為探討摩擦攪拌銲接銲道之形成機制，首先僅使用旋轉探針穿入欲接合介面並進給，但軸肩未接觸試片，結果發現材料被刮起並帶往後退邊堆積，而無法形成銲道。當使用無探針之軸肩銲接，結果發現只有接近表面之材料產生塑性流動並因摩擦高溫擴散而接合。由以上實驗以及一般攪拌頭實驗可以得知銲道之形成機制如下，在探針的穿入和軸肩與試片緊密接觸所產生的大量摩擦熱作用下，攪拌頭進給，探針前方之軟化材料受到旋轉的探針及軸肩的擠壓，使這些軟化材料緊密地回填至探針後方之缺陷內。
經由銲道橫剖面的顯微觀察發現銲道橫剖面出現接合面曲線，該曲線是由於接近軸肩以及探針表面之材料因摩擦高溫產生塑性流動所造成，此可由流體力學的邊界層理論解釋。

To investigate the fundamental mechanism of friction stir welding to form a butt joint, two additional tests are performed, one using the rotating probe pin only, the other using the rotating shoulder only. In the first case, the pin tool is plunged into the joint interface, but the shoulder is not in contact with the workpiece. When the pin tool is feeding, the material in the vicinity of the pin tool is scratched and piled on the retreating side, but a butt joint is not formed by this test on two thin plates of aluminum alloy 6061-T6. In the second case, when the shoulder is feeding, the plastic shear deformation of the material in the vicinity of the shoulder can be observed and then it is joined together due to the heat generated from the shoulder to cause the material diffusion. According to these additional experiments and the friction stir welding process, the mechanism to form a butt joint is as following. When the probe plunge into the material and the shoulder is in contact with the workpiece, a large amount of frictional heat is generated from the shoulder and the pin. When the tool moves forward, the soft material in front of the pin is squeezed, so that the material is refilled into the space behind the pin by the rotating pin and shoulder. According to the observation of cross-section of butt joint, an interface curve can be found. This curve is formed by the plastic shear deformation of the material in the vicinity of the shoulder and the pin at high frictional temperature. It can be explained by the boundary layer theory.

