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博碩士論文 etd-0824109-181510 詳細資訊
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論文名稱
Title
摩擦銲接強度之強化方法研究
Studies on the enhancing methods of the friction welding strength
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
113
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
2009-07-14
繳交日期
Date of Submission
2009-08-24
關鍵字
Keywords
護面鋼、雙金屬板、摩擦接合、鍍鎳
Bimetal plate, Clad steel, Ni-coating, Friction welding
統計
Statistics
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中文摘要
本研究旨在探討無探針之摩擦攪拌搭接用以製作工業用厚護面鋼板上的可行性,並使用兩種方法來強化以低碳鋼與護面材料之銅鎳合金所製作之試片的接合強度,第一種方法是在低碳鋼上鍍上一層鎳以防止其在接合過程時氧化,第二種方法是在低碳鋼的表面加工壓花紋路來增加銲接界面的接觸面積。
實驗結果發現鍍鎳層可以有效防止低碳鋼表面氧化物的生成並可提升其接合強度。根據銅鎳合金板厚度為4 mm時的拉伸試驗結果,有鍍鎳層試片之接合強度可達無鍍鎳層試片的2.3倍。此外根據衝擊試驗的結果,有鍍鎳層試片所能吸收的衝擊能量高於無鍍鎳層試片。此差距隨著上試片的厚度增加而增加。同時也發現有鍍鎳層試片在接合處中央的銲接強度高於銅鎳合金基材的強度。在有壓花紋路的試片方面,因為壓花紋路間的空隙不容易被填滿,抵銷了壓花紋路對增加銲接界面接觸面積的效果。因此,有壓花紋路試片強度低於有鍍鎳層試片強度。
Abstract
This study aims to experimentally explore the possibility to join the two pieces of low-carbon steel and Cu-Ni alloy as the cladding material into a thick clad steel plate during a Friction Stir Lap Welding(FSLW)process without a probe. Two methods are employed to enhance the welding strength. Firstly, a layer of nickel is coated on the low-carbon steel to prevent it from oxidizing during the welding process. Secondly, the surface of the low-carbon steel is knurled to increase the contact area between the welding surfaces.
Experimental results show that Ni-coating can effectively prevent the generation of oxidation and improve the welding strength. According to the tensile test using a plate of Cu-Ni alloy with a thickness of 4 mm, the welding strength of the clad steel plate with Ni-coating is about 2.3 times greater than that without Ni-coating. Moreover, according to the impact test, the clad steel plate with Ni-coating can absorb more impact energy than that without Ni-coating. This difference increases with increasing thickness of the plate. It is also found that the welding strength at the center of joints using the Ni-coating is greater than that at the substrate of copper-nickel alloy. For the clad steel plate with knurling, since it is difficult to fill the gap between the patterns of knurling, the increase in the contact area between the welding surfaces has been offset. Hence, the welding strength of the clad steel plate with knurling is less than that with Ni-coating.
目次 Table of Contents
總 目 錄
總目錄 i
圖目錄 v
表目錄 x
符號說明 xi
中文摘要 xii
英文摘要 xiii
第一章 緒論 1
1-1 本研究的目的 1
1-2 文獻回顧 4
1-2-1 摩擦攪拌銲接 4
1-2-2 爆炸銲接 7
1-2-3 金屬間化合物與金屬中介層 11
1-4 本論文之研究方向及重要性 15
1-5 本論文架構 15
第二章 實驗設備與方法 16
2-1 實驗設備 16
2-1-1 動力計 16 2-1-2 力量量測系統配線 18
2-2 實驗試片之材料特性 19
2-3 試片之幾何形狀 20
2-4 銲接刀具之設計 21
