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研究生:黃子育
研究生(外文):Tzu-Yu Huang
論文名稱:薄板Ti-6Al-4V銲件殘留應力與角變形分析
論文名稱(外文):A study on the residual stress and angular distortion of thin plate Ti-6Al-4V alloy weldments
指導教授:鄭慶民鄭慶民引用關係
指導教授(外文):Cheng, Ching-Min
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:鈦合金殘留應力角變形Nd:YAG雷射銲接
外文關鍵詞:Ti-6Al-4VTi AlloyResidual StressAngular DistortionNd: YAGTIG
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  本研究主要針對鈦合金經過雷射銲接及TIG後銲接,探討其殘留應力及角變形之改變。實驗用的材料為Ti-6Al-4V鈦合金,材料厚度為1.2mm,銲接方式則採用Nd : YAG雷射銲接與惰性氣體鎢極電弧銲接(TIG),採取不添加任何填料的對接方式。銲接過後,再分別進行殘留應力量測及角變形量測。
  針對Ti-6Al-4V鈦合金以TIG銲接,同樣以不填料銲接方式發現,相同電壓下,以60A之電流及17cm/min走速進行銲接時,輸入之熱量較50A電流及13cm/min走速之銲接低,但熔融率相同,銲道之品質相近,兩組參數以角變形量測後,電流大走速快的銲件角變形較小,但與雷射銲件同樣以不填料銲接方式相比,雷射銲件之銲道比TIG銲件小許多,角變形也小很多。
在殘留應力方面,TIG以60A之電流及17cm/min走速進行銲接後之殘留應力與50A電流及13cm/min走速之銲件相比,銲件之殘留應力分布區域相似,但50A電流及13cm/min走速之銲件殘留之拉應力較大,壓應力小,若與雷射銲件相比殘留應力分布區域相似,但雷射銲件之殘留應力均小於TIG銲件。
  This research used two different welding methods: TIG and Laser, to apply to Ti Alloy test pieces under the preset parameters to weld and to analyze the thermal stress and angular distortion. The material used for the test pieces was Ti Alloy (Ti-6A1-4V), which were 1.2 mm thick, and were adapted to butt joint to weld without using any fillets. The residual stress and angular distortion of the test pieces were then measured separately.
  The test pieces welded by TIG at constant voltage were tested by using two criterions: one was at 60 amperes current under 17cm/min travel speed; the other was at 50 amperes current under 13 cm/min travel speed with relatively larger capacities. These two kinds of test pieces, which were welded by TIG, had nearly the same fusion rate and welding quality. However, the pieces tested with relatively stronger currents and higher travel speed (60 amperes and 17 cm/min) had smaller angular distortion. Compared with using the Laser welding method to weld without using fillets, the welding size and angular distortion of the test pieces were much smaller than using the TIG ones.
  With regard to the residual stress, the results of using the TIG welding at the current of 60 amperes and the travel speed of 17 cm/min had roughly the same residual stress on hot zone as the welding at the current of 50 amperes and the travel speed of 13 cm/min. As with the aspect of tensile stress, the TIG welding at the current of 50 amperes and the travel speed of 13 cm/min had larger tensile stress and smaller compression stress. As compared with the Laser welding, TIG welding had similar residual stress distribution pattern in the test pieces. However, the residual stress in the Laser welding pieces was smaller than those in the TIG welding.
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝
總目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 X

第一章 緒論 1
1.1 研究緣起 1
1.1.1 鈦金屬簡介 1
1.1.2 鈦金屬特性及應用 2
1.1.3 鈦金屬市場趨勢 4
1.2 研究動機 7
1.3 研究目的 8
第二章 文獻回顧 9
2.1 鈦合金介紹 9
2.1.1 鈦金屬物理性質 9
2.1.2 鈦合金種類 10
2.1.3 Ti-6Al-4V介紹 13
2.2 鈦合金之銲接性 15
2.2.1 TIG銲接 16
2.2.2 雷射銲接 17
2.3 銲接後之影響 21
2.3.1 銲後變形 21
2.3.2 銲接變形之種類 21
2.3.3 銲接殘留應力 24
2.3.4 銲接殘留應力之形成 24
2.4 殘留應力量測方法 27
第三章 實驗方法與步驟 37
3.1 實驗流程 37
3.2 材料成分及尺寸 39
3.2.1 材料成分 39
3.2.2 材料尺寸及切割 39
3.3 銲接試驗 42
3.3.1 試片銲接前準備 42
3.3.2 雷射銲接參數 42
3.3.3 TIG銲接 43
3.4 殘留應力量測 44
3.5 角變形量測 48
第四章 實驗結果與討論 50
4.1 TIG銲件參數 50
4.2 角變形分析 54
4.2.1 雷射銲件角變形 54
4.2.2 TIG銲件角變形 59
4.2 殘留應力分析 67
第五章 結論與建議 72
5.1 結論 72
5.2 建議 73

