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研究生: 陳飛祥
CHEN, Fei-Hsiang
論文名稱: 鋯合金702應用氬銲與CO2雷射銲之銲接性研究
A Study on Weldability of GTAW and CO2 LBW for Zirconium Alloy 702
指導教授: 鄭慶民
Cheng, Ching-Min
周長彬
Chou, Chang-Pin
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: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 118
中文關鍵詞: 鋯合金702 (UNS R60702)惰性氣體鎢極電弧銲CO2雷射銲接機械性質X光繞射分析電子探測微分析儀
英文關鍵詞: Zirconium alloy 702 (UNS R60702), GTAW, CO2 LBW, Mechanical properties, EDS, XRD, EPMA
論文種類: 學術論文
相關次數: 點閱:119下載:6
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  • 鋯合金702 (UNS R60702)具備優良的抗中子性和抗蝕性,廣泛用於核能電廠和化學工業,且隨著國防材料鎳、鉻、鉬、鈷、鎢等元素之國際價格節節昇高,更造成使用鋯合金有利的地位,且有取代鎳基合金的趨勢。鋯合金702為一種極活潑之金屬,在真空中施銲較易進行,但因銲件尺寸受限於真空施銲室,實際應用並不廣泛。
    本論文主旨在探討鋯合金702施以惰性氣體鎢極電弧銲(GTAW)及CO2雷射銲接(LBW)之影響,以進行銲後機械性質之研究。研究之進行是透過微硬度試驗、拉伸試驗、光學顯微鏡組織觀察及掃瞄式電子顯微鏡(SEM)觀察,探討鋯合金702銲件之機械性質,並分析銲件微觀金相組織結構。同時以能量散佈光譜儀(EDS)、X光繞射分析(XRD)、電子探測微分析儀(EPMA)分析銲道中合金元素分佈情形,以提升國內對鋯合金的銲接技術與分析,提高工業製造技術之品質。
    研究結果顯示,利用GTAW與LBW可成功銲接鋯合金702,經由金相觀察,母材為粒狀之等軸晶,經銲接後,銲道先凝固成BCC的β相柱狀晶,當冷卻溫度低於鋯合金702之β轉換溫度(871C)時,HCP的針狀α相組織從β相中成核成長,室溫下即呈現α相的Widmanstatten組織。經微硬度試驗發現,無論是GTAW銲後或是LBW銲接後銲道硬度均比母材高,銲道均呈現較高硬度值,此為銲道顯微組織中具有較細緻針狀α相所致。另外,再與微硬度測試曲線對照,也可以發現LBW其銲道硬度比GTAW高,因為雷射冷卻速度較快,生成之針狀α相較GTAW銲道更細小,故可以發現LBW銲道硬度比GTAW銲道高。實施GTAW與LBW銲後,強度皆與母材相近,其銲接參數所施銲之試片具有良好的機械性質。將銲件施以拉伸試驗,其破斷的地方均在母材區域,且破壞處兩端皆有頸縮現象。再將銲件之破斷面由SEM觀察,可以發現酒窩狀的組織,綜合兩種方法可推薦此破斷屬於延性破壞。
    經由EDS、XRD、EPMA等實驗鑑定,GTAW銲道與LBW銲道並無其他析出元素含量,由此可證明鋯合金702是一種純淨度非常高的純金屬材料。

    關鍵字:鋯合金702 (UNS R60702) 、惰性氣體鎢極電弧銲、CO2雷射銲接、機械性質、X光繞射分析、電子探測微分析儀

    Zirconium alloy 702 (UNS R60702) has excellent neutron and corrosion resistance and it is widely used in the nuclear power and chemical industry. Owing to the international price of defense industrial material such as Ni, Cr, Mo, Co, W,etc, is hiking gradually, it has caused a beneficial position to use Zirconium alloy and also there is a tendency to replace the use of Nickel-base alloy.
