TWI573654B - 沃斯田鐵不銹鋼助銲劑 - Google Patents

Description

沃斯田鐵不銹鋼助銲劑

本發明係關於一種助銲劑，特別關於一種沃斯田鐵不銹鋼助銲劑。

不銹鋼主要係以鐵元素為基質，除了添加碳、矽、錳、磷及硫等基本元素外，另添加鉻、鎳、鉬、氮、鈦及鈮等合金元素冶煉而成之高合金鋼，其中鉻含量需達12%重量百分比以上才能生成緻密且安定之氧化鉻鈍化層。此係因鉻原子較鐵原子更具活性而易與大氣或環境中之氧原子反應生成氧化鉻層，故可有效防止大氣或環境中之腐蝕因子滲入鋼材內部。由於不銹鋼具優良耐腐蝕性、耐磨耗性、機械強度、成型性及銲接性等，因此廣泛應用於民生工業、食品工業、製藥工業、石化工業、核能工業、航太工業、造紙工業、造船工業及醫療器具工業等。不銹鋼主要分類方式有兩種，一係以添加合金元素區分，另一則以常溫顯微組織區分。依添加合金元素可區分為鐵鉻系不銹鋼與鐵鉻鎳系不銹鋼兩大類型；依常溫顯微組織可區分為肥粒鐵不銹鋼、沃斯田鐵不銹鋼、麻田散鐵不銹鋼、雙相型不銹鋼及析出硬化型不銹鋼等五大類型。其中沃斯田鐵不銹鋼係屬鐵鉻鎳系不銹鋼，不具鐵磁性。由於沃斯田鐵不銹鋼顯微組織不因溫度改變而發生相變化，因此無法藉由熱處理方式提高其機械強度。沃斯田鐵不銹鋼除了具優異成型性、銲接性及抵抗大氣腐蝕能力外，亦具有較佳的耐孔蝕性。沃斯田鐵不銹鋼廣泛應用於餐具器皿、醫療器具及廚房用具等。相較於麻田散鐵不銹鋼，沃斯田鐵不銹鋼雖具有較佳耐腐蝕性，然其耐磨耗 性則相對較差。

鎢極惰氣銲接(Tungsten Inert Gas Welding,TIG Welding)為高品質電弧銲接製程。在銲接工程實務應用，一般主要以鎢極惰氣銲接進行沃斯田鐵不銹鋼的施銲工序。鎢極惰氣銲接係於惰性氣體(氬氣或氦氣)保護下，以一鎢棒電極引導產生一電弧作為銲接熱源，使二工件之抵接處熔融，續冷卻固化，即完成銲接工序。惟，由於鎢極惰氣銲接的熱源功率密度較低，因此其單道次可銲接之工件厚度最大為3mm，亦即鎢極惰氣銲接較適用於薄板(板厚小於3mm)銲接工作。

若欲進行厚板(板厚大於3mm)銲接工作，則可以將一習用助銲劑塗佈於該二工件之抵接處，使該習用助銲劑於銲接過程中熔融，並在該二工件之抵接處形成一銲池。待該銲池冷卻固化後，即形成一銲道，而緊密接合該二工件。該習用助銲劑包含二氧化鈦、二氧化矽、氧化鉻、氧化鎳及氧化銅，能夠形成較深且窄的銲道，且適用於厚板(板厚大於3mm)銲接工作。惟，該習用助銲劑所形成之銲道表面硬度較低，故無法適用於需要較高耐磨耗性能的場合。

本發明係解決上述問題，遂提供一種沃斯田鐵不銹鋼助銲劑，可以提升所形成之銲道深寬比及其表面硬度。

本發明提供一種沃斯田鐵不銹鋼助銲劑，包含以重量百分比計20~40%之碳化矽、20~30%之二氧化矽、15~25%之三氧化鉬、2~15%之二氧化鈦、2~10%之氧化鎳及1~5%之氧化鎂。藉此，可以達成「提升所形成之銲道深寬比及其表面硬度」功效。

