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活性氬弧銲接技術應用於異種鑄鋼產品開發
分類:國科會工程處產學計畫成果專文
發行期別:
發佈日期:2021-06-22
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科技部工程司109年度產學計畫優良成果|機電能源領域

 

活性氬弧銲接技術應用於異種鑄鋼產品開發

計畫基本資料

編號:MOST 108-2622-E-020-001-CC3

執行單位:國立屏東科技大學材料工程研究所

主持人/共同主持人:曾光宏/楊棟賢

參與人員:連中鶴、楊仁發、楊維祥、楓曜齊、林冠頷

合作企業:泰翔精密鑄造股份有限公司

 

曾光宏教授(左三)研發團隊和羅富土總經理(右一)合影

 

位於屏東市的泰翔精密鑄造股份有限公司成立於民國81年,早期以碳鋼與不銹鋼的砂模鑄造為主,近年公司自財團法人與大專校院禮聘專家學者輔導,成功升級轉型,專業從事碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鋁合金及銅合金等脫蠟鑄造。

 

公司承攬了國內某真空設備製造廠的法蘭管座脫蠟鑄造案,需要銲接不銹鋼與碳鋼兩種異種鋼材的結構,技術門檻極高,目前須經過「接頭開槽」、「預製堆銲」、「液滲檢測」、「預熱處理」、「多道銲接」及「銲趾修磨」等步驟,不僅作業程序繁瑣,還大幅提高成本,顯著降低產能,而產品良率僅約65%,壓縮了獲利空間。

 

泰翔公司羅富土總經理於是向銲接專家曾光宏教授求教。曾教授以多年的特殊銲接實務經驗指出,想要獲致優良的異種鋼材銲接品質,需要適當的銲接工序、熱輸入量、填料金屬和保護氣體。羅總亦特別感謝建國科技大學楊棟賢教授協助進行脫蠟鑄造的模流分析。

 

曾光宏教授(左)和羅富土總經理(右)討論精密脫蠟鑄造技術

 

公司已有異種鋼材鑄造所需的人力和技術,但不完全掌握其銲接的學理知識,因此由曾教授輔導,在設計研發階段協助制定銲接工序、調整熱輸入量與選用填料金屬等,並在生產製造階段協助修訂銲接操作工序與控制銲接熱輸入量,以確保異種鋼材的銲接品質。由於公司已具備鋼材氬弧銲接所需的人力,相關的技術移轉及承接工作都順利完成。

 

曾教授針對ASTM A240不銹鋼與ASTM A36碳鋼,採用配方因子設計,並導入田口實驗規劃,將氧化物、碳酸化合物及氟化物等粉末進行交叉混合配比試驗,自主開發異種鋼材氬弧銲接助銲劑。他除了探討活性氬弧銲接提高異種鋼材銲道深寬比的作用機制外,也分析了活性氬弧銲接對異種鋼材銲道表面外觀、銲道幾何形態及銲件冶金性質等影響。研究結果顯示,這種助銲劑應用於ASTM A240不銹鋼與ASTM A36碳鋼氬弧銲接,可得到良好的銲道表面外觀,並獲致銲道全熔透的效果。曾教授委由第三方公正單位(具全國認證基金會TAF授證的環球檢驗科技股份有限公司)進行拉伸與彎曲試驗,確認銲接品質完全符合國際規範(ASME Section IX)的要求。

 

曾光宏教授(左)和羅富土總經理(右)討論法蘭管座銲接技術

 

曾教授指出,國際銲接學研單位如烏克蘭巴頓電銲研究所、美國愛迪生銲接研究院、英國銲接研究所、日本神戶製鋼所、日本大阪大學、中國航空製造技術研究院、中國哈爾濱工業大學及中國蘭州理工大學等均高度重視活性氬弧銲接技術,而其關鍵在於助銲劑的組成配方,這在烏克蘭PEWI、美國EWI、英國TWI等國際研發單位都以智慧財產權保護,甚少在公開出版物上露出。他說:「臺灣是最早成功開發出異種鋼材氬弧銲接助銲劑,國際的銲接學研單位還沒能做出來。」

 

他強調,不同工件材料的銲接作業適用的助銲劑組成配方不盡相同,需綜合考量待銲工件材料的化學性質、物理性質、機械性質及耐腐蝕性等因素。同時,此助銲劑各成份組成應維持特定配比,才能獲致高品質的銲接功效。任一化合物的多寡,都將影響氬弧銲道的表面外觀、幾何形態、顯微組織、機械性質及耐腐蝕性。

 

曾教授表示,經過多年實務應用,這種活性氬弧銲接被證實具有6項工程技術效益,包括:提高銲接接頭熔透深度、降低銲件變形與殘留應力、節省銲前作業時間、節省銲後處理時間、減少多道填料施銲次數、避免銲道形態受母材成份變異的影響。由於異種鋼材能利用各組成鋼材優異的性能,降低生產製造成本,提高工程應用效益,已廣泛應用於石油化學、航太航海、交通運輸、核能發電及電廠鍋爐等工業領域。

 

美國、英國、德國、烏克蘭及俄羅斯等先進工業國將活性氬弧銲接技術實務應用於機械、石化、航太、造船、軍事及交通運輸等工業領域,而日本、中國及印度正投入其基礎與應用的研究。曾教授期待臺灣能迎頭趕上,盡早讓這項先進銲接技術實際應用於工業生產,他說:「異種鋼材氬弧銲接助銲劑能縮短施銲時間、降低銲接成本及提高生產效率,市場規模可觀。」

 

法蘭管座精密脫蠟鑄件產品

 

在產學合作培育人才方面,曾教授讓學校與企業合作實習。他說:「從工作中學習最有效,把實習融入技術中,學生才有機會應用知識,強化和深化所學,縮短學用之間的落差。」

 

曾教授帶學生在寒暑假到公司實習,並以此計畫為碩士生論文主題,部分作為大專生實務專題。他說:「學生真槍實彈的學習,提升知能水準與職場能力,表現良好可加入公司;公司培養吸納優質新血,也解決人才斷層與學非所用的問題。」

 

曾教授說自己經由計畫更深入了解產業現況,提升實務教學能力。他把研發成果反饋在教學,並將學術知識應用於產業實務,達成「縮短學用落差、強化職場連結」的技職教育目標。