2-4-1 銲接刀具之材質選用 21
2-4-2 銲接刀具之幾何形狀設計 23
2-5 背部墊板之裝置 24
2-6 實驗方法 25
2-6-1 實驗參數規劃 25
2-6-2 試片前處理 26
2-6-3 實驗步驟 28
2-7 金相觀察試片之取樣 30
2-8 衝擊試驗之過程 31
2-9 拉伸實驗試片之準備 32
2-10 研究流程 33
第三章 實驗結果與討論 34
3-1 純肩摩擦攪拌銲接熱機影響區 34
3-2 先導實驗 36
3-2-1 鋁合金與純銅之接合 36
3-2-2 下試片加工溝槽 37
3-2-3 下試片壓花 40
3-2-4 鋁合金與純銅接合強度不良的原因 41
3-2-5 鋁合金與黃銅的接合 50
3-2-6 其他材料之接合 54
3-2-7 白銅與不?袗?之接合 55
3-2-8 銲接界面氧化物的生成 57
3-2-9 目標金屬白銅與低碳鋼之接合配置 60
3-3 銲接界面之鍍鎳層效應 62
3-3-1 接合面清淨度的重要性 62
3-3-2 鍍鎳在白銅對低碳鋼接合之影響 65
3-3-3 不同白銅厚度下之衝擊試驗 68
3-4 銲接界面之壓花紋路效應 70
3-4-1 壓花紋路深度與間隔之影響 70
3-4-2 壓花紋路在白銅對低碳鋼接合之影響 74
3-4-3 同時壓花並鍍鎳對銲接界面的影響 75
3-5 4mm白銅對低碳鋼之接合 77
3-5-1 以厚板進行拉伸實驗的理由 77
3-5-2 拉伸試驗試片的強度比較 79
3-5-3 銲接界面的觀察 84
3-5-4 結論 88
第四章 結論與未完成之工作 89
4-1 結論 89
4-2 未完成之工作 91
參考文獻 92
圖 目 錄
圖1-1 摩擦接合法之操作示意圖 3
圖1-2 摩擦攪拌銲接對接之銲道組織示意圖 5
圖1-3 Burkes等人所使用的工具之一種 7
圖1-4 Kacer等人爆炸接合配置示意圖 8
圖1-5 Raghukandan等人爆炸接合配置示意圖 8
圖1-6 Kacer等人爆炸銲接之接合剖面 8
圖1-7 Raghukandan等人爆炸銲接之接合剖面 8
圖1-8 不同含鎂量鋁合金爆炸銲接界面 9
圖1-9 上方基材填入凹槽的剖面放大圖 10
圖1-10 不同爆炸比銲接界面的形態 11
圖1-11 三點彎曲試驗後的試片形態 11
圖1-12 鋁合金與鍍鋅鋼板之FSLW結合機制 13
圖1-13 圖1-12(C)中央C之放大圖 13
圖1-13 鋁-IF steel銲接界面外側的氧化物堆積 14
圖2-1 (a) 量測進給力(X)、夾緊力(Y)、軸向力(Z)等三分力之動力計;(b)安裝於立式銑床床台上之三分力之動力計量測設備之照片 17
圖2-2 力量量測系統配線示意圖 18
圖2-3 幾種工具材料在高溫下的硬度比較 22
圖2-4 銲接工具幾何尺寸 23
圖2-5 上下基材兩邊銲接界面示意圖 27
圖2-6 接合配置示意圖 29
圖2-7 銲道金相觀察取樣範圍示意圖 30
圖2-8 衝擊試驗配置示意圖 31
圖2-9 拉伸試驗試片示意圖 32
圖2-10 拉伸試驗試片幾何尺寸 32
圖2-11 拉伸試驗試片夾持示意圖 33
圖2-12 研究流程圖 33
圖3-1 摩擦攪拌銲接(純肩攪拌頭)不同銲接條件下熱機影響區的範圍 35
圖3-2 純銅-鋁合金摩擦接合撕開面 36
圖3-3 剖溝銅基材銲接界面撕開後之銲接界面狀況 38
圖3-4 剖溝銅基材變形示意圖 39
圖3-5 壓花紋路的轉印 40
圖3-6 純鋁對氫氣之溶解度 42
圖3-7 具有傾角之刀具投影面積示意圖 44
圖3-8 AA6061-T6 在不同溫度下之降伏強度圖 47
圖3-9 鋁-銅 合金相圖 48
圖3-10 銅-鋁 合金相圖 49
圖3-11 鋁-鋅 合金相圖 50
圖3-12 黃銅-鋁合金摩擦接合試片 51
圖3-13 黃銅-鋁合金摩擦接合撕開面 51
圖3-14 純銅(圖左)與黃銅(圖右)銲接界面之比較 52
圖3-15 純銅(A)與黃銅(C)銲接界面粗糙度之比較;(B)為(A)與(C)兩者之重疊 52
圖3-16 鍍層對銲接界面氧化物的影響 59
圖3-17 鍍鎳層影響實驗之試片取樣示意圖 63
圖3-18 低碳鋼原始面經超音波洗淨之銲接結果 64
圖3-19 清潔方式不同對銲接界面的影響 64
圖3-20 衝擊試驗(擺鎚自白銅側進行衝擊)試片 65
圖3-21 衝擊試驗(擺鎚自低碳鋼側進行衝擊)試片 66
圖3-22 衝擊試驗試片的剖面位置示意圖 67
圖3-23 衝擊試驗試片的剖面放大圖 67
圖3-24 不同白銅厚度衝擊試驗之比較 69
圖3-25 壓花紋路之理想模型 71
圖3-26 下方缺料示意圖(以圖3-25前視圖表示) 71
圖3-27 壓花試片表面型態 73
圖3-28 壓花試片表面紋路之放大(量測範圍5 mm,圖中格子間距為0.1 mm) 73
圖3-29 壓花紋路對衝擊試驗的影響 74
圖3-30 圖3-29中B部份的放大圖 74
圖3-31 壓花後鍍鎳試片表面型態 75
圖3-32 壓花後鍍鎳試片表面紋路之放大(量測範圍5 mm,圖中格子間距為0.1 mm) 75
圖3-33 1 mm白銅對壓花後鍍鎳低碳鋼試片接合結果之剖面與A部份之局部放大圖 76
圖3-34 圖3-33中B部份之放大圖 76
圖3-35 接合強度量測範圍示意圖 78
圖3-36 拉伸試驗試片完成圖 79
圖3-37 有壓花無鍍鎳試片銲接界面氧化之情形 80
圖3-38 拉伸試驗結果之比較 81
圖3-39 有壓花有鍍鎳試片之接合剖面 83
圖3-40 壓花紋路填不滿時之接合強度分佈示意圖 83
圖3-41 無壓花有鍍層試片拉伸破壞面與其表面粗度 84
圖3-42 無壓花無鍍層試片拉伸破壞面與其表面粗度 85
圖3-43 有壓花有鍍層試片拉伸破壞面與其表面粗度 86
圖3-44 有壓花無鍍層試片拉伸破壞面與其表面粗度 87
表 目 錄
表2-1 銅鎳合金UNS C71300之主要成份(wt%) 19
表2-2 低碳鋼S20C(AISI 1020)主要成份(wt%) 20
表2-3 SKH51高速鋼之主要成份(wt%) 22
表2-4 實驗參數規劃 25
表3-1 基材與鍍層材料的抗拉強度 58
表3-2 拉伸試驗結果之數據 81
參考文獻 References
參考文獻
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