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研究生： 黃俊榮
J. R. Huang
論文名稱： AZ型鎂合金微銲接之最適參數研究
A Study on Optimal Parameter of Microwelding for AZ Series Magnesium Alloy
指導教授： 田振榮
Tien, Cheng-Rong
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： 2005
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 104
中文關鍵詞： 鎂合金 、田口方法 、雷射銲接 、凝固熱裂縫 、熱裂敏感性
英文關鍵詞： Magnesium alloy, Taguchi method, Laser welding, Solidification cracking, Hot cracking susceptibility
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：333  下載：6 
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    • 本論文係利用Nd: YAG雷射對AZ系列鎂合金進行銲接，並應用田口方法來找出雷射銲接最適參數，並利用變異數分析法找出雷射銲接參數對品質特性之影響。以田口方法獲得最適參數後，以此參數再銲接AZ31與AZ31-61異質銲接。銲後所得之銲道以實體顯微鏡觀察外觀並量測其深寬比，再對各試片進行拉伸測試、硬度測試以評估其機械性質。結果獲得到下列幾點結論：

    1.利用田口方法所得到的雷射銲接最適參數，經過測試後所得到之品質特性擁有再現性。

    2.經過雷射銲接後所有銲道硬度值比母材高，且發現到鋁含量高的AZ61其銲道硬度值比AZ31高。此現象係因銲道的結晶型態與合金成份有關。

    3.在AZ61、AZ31與AZ31-61異質銲接都有發現凝固熱裂，以AZ31熱裂情況最嚴重。因鎂合金銲接後因凝固熱裂縫之影響，導致抗拉強度降低。

    4.EDS分析後，可發現在熱裂縫表面的鋅含量比銲道金屬高，應該是造成熱裂縫的原因。且發現鋁含量增加可降低鎂合金熱裂敏感性。

    The purpose of this study was to determine the optimal parameters of mircowelding of magnesium alloys AZ31and AZ61. Nd: YAG laser machine was used to do welding process and Taguchi Method was used to do optimization. Furthermore, ANOVA (analysis of variance) was utilized to find the quality characteristics of importance in the laser welding parameter. The microstructure of the fusion zone was observed by OM and the aspect in the fusion zone was measured. Tensile test and microhardness test were conducted to evaluate the mechanical properties of Mg-alloys.
    The following results were found from this study.
    1. Very good reproducibility of this experimentation can be obtained by using the optimal parameters of mircowelding from Taguchi Method.

    2. After laser welding, the hardness of fusion zone is higher than that of base metal. The fusion zone’s hardness of AZ61 is higher than that of AZ31.

    3. Solidification cracking can be observed in all specimens after laser welding, especially in AZ31. These solidification cracking will reduce the tensile strength in the fusion zone.

    4. From EDS results, the Zn content in the cracking surface is higher than weld metal, and this maybe is the reason for making the solidification cracking. It is also found that the increases of Al content can decrease the hot cracking sensitivity.