    Zirconium alloy 702 is a pretty active metal. It is easy to proceed under the vacuum chamber to do welding. However, its practical application is not so popular because the base metal dimensions are limited by the vacuum chamber.
    The objective of this research is to compare the mechanical properties of the Zirconium alloy 702 weldments using two different welding processes, Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) and CO2 Laser Beam Welding (LBW). Mechanical properties test including microhardness test and tensile test were conducted. OM and SEM were also used for microstructure analysis. The content of alloy elements within the fusion zone was analyzed by EDS, XRD and EPMA analysis. The research mentioned above would enhance the internal welding technology of Zirconium alloys and improve the quality of industrial manufacturing technology.
    The result shows that Zirconium alloys 702 can be successfully welded by GTAW and CO2 LBW. The microstructure of Zirconium alloy 702 has been phase transformation (871°C), from α phase (HCP) transfer to β phase (BCC) and became Widmanstatten structure.
    In the hardness test, the hardness of fusion zone of GTAW and LBW was higher than base metal. All tensile test specimens were fracture at the base metal, According to the SEM observation, the ductile fracture feature was observed in all specimens.
    According to the EDS, XRD and EPMA analysis, the weldments of GTAW and CO2 LBW are no other elements in precipitation. It can be seen that Zirconium alloy 702 is a pure metal with very high purity.

    Keywords: Zirconium alloy 702 (UNS R60702), GTAW, CO2 LBW, Mechanical properties, EDS, XRD, EPMA

