TW201733724A - 用於電弧植釘銲接之二氧化鈦基質的引弧劑 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於電弧植釘銲接之二氧化鈦基質的引弧劑，包含以重量百分比計為30~55%之二氧化鈦、30~55%之氧化鎳、10~35%之三氟化鋁及5~25%之二氟化鎳。藉此，不必預先於緊固件外加引弧結，即能夠直接完成緊密接合。

Description

用於電弧植釘銲接之二氧化鈦基質的引弧劑

本發明係關於一種引弧劑，尤其是一種用於電弧植釘銲接之引弧劑。

電弧植釘銲接(arc stud welding)係將一緊固件(fastener)之銲接部接觸於一金屬工件之銲接區，待導通電流後，先將該緊固件提升離開該金屬工件，以使該緊固件與該金屬工件之間引發生成電弧(electric arc)，進而同時熔融該緊固件之銲接部及該金屬工件之銲接區，最後再施加一壓力至該緊固件，以使該緊固件之銲接部壓入至該金屬工件之銲接區。舉例而言，該緊固件通常為螺釘或螺柱，該金屬工件則為金屬板或金屬管。

於實務上，通常使用一電弧植釘銲接系統設備輔助接合程序，該電弧植釘銲接系統設備藉由一銲槍固持該緊固件，當啟動該電弧植釘銲接系統設備之開關後，即導通電流，且該銲槍中之推拉機構將緊固件提升離開金屬工件時，將引發生成電弧，進而同時熔融該緊固件之銲接部及該金屬工件之銲接區。當該推拉機構按預定時間釋放一作用力時，該推拉機構將迫使該緊固件壓入至該金屬工件之熔池，最後斷電冷卻後即形成接頭。上述植釘銲接係為一種高效率之緊固件接合方法，現已廣泛應用於船舶遊艇、土木營建、建築橋樑、機械設備、化工設備及電力設備等。

惟，針對直徑較大之緊固件，常須先於其銲接部之中心開設一小孔，並於該小孔鑲嵌一引弧結(ignition tip)，方能容易引發生成電弧而完成接合程序。若未外加引弧結，則難以引發生成電弧，該緊固件及該金屬工件皆不易熔融，而無法緊密接合該緊固件及該金屬工件。惟，上述外加引弧結之工序繁瑣耗時且製作成本較高，大幅降低銲接效率且提高施銲成本。

為解決上述問題，本發明提供一種用於電弧植釘銲接之二氧化鈦基質的引弧劑(ignition flux)，將該引弧劑塗佈於一金屬工件，無需於一緊固件外加引弧結，即能夠直接完成緊密接合。

本發明之用於電弧植釘銲接之二氧化鈦基質的引弧劑，包含以重量百分比計為30~55%之二氧化鈦、30~55%之氧化鎳、10~35%之三氟化鋁及5~25%之二氟化鎳。藉此，能夠容易引發生成電弧，無須外加引弧結於該緊固件，即能夠直接完成緊密接合，達成簡化電弧植釘施銲程序及提高接頭強度之功效。

1‧‧‧引弧劑

2‧‧‧金屬工件

3‧‧‧緊固件

第1圖：本發明引弧劑之使用示意圖。

第2圖：第A1組(同第B1組)之銲件剖面圖。

第3圖：第A2組之銲件剖面圖。

第4圖：第A3組之銲件剖面圖。

第5圖：第A4組之銲件剖面圖。

第6圖：第B2組之銲件剖面圖。

第7圖：第B3組之銲件剖面圖。

第8圖：第B4組之銲件剖面圖。

第9圖：第C1組之銲件剖面圖。

第10圖：第C2組之銲件剖面圖。

第11圖：第C3組之銲件剖面圖。

第12圖：第D1組之銲件剖面圖。

第13圖：第D2組之銲件剖面圖。

第14圖：第D3組之銲件剖面圖。

第15圖：第D4組之銲件剖面圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明提供一種用於電弧植釘銲接之引弧劑，其包含以重量百分比計30%以上之一活性成分；本發明另提供一種利用該引弧劑之電弧植釘銲接方法，包含提供一緊固件及一金屬工件，將上述用於電弧植釘銲接之引弧劑塗佈於該金屬工件之銲接區，並施加一電流，以於該緊固件與該金屬工件之間引發生成電弧，直至該緊固件之銲接部及該金屬工件之銲接區皆呈熔融狀態，續施加一壓力使該緊固件之銲接部壓入至該金屬工件之銲接區。

詳言之，該引弧劑之活性成分係選自由二氧化矽(SiO₂)及二氧化鈦(TiO₂)所組成之群組。舉例而言，係能夠使用100%二氧化矽或100%二氧化鈦作為該引弧劑；或者，能夠以任何比例混合二氧化矽及二氧化鈦，以共同使用。由於二氧化矽及二氧化鈦具有低鍵解離能之特性，故於一電流之作用下，能夠迅速解離而引發生成電弧。同時，二氧化矽及二氧化鈦具有提高熔透深度之特性，進而能夠提升銲接強度。

