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博碩士論文 etd-0822111-173106 詳細資訊
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論文名稱
Title
多疊層矽鋼片之摩擦攪拌銲接的可行性研究
Feasibility studies on the friction stir welding of the multi-laminated silicon steel sheets
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
83
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2011-07-25
繳交日期
Date of Submission
2011-08-22
關鍵字
Keywords
摩擦攪拌銲接、主軸轉速、銲接工具、進給速度、正向負荷、矽鋼片、變壓器
and feeding rate, friction stir welding, transformers, silicon steel sheets, normal load, spindle speed, welding tool
統計
Statistics
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中文摘要
本研究係研發一台高轉速且定負荷之摩擦攪拌銲接設備,此設備有效銲接一般變壓器用的多疊層矽鋼片。此設備係由銲接工具之轉動模組、擠壓與退離模組以及多疊層矽鋼片工件之進給模組等所組成。以一3 mm碳化鎢圓棒的銲接工具,在正向負荷(140~480 N)、主軸轉速(12000~24000 rpm)及進給速度(0~1.58 mm/s)的操作條件下,探討多疊層矽鋼片之銲接特性與銲接機制,以及銲接變壓器之可行性。主要結果如下。
首先,從進給速度為零以及擠壓銲接時間15 秒的情況下進行點銲實驗之結果,建立由主軸轉速與正向負荷以及銲道深度所組成的銲道深度等高線圖。
接著,從點銲銲道深度等高線圖選出兩組銲接操作條件進行長銲道實驗,探討正向負荷(Fd)與主軸轉速(Ns)及進給速度(f)對剪斷破壞力(Ff)的影響。從實驗結果求出經驗公式,Ff =40.6(Fd.Ns)1.123(f)-0.791。(Fd.Ns)1.123(f)-0.791 正比於銲接工具在銲道上每單位移動距離之摩擦功。此摩擦功\的值愈大表示試片材料的生熱愈高並且摩擦攪拌愈均勻,使試片的材料鍵結強度增加,以致於銲道剪斷破壞力愈大。
從銲道橫截面的顯微組織照片觀察結果得知,熱機影響區受銲接工具與銲道表面之摩擦所產生的高熱作用,而呈現材料的塑性流動,使疊層矽鋼片鍵結在一起。
最後,從長銲道實驗結果選取較小銲道深度以及較佳銲道剪斷破壞力來當作實體變壓器的銲接操作條件,成功完成變壓器之銲接。
Abstract
A friction stir welding equipment with high rotation speed and constant load is successfully developed in this study to weld the multi-laminated silicon steel sheets widely used on regular transformers. This equipment consists of a spinning unit, a loading unit, and a feeding unit. A WC round rod with 3 mm diameter is used as welding tool. Under different operating conditions, such as the normal load(140~480 N), the spindle speed (12000~24000rpm), the feeding rate (0~1.58 mm/s), the welding characteristics and the welding mechanism of multi-laminated silicon steel sheets, and the welding feasibility of the transformer are investigated.
Firstly, the contour map of welding depth in terms of spindle speed,normal load, and depth of point welding is established for dwell welding time 15 seconds.
Secondly, based on this contour map, two experimental conditions of the long-pass welding tests are selected to investigate the effect of normal load (Fd), the spindle speed (Ns), and the feeding rate (f) on the failure load of weld under the shear. According to the experimental results, the empirical formula is obtained as Ff =40.6(Fd.Ns)1.123(f)-0.791. In this formula,(Fd.Ns)1.123(f)-0.791 is proportional to the frictional work per unit moving distance. With the larger frictional work, this represents the heat generation of the workpiece material is higher with more uniform friction stir, so that the bonding strength of the material increases and the failure load of weld is larger.
According to the micrograph observations, the thermo-mechanically affected zone is significantly influenced by high heat action generated from the friction between the tool and the weld surface region, so that the plastic flow of the workpiece material occurs to cause the multi-laminated silicon steel sheets bonding together.
