鋼結構工程常用銲接方法介紹

一、前言

鋼結構元件或桿件均須依賴銲接才能組立,本文針對常用的銲接方法一一說明,供初學工程師易於了解,不當之處,亦請工程先進不吝指正。

二、常用銲接方法介紹

2.1 遮護金屬電弧銲(SMAW,Shielded Metal Arc Welding)

遮護金屬電弧銲(SMAW)亦稱手銲,是以被覆電銲條為電極,利用銲條與母材接觸後產生的電弧高熱,將母材局部熔融成熔池,並由電銲條以熔滴型態填入母材熔池,達到工件接合的銲接方法。此種電弧銲法的發展最久,使用的電極由早期的碳棒、裸銲條,演化至目前仍普遍採用的被覆電銲條。SMAW的銲條,稱為被覆銲條或稱手銲條。

被覆銲條的中心部即為填料及導電用的金屬芯線,銲接時芯線與母材間產生電弧,電弧所產生的熱將芯線融化後填充到母材的銲縫內。銲接時熔融金屬的遮護,主要來自銲條外層之被覆銲藥,利用被覆銲藥受熱分解後產生保護氣體,有效隔絕來自大氣中的氮、氧及氫,保護銲接熔融金屬,以避免銲接金屬產生瑕疵,並提供銲道所需的部份合金元素。電銲條的銲藥,具有下列幾種功用:(1)穩定電弧;(2)燃燒時產生氣體來保護熔融金屬,以減少熔融金屬被活性氣體污染;(3)形成比重較銲道金屬輕,容易浮出銲道表面的熔渣,熔渣凝固後形成銲渣覆蓋於銲道表面,減緩銲道冷卻速率,可避免銲道脆裂;(4)添加的合金元素可改善銲道機械性質;(5)使銲接可在立銲或仰銲姿勢下操作。

遮護金屬電弧銲所需的設備簡單價廉、機動性高,施銲地點較不受限制且學習容易,尤其適用於普通碳鋼銲件。遮護金屬電弧銲接之所以應用廣泛,與使用的銲機構造簡單有很大關係。遮護金屬電弧銲接,可用直流或是交流電源銲接,相較於其他電弧銲接方法,本銲接方法的交流設備構造最簡單,故國內以採用交流電源銲接居多。日本亦多採用交流電源銲接,而歐、美則多採用直流電源銲接。配合國內採用交流電源的銲機,各銲材廠所提供的銲條,亦多針對交流電源而開發。若將直流專用的銲條使用在交流銲機上,可能會有銲接不順暢的情況。反之,為交流電開發的銲條通常可使用在直流銲機上,但由於交流電之電流,正負相位交換瞬間輸出是零,可能導致電弧中斷,影響銲接作業性。為不因電流瞬間暫停而使電弧中斷,交流設計的銲條,會加入更多的穩弧劑。

2.2 氣體遮護金屬電弧銲(GMAW,Gas Metal Arc Welding)

氣體遮護金屬電弧銲接(GMAW)是使用實心銲線為電極,由送線馬達連續輸送,自銲槍前端的銲嘴送出,並與母材接觸產生電弧,經由電弧高熱熔融母材及銲線達接合目的。本銲接方法是藉由銲槍噴出的外加氣體,來保護填料金屬與銲接區(熔池),有別於 SMAW 利用銲條的被覆劑產生保護氣體,以隔絕大氣中的氮、氧及氫。此種銲接方法,為1940年代針對鋁合金及其他的非鐵金屬的銲接而開發,當時以惰性氣體為主要之保護氣體。但由於當時氣體成本高昂,加上純氬無法使用於鋼鐵之銲接,因此並未用於鋼結構工程。數年後因為 MAG(如後所述)的應用,才使得此銲接方法普遍用於鋼結構的銲接,且為目前使用最多的方法。但因為 GMAW使用時需外加保護氣體,故銲接施作時,容易受到外界空氣流動的影響,因此較不常使用在戶外,即使在廠房內使用,也需要特別注意防風措施。

