inspection), 以肉眼或輔以放大鏡 樣板等工具, 檢查銲道是否有龜裂 氣孔 夾渣 穿透不足等可視的缺陷 另外為確保銲件的品質, 還須以其他的檢驗方法, 使能對銲件的性質, 如強度 延性 撓度 耐蝕性等, 和內部的缺陷, 如缺陷的大小 多寡 分佈情形等, 有㆒徹底的了解 非破壞性檢驗因為不須將被檢測物做成試片, 所以不會造成對銲件使用性能 的破壞, 因此往往可以用做製造現場的品質控制, 或在發生問題時, 立刻將檢驗儀器或設備攜至工 或現場, 做實 的檢查, 可以當場解決施工 的疑難或爭執 較常見之非破壞性檢驗有 : (1) 液體滲透劑檢驗法 (Liquid Penetrate Testing) 液體滲透劑試驗法 (PT), 是㆒種使用有顏色的液體染料, 或者使用螢光劑液體, 來檢驗表面缺陷的方法 其主要步驟為 : 洗淨 滲透 擦淨 顯像 觀察 清除殘留物 它的特點是可以檢驗表面的缺陷, 但內部缺陷則無法檢驗 (2) 磁粉檢驗法 (Magnetic Particle Inspection) 磁粉試驗法, 是㆒種偵測具有鐵磁性材料內不連續 (discontinuities) 瑕疵的方法 這種檢驗方法可以偵測出由肉眼無法分辨出的細微表面瑕疵, 甚至藉著特殊的設備, 在表面 (subsurface) 的瑕疵亦可偵測出來 其優點是能找出試件表面或表面 裂縫, 操作簡單 迅速, 可作現場檢測, 與其他非破壞性檢驗比較, 其所須儀器及 力 成本及單件檢測費用均相當低廉 缺點為表面 瑕疵能否被偵測到受到諸如深度 方向, 和指向等幾種因素之影響, 及點狀夾渣不易偵測到 (3) 超音波檢驗 (Ultrasonic Testing) ㆒般 耳可聽到的音波頻率範圍大約在 16Hz 和 20kHz 之間, 而超過此種 耳可聽 4
範圍的頻率之聲波即稱之為超音波 超音波檢驗係利用高週率的聲波滲入銲道內部, 其原理與探測海 的潛水艇之原理類似, ㆒般檢驗所用振動數在 0.5 15MHz 由於波長短, 故易通過固體結晶內部, 如遇密度較低物質, 則不易通過而易反射, 故可依此原理以檢測內部缺陷或裂縫 超音波檢測方法欲有效達成其測試目的, 需要對其原理及操作技巧相當熟練後, 方能有效判知其缺陷所在, 故其困難度無疑 較高, 然而此種方法由於不需破壞材料, 而可以判知缺陷是否存在及其位置 大小 形狀, 而可使銲接後材料之品質確保無疑, 隨著科技的進步, 及 們對於成品要求其品質愈形嚴格之趨勢, 可以預見的是這種檢測方法在未來將愈受重視, 而其檢測的技術將愈隨著科技的進步而更加簡單 (4) 放射線檢驗法 (Radiography Inspection) 放射線檢驗法為銲接內部缺陷之檢查, 使用最廣的方法, 檢查之結果也最為確實 將 X 射線對銲接處照射並透過以複印在底片及螢光板, 再依其缺陷形狀 大小與集 之程度分別等級, 以判定銲接部之品質 正常軟片之曝光使銲道內部之缺陷, 依其種類與深淺呈現在軟片 而變淡白色, 銲道兩邊之飛濺物, 則在軟片 呈現白色斑點 曝光後之軟片需集 於暗房內作適當之沖洗和乾燥處理後, 再將此軟片取出置於判斷燈閱判, 但對於缺陷依經驗可知其種類, 可是其深淺尚無法從此㆒張正投影之攝影顯示, 必須於兩個方向或角度再拍攝之, 始可憑此判斷正確之深淺度 6. 鋁合金的銲接品質 銲接檢驗是銲接品質保證的最後㆒道關卡, 若要積極的確保銲道品質, 除了銲後的檢驗外, 銲接前就要作各項確認工作 : (1). 材料的選擇 : 選擇適合於母材匹配的銲材 (2). 銲法 : 形狀 尺寸 外觀等選擇正確適當的銲法 (3). 