搅拌摩擦焊接技术介绍
近年來隨著追求低成本、低碳排放量、低耗能的環保慨念崛起後，市面上的工業產業，如航太、造船及汽車等零組件，漸漸轉而使用輕金屬取代原本的鋼鐵材料，以建構性能更佳，但重量更輕之高性能產品。而此合金之銲接能力也相對重要，以往之銲接技術應用範圍不大，或有許多限制，而慢慢衍生出一種新興銲接技術，即摩擦攪拌銲接(Friction Stir Welding, FSW)。其簡單且容易應用的概念，甚至是異種材料也可接合，像是鋁合金、鋼、鈦、銅及鎂合金等低熔點金屬。此固態接合接點品質良好，以低變形與低的冶金不融合性，並且較傳統氣體保護電弧銲接製程的接點更強，亦可修補已存在的銲道等優點，提供工業界及製造業廣大的應用範圍。雖然此技術發展至今僅十餘年，但在各方的實驗與研究上，已證實此一固相銲接技術具有卓越的優越性，且慢慢已有應用於工業界上。FSW提供低成本、低能量的材料接合方法，以及一個多樣的新設計與銲接生產機會，對重量減輕有興趣的工業如航空、汽車以及造船工業有很大的吸引力，像是船舶工業的甲板、船身、潛艇等；航空工業的機翼、機身、太空梭等；汽機車工業的輪胎鋼圈、車身等[1]，皆為FSW的成品。本計畫針對運用在航太上高性能之鈦合金，作為摩擦攪拌銲接之研究。
摩擦攪拌銲接於1991年，由英國鍛造協會(The Welding Institute, TWI)發表，為一種新穎且極具潛能的固態銲接製程。不僅改善了傳統手工電弧銲的缺點，更突破了傳統手工電弧銲所遭遇的瓶頸，是一種低變形、高品質、低成本的金屬材料接合方法[2]。其摩擦攪拌銲接是採用旋轉的硬質攪拌頭侵入工件之預接合面，施以強烈攪動，並沿著接合線移動。在摩擦攪拌銲中，其攪拌頭如同端銑刀切削刀刃的部分稱之攪拌頭銷部(Probe or Pin)，而緊貼在工件上表面直徑較大部分稱之攪拌頭肩部(Shoulder)，當摩擦攪拌銲進行時，攪拌頭銷部會侵入工件中施以強烈攪動，同時利用接觸面摩擦產生的高溫，迫使圓棒進入工件上，直到肩部接觸到工件表面，經由工具頭旋轉摩擦提高溫度至工件塑性狀態。隨著工具頭的旋轉與移動，將塑性變形區兩邊的材料攪拌在一起。而熱源就是來自工具頭肩部及工件表面的摩擦[3]。整個銲接過程銲道的溫度始終未超過母材的熔點，就鋁合金而言，銲道溫度大約為0.6~0.8Tm(熔點溫度(°K))或是420°C[4]，單純發生組織變化(或相變化)。如圖（1）所示為攪拌摩擦銲接之示意圖。
圖（1）攪拌摩擦銲接的示意圖[3]。
在摩擦攪拌銲接的過程中，銲道經歷了大量攪拌的塑性變形與摩擦熱能的影響，而這些應變能與熱能便做為材料產生動態再結晶的驅動力，進而產生等軸且細小的晶粒，根據Hall-Petch理論，晶粒細化會明顯提升其組織的機械性質，此為摩擦攪拌銲接所帶來的最大優點之一[N. Saito and I. Shigematsu, “Grain refinement of 1050 alumiunum alloy by friction stir processing”, J. Mater. Sci. Letters. 20, 2001, p.1913-1915.]。以往傳統熔融銲接方法比較，摩擦攪拌銲接為固態過程、低變形量、無熔化現象、高銲道高度、產生較少缺陷、銲後母材和銲道間的硬度變化較小、不需昂貴設備、容易操作、銲接過程不需額外使用氣體、銲接後材料成份不會改變，甚至是傳統技術不能銲接的合金也可以FSW施行等特點[Y. Li, L.E. Murr and J.C. McClure, “Flow visualization and residual microstructures associated with the friction-stir welding of 2024 aluminum to 6061 aluminum”, Mater. Sci. Eng. A 271, 1999, p.213-223.、G. Oertelt, S.S. Babu, S.A. David and E.A. Kenik, “Effect of thermal cycling on Friction Stir Welds” Welding J., March, 2001, p.71~79.]，因此大大提昇了整體的性質。FSW沒有銲道填充問題及缺點，銲接時不需填充，低氫含量，是一個很重要的考量，因為在銲鋼或其他合金時，材料容易被氫損害影響。而且FSW可以做很多種形狀，像是對接（butt）、搭接（lap）、T型及角落（corner）等銲道，如圖（2）所示[T. Khaled, “An Outsider Looks at Friction Stir Welding”, ANM-112N-05-06, July 2005.]。
圖（2）FSW的各種銲接形式[]。
根據Lathabai等人[]對擠製型Al-Mg-Si合金作摩擦攪拌點銲塔接的研究，影響FSW的主要參數為轉速(Rotatuon speed)、攪拌頭下降速率(Plunge rate)、攪拌頭進入的深度(Probe insertion depth)及攪拌頭停止下降在原處繼續攪拌所停留的時間(Dwell time)，若攪拌頭定點保持時間、下降速率即進入深度都維持固定時，拉深剪力破壞荷重(Tensile Shear Failure Load, TSFL)將會隨著轉速的增加而變大，而若攪拌頭在原處停留四秒，則會大大地降低轉速的影響，即TSFL的差異並不大，實驗結果如圖（3）所示。其研究也證實了攪拌頭下降速率的快慢對TSFL的影響與轉速相比相對較小，相關實驗結果如圖（4）所示。S. Lathabai, M. J. Painter, G.M.D Cantin, V. K. Tyagi, "Friction spot joining of an extruded Al-Mg-Si alloy", Scripta Materialia, Vol. 55, pp. 899-902 (2006).