此外，該引弧劑另能夠包含一二元化合物(binary compound)，所述二元化合物係指由兩種不同原子所組成之化合物，例如 氧化鎳或三氟化鋁等。其中，該二元化合物之鍵解離能必須低於該活性成分之鍵解離能，故於通電時，該二元化合物會先解離，續帶動該活性成分解離，除了能夠容易引發生成電弧外，亦可提高該電弧溫度，再藉由該活性成分之作用，大幅提高熔透深度。更詳言之，該二元化合物可以為氧化鎳、三氟化鋁、二氟化鎳、氧化錳、三氧化二鉻、氧化鋅、氧化鈷、氧化鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、一氧化二銅或其組合，本發明不加以限制。

於本實施例中，係選用以重量百分比計為30~55%之二氧化矽、30~55%之氧化鎳、10~35%之三氟化鋁及5~25%之二氟化鎳作為該引弧劑，或選用以重量百分比計為30~55%之二氧化鈦、30~55%之氧化鎳、10~35%之三氟化鋁及5~25%之二氟化鎳作為該引弧劑。藉由上述組成及配比，能夠容易引發生成電弧，並提高該電弧溫度，進而大幅度提高熔透深度。該引弧劑可以為顆粒或粉末狀，較佳可以為均勻細粉，以容易引發生成高溫電弧。

本發明之電弧植釘銲接方法，係使用上述之引弧劑，以將該緊固件接合於該金屬工件。其中，該緊固件可以為金屬材質之螺釘、螺柱或適用於銲接之螺帽等；該金屬工件通常為金屬板件，或可以為金屬管等，在此不加以限制。於施銲前，可以視情況預先清潔該緊固件及該金屬工件，例如以易揮發溶劑清除表面污物或油脂，或者藉由噴砂、拋光等方法去除表面銹斑。

接著，如第1圖所示，係將該引弧劑1塗佈於該金屬工件2之銲接區。再者，塗佈該引弧劑1之面積較佳係略大於該緊固件3之尺寸。其中，當該緊固件3為一螺釘或螺柱時，其銲接部通常為該螺釘或螺柱之一錐面，當該緊固件3為一螺帽時，可以為該螺帽之一底面等；而該金屬工件2之銲接區則通常為一平坦之表面或一弧形之曲面。該引弧劑1可以先與一溶劑混合形成泥漿狀，再以一毛刷塗刷於該金屬工件2之銲接區。 該引弧劑1亦能夠直接以粉末型態，灑佈於該金屬工件之銲接區2。

於塗佈該引弧劑之後，再將該緊固件之銲接部接觸於該金屬工件之銲接區，並施加一電流至該緊固件，使該電流經該緊固件且導通至該金屬工件。於施銲時，係能夠將該金屬工件置於地面或固定於一支架上，並以一銲槍固持該緊固件，同時藉由該銲槍導通一電流於該緊固件。於導通該電流之狀態下，使該緊固件離開該金屬工件，例如藉由移動或抬升該銲槍以調整該緊固件及該金屬工件之距離。於此同時，該緊固件之銲接部與該金屬工件之銲接區之間將引發生成電弧，藉由高溫電弧之作用下，使該緊固件之銲接部熔融形成一銲池，並使該金屬工件之銲接區熔融形成另一銲池。對應所選用之引弧劑成分及該緊固件之直徑，可以調整銲接電流、銲接時間及抬升距離等參數，以改變該緊固件及該金屬工件之熔融程度，適應不同應用需求。

當該緊固件之銲接部及該金屬工件之銲接區皆呈熔融狀態時，將該二銲池互相接觸，並施加一壓力以壓合該緊固件及該金屬工件，使該二銲池互相熔合，進而於該二銲池冷卻後，使該緊固件之銲接部接合於該金屬工件之銲接區。舉例而言，係藉由該銲槍使該緊固件移動至接觸於該金屬工件，並藉由該銲槍施加一壓力，緊密接合該緊固件及該金屬工件。

於上述銲接過程中，另能夠於塗佈該引弧劑後，先將該金屬工件及該緊固件置入於一惰性氣體環境中，再於該惰性氣體之保護下進行後續步驟，以避免該緊固件及該金屬工件於銲接過程中產生高溫氧化現象。或者，係能夠於塗佈該引弧劑後，以一陶瓷環包覆該緊固件之銲接部及該金屬工件之銲接區，再於該陶瓷環之保護下進行後續步驟，以避免該緊固件及該金屬工件於銲接過程中產生高溫氧化現象。

藉由該引弧劑之使用，而無須對該緊固件進行引弧結之加工 製作，即能夠直接完成緊密接合，能夠提升銲接效率及降低施銲成本。再者，於該電弧植釘銲接方法中，藉由該引弧劑之使用，能夠容易引發生成電弧，並提高該電弧溫度，進而大幅提高熔透深度。