    謝誌 I 中文摘要 III ABSTRACT V 目錄 VII 表目錄 XI 圖目錄 XIII 第一章 前言 1 1.1 研究緣起與背景 1 1.1.1 鋯及其鋯合金之應用 1 1.1.2 全球鋯合金產業應用 2 1.1.3 鋯及其合金之接合技術 3 1.2 研究動機 4 1.3 研究目的 5 第二章 文獻探討 6 2.1 鋯合金介紹【3,4,6】 6 2.1.1 純鋯 6 2.1.2 合金和相 8 2.1.3 商業用合金 10 2.1.4 熱處理 10 2.2 惰氣鎢極電弧銲基本原理【21,22】 11 2.2.1 銲接電弧之結構 12 2.2.2 電壓-電流之靜特性 14 2.2.3 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)銲接法 15 2.2.4 銲接參數 17 2.2.5 惰氣鎢極電弧銲之優劣點 17 2.3 CO2雷射原理與系統 20 2.3.1 雷射原理 20 2.3.2 雷射銲接機構 24 2.3.3 CO2雷射銲接 28 2.3.4 雷射銲接加工條件參數 28 2.4 鋯和鋯合金的銲接【5,20,35–38】 31 2.4.1冶金、銲接前的準備和保護技術 31 2.4.2異質金屬的接合【20】 39 2.4.3銲接技術以及其運作過程和品質測試【35】 40 2.5 鋯合金的銲接缺陷 45 2.5.1銲接缺陷 45 2.5.2氣孔 46 2.5.3氧化 47 第三章 研究設計與實施 48 3.1 實驗設計流程 48 3.2 前置實驗 50 3.2.1 實驗材料 50 3.2.2 銲接方式 50 3.3 銲接製程參數設計 57 3.4 金相顯微組織觀察 58 3.5 微硬度試驗 62 3.6 拉伸試驗 63 3.7 SEM顯微觀察及EDS分析 66 3.8 X光繞射分析(XRD) 68 3.9 電子探測微分析(EPMA) 70 第四章 實驗結果與討論 71 4.1 製程參數對鋯合金銲道外觀型態之影響 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 76 4.2 顯微組織觀察 77 4.2.1 實施GTAW銲接後,鋯合金702銲件金相組織觀察 77 4.2.2 實施LBW銲接後,鋯合金702銲件金相組織觀察 77 4.3 微硬度試驗 80 4.3.1 硬度分析 80 4.3.2 銲接製程對銲道微硬度之影響 82 4.4 拉伸試驗 88 4.4.1 抗拉強度分析 88 4.4.2 破斷位置分析 91 4.5 SEM觀察與EDS分析 92 4.5.1 破斷面顯微組織觀察與EDS分析 92 4.5.2 銲道SEM觀察與EDS分析 92 4.6 X光繞射分析(XRD) 104 4.7 電子探測微分析(EPMA) 107 第五章 結論與建議 112 5.1 結論 112 5.2 建議 114 參 考 文 獻 115 表目錄 表1-1 鋯合金產品應用範圍 3 表2-1 鈦、鋯、鉭、鈳(鈮)、鉿之特性【4】 7 表2-2 商用鋯及其合金化學成分【4】 8 表2-3 GTAW 電流型式及特性【21】 19 表2-4 雷射四種特殊性質之應用 22 表2-5 雷射的種類 23 表2-6 各銲接製程特性之比較【25】 25 表2-7 惰氣鎢極電弧銲法的典型參數【35】 40 表2-8 表面氧化物顏色和外表狀況來判斷銲接處的修護範圍【35】 45 表3-1 鋯合金702之主要成份 50 表3-2 鋯之材料性質 51 表3-3 GTAW銲接製程參數設計 57 表3-4 LBW銲接製程參數設計 57 表3-5 SELECTED ETCHANTS FOR MACROSCOPIC AND MICROSCOPIC EXAMINATION OF ZIRCONIUM, HAFNIUM, AND THEIR ALLOYS【42】 61 表3-6 X-RAY繞射分析操作條件 68 表4-1 鋯合金702母材硬度之平均值 83 表4-2 鋯合金702GTAW、LBW銲接銲件硬度平均值 84 表4-3 鋯合金702常溫拉伸試驗結果 90 表4-4 GTAW銲後拉伸破斷面成份分析結果 96 表4-5 LBW銲後拉伸破斷面成份分析結果 98 表4-6 GTAW銲道成份分析結果 100 表4-7 LBW銲道成份分析結果 102 表4-8 鋯合金702 EPMA定性分析 107 表4-9 鋯合金702 EPMA定量分析 109 圖目錄 圖2-1 ZR-HF之平衡相圖【18】 9 圖2-2 熔極式電弧銲接【22】 12 圖2-3 非熔極式電弧銲接【22】 12 圖2-4 惰性氣體鎢極電弧銲之電弧結構與電壓降的關係【21】 13 圖2-5 電壓-電流的靜特性曲線【21】 14 圖2-6 GTAW銲槍示意圖【21】 16 圖2-7 (A)受激吸收過程 (B)輻射過程 (C)受激輻射過程 21 圖2-8 雷射銲接示意圖 26 圖2-9 傳導式與鑰孔式銲接示意 26 圖2-10 雷射光於KEYHOLE 內發生多重反射之效應【26】 27 圖2-11 電漿雲暮之生成過程示意圖【34】 30 圖2-12 