圖（3）Al-Mg-Si合金FSW之攪拌頭轉速與定點保持時間對TSFL之影響[]。
圖（4）Al-Mg-Si合金FSW在兩種不同轉速與攪拌頭下降速率對TSFL之影響[]。
目前有一些關於摩擦攪拌銲接數值模擬的文獻已被發表。其中Song等人[17]使用有限元素法(finite element method, FEM)模擬熱傳效應，如圖（3）顯示，攪拌摩擦銲之熱傳遞過程中可以準確地模擬出，準確判斷銲道附近的溫度分佈，其溫度來源為工具頭肩部，而銲接溫度隨著較低的銲接進給速度而增高。另外還提到將鋁材預熱可使銲接變容易，而工具頭也較不易磨耗。Edwards等人[]研究，以ANSYS有限元素軟體分析模型，模擬攪拌摩擦銲後材料之拉伸行為，如圖（5）由模擬產生的應力應變曲線與實驗模型相比數據幾乎一致。
研究顯示銲道易受以下控制參數之影響[G. Liu, L.E. Murr, C.S. Niou, J.C. McClure and E.R. Vega, “Microstructural aspects of the friction-stir welding of 6061-T6 aluminum”, Scripta Mater. 37, 1997, p.355-361.、W.B. Lee, Y.M. Yeon and S.B. Jung, “The improvement of mechanical properties of friction-stir welded A356 Al alloy”, Mater. Sci. Eng.A355, 2003, p.154-159.]：（1）攪拌頭的幾何參數：像是銷部的高度、形狀以及工具頭的肩部表面面積，都會影響材料流動，還有因摩擦而產生的熱能；（2）施於攪拌頭上的力：因為攪拌頭肩部的壓力以及凸銷的部分，會決定受熱的多寡；（3）攪拌頭轉速及進給速度：當轉速越高，摩擦越激烈，在銲接時的熱輸入量越高，使得銲接溫度高，晶粒成長的驅動力越大，所得晶粒越大。而銲接進給速度越低，停留在高溫下時間較長，表示在相同的時間內對銲道的熱輸入量越高，亦會使得溫度上升、冷卻溫度下降，晶粒成長上升。較快的銲接速度下，銲材停留在高溫的時間較短，可供進行回覆過程較短，使得銲材在微觀構造上具有較高的差排密度。因此，選擇適當的旋轉速度及進給速度才能獲得最佳化的焊道；（4）攪拌頭的傾斜角度：根據Thomas等人[]的研究，攪拌頭軸心與垂直軸間傾斜角設定在1°至3°之間時，再銲接期間可對材料施力，配合軸間的摩擦，可增進攪拌、擠壓的功用，同時可幫助材料之塑性流動，便可得到較佳的銲接品質。
影響FSW銲道之機械性質，除了本身的母材性質以外，均取決於FSW製程參數的設定，包括攪拌頭的尺寸形狀、下壓力、轉速和銲接速率等，透過這些參數的研究可以求得最佳銲接參數之配合，而獲得較佳性能的FSW銲道。本計畫針對以上種種影響作為數值模擬之條件，以分析摩擦攪拌銲接技術對工件之熱影響範圍區域的溫度變化。對於經過摩擦攪拌銲接後常因為微觀組織的改變而引起機械性質的變化，而通常用拉伸性質去評估銲後材料之機械性質，利用數值模擬探討應力與應變之關係，亦是本計劃之重點之一。目前國內未針對鈦合金於FSW技術作深入探討，本研究以鈦合金為母材，利用有限元素法(finite element method, FEM)之套裝軟體ANSYS作為本模擬分析，以模擬摩擦攪拌銲接過程之溫度變化與銲後材料拉伸性能之變化
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