為證實本發明之引弧劑確實能夠提高熔透深度，遂進行下述實驗：

(A)選用二氧化矽作為該活性成分

本實驗係以二氧化矽作為該活性成分，分別以如下第1表所示之配比，配製第A2~A4組之引弧劑，分別以本發明之方法進行電弧植釘銲接測試，第A1組則不使用引弧劑。本實驗中係以M6植釘作為該緊固件，並以厚度為2mm之不銹鋼板作為該金屬工件，以電弧植釘機進行銲接。銲接條件為銲接電流300A，銲接時間0.4秒，抬升距離2mm。銲接完成後分別切取第A1~A4組之銲接試件，以金相顯微鏡拍攝銲道形態，如第2~5圖所示。

由第2~5圖可見，未使用引弧劑之第A1組(第2圖)，其熔透深度較低，將導致接頭強度不足；使用100%二氧化矽作為引弧劑之第A2組(第3圖)，則熔透深度明顯提升，已能夠實際運用於植釘銲接中；以35%二氧化矽搭配其餘二元化合物之第A3組(第4圖)，則能夠更進一步提高熔透深度，進而大幅提高接頭強度；而使用低於30%二氧化矽之第 A4組(第5圖)，相較於未使用引弧劑之第A1組，其熔透深度則並未顯著提升。

(B)選用二氧化鈦作為該活性成分

類似上述(A)實驗之內容，本實驗改以二氧化鈦做為該活性成分，分別以如下第2表所示之配比，配製第B2~B4組之引弧劑，分別以本發明之方法進行電弧植釘銲接測試，第B1組則不使用引弧劑。銲接條件皆與上述(A)實驗相同，並於銲接完成後分別切取第B1~B4組之銲接試件，以金相顯微鏡拍攝銲道形態，如第2及6~8圖所示。

類似地，由第2及6~8圖可見，未使用引弧劑之第B1組(與第A1組相同，第2圖)，其熔透深度較低，將導致接頭強度不足；使用100%二氧化鈦作為引弧劑之第B2組(第6圖)，則熔透深度明顯提升，已能夠實際運用於植釘銲接中；以35%二氧化鈦搭配其餘二元化合物之第B3組(第7圖)，則能夠更進一步提高熔透深度，進而大幅提高接頭強度；而使用低於30%二氧化鈦之第B4組(第8圖)，相較於未使用引弧劑之第B1組，其熔透深度則並未顯著提升。

(C)電流強度之影響

以未使用引弧劑之第C1組作為對照組，另取用上述第A3組之引弧劑作為本實驗之第C2組，上述第B3組之引弧劑作為本實驗之第 C3組，分別以本發明之方法進行電弧植釘銲接測試。本實驗將銲接電流調整為400A，其餘條件皆與上述(A)實驗相同。銲接完成後分別切取第C1~C3組之銲接試件，以金相顯微鏡拍攝銲道形態，如第9~11圖所示。

就未使用引弧劑之組別，對照使用銲接電流為300A之組別(第A1組，第2圖)及使用銲接電流為400A之組別(第C1組，第9圖)可見，當銲接電流增大時，其熔透深度僅些微提升，仍無法符合銲接標準。對於使用引弧劑之組別，對照使用銲接電流為300A之組別(第A3及B3組，第4及7圖)及使用銲接電流為400A之組別(第C2及C3組，第10及11圖)可見，藉由調整電流強度能夠改變熔透深度，以符合應用所需。

(D)緊固件尺寸及電流強度之影響

於本實驗中，以未使用引弧劑之第D1及D3組作為對照組，並取上述第A3組之引弧劑作為第D2及D4組。本實驗選用M4植釘作為該緊固件，並將第D1、D2組之銲接電流設定為250A，第D3、D4組之銲接電流設定為300A，其餘條件皆於上述(A)實驗相同。銲接完成後分別切取第D1~D4組之銲接試件，以金相顯微鏡拍攝銲道形態，如第12~15圖所示。

由實驗結果可知，於250A之銲接電流下，未使用引弧劑之組別(第D1組，第12圖)之熔透深度較低，將導致接頭強度不足；而使用引弧劑之組別(第D2組，第13圖)，則具有良好的熔透深度。另對照 於300A之銲接電流下，雖然電流上升能夠使未使用引弧劑之組別(第D3組，第14圖)之熔透深度上升，惟仍未能達到使用引弧劑之組別(第D4組，第15圖)之熔透深度。因此，本發明之引弧劑確實能夠提高熔透深度，同時能夠相對地降低所需之電流強度。

綜上所述，本發明之用於電弧植釘銲接之引弧劑，藉由包含以重量百分比計為至少30%之該活性成分，並且使用二氧化矽、二氧化鈦或其組合作為該活性成分，而能夠容易引發生成電弧，並提高該電弧溫度，無須外加引弧結於該緊固件，即能夠直接完成緊密接合，達成提升銲接效率及提高熔透深度之功效。

此外，本發明之用於電弧植釘銲接之引弧劑，藉由另包含該二元化合物，且該二元化合物之鍵解離能低於該活性成分之鍵解離能，能夠容易引發生成電弧，更進一步達成提升銲接效率之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (1)

1. 一種用於電弧植釘銲接之二氧化鈦基質的引弧劑，包含以重量百分比計為30~55%之二氧化鈦、30~55%之氧化鎳、10~35%之三氟化鋁及5~25%之二氟化鎳。