本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑，其中，碳化矽之粒徑係為20~40nm。藉此，可以達成「提高所形成之銲道耐磨耗性」功效。

本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑，藉由添加該碳化矽，配合 二氧化矽、三氧化鉬、二氧化鈦、氧化鎳及氧化鎂，而能夠提升所形成之銲道深寬比及其表面硬度，達成「降低所形成之銲件角變形量與提高所形成之銲道耐磨耗性」功效。

再者，由於本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑中包含特定比例之碳化矽、二氧化矽、三氧化鉬、二氧化鈦、氧化鎳及氧化鎂，而能夠在提升該銲道表面硬度之同時，維持該銲道熔透深度及其耐腐蝕性，達成「提升銲接品質」功效。

〔本發明〕

1、1’‧‧‧工件

11、11’‧‧‧側緣

12‧‧‧銲道

2‧‧‧助銲劑

3‧‧‧披覆式活性銲條(或包覆式活性銲線)

31‧‧‧延伸端

B‧‧‧毛刷

E‧‧‧鎢棒電極

F‧‧‧填料金屬

第1圖：係本發明沃斯田鐵不銹鋼助銲劑塗佈之示意圖。

第2A圖：係利用本發明沃斯田鐵不銹鋼助銲劑製成之一包覆式活性銲線的立體結構圖。

第2B圖：係利用本發明沃斯田鐵不銹鋼助銲劑製成之一披覆式活性銲條的立體結構圖。

第2C圖：係利用本發明沃斯田鐵不銹鋼助銲劑製成之再一包覆式活性銲線的立體結構圖。

第2D圖：係利用本發明沃斯田鐵不銹鋼助銲劑製成之又一包覆式活性銲線的立體結構圖。

第3A圖：係使用本發明沃斯田鐵不銹鋼助銲劑製成之披覆式活性銲條(或包覆式活性銲線)進行銲接之示意圖。

第3B圖：係使用前述披覆式活性銲條(或包覆式活性銲線)進行銲接產生之銲道剖面圖。

第4圖：係本發明第A1組實驗之銲道形態圖。

第5圖：係本發明第A2組實驗之銲道形態圖。

第6圖：係本發明第A3組實驗之銲道形態圖。

第7圖：係本發明第A4組實驗之銲道形態圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明所述之不銹鋼，係可以為AISI 301系、AISI 302系、AISI 303系、AISI 304系、AISI 309系、AISI 310系、AISI 316系、AISI 312系、AISI 347系等沃斯田鐵不銹鋼種，惟不以此為限。

本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑，係包含碳化矽、二氧化矽、三氧化鉬、二氧化鈦、氧化鎳及氧化鎂。在銲接過程，提供一銲接熱源於銲接處，使該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑熔融於二工件之間形成一銲池，待該銲池冷卻固化後形成一銲道，進而使該二工件結合而獲得一銲件，藉此完成施銲工序。藉由該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑的使用，使所形成之銲道具有較高的表面硬度，而使該銲道具有較佳的耐磨耗性。

詳言之，該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑包含以重量百分比計20~40%之碳化矽。於銲接過程中，碳化矽會聚集於該銲道之表面，故而可以提升該銲道之表面硬度，使該銲道之耐磨耗性提高。同時，由於碳化矽主要分佈於銲道之表面，而該銲道表面下層仍以碳化矽以外之成分為主，故同時能夠維持該銲道之破裂韌性，而不易產生脆性破斷的情形。惟，使用過多碳化矽會導致該銲道之熔透深度降低，並且造成該銲道之耐腐蝕性降低。因此，必需使用適當比例之碳化矽，配合其餘特定組成及配比，方能夠在不影響該銲道之熔透深度及耐腐蝕性的前提下，達成提升該銲道之表面硬度的效果。