總 目 錄
總目錄 i
圖目錄 v
表目錄 xi
符號說明 xii
中文摘要 xiii
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 摩擦攪拌銲接之優點 3
1-3 文獻回顧 7
1-3-1 材料接合型式 8
1-3-2 攪拌頭之設計 9
1-3-3 攪拌頭傾斜角度 11
1-3-4 銲接材料及接合特性分析 11
1-3-5 攪拌頭磨耗現象 12
1-3-6 力的分析及量測 14
1-3-7 前進邊與退出邊 17
1-3-8 摩擦攪拌銲接之熱量輸入 18
1-3-9 摩擦攪拌銲接過程之溫度變化 18
1-3-10 摩擦攪拌銲接之材料流動 20
1-3-11摩擦攪拌銲接機制之探討 22
1-4 研究目的與重要性 22
1-5 本論文架構 23
第二章 實驗設備與方法 24
2-1 實驗設備 24
2-1-1 動力計 24
2-1-2 實驗設備之架設 26
2-1-3 力量量測系統配線 28
2-2 實驗試片之材料特性 29
2-3 試片之幾何形狀 31
2-4 攪拌頭之設計 32
2-4-1 攪拌頭之材質選用 32
2-4-2 攪拌頭之幾何形狀設計 33
2-5 背部墊板之選用及裝置 34
2-6 實驗方法 36
2-6-1 實驗參數規劃 36
2-6-2 試片前處理 37
2-6-3 實驗步驟 38
2-7 銲道觀察 40
2-8 銲道表面高度之量測與銲道缺陷面積之觀察 43
2-9 軸肩下方壓力之探究 44
2-10 軸肩作用探究方法 45
2-11 探針作用之探究方法 45
2-12 研究流程 47
第三章 實驗結果與討論 48
3-1 銲接過程三分力變化 48
3-1-1 正常攪拌頭之三分力變化 48
3-1-2 無探針攪拌頭之三分力變化 52
3-1-3 無探針攪拌頭之預熱階段 55
3-1-4 正常攪拌頭之預熱階段 55
3-1-5 無探針攪拌頭主軸轉速與輸入熱量關係 56
3-1-6 銲道上有孔洞對三分力之影響 56
3-2 摩擦攪拌銲接之機制探討 59
3-2-1 軸肩與試片材料介面之壓力 59
3-2-2 摩擦攪拌銲接之軸肩作用探討 62
3-2-3 摩擦攪拌銲接之探針作用探討 69
3-2-4 摩擦攪拌銲接之正常攪拌頭作用探討 73
3-3 孔洞造成缺陷過程探討 81
3-4 孔洞對銲道之影響 91
3-4-1 孔洞對銲道表面輪廓影響 91
3-4-2 孔洞對銲道剖面缺陷影響 92
3-5 預測無探針攪拌頭軸肩下之溫度 96
第四章 結論與未來研究方向 100
4-1 結論 100
4-2 未來研究方向 101
參考文獻 102
圖 目 錄
圖1-1 摩擦攪拌銲接原理示意圖 2
圖1-2 摩擦攪拌銲接之銲道組織示意圖 2
圖1-3 摩擦攪拌接合（FSW）與熔化銲（MIG）之
變形量比較 6
圖1-4 摩擦攪拌銲接之接合型式 8
圖1-5 錐狀三凹槽型式探針的攪拌頭 10
圖1-6 正逆轉摩擦攪拌銲接（Re-stirTM）示意圖 10
圖1-7 攪拌頭探針之磨耗自我最佳化現象 13
圖1-8 Soundararajan等人研製之進給方向力及軸向力之量測設備 15
圖1-9 Soundararajan等人量測之軸向力 .15
圖1-10 摩擦攪拌銲接之力量量測設備 16
圖1-11 主軸轉速3000 rpm，進給速度4.7mm/s條件下之力量變化 16
圖1-12 前進邊與後退邊定義示意圖 17
圖1-13 理論模擬探針刺入過程溫度變化 19
圖1-14 理論模擬銲接過程銲道縱剖面之溫度分佈 19
圖1-15 不同深度之流動型態以及黏度分佈 21
圖1-16 S曲線及流體示意圖 21
圖2-1 (a) 邱教授等人所研製之量測進給力（X）、夾緊力（Y）、軸向力（Z）等三分力之動力計(b)三分力之動力計量測設備之照片 25
圖2-2 實驗設備之照片 27
圖2-3 力量量測系統配線示意圖 28
圖2-4 試片之幾何形狀及尺寸 31
圖2-5 正常攪拌頭幾何形狀設計 33
圖2-6 無探針攪拌頭幾何形狀設計 34
圖2-6 背部墊板之幾何形狀 35
圖2-7 背部墊板裝置示意圖 35
圖2-8 去除試片氧化膜示意圖 37
圖2-9 銲接停止位置示意圖 39