    謝誌 I 中文摘要 II ABSTRACT III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VIII 第一章　緒論 1 第一節　研究緣起與動機 1 第二節　研究動機 5 第三節　研究目的 6 第二章　文獻探討 7 第一節　鎂合金之介紹 7 第二節　ND:YAG雷射原理與系統 14 第三節　田口方法 26 第四節　凝固熱裂 36 第三章　研究設計與實施 43 第一節　實驗設計流程 43 第二節　田口方法參數設定 45 第三節　實驗試片 51 第四節　金相顯微組織觀察 52 第四節　微硬度試驗 54 第五節　拉伸試驗 55 第六節　SEM顯微觀察 56 第四章　實驗結果與討論 58 第一節　田口方法分析 58 第二節　深寬比之量測 66 第三節　金相觀察 80 第四節　鎂合金抗拉強度試驗 88 第五節　維克氏硬度試驗 91 第六節　EDS成份分析 96 第五章　結論與建議 103 第一節　結論 103 第二節　建議 104 參 考 文 獻 105 表1-1　鎂合金產品應用範圍 3 表1-2　鎂合金成型產品的應用領域及發展趨勢 4 表2-1　鎂合金中第一部份字母代表的元素 8 表2-2　加工符號代表之意義 9 表2-3　純鎂基本性質 11 表2-4　雷射四種特殊性質之應用 16 表2-5　雷射的種類 17 表2-6　保護氣體物理性質 24 表2-7　SN比歸納表 31 表2-8　兩個水準排列所需的實驗次數 32 表2-9　使用L4（23）直交表所需之實驗次數 32 表2-10　變異數分析表 34 表3-1　鎂合金AZ31與AZ61之主要成分 51 表3-2　雷射銲接參數 47 表3-3　雷射銲接控制因素與水準值 48 表3-4　田口方法L18直交表之因素配置 49 表3-5　本實驗直交表之配置 50 表4-1　實驗結果與SN比 59 表4-2　抗拉強度之回應表 61 表4-3　變異數分析表 63 表4-4　抗拉強度與深寬比數據表 73 表4-5　鎂合金雷射銲接後抗拉強度表 88 表4-6　鎂合金銲道成份分析結果 97 表4-7　AZ31成份分析結果 98 表4-8　AZ31-61異質銲接成份分析結果 99 表4-9　AZ61成份分析結果 100 圖2-1　（A）受激吸收過程（B）輻射過程（C）受激輻射過程 15 圖2-2　脈衝式ND:YAG雷射器組成元件示意圖 18 圖2-3　ND:YAG雷射為四能級躍遷系統 18 圖2-4　分水冷、二維成像式雙橢圓柱型聚光腔 19 圖2-5　雷射形成過程 19 圖2-6　雷射銲接示意圖 20 圖2.7　傳導式與鑰孔式銲接示意 21 圖2-8　脈衝式雷射器的能量輸出模式 21 圖2-9　雷射銲接波形 23 圖2-10　雷射光的聚焦示意圖 25 圖2-11　雷射聚焦位置對銲道之影響示意圖 25 圖2-12　銲接熱裂縫分類 37 圖2-13　（A）柱狀晶開始生長 （B）凝固後產生拉伸應力 37 圖2-14　凝固熱裂示意圖 38 圖2-15　綜合理論示意圖 39 圖2-16　銲道凝固時過冷層增加其晶粒型態變化之示意圖 41 圖2-17　銲道冷卻後晶粒改變示意圖 41 圖2-18　凝固時溶質原子濃度改變示意圖 42 圖3-1　研究架構圖 44 圖3-2　ROFIN STARWELD 40W雷射銲接機 45 圖3-3　FANUC ROBOT LR MATE200I六軸機械手臂 46 圖3-4　六軸機械手臂控制器 46 圖3-5　雷射銲接波形示意圖，依序為波形I、波形II、波形III 48 圖3-6　實驗試片尺寸 51 圖3-7　慢速鑽石切割機 52 圖3-8　銲道深寬比示意圖 53 圖3-9　FUTURE-TECH FM-700型微硬度試驗機 54 圖3-10　JEOL JSM6360電子顯微鏡加裝OXFORD的EDS 56 圖3-11　薄膜蒸鍍機 57 圖4-1　抗拉強度之回應圖 61 圖4-2　Ｌ1之深寬比 66 圖4-3　Ｌ2之深寬比 66 圖4-4　Ｌ3之深寬比 67 圖4-5　Ｌ4之深寬比 67 圖4-6　Ｌ5之深寬比 67 圖4-7　Ｌ6之深寬比 68 圖4-8　Ｌ7之深寬比 68 圖4-9　Ｌ8之深寬比 68 圖4-10　Ｌ9之深寬比 69 圖4-11　Ｌ10之深寬比 69 圖4-12　Ｌ11之深寬比 69 圖4-13　Ｌ12之深寬比 70 圖4-14　Ｌ13之深寬比 70 圖4-15　Ｌ14之深寬比 70 圖4-16　Ｌ15之深寬比 71 圖4-17　Ｌ16之深寬比 71 圖4-18　Ｌ17之深寬比 71 圖4-19　Ｌ18之深寬比 72 圖4-20　最適條件之深寬比 72 圖4-21　氬氣保護之銲道深寬比 74 圖4-22　氦氣保護之銲道深寬比 74 圖4-23　4MS之銲道深寬比 75 圖4-24　5MS之銲道深寬比 75 圖4-25　6MS之銲道深寬比 75 圖4-26　5.7HZ之銲道深寬比 76 圖4-27　6.2HZ之銲道深寬比 76 圖4-28　6.7HZ之銲道深寬比 76 圖4-29　波形Ⅰ之銲道深寬比 77 圖4-30　波形Ⅱ之銲道深寬比 77 圖4-31　波形Ⅲ之銲道深寬比 77 圖4-32　銲接參數改變後其銲道熔深之改變量 78 圖4-33　AZ31母材金相圖 80 圖4-34　AZ61母材金相圖 80 圖4-35　AZ31銲道巨觀圖 81 圖4-36　AZ31-61異質銲接之銲道巨觀圖 81 圖4-37　AZ61銲道巨觀圖 82 圖4-38　AZ31銲道裂縫圖 82 圖4-39　AZ31-61異質銲接之銲道裂縫圖 83 圖4-40　AZ61銲道裂縫圖 83 圖4-41　AZ31凝固熱裂 84 圖4-42　AZ31-61異質銲接之凝固熱裂 84 圖4-43　AZ61銲道熔融線之等軸晶 85 圖4-44　AZ31銲道熔融線之柱狀晶 85 圖4-45　雷射點銲堆疊示意圖 86 圖4-46　AZ61銲道二次重熔區呈現等軸狀晶 86 圖4-47　AZ31銲道二次重熔區呈現柱狀晶 87 圖4-48　銲道中央之等軸晶 89 圖4-49　AZ61破斷面之等軸晶粒 89 圖4-50　硬度量測點示意圖 91 圖4-51　AZ31微硬度分佈圖 91 圖4-52　AZ61微硬度分佈圖 92 圖4-53　AZ31-61異質銲接之微硬度分佈圖 92 圖4-54　AZ31之二次重熔區與W.M.HAZ 93 圖4-55　AZ61之二次重熔區與W.M.HAZ 94 圖4-56　AZ31-61異質銲接之二次重熔區 94 圖4-57　EDS分析位置圖 96 圖4-58　鎂，鋁，鋅特性光譜圖 97 圖4-59　AZ31熱裂分析位置 98 圖4-60　AZ31熱裂表面特性光譜圖 98 圖4-61　AZ31-61熱裂分析位置 99 圖4-62　AZ31-61熱裂表面特性光譜圖 99 圖4-63　AZ61熱裂分析位置 100 圖4-64　AZ61熱裂表面特性光譜圖 100

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