第1425期- 漫談 鋼材的可銲性及預熱

鋼鐵材料的銲性是指材料是否易於銲接。而是否容易銲接，簡單的說就是容易銲接成功而不至於發生龜裂等問題。但是銲接裂紋發生的原因相當多，主要的因素有：

1. 金屬合金元素組成：以碳當量或冷裂敏感指數來表示。

2. 銲道的成分和冷卻的速度：其中包含銲條的成分、銲接入熱量、周遭溫度、金相、鋼板厚度、熱影響區的大小和硬度、銲道氫含量等因素。

3. 銲道所受的拘束力。

為了方便，目前AWS [2]或國內鋼結構施工規範[1]，均簡單以預熱的規定，來作為防止龜裂的主要手段。例如表1的預熱規定方式，首先依照鋼材的成分，分成幾種組別，然後依照其銲接方式及是否使用低氫銲條、依照鋼板厚度規定其最小預熱及道間溫度。AWS D1.1則對於潛弧銲接，另外規定：在工程師同意下，可以硬度試驗來決定預熱溫度的方式。

從表中也可看出目前規範僅單純以預熱溫度，來解決銲接龜裂的問題，但仍有許多變數，在目前的規範尚未能列入考慮的範圍。且預熱作為防止龜裂的方式，對於採淬火回火(Q & T)熱處理製程的高強度鋼鈑，並不見得適合。

另外，對於避免銲道龜裂的預熱方式，AWS D1.1[2]在附錄B中，提供了較為精確的替代方法。方法分兩種：一為熱影響區(HAZ)的硬度控制；二為氫含量控制的方法。熱影響區的硬度控制法，僅針對填角銲；氫含量控制的方法，則可以決定開槽銲接的預熱溫度。

其方法簡介如下：首先針對鋼材的碳含量及碳當量分成I、II、III區，如圖1。縱坐標為碳含量的重量百分比；橫坐標為碳當量。所謂碳當量，指鐵金屬中添加了各種不同的成分，以適應不同的需求，但為了方便比較評估鋼材之品質，對於多種不同之元素，需有一參考標準以供評核。對於鋼鐵材料而言，由於碳是影響鐵金屬性質最傳統且最重要的元素，於是將對其他元素之影響，以相當於含碳量之權值來表示，稱之為碳當量Ceq[3]。各規範對於不同的需求，都訂有不同的碳當量公式，例如，CNS中對結構鋼材料(如SM、SN等鋼材)之碳當量計算公式，如式1；而AWS D1.1[2]對銲接性之碳當量評估公式，如式2。

C_eq＝C＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14(式1)

C_eq＝C＋(Mn＋Si)/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15(式2)

由式1和式2比較，AWS公式計算出來的碳當量，似乎會比材料之碳當量略高一點點。

如圖1所示，Zone I區碳含量大約在0.1以下，理論上這情況發生龜裂的機會不大，基本以溶解氫含量法來決定預熱的溫度(表2及表3)。Zone II 碳含量為0.1以上，而碳當量約在0.55以下，這也是一般結構用鋼料的區域。在這區域可以用硬度法來決定單道填角銲時不須預熱時的入熱量(最小腳長)。如果入熱量無法確知，則可改以氫含量法。而以氫含量法，可以決定開槽銲接之預熱。 Zone III一般屬於高強度的高合金鋼，以氫含量來決定預熱。但須特別注意入熱量，對熱影響區性質所造成的影響(如淬火回火鋼)。

瞭解了鋼材所屬區域及方式後，針對填角銲採用硬度法時，如圖2所示。以碳當量為縱坐標、降溫速率(℃/s，以溫度540℃時為標準)的對數為橫坐標，採用低氫銲條時其熱影響區的硬度最高為維氏硬度HV 400，非低氫銲條時為HV 350。由碳當量及硬度可得最大降溫速率。

圖3，由不同腹鈑厚度查圖表，可得其最少的入熱量。但請注意AWS針對不同翼鈑厚度，由同鈑厚、6、12、25、50及100mm共六種。圖3僅引用25mm一種，讀者若想全部了解，請查閱AWS D1.1的附錄B[2]。另外，這圖是依據潛弧銲(SAW)所推算得到的，若採用其他銲接方法時，其能量需乘上一修正係數（被覆金屬電弧銲(SMAW)需乘以1.5；氣體被覆金屬電弧銲(GMAW)和包藥銲接(FCAW)為1.25倍）。最後根據所需入熱量及銲接方法，由圖4及圖5決定填角銲之最小腳長。

採用氫含量法時，首先依照表2的敏感度指數Pcm及氫含量，分成A~G共7組。然後根據表3，依據接頭拘束力的大小來決定預熱的溫度。所謂「Pcm」是日本人伊藤以斜Y字形的坡口銲接試驗，針對不同成分的鋼材施作大量的實驗，研究其龜裂的關係後，歸納出所謂冷裂敏感指數的公式如式3。這公式，被許多規範或其他相關應用中被採納，可以作為評估銲接時替代碳當量的另一方法[3]。