接頭開槽形狀 : 接頭需以考慮特性要求或作業性等決定之 (4). 開槽加工 : 加工方法的選擇同時也要決定加工精度 (5). 前處理方法 : 需擬定具體方法 (6). 拘束方法 : 防止變形, 須考慮其作業性 (7). 其他 : 作業環境 銲工技能 銲接條件等, 再銲接 也㆒樣重要 在建造期間, 其目視檢查應包括設備之視察以確認是否與認可之電銲施工方法㆒致, 銲蝕 裂縫 熔銲不良等缺陷之檢查 ; 若有疑問處所可施行液體顏料滲透法探知裂縫所在 於船殼 水密隔艙壁等主構件 交錯處銲縫則需實施 X 光照像減檢查以確認其銲接品質 其他影響鋁合金銲接品質的因素如 述 6.1 鋁銲施工法 : 6.1.1 MIG 銲接法 :( 惰性氣體電弧銲接 ) 在半自動銲接過程, 消耗性電極金屬線以㆒定速度向母材輸供, 由電極金屬線先端之電弧熱產生之熔滴以噴狀填供母材銲接 5
㆒般視板厚的大小及角銲腳長, 選擇適當線徑的銲線, 對銲道品質及變形量的控制是有非常大的關係 因為銲線線徑大小直接與銲接條件的變換有直接的變數 在 6m/m 以 板厚 ( 腳長 ) 可選用 1.2ψ(m/m) 的銲線, 於 6m/m 以 板厚對接板 ( 腳長 ) 建議使用 1.6m/m 的銲線為宜 6.1.2 TIG 銲接法 :( 鎢極電弧銲接 ) 屬非消耗性電極的電弧銲接, 是由鎢電極棒與母材間通過電流產生熱量熔化母材形成熔池, 再另外填加棒形銲材使之熔填入熔池形成銲道, 其過程如同 MIG 亦需以惰性氣體遮護, 使銲道不致形成缺陷 銲槍的運行與 MIG 相同亦使用前進法, 噴嘴的選擇視開槽狀況 銲道腳長 工作習慣 環境及使用的鎢棒棒徑而定, 通常比鐵類金屬銲接為大 依熔池的判斷決定是否採用織動式, 若採行織動以不要超出鎢棒直徑為宜, 否則會造成銲道的遮護氣體保護不良及填送銲料不足難保銲道品質及變形量的增加 6.2 電弧的控制 : 不管是採用 MIG 或 TIG 銲接, 由 述得知均採用前進銲法, 前進銲法的銲接無法完全觀察全部的熔池狀況, 僅可看到前方約 1/3-2/3 的熔池熔融, 所以銲接作業者必須要有更熟練的銲接技巧 ; 當能夠看到全部的熔池時, 表示電弧長度已超出了範圍, ㆒般鋁銲的電弧長度是 15-20m/m, 電弧長度太長會改變銲接條件及破壞遮護氣體保護範圍, 因而破壞銲接品質 鋁合金的電弧光為白色或帶有藍色, 電弧光線強度比鐵類強, 更易造成皮膚及眼部的灼傷 ; 但其熔池熔融時色澤不變, 僅呈銀白之液狀熔融, 銲接時對熔池的判斷要格外的細心, 才能正確的判斷熔池熔融狀況配合適當的運弧速度 6.3 銲接順序 : 鋁合金銲接順序原則 與鋼構造相同, 但因為熱傳導比㆒般碳鋼要快, 且膨脹係數較高, 所產生的收縮應力會相對提高, 因此有許多的狀況必須按照組合順序來施銲可減少變形, 同時容易達到要求的尺寸 施工時遵行銲接順序施銲, 可減少變形, 達到銲道的要求尺寸, 減少銲道缺陷發生, 尤其是大構件施工時更有其必要性 銲接順序應考慮收縮量大的銲縫先銲, 譬如先銲板銲道, 再銲型材的角銲部份 ; 船段銲接時需由 央的銲縫開始, 再順序向外銲 鋁合金銲接採用 TIG MIG 銲法 銲槍的噴嘴較大, 所以操作 較困難, 尤其小空間位置甚難進入, 在組合順序作業 亦須作適當的考量做配合性的工作 因此, 在施工作業時依據經驗判斷選擇最適當的組合順序與銲接順序相輔相成 6.4 氣體保護 遮護氣體不僅對銲接的品質重要, 對於作業性與工作環境亦然 適當的銲接製程需要考慮整個系統, 包括選擇填料金屬和遮護氣體等銲接材料, 銲接機 送線器 銲槍和自走台車等硬體設備, 以及銲接參數 銲前後處理等軟體條件, 等等 不同的製造業者依其對防蝕丶機械性質丶外觀丶作業性及工作環境和應用要求的不同, 有不同的適當選擇 鋁合金銲接常用之遮護氣體為惰性氣體如氬氣 (Ar) 及氦氣 (He) 氦氣是用於銲接鋁合金時非常好的遮護氣體, 它可以與氬氣以任何比例混合使用, 它的缺點除了價格較貴外, 主要是電弧穩定度較差 6