Finally, the transformer is successfully welded under the experimental conditions of the long-pass welding tests with the smaller welding depth and the better failure load.
目次 Table of Contents
目 錄
學位論文審定書 i
誌謝 ii
中文摘要 iii
英文摘要 iv
目錄 v
圖次 viii
表次 xiii

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 1
1.3 文獻回顧 4
1.3.1 摩擦攪拌銲接 4
1.3.2 摩擦攪拌點銲 7
1.4 研究目的 8
第二章 實驗設備及實驗方法 9
2.1 實驗設備之研製與架設 9
2.1.1 高速主軸及冷卻系統 11
2.1.2 工作台 12
2.1.3 氣壓系統 12
2.1.4 進給系統 13
2.2 實驗試片之材料特性與幾何形狀 14
2.2.1 實驗試片之材料特性 14
2.2.2 實驗試片之幾何形狀 15
2.3 銲接工具之材料特性與幾何形狀 16
2.1.3 銲接工具之材料特性 16
2.3.2 銲接工具之幾何形狀 17
2.4 實驗治具之材料設計 17
2.5 實驗方法 18
2.5.1 實驗參數規劃 18
2.5.2 實驗步驟 20
2.6 銲道深度之量測 20
2.7 銲道之剪力破壞試驗 21
2.8 銲道之顯微組織觀察 22
2.9 研究流程 23
第三章 實驗結果與討論 24
3.1 單點銲接實驗 24
3.1.1 前導實驗 24
3.1.2 銲道深度之等高線圖 25
3.2 長銲道銲接實驗 34
3.2.1 主軸轉速與進給速度的影響 34
3.2.2 正向負荷與進給速度的影響 35
3.3 矽鋼片的剪斷破壞力形成機制 49
3.4 銲道之顯微組織分析 51
3.5 實體變壓器之銲接 55
第四章 結論與未來展望 57
4.1 結論 57
4.2 未來展望 58
參考文獻 60
附錄一 銲道深度 62
附錄二 銲道外觀 66

圖 次
圖1-1 摩擦攪拌銲接原理示意圖 2
圖1-2 變壓器之疊層矽鋼片銲接位置 4
圖1-3 銲件之硬度分布 5
圖1-4 異種材料的銲接 6
圖1-5 攪拌區的的晶粒結構 6
圖1-6 銲後的銲接工具形狀及磨耗 7
圖2-1 高轉速且定負荷式摩擦攪拌銲接機系統之示意圖 9
圖2-2 高轉速且定負荷式摩擦攪拌銲接機之實體圖 10
圖2-3 高速主軸及冷卻系統之配置圖 11
圖2-4 氣壓系統之配置圖 12
圖2-5 負荷計之校正曲線 13
圖2-6 氣壓缸之正向負荷校正曲線 13
圖2-7 進給速度之校正曲線 14
圖2-8 單片之幾何形狀 15
圖2-9 單點銲接試片之幾何形狀 15
圖2-10 長銲道銲接試片之幾何形狀 15
圖2-11 碳化鎢銲接工具之光學顯微照片 16
圖2-12 碳化鎢銲接工具之實體圖與幾何形狀示意圖 17
圖2-13單點銲接與長銲道銲接之治具與試片夾持 17
圖2-14以虎鉗夾持治具 18
圖2-1單點銲接及長銲道銲接之銲道深度量測方式 21
圖2-16銲道剪切破壞試驗之示意圖 21
圖2-17銲道剪切破壞試驗之實體圖 21
圖2-18 矽鋼片之摩擦攪拌銲接實驗流程圖 23
圖3-1 實際銲接之情況;(a)壓入階段,(b)持壓階段,(c)退離階段 26
圖3-2 在主軸轉速18000 rpm、預熱時間30秒下,不同正向負荷下之銲道表面的熱暈變化 27
圖3-3 在主軸轉速18000 rpm、預熱時間30秒下,正向負荷對熱暈直徑的影響 27