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(式3)

氫含量由H1到H3分為3個等級。H1等級，指銲道完成後根據ISO 3690-1976的方法施作溶解氫含量試驗，其在100g銲道內溶解氫含量小於5ml(5 ml/100g)或是根據AWS A5.1的規定，在銲條拆封後預定的使用時間，其銲藥的水分小於0.2%者。但若低氫銲條在拆封後，以370℃~430℃的溫度，烘烤一個小時以上，且兩個小時在使用完畢或是實心銲條(GMAW，無銲藥)且表面須潔淨者，亦可視為符合H1等級。

H2等級，溶解氫含量小於10ml/100g或是根據AWS A5.1的規定，在銲條拆封後預定的使用時間，其銲藥的水分小於0.4%者。低氫銲條必須使用氣密式包裝，或使用前一般強度銲條(符合AWS A5.1)以260℃~430℃的溫度烘烤兩個小時，高強度者(符合AWS A5.5)則為370℃~430℃的溫度烘烤一個小時以上。銲條離開氣密包裝後，必須在4個小時內使用完畢，未使用時須以溫度為120℃的儲存桶存放。潛弧銲SAW與乾燥的銲砂，可視為H2等級。其他未符合H1與H2等級者，皆視為H3等級。

由A~G等7組分類，依據拘束力的大小，即可從表3查表，得到所需預熱及道間溫度。所謂拘束力大小必須由經驗、工程師的判斷或計算得到。首先是低拘束力(Low Restraint)，兩片鈑間有相當的移動的自由度，例如柱子的大梁連接鈑。一般來說，低拘束之拘束力在1,000 N/mm/mm以下。中拘束力(Medium Restraint) 指兩者間的移動受到一些限制，大部分的填角銲或開槽銲，桿件在已經固定後的銲接均屬之。其拘束力基本約在150×鈑厚mm。高拘束力(High Restraint)指完全沒有自由度的特別情形。例如銲道局部鏟修後的銲接，其拘束力基本約在400×鈑厚mm。

舉例來說，採用SN 490B的鋼材，根據CNS 13812的規定，50mm以下鋼板其碳含量在0.18%以下，碳當量40mm以下鋼板為0.44以下，由圖1可知為Zone II的鋼板。

以硬度法確認填角銲之最小腳長時，由圖2，採用低氫銲條硬度可為400 HV，碳當量0.44，因此冷卻速率約為48。在這裡有一個問題，是CNS的碳當量公式與AWS採用的參數略有不同，但實際鋼廠生產的鋼板碳當量，會較低於CNS的規範值，因此方便起見將兩者當作相同。接著由圖3，假設H型鋼翼板厚度25mm、腹板厚度12mm，冷卻速率48時，對應入熱量約為25 KJ/in或1.0 KJ/mm。如果採用手銲(SMAW)時，入熱量須乘以1.5倍，也就是1.5 KJ/mm。根據圖4最小腳長約為7mm。若是採用潛弧銲(SAW)時，假設銲條採用正極(DCEP)，則最小腳長也是7mm，銲條採用負極(DCEN)，則最小腳長約為8mm。

以氫含量法確認遇熱溫度時，根據CNS 13812的規定，SN490B、C的冷裂敏感指數Pcm≦0.29，又根據鋼結構施工規範採用低氫銲條且4個小時內使用完畢，因此認定屬於H2等級。由表2實際的Pcm應小於規定，所以採0.28對應H2的氫含量，所以指數應為D。又由表3，假設在工廠低拘束的情形下，25mm鋼板的槽銲預熱溫度應為80℃。這溫度顯然比表1規範的溫度還高。因此除非指數達到B的程度，例如，Pcm降到0.23以下且氫含量為H1等級，才有辦法達到完全不須預熱的程度。也就是Zone I的鋼材，才比較有可能。但是基本上只要預熱的溫度低於表1的規定的話，AWS都要求要以試驗來證明其可行性。

參考文獻

1.內政部，「鋼構造建築物鋼結構施工規範」，民國96年7月。

2.AWS D1.1「Structure Welding Code－Steel」,2020。

3.劉澤山，「鋼結構施工」，民國107年10月。

表1 預熱及道間溫度（鋼結構施工規範表4.2-2）

表2 AWS有關敏感度指數分類表[2]

表3 預熱溫度與敏感度指數及拘束力的關係[2]

圖1 鋼材分區圖[2]

圖2 硬度與冷卻速率關係[2]

圖3 翼板25mm時SAW單道填腳銲的入熱量與冷卻速率關係[2]

圖4 SMAW之入熱量與腳長關係[2]

圖5 SAW之入熱量與腳長關係[2]

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