GMAW 依保護氣體不同,又分為MIG及MAG兩種方法,其中MIG(Metal Inert Gas)保護氣體採惰性氣體,如氬氣或氦氣等。MAG(Metal Active Gas)保護氣體含有一定比例以上的活性氣體。GMAW 在碳鋼的銲接應用上,都是採用MAG銲接, 歐美國家幾乎都採用以較高比例的惰性氣體(氬氣或氦氣),配上比例較低的二氧化碳,所形成之混合氣。但日本則多採用單一CO2氣體,台灣因環境關係及日本的之影響,大多採用 100% CO2。

MAG 採用混合氣體,就較採用CO2而言,銲濺物較少,尤其大電流銲接更明顯。銲接薄板時可採用較低的電壓施銲,合金元素較不易燒損,可獲得良好的銲道品質。MAG銲接採用CO2作為保護氣體的優點,是價格低廉且耐風性略優於混合氣,為目前國內鋼結構工程中主要的銲接方法,惟使用CO2當保護氣體時,銲線中之錳、矽燒損較多。因此同樣的銲線,若分別使用CO2及混合氣當保護氣體,則最終在銲道金屬中所殘留的矽、錳含量,並不相同,因此,設計用於混合氣的銲線與用於CO2銲接的銲線,通常矽、錳成分並不相同。

另影響銲接時氣體遮護之因素,有保護罩型式與保護罩大小、保護罩與母材間的距離,以及作業場所的氣流等。不論是遮護氣體流量不足,導致電弧與熔池遮護不良,或流量太高導致電弧與熔池形成擾流,均會造成銲道群集氣孔(多孔性)、及過度氧化的不良影響。

2.3 包藥銲線電弧銲(FCAW,Flux Cored Arc Welding)

包藥銲線電弧銲(FCAW)的作業模式,類似前述的氣體遮護金屬電弧銲接,均採用連續送線方式,利用電弧高熱將銲線前端熔融形成的熔滴,不斷傳遞至熔池。包藥銲線為管狀,內部填有銲藥,銲藥的作用與遮護金屬電弧銲(SMAW)相似,包藥銲線電弧銲接由於作業過程中,電弧柔順、銲濺物少、熔填速率高且可適合全姿勢銲接,為銲接人員或銲接操作人員普遍接受,目前在國內的使用率,已遠高於 SMAW及GMAW。

對電弧、熔池、熔滴及銲接金屬的保護方式,分別有無氣遮護式(No Gas)或稱自護式(Self Shield),完全由包在銲線內的銲藥,經電弧高熱燃燒分解所產生的氣體來保護。另有氣遮護式(Gas Shield),除銲藥燃燒所產生的遮護功能外,尚需外加遮護氣體以補充銲藥功能的不足。因有銲藥的燃燒作用,銲後的銲道表面,被一銲渣薄層所覆蓋(較SMAW薄)。作業方式基本上,有手動、機械操作及全自動等三種。

有氣遮護式(Gas Shield)之FCAW線材,在銲藥配方設計上可同時適合100% CO2或混合氣,或只適合單一種遮護氣體(純100% CO2或混合氣)。若不使用製造商所建議的適用遮護氣體,銲接金屬的化學成份將受影響。主要原因為惰性氣體類如氬氣(Ar),銲接過程中不會和銲藥中特定添加的其他元素(類如矽及錳等)反應,使這些特定的元素直接透過電弧而過渡到銲接金屬中。因此,若使用需 100% CO2 為遮護氣體的線材,卻改用氬氣成份比例很高的遮護氣體時,線材中大多數的矽及錳,都被過渡至銲接金屬中,造成銲接金屬組織成份改變,導致強度太高而降低延展性及韌性。反之,若適合使用混合氣為遮護氣體的銲線,若改用CO2為保護氣體時,多數為維持強度而添加的合金元素,卻與CO2反應變成銲碴的一部份,而無法過渡至銲接金屬中,可能導致銲接金屬強度不足。影響氣體遮護的因素同GMAW。