圖3-4 在正向負荷160 N及180 N下,主軸轉速對銲道外觀的影響 28
圖3-5 在正向負荷160 N及180 N下,主軸轉速對熱暈直徑的影響 29
圖3-6 在主軸轉速18000 rpm及正向負荷180 N的條件下,預熱時間對銲道外觀及銲道深度的影響 30
圖3-7 在主軸轉速18000 rpm及正向負荷180 N的條件下,預熱秒數對熱暈直徑的影響 31
圖3-8 預熱時間15秒下之銲道深度等高線圖以及銲道深度輪廓型狀 32
圖3-9 在主軸轉速15000 rpm及預熱15秒下,正向負荷對銲道深度輪廓與銲道外觀的影響 33
圖3-10 實際銲接之情況;(a)壓入階段,(b)預熱階段,(c)銲接階段,(d)保持階段,(e)退離階段 36
圖3-11 在一定的正向負荷220 N,以及不同主軸轉速及進給速度下之銲道外觀及熱暈變化 37
圖3-12 在一定的正向負荷220 N,主軸轉速及進給速度對熱暈面積的影響 38
圖3-13 在一定的正向負荷220 N,以及不同主軸轉速及進給速度下之銲道深度輪廓 39
圖3-14 在一定的正向負荷220 N,主軸轉速及進給速度對銲道深度的影響 40
圖3-15 主軸轉速18000 rpm、正向負荷220 N及進給速度0.45 mm/s條件下的銲道剪斷破壞曲線 41
圖3-16 在一定的正向負荷220 N,主軸轉速與進給速度對剪斷破壞力的影響 41
圖3-17 在一定的正向負荷220 N,以及不同主軸轉速及進給速度下之破斷面外觀 42
圖3-18 在一定的正向負荷220 N,主軸轉速及進給速度對破斷面積的影響 43
圖3-19 在一定的主軸轉速18000 rpm,以及不同正向負荷及進給速度下之銲道外觀及熱暈變化 44
圖3-20 在一定的主軸轉速18000 rpm,正向負荷及進給速度對熱暈面積的影響 45
圖3-21 在一定的主軸轉速18000 rpm,以及不同正向負荷及進給速度下的銲道深度輪廓 46
圖3-22 在一定的主軸轉速18000 rpm,正向負荷及進給速度對銲道深度的影響 47
圖3-23 在一定的主軸轉速18000 rpm,正向負荷與進給速度對剪斷破壞力的影響 47
圖3-24 在一定的主軸轉速18000 rpm,以及不同正向負荷及進給速度下之破斷面外觀 48
圖3-25 在一定的主軸轉速18000 rpm,正向負荷與進給速度對破斷面積的影響 49
圖3-26 在不同進給速度下,正向負荷與主軸轉速的乘積對破壞力的影響 50
圖3-27 在主軸轉速12000rpm、正向負荷220 N及進給速度0.91mm/s的條件下之銲道橫截面顯微組織圖,(A)與(B)為含塑性流動之熱機影響區,(C)為熱機影響區與熱影響區之交界處,(D)為母材 52
圖3-28 在主軸轉速18000rpm、正向負荷220 N及進給速度1.58mm/s的條件下之銲道橫截面顯微組織圖,(A)與(B)為含塑性流動之熱機影響區,(C)為熱機影響區與熱影響區之交界處,(D)為母材 53
圖3-29 元素之線掃瞄分析結果 54
圖3-30 變壓器之夾治具組示意圖 55
圖3-31 間隔座與墊片以及變壓器之組裝圖與爆炸圖 56
圖3-32 摩擦攪拌銲接之變壓器實體圖 56
圖4-1 雙主軸變壓器銲接設備之示意圖 58
圖4-2 間隔座與墊片以及變壓器之組裝爆炸圖 59

表 次
表1-1各先進國家摩擦攪拌接合技術之發展與產業的應用 3
表2-1 晶粒無取向50H1300C矽鋼片之元素成分表 14
表2-2 超微粒碳化鎢圓棒之成分與材質分析表 16
表2-3 單點銲接之實驗參數 19
表2-4 長銲道銲接之實驗參數 19
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