參考文獻 74

圖目錄
圖1.1 元素週期表 1
圖1.2 鈦與鈦合金之應用 3
圖1.3 鈦與鈦合金之應用 4
圖1.4 鈦合金應用於航太 5
圖1.5 全球鈦材料應用發展趨勢 5
圖2.1 添加不同合金元素對鈦合金性質影響 13
圖2.2 Ti-6Al-4V 表面所生成的氧化層 14
圖2.3 鈦的接合方法 15
圖2.4 TIG銲接示意圖 16
圖2.5 雷射銲接示意圖 17
圖2.6 不同能量之加工狀態 18
圖2.7 雷射銲接與TIG銲接溫度、銲道比較圖 19
圖2.8 Nd:YAG固態雷射腔體 20
圖2.9 Nd:YAG固態雷射與機械手臂 20
圖2.10 銲接變形之形式 23
圖2.11 殘留應力之分佈圖 24
圖2.12 銲接殘留應力形成之示意圖 25
圖2.13 銲接過程中溫度與殘留應力變化之示意圖 26
圖2.14 對接銲典型殘留應力之大小與分佈圖 27
圖2-15 鑽孔法與X-ray 繞射法量測銲後殘留應力 28
圖2-16 X-ray 繞射法量測銲後處理之殘留應力比較 28
圖2-17 鑽孔法與有限元素法量測及模擬銲後殘留應力 29
圖2-18 花型三軸應變計之排列設計圖 30
圖2-19 平面雙軸向應力狀態圖 30
圖2-20 a、b與D/D0之關係曲線圖 35
圖2-21 釋放之應變與鑽孔深度和應變規直徑比值(Z/D)之關係 36
圖3.1 實驗設計流程圖 38
圖3.2 EDS成份分析 39
圖3.3 母材大小 40
圖3.4 高壓水刀切割機(輝哲科技提供) 40
圖3.5 超高壓水刀切割機加工情形(一) 41
圖3.6 超高壓水刀切割機加工情形(二) 41
圖3.7 雷射銲接夾具夾持方式 42
圖3.8 TIG銲接夾具夾持方式 43
圖3.9 P-3500訊號指示器 45
圖3.10 SB-10 訊號閘道控制器 45
圖3.11 (a) RS-200 高速氣鑽 (b)光學定位系統 46
圖3.12 花型三軸應變規 47
圖3.13 殘留應力的量測位置 47
圖3.14 角變形之量測位置 48
圖3.15 角變形值之定義示意圖 49
圖3.16 角變形之量測座標 49
圖4.1 第2組試片之微硬度分佈圖 53
圖4.2 第4組試片之微硬度分佈圖 53
圖4.3 雷射銲件各點角變形 54
圖4.4 雷射銲件Y=10mm之角變形 55
圖4.5 雷射銲件Y=30mm之角變形 55
圖4.6 雷射銲件Y=50mm之角變形 56
圖4.7 雷射銲件Y=70mm之角變形 56
圖4.8 雷射銲件Y=90mm之角變形 57
圖4.9 雷射銲件Y=110mm之角變形 57
圖4.10 雷射銲件Y=130mm之角變形 58
圖4.11 雷射銲件之縱向變形 58
圖4.12 TIG銲件之角變形 59
圖4.13 TIG銲件Y=10mm之角變形 60
圖4.14 TIG銲件Y=30mm之角變形 60
圖4.15 TIG銲件Y=50mm之角變形 61
圖4.16 TIG銲件Y=70mm之角變形 61
圖4.17 TIG銲件Y=90mm之角變形 62
圖4.18 TIG銲件Y=110mm之角變形 62
圖4.19 TIG銲件Y=130mm之角變形 63
圖4.20 TIG銲件之縱向變形 63
圖4.21 TIG銲件以不同電流及走速銲接之平均角變形 64
圖4.22 TIG銲件以不同電流及走速銲接之縱向變形 64
圖4.23 雷射與TIG銲件之平均角變形 66
圖4.24 雷射與TIG銲件之縱向變形 66
圖4.25 雷射銲件之殘留應力分佈圖 69
圖4.26 TIG銲件之殘留應力分佈圖 69
圖4.27 雷射與TIG銲道及背面比較圖 70
圖4.28 雷射與TIG銲件之殘留應力分佈圖 70
圖4.29 TIG不同參數銲件之殘留應力分佈圖 71

表目錄
表1.1 地球元素含量 2
表1.2 鈦合金應用的範圍 6
表2.1 鈦及其他金屬的物理性質 10
表2.2 常見鈦合金的鋁當量、鉬當量與其分類 11
表2.3 鈦合金於汽車零件之應用領域及潛在使用量 14
表2.4 雷射銲接、電子銲接與TIG銲接特性 18
表3.1 Ti-6Al-4V鈦合金成份(wt%) 39
表4-1 TIG銲件不同參數能量比 50
表4-2 TIG銲件不同參數之銲道與背面比較表 51
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