銲接設備與GMAW大致相同,但無氣遮護型不需遮護氣體供應設備。電源機與GMAW所用相同,但銲槍熱容量需較高,以忍受較高的電流。另外因銲線較軟,送線滾輪需採用沒有刻齒且為U或V型溝槽。無氣遮護型所用銲槍,因不需氣體噴管,外形較為輕巧,但因銲線伸出長度較長,外圍需覆有一絕緣導管,以保持銲線自銲嘴出來的直線度。作業中的煙塵,需以排煙設備加以排除,目前工業先進國已改用直接裝有吸煙裝置的銲槍,以取代傳統風管式的吸煙塵設備。

2.4 潛弧銲(SAW,Submerged Arc Welding)

潛弧銲接(SAW),顧名思義為銲接過程中看不見電弧的銲接方法,此因銲接過程中的電弧、熔融金屬以及母材熔池等,完全被可燒熔的粒狀銲藥覆蓋所致。進行 SAW 銲接作業時,銲線自供線架(送線機)的滾輪連續推送,經銲炬(銲頭的主要部件)內部導管至銲嘴端部送出,與銲槽母材產生電弧,電弧被施加在銲槽上方的銲藥(由裝盛在系統中的漏斗型容器供應)所覆蓋,銲藥與銲線多為同步供應,銲接過程中同時進行除渣及銲藥回收。

SAW 銲接時,金屬的熔填幾乎完全來自銲線。有些銲藥中會添加鐵粉以提高熔填速率,或添加適量的合金元素,來調節銲接金屬中的化學成份及機械性質。被燒熔後的銲藥因比重較小,會浮在銲接金屬表面,凝固後即為銲碴。在銲碴上方尚未燒熔的銲藥,可回收再使用,但需依規定比例與新銲藥混合後才能使用。

潛弧銲接屬機械銲接,因銲接時銲縫視線受阻,且需特殊治具,可適用的範圍較少。送線方式與GMAW或FCAW相似,由供線架將銲線送經襯管,再從銲槍前端的銲嘴送出與母材間產生電弧。銲藥裝在銲藥儲存容器內,經橡皮導管藉重力作用灑在銲槍前端(稍超前電弧),也有自銲嘴外圍的噴管流出圍結在電弧外圍。銲藥亦可經由壓縮空氣送至銲槍或經由漏斗直接流到銲槍後再送出。

主要部件有供線架、電源機、銲藥供應系統及自走台車等,更完整的設備系統,則會另外添加一組銲藥回收裝置。電源機可為直流或交流型。因需長時間連續供應高銲接電流,電源機必須屬高額定使用率型,且銲接電流若超過單機供應的最高電流值時,可並聯兩至三部電源機使用。

SAW可適用在許多鐵金屬及非鐵金屬,銲線類型有兩種,一種為實心銲線,一般來自煉鋼廠,係將原材料添加適量符合規範要求的合金元素,精煉抽製而成;另一種則為合成型銲線,製造方式與包藥銲線製程類似,由於只需在一般碳鋼經捲製的皮材內,添加需要的合金粉末,當需要添加合金時,成本遠較實心銲線便宜。線徑自 1.6mm~6.4mm 不等,隨適銲工件厚度而異。

SAW使用的銲藥有助於形成熔池、提供合金元素的過渡、緩和冷卻速率以及保護銲接金屬等功能,銲接時覆蓋在電弧的上方,部份受電弧高熱熔融燒解後,形成銲渣覆蓋在銲道表面,未燒解的殘餘銲藥可被回收,與新的銲藥依規定比例混合後再使用。含有合金元素的銲藥(合金型銲藥),可將合金元素過渡至銲接金屬中,中性型銲藥因不含合金元素,作業中沒有合金過渡的效果,銲接金屬的成份,幾乎全為銲線與母材相熔合的組織。

2.5 電熱熔渣銲(ESW,Electroslag Welding)