使用GTAW銲接鋯,鎢電極應該要有20到30但末端較鈍的錐體【5】 33 圖2-13 特大的氣杯或護體可以減少氣體亂流【5】 34 圖2-14 一個擋板可以讓氬氣在角落外的銲接時不會散逸【5】 34 圖2-15 典型的附加護遮罩是用普通的不銹鋼或青銅絲棉當填充物來提供漸進式減壓功能【5】 38 圖2-16 銲接表面的虹光顏色代表金屬產生表面的氧化物,或是有深層的物質污染(表2-8為污染範圍和建議的處理方法)【35】 43 圖3-1 研究架構圖 49 圖3-2 鋯合金對接銲示意圖 52 圖3-3 GTAW銲接製程示意圖 53 圖3-4 LBW銲接製程示意圖 54 圖3-5 MILLER-SYNCROWAWE 250型惰氣鎢極電弧銲接機 55 圖3-6 GULLCO-GK191-P/18A型自動走銲機 55 圖3-7 ROFIN-SINAR 850 CO2雷射機 56 圖3-8 OLYMPUS BH型光學顯微鏡 59 圖3-9 慢速鑽石切割機 59 圖3-10 OM、SEM、微硬度試片取樣示意圖 60 圖3-11 FUTURE-TECH FM-700型微硬度試驗機 62 圖3-12 CHMER CW640S1 CNC線切割放電加工機 63 圖3-13 SHIMADZU-AG-10TE噸級微電腦萬能材料拉伸試驗機 64 圖3-14 伸長計 64 圖3-15 拉伸試片規格及取樣位置 65 圖3-16 CNC線切割完成之實際拉伸試片圖 65 圖3-17 JEOL-JSM6360電子顯微鏡加裝OXFORD的EDS 67 圖3-18 薄膜蒸鍍機 67 圖3-19 X-RAY繞射儀 69 圖3-20 JEOL-JXA 8200型電子探測微分析儀 70 圖4-1 GTAW銲後巨觀圖(A)正面 (B)背面 72 圖4-2 LBW銲後巨觀圖(A)正面 (B)背面 73 圖4-3 GTAW銲後之外觀(A)正面 (B)背面 74 圖4-4 LBW銲後之外觀(A)正面 (B)背面 75 圖4-5 GTAW與LBW銲件之熱影響區 76 圖4-6 鋯合金702經GTAW銲接銲件金相組織圖 78 圖4-7 鋯合金702經LBW銲接銲件金相組織圖 79 圖4-8 鋯合金微硬度之取樣示意圖 80 圖4-9 GTAW微硬度試驗量測示意圖(單位:MM) 81 圖4-10 LBW微硬度試驗量測示意圖(單位:MM) 81 圖4-11 母材硬度分佈曲線圖 84 圖4-12 GTAW試片一銲後硬度分佈曲線圖 85 圖4-13 GTAW試片二銲後硬度分佈曲線圖 85 圖4-14 GTAW試片三銲後硬度分佈曲線圖 86 圖4-15 LBW試片一銲後硬度分佈曲線圖 86 圖4-16 LBW試片二銲後硬度分佈曲線圖 87 圖4-17 LBW試片三銲後硬度分佈曲線圖 87 圖4-18 銲後切割完成之實際試片圖(A)GTAW試片 (B)LBW試片 89 圖4-19 鋯合金常溫不同銲接法銲件之YS值、UTS值、EL%值比較圖 90 圖4-20常溫不同銲接法銲件拉伸試驗後破斷位置圖(A)母材破斷位置(B)GTAW破斷位置 (C)LBW破斷位置 91 圖4-21 鋯合金母材破斷面顯微組織(A)30X (B)500X (C)1000X (D)3000X 93 圖4-22 GTAW銲後之拉伸破斷面顯微組織(A)30X (B)500X (C)1000X (D)3000X 94 圖4-23 LBW銲後之拉伸破斷面顯微組織(A)30X (B)500X (C)1000X (D)3000X 95 圖4-24 GTAW銲後拉伸破斷面分析位置 96 圖4-25 GTAW銲後拉伸破斷面表面特性光譜圖 97 圖4-26 LBW銲後拉伸破斷面分析位置 98 圖4-27 LBW銲後拉伸破斷面表面特性光譜圖 99 圖4-28 SEM下GTAW銲道中分析位置 100 圖4-29 GTAW銲道表面特性光譜圖 101 圖4-30 SEM下LBW銲道中分析位置 102 圖4-31 LBW銲道表面特性光譜圖 103 圖4-32 鋯合金702母材之XRD圖 104 圖4-33 GTAW銲後銲道之XRD圖 105 圖4-34 LBW銲後銲道之XRD圖 106 圖4-35 母材、GTAW與LBW銲後銲道之XRD圖 106 圖4-36 母材、GTAW與LBW銲後銲道之EPMA定性分析圖 108 圖4-37 母材EPMA定量分析圖 110 圖4-38 GTAW銲道EPMA定量分析圖 110 圖4-39 LBW銲道EPMA定量分析圖 111

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