因此，該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑另包含以重量百分比計20~30%之二氧化矽，以有效提高該銲道深度，並有效縮減該銲道寬度；包含25~30%之三氧化鉬，可以輔助提高該銲道深度；包含5~10%之二氧化 鈦，可以輔助提高該銲道深度，並可以輔助提升該銲道之耐腐蝕性；包含2~10%之氧化鎳，以幫助維持該銲道深度，並可以輔助提深該銲道之耐腐蝕性；及1~5%之氧化鎂，以輔助提升該銲道之表面硬度。

本案藉由包含適當比例之碳化矽，配合適當比例之二氧化矽、三氧化鉬、二氧化鈦、氧化鎳及氧化鎂，而可以提升該銲道之表面硬度，同時使該銲道仍保有足夠之熔透深度以及耐腐蝕性。

此外，該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑可以使用碳化矽奈米粉末，例如粒徑為20~40nm之碳化矽粉末。如此一來，能夠使碳化矽與其餘成份均勻混合，並且於銲接過程中充份熔融，而可以在提升該銲道之表面硬度的同時，幫助維持該銲道之熔透深度。

本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑係可以藉由任何習知手段進行施銲工序，例如使用鎢極惰氣銲接方法，且該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑可以預先於銲接進行前均勻塗佈於工件表面，詳如下述。

請參照第1圖所示，進行銲接前，係可以將二工件1、1’之側緣11、11’抵接，利用一毛刷B將該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑2塗佈於該二工件1、1’之抵接處。該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑2可以預先分散於一液狀或膠狀之介質中，例如混合於乙醇中形成泥漿狀，以使該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑得以較均勻地塗佈於該二工件1、1’之抵接處，待塗佈完成後即可進行銲接工作。

此外，請參照第2A、2B、2C、2D圖所示，本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑另可以與一填料金屬F共同製成一披覆式活性銲條(或包覆式活性銲線)3，進而以鎢極惰氣銲接方法進行施銲工作。該披覆式活性銲條(或包覆式活性銲線)3係可以由該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑2填入於具中空條狀之填料金屬F的內部所形成(第2A圖)，亦可以由該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑2環繞披覆於具實心條狀之填料金屬F的外部所形成(第2B 圖)。另可以將該填料金屬F輾壓成薄片狀，以包捲該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑2(第2C圖)；或於包捲該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑2後，該薄片狀填料金屬F可以形成至少一延伸端31以延伸入該包覆式活性銲線3之內部(第2D圖)。藉由該披覆式活性銲條(或包覆式活性銲線)3的使用，可以免除人工塗佈該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑的不便，且可以應用於銲接自動化生產，進而可以大幅提高生產效率。

請參照第3A圖，上述之披覆式活性銲條(或包覆式活性銲線)3於使用時，係可以配合該鎢棒電極E，使該填料金屬F及該沃斯田鐵不銹鋼助銲劑2共同熔融於該二工件1、1’之側緣11、11’間形成該銲池，待該銲池冷卻固化後形成銲道。如3B圖所示，所形成之銲道12係為深度較深、寬度較窄，及深寬比較大的形態。

為證實本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑確實可以用於銲接沃斯田鐵不銹鋼，並在不影響該銲道熔透深度及耐腐蝕性的前提下，能夠提升該銲道表面硬度，遂進行下述實驗：

(A)添加碳化矽之影響

本實驗所使用之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑的成分配比係如下第1表所示，其中第A1、A2組分別為未使用該助銲劑及使用100%碳化矽組別；第A3組係使用習知助銲劑；第A4組代表本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑。

本實驗選用AISI 304不銹鋼，鋼板尺寸為150×150×6mm。銲接方法以不添加填料金屬之鎢極惰氣銲接製程進行單道次bead-on-plate實驗，電弧長度為2mm，銲接電流為180A，銲接速度為140mm/min。銲接過程以高純度氬氣為保護氣體，銲接完成後切取銲接試件，以金相顯微鏡拍攝銲道形態，並量測銲道深度、銲道寬度、銲道表面硬度、銲道腐蝕電位及銲道腐蝕電流等。