電熱熔渣銲(ESW)又稱電碴銲,不使用電弧熱源。ESW利用銲線對熔融中的熔碴通電,所產生的電阻熱(焦耳熱)熔融銲線本身及母材,以完成接合作業。銲接過程中,熔池完全由熔渣所覆蓋,同時沿銲槽底端逐漸上升,最後將銲槽填滿。

ESW銲接時,銲線從電極導管出來後,觸擊銲槽底部的引弧板或銅擋板產生電弧。通常為了引弧容易,常於槽底放置一團鋼絲絨或少許碎鋼線(cut wire)。電弧熱先將銲藥熔融產生熔渣池,此為起銲階段。當熔池逐漸堆積至相當厚度後,電弧隨即消失,以後的熱源來自於通電之銲線,經過高電阻的熔渣層所產生的電阻熱,持續熔融銲線及銲槽面的母材。電弧消失後的銲接型態則轉變成電阻熱銲接,ESW 雖然提到電阻熱,但是與一般所說的電阻銲之原理不同,故不歸類於電阻銲。而根據銲接設備的不同,有消耗性導管與非消耗性導管兩種型態。

而依作業環境與條件的不同,可採用水冷銅板或鋼襯板。但使用鋼襯板時,要注意材質的匹配以及稀釋率的影響。

ESW目前已普遍用於箱型柱內橫隔板的銲接,而且多採用非消耗性導管型式,亦即俗稱之
SESNET(simplified electroslag welding process with non-consumable
elevating tip)。

影響母材熔滲的影響最主要因素,有電壓、電流及開槽大小等, 其中影響最大的是電壓。電壓越高熔滲越大,但對於相同電壓來說,電流越高則熔滲越少。

2.6 電弧植釘銲接(SW,Stud Welding)

植釘銲(SW)時,電弧產生於金屬螺栓(釘)或金屬棒(即一般所稱之植釘)與工件母材間,電弧高熱將接合面加熱至足夠銲接的溫度時,施以適當的壓力,使金屬螺栓或金屬棒與母材相接合,一般適用於碳鋼,不銹鋼及鋁金屬等材料。銲接中不需外加填料金屬,且遮護氣體、銲藥或圍繞在金屬螺栓(棒)外圍的陶瓷環,可視需要選擇使用。銲接過程由電源機供應電源,從控制板設定銲接參數,並傳遞至植釘槍,藉機械動作來完成銲接。銲接步驟如下:(1) 將植釘裝在叉柱內,植釘槍基部頂住母材,陶瓷環套在植釘端部周圍以保護電弧。(2) 植釘槍扳動扳機,叉柱內的植釘被上提,銲接電源亦同時輸入使產生電弧。(3) 電弧在到達設定時間後熄滅,植釘亦同時被推向母材,電弧熱使母材及植釘端部熔融的金屬相熔合,凝固後即成銲道。(4) 將植釘槍移開並敲除陶瓷環。

如鋼構大樓、橋梁、建築及廠房,多將植釘用在鋼構體需承受剪應力的連結上。一旦混凝土被澆灌在箱型梁或箱型柱內並將植釘覆蓋,混凝土與箱型梁便結成一體,以加強結構的強度與剛度。

植釘槍可加裝自動裝填設備,一般在植釘前端部需塗覆銲藥以強化除氧及穩定電弧的功能。鋁合金植釘前端部雖不塗佈銲藥,但需使用Ar或He為遮護氣體以保護及穩定電弧。

一般植釘時常需搭配保護環或陶瓷環使用,其主要功能有:(1) 使銲接區的電弧熱集中。(2) 阻止大氣的侵入,以防銲接金屬的氧化。(3) 使熔融金屬框限在有效的銲接區內。(4) 阻止銲接區內非金屬物質的燃燒。(5) 阻擋弧光,避免灼傷作業人員。(6) 陶瓷環為消耗性,只能使用一次,保護環由石墨及絕熱材所組成,為半消耗性,可重複使用。

參考資料

1.內政部〔2007〕。「鋼結構施工規範」。

2.中華民國鋼結構協會。〔2018〕「銲道目視檢測手冊」。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


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