圖2-10 銲道顯微組織觀察取樣範圍示意圖 40
圖2-11 前、後半圓示意圖 40
圖2-12 銲道表面量測試示意圖 43
圖2-13 軸肩下方壓力探討孔洞尺寸、位置與觀察截面示意圖 44
圖2-14 觀察探針對材料之攪拌機制試驗示意圖 46
圖2-15 研究流程圖 47
圖3-1 6061鋁合金對接、主軸轉速1000rpm、傾角1度、進給速度30mm/min、固定夾緊力2kN、正常攪拌頭及正常試片條件下之三分力曲線及銲道外觀 50
圖3-2 6061鋁合金對接、主軸轉速1000rpm、傾角1度、進給速度30mm/min、固定夾緊力2kN、正常攪拌頭及銲道有孔洞條件下之三分力曲線及銲道外觀 51
圖3-3 6061鋁合金對接、主軸轉速1000rpm、傾角1度、進給速度30mm/min、固定夾緊力2kN、無探針攪拌頭及正常銲接試片條件下之三分力曲線及銲道外觀 53
圖3-4 6061鋁合金對接、主軸轉速1000rpm、傾角1度、進給速度30mm/min、固定夾緊力2kN、無探攪針拌頭及銲道有孔洞條件下之三分力曲線及銲道外觀 54
圖3-5 無探針攪拌頭，主軸轉速與軸向力達到最大值所需之時間關係 57
圖3-6 一般攪拌頭插入及預熱過程材料擠出示意圖 58
圖3-7 探討材料流動實驗剖面位置示意圖與相對應之剖面 60
圖3-8 軸肩下壓力分佈示意圖 61
圖3-9 無探針攪拌頭原地旋轉以及正常進給，銲道橫剖面位置示意圖 65
圖3-10 無探針攪拌頭+4mm之銲道橫向剖面 66
圖3-11 無探針攪拌頭+2mm之銲道橫向剖面 66
圖3-12 無探針攪拌頭0mm之銲道橫向剖面 67
圖3-13 無探針攪拌頭-2mm之銲道橫向剖面 67
圖3-14 無探針攪拌頭-4mm之銲道橫向剖面 68
圖3-15 無探針攪拌頭對表面下0.8mm接合介面作用示意圖 68
圖3-16 輕接觸之銲道表面 70
圖3-17 被刮起之材料沿旋轉方向堆積於後退邊之示意圖 71
圖3-18 探針前進材料被刮起之示意圖 71
圖3-19 探針前進刮起材料往後退邊堆積示意圖 72
圖3-20 有進給與旋轉運動之攪拌頭，進給後於剖面之投影位移量示意圖 76
圖3-21 觀察剖面位置示意圖 76
圖3-22 正常攪拌頭之+4mm與+3mm銲道橫向剖面 77
圖3-23 正常攪拌頭之+2mm與+1mm銲道橫向剖面 77
圖3-24 正常攪拌頭之+0mm與-1mm銲道橫向剖面 78
圖3-25 正常攪拌頭之+2mm與-3mm銲道橫向剖面 78
圖3-26 正常攪拌頭之+4mm與-5mm銲道橫向剖面 79
圖3-27 正常攪拌頭之銲道-6mm橫向剖面 79
圖3-28 正常攪拌頭攪拌頭對銲接介面作用示意圖 80
圖3-29 無探針攪拌頭銲道銲接至軸肩前緣超過孔洞前緣1mm之上表面與背面 83
圖3-30 正常攪拌頭銲道銲接至軸肩前緣超過孔洞1mm之上表面與背面與孔洞周圍放大圖 84
圖3-31 觀察剖面位置示意圖 85
圖3-32 無探針攪拌頭+3.5mm與+3mm之銲道橫向剖面 85
圖3-33 正常攪拌頭+3.5mm與+3mm之銲道橫向剖面 86
圖3-34 正常攪拌頭+2.5mm與+1.5mm之銲道橫向剖面 86
圖3-35 正常攪拌頭+2mm與+2.5mm之銲道橫向剖面 87
圖3-36 正常攪拌頭探針經過2mm及4mm之銲道橫向剖面 88
圖3-37 當軸肩開始接觸孔洞，填料以及缺陷狀況示意圖 89
圖3-38 當軸肩接觸缺料孔洞，探針刮起之材料將填補軸肩下方不足之材料 89
圖3-39 攪拌頭接觸孔洞時銲道底部缺陷示意圖 90
圖3-40 無探針攪拌頭銲接過程遭遇缺料洞之軸向力與表面高度變化 94
圖3-41 正常攪拌頭銲接過程遭遇孔洞之表面高度以及銲道缺陷面積變化 95
圖3-42 流度應力、應變率與溫度關係圖 96
圖3-43 應變率為0.81之流度應力與溫度關係圖 98
表 目 錄
表1-1 6065-T5鋁合金FSW、MIG、TIG之拉伸析性質比 5
表2-1 6061-T6鋁合金之主要成份（wt%） 30
表2-2 SKH51高速鋼之主要成份（wt%） 32
表2-3 實驗參數規劃 36
表3-1 求黏度所使用之數值 97

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