請參照第2表所示，係為以本實驗第A1~A4組之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑進行銲接後，所測量得之銲道深度、銲道寬度、銲道深寬比、銲道表面硬度、銲道腐蝕電位及銲道腐蝕電流密度。此處所述之銲道深度係自銲道表面測量銲道之最大垂直深度，銲道寬度係測量銲道表面之最大水平寬度，銲道深寬比係由銲道深度除以銲道寬度而得。

另請參照第4~7圖，分別為第A1~A4所形成之銲道的形態圖。如圖所示，第A1、A2組之銲道皆未能夠貫穿該二工件之抵接處，故無法實際運用於銲接工序中。反之，第A3、A4組則能夠貫穿該二工件之抵接處，形成符合銲接標準之銲道形態。

由上述結果可知，未使用助銲劑(第A1組)時，所形成之銲道的深度淺、寬度大；若僅使用100%碳化矽(第A2組)，雖然能夠具有較高的銲道表面硬度，但將造成銲道深寬比降低，且銲道腐蝕電位下降、 腐蝕電流密度提升，顯示其耐腐蝕性受到嚴重影響。使用不包含碳化矽之助銲劑(第A3組)則可以形成深且窄的銲道，惟其表面硬度仍有待提升。而本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑(第A4組)藉由適當配比，使該銲道的表面硬度相較於直接銲接或使用習知助銲劑皆有大幅度提升，同時該銲道之耐腐蝕性則並未明顯下降。

(B)各成分配比之影響

本實驗所使用之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑的成分配比係如下第3表所示，其中第B1、B4及B5組係使用與本案所請相同之成分，惟配比與本案不同；第B2、B3組代表本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑。此外，本實驗之銲接條件皆與上述(A)實驗相同。

請參照第4表所示，係為以本實驗第B1~B5組之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑進行銲接後，所測量得之銲道深度、銲道寬度、銲道深寬比、銲道表面硬度、銲道腐蝕電位及銲道腐蝕電流密度。此處測量方法亦與前述(A)實驗相同。

由上述結果可知，碳化矽添加量未達本案所請之情形(第B1組)，該銲道表面硬度明顯較本案所請之範圍(第B2、B3組)低，而顯示該銲道耐磨耗性不佳。而碳化矽添加量過高之情形(第B5組)，則該銲道熔透深度明顯不足，且耐腐蝕性不佳。再者，第B4組除碳化矽以外之成分比例皆落於本案所請範圍，惟由於碳化矽之添加量過高，該銲道表面硬度未有顯著提升之同時，該銲道深度僅為4.60mm，且該銲道深寬比亦明顯下降。

因此，更可以證實，本案確實藉由各成分之特定比例，方能夠在避免影響銲道深度及銲道深寬比的前提下，大幅提高該銲道之表面硬度，達成該銲道具有耐磨耗性效果。同時，仍能夠維持該銲道之耐腐蝕性，不受到大幅度影響。

綜合上述，本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑，藉由添加該碳化矽，配合二氧化矽、三氧化鉬、二氧化鈦、氧化鎳及氧化鎂，而能夠提升所形成之銲道深寬比及其表面硬度，達成「降低所形成之銲件角變形量與提高所形成之銲道耐磨耗性」功效。

再者，由於本發明之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑中包含特定比例之碳化矽、二氧化矽、三氧化鉬、二氧化鈦、氧化鎳及氧化鎂，而能夠在提升該銲道表面硬度之同時，維持該銲道熔透深度及其耐腐蝕性，達成「提升銲接品質」功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (2)

1. 一種沃斯田鐵不銹鋼助銲劑，包含以重量百分比計20~40%之碳化矽、20~30%之二氧化矽、15~25%之三氧化鉬、2~15%之二氧化鈦、2~10%之氧化鎳及1~5%之氧化鎂。
2. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵不銹鋼助銲劑，其中，碳化矽之粒徑係為20~40nm。