6.5 擠製型材 (PI Section) 的使用 鋁合金船的銲接施工, 其船體和外板的銲接部容易產生變形, 其變形矯直作業工時難以預料, 因此採用擠製型材, 儘量減少銲接工作實有其必要 這方面的施工優點在不少巡邏艦艇的建造 皆穫得驗證 7. 結語 影響鋁合金銲接品質的因素很多, 積極的品質保證, 除了銲後的檢查外, 更要注意銲前的各項工作 從設計開始 材料 銲接方法的選定, 銲接接頭的設計, 材料及銲材的儲存 保管, 銲接施工的設備, 環境的管理及銲接過程的各種技巧, 都應注意 銲接檢驗的執行面, 包括㆒切銲接相關的 事 時 物都在內 從銲接前 後以至於使用 使用後等都是它的執行時機 而執行者包括所有對銲件的負責 員, 如施銲 員 業主 承包商 監工 品保檢驗 員等等 有權利判定銲接製程及施工是否合格的檢驗 員, 本身都應該先有符合認證之的資格 如以 簡短描述鋁合金結構與銲接施工, 欲達到預定之品質水準, 光是以文字表示都不太容易, 比鋼構施作複許多, 及施工要件要求事項精確度高很多, 施作者必須經過嚴格訓練且專業專職, 始能獲得穩定的施工品質 除了直接思考捍接施工者對焊接品質的影響外, 同時不要忘了設計者及冷作組裝者, 他們對鋁焊施作細節的瞭解程度之深淺, 對銲接品質優劣之影響度也有相當密切關聯性 8. 參考文獻 (1) 銲接技術及檢驗金屬工業研究發展 心 (2) 電銲作業手術 國造船公司 (3) 高速船法規挪威驗船協會 (4) 鋁合金電弧銲接及軟硬銲技術姜志華 徐氏基金會 ㆒ 目的 : 信造船股份有限公司鋁銲技術訓練紀要 高速客輪為附加價值高, 可用於海 交通 賞鯨豚 觀光之船舶, 多為雙胴體且為鋁合金材質, 香港 區 東南亞各國為使用最多之區域 ; 本公司為嘗試進入國內鋁合金高速客輪開發之建造領域, 特計畫招訓年青之鋁合金銲接 員十㆓名, 期使適合於鋁合金船施工之用進而提升國內鋁合金船建造銲接技術, 並希望藉由經濟部業界開發產業技術計畫協助之, 逐步建立國內之高速客輪產業, 創造國內造船界另㆒個春 ㆓ 原委 : 1. 本公司就鋁合金銲接技術訓練於 900903 開訓 90.11.16 結束 2. 訓練課程分為 TIG 及 MIG 鋁銲訓練,TIG 訓期㆒個月 MIG 訓期㆒個半月 3. 本公司特別安排南訓 心訓練師教導銲接實務 7
4. 本公司安排於 90.11.16 及 90.11.23 分別應考鋁銲 TIG3mm 厚之平 立銲 MIG3mm 與 10mm 厚之平 立銲證照 (CR DNV 船籍協會認證 ) 及製作 WPS 銲接程序書, 鋁銲學員均分別通過相關證照作業 5. 本公司培訓學員於九十年十㆓月八日參加 華民國銲接協會舉辦 2001 台灣區鋁合金銲接技能競賽, 本次競賽為求公平 公正 公開, 特由銲接協會邀請㆔位監評委員比賽結果, ㆒共九個獎項 (TIG MIG 各前㆔名及 TIG 佳作兩名 MIG 佳作㆒名 ), 本公司獲得六個獎項 本公司不以此為傲, 並擇優錄取九位鋁銲技術學員, 繼續就造船冷作及鋁銲銲接實務作重點式訓練, 期使其鋁銲技術與造船現場經驗均能更進㆒大步 8