TWI802116B

TWI802116B - 多層道銲接之解析方法及多層道銲接品質的評估方法

Info

Publication number: TWI802116B
Application number: TW110144678A
Authority: TW
Inventors: 汪立德; 施博錕; 曾國興; 許偉倫
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-05-11
Also published as: TW202323805A

Abstract

一種多層道銲接之解析方法包括：提供一銲接程序的多個銲接作業參數及一待銲工件；透過調整該些銲接作業參數，對該待銲工件進行多層道銲接以形成一銲接工件；製備該銲接工件之銲道切片；透過分析該銲道切片以獲得一金相顯微組織影像，其中該金相顯微組織影像包括一銲道組織影像、一接合界面組織影像及一熱影響區組織影像；以及解析該金相顯微組織影像，其中該銲道組織影像包括至少一個第一特徵項目，該接合界面組織影像包括至少一個第二特徵項目，且該熱影響區組織影像包括至少一個第三特徵項目。

Description

多層道銲接之解析方法及多層道銲接品質的評估方法

本發明是有關於一種多層道銲接之解析方法，且特別是有關於一種利用解析金相顯微組織影像而評估多層道銲接品質的方法。

銲接在建築、汽車、航太及機械工業等領域應用非常廣泛，然在銲接施工中有時會因為人員疏忽、技術不熟練或作業程序錯誤等因素，造成銲件品質不良情況，而銲件品質良窳係會嚴重影響到結構體強度與安全性。因此，當銲接完成後，須進一步透過檢測方法，以對銲件之銲道等進行缺陷檢測，以確保銲件品質。

由銲道外觀即可得知銲件的強度，不良的銲道外觀，造成應力集中使銲件強度減弱，而凹陷的銲道形狀會使銲道斷面面積減少，導致銲件損壞，另過於凸起的銲道形狀產生較大的集中應力，減少疲勞壽命等。

台灣專利公告號(TW I574003)公開一種銲道三維影像檢測方法，其實施步驟係包含：A.定點調校：係先於一定點處，由控制單元驅使移動單元，以將一組設於移動單元之影像擷取單元其攝像機調整至拍攝到欲檢測之鋼構件及其銲道之位置處；B.特徵圖案投影：繼由控制單元驅使一圖案投射單元其紅外線光源發出紅外線，以透過其特徵投影部件將特徵圖案投射於該鋼構件及其銲道上；C.移動攝影鏡頭：續由控制單元驅使組設於移動單元上之影像擷取單元行進，並以時間差移動攝像機方式，使攝像機其鏡頭沿著該鋼構件及其銲道擷取連續分段不同角度的多重重疊影像；D.三角測量法演算：將攝像機擷取到之多重重疊影像由控制單元之微處理器以三角測量法演算三維深度，及以不同時間擷取兩相鄰影像，利用圖案投射單元所投射出紅外線特徵圖案之影像計算基線，並進行其距離之計算；E.影像排序及特徵點偵測：再由控制單元之微處理器將該鋼構件及其銲道影像進行影像排序及特徵點對應，找出對應之間的基礎矩陣，以建立圖像之間的匹配關係；F.重建銲道三維點雲模型：控制單元之微處理器於通過圖像之間的特徵匹配或區域相似性匹配，建構該鋼構件及其銲道的三維點雲資料；G.銲道外觀尺寸比對：續控制單元之微處理器利用銲道剖斷面重建該銲道曲面，再由該銲道三維點雲資料進行銲道外觀檢測，並與其內建之美國銲接學會(AWS)規範之銲道形狀進行比對，以檢測出該銲道其銲接品質優劣。

台灣專利公告號(TW M609175)公開一種影像式銲道瑕疵檢測裝置，包含一拍攝單元，及一運算單元。該拍攝單元用以拍攝銲接後的銲道並收集銲道各部位之照片。該運算單元用以將該拍攝單元所拍攝的照片影像進行還原與比對，以判斷銲道中是否出現瑕疵部位。導入人工智慧技術進行銲接檢測製程不僅能夠提升鋼鐵產品的品質，更能減少瑕疵所產生的額外成本，也能讓傳統的重工業往精緻品管與智慧化檢測目標邁進。

然而，上述兩件專利文獻皆只是利用銲接外觀形貌而判斷非厚板的銲接品質。

再者，國內鋼構、石化、船舶及風電等產業均使用厚板銲接技術，厚板銲接品質相當重要，對於產品性能與使用壽命影響巨大，銲接缺陷與銲道品質不佳將導致產品無法預期之損害，產業界對於各種金屬與接頭之厚板如何快速且精準的取得最佳銲接品質一直都存在著製程技術需求。

鋼構朝向大型複雜化發展，使得長距離、厚板、厚管壁、低變形等銲接技術需求受到重視。然而，國內外大型鋼構之厚板的多層道銲接幾乎全數仰賴人工銲接，考量作業環境及位置、安全、疲勞及技能水準等因素，因此生產速度及品質穩定性不佳。

因此，便有需要提供一種多層道銲接品質的評估方法能夠解決前述的問題。

本發明之一目的是提供一種利用解析金相顯微組織影像而評估多層道銲接品質的方法。

依據上述之目的，本發明提供一種多層道銲接之解析方法，包括下列步驟：提供一銲接程序的多個銲接作業參數及一待銲工件；透過調整該些銲接作業參數，對該待銲工件進行多層道銲接以形成銲接工件；製備該銲接工件之銲道切片；透過分析該銲道切片以獲得一金相顯微組織影像，其中該金相顯微組織影像包括一銲道組織影像、一接合界面組織影像及一熱影響區組織影像；以及解析該金相顯微組織影像，其中該銲道組織影像包括至少一個第一特徵項目，該接合界面組織影像包括至少一個第二特徵項目，且該熱影響區組織影像包括至少一個第三特徵項目。

本發明更提供一種多層道銲接品質的評估方法，包括下列步驟：提供申請專利範圍第1項所述之多層道銲接之解析方法；同時評估該些第一特徵項目、該些第二特徵項目、及該第三特徵項目是否良好；以及根據上述評估結果，判斷出所對應之較佳的銲接作業參數及較佳的多層道銲接品質。

根據本發明之利用解析金相顯微組織影像而判斷多層道銲接品質的方法，第一、建立多層道銲接程序參考基準之參數(電壓、電流、銲接速度等)及對應的銲道品質與材料顯微組織的研究調查資料庫。第二、探討銲接區間試片，調整銲接入熱量參數與銲道組織分析，分析銲道品質、冶金行為與接合機械性能之影響，建立多層道銲接之製程最佳化測定或驗證基礎。第三、建立銲接製程之可視化評估指標，可供未來智慧化接合技術實現應用。

10:銲道切片

20:金相顯微組織影像

21:銲道組織影像

22:接合界面組織影像

23:熱影響區組織影像

S11~S15:步驟

S21~S24:步驟

圖1為本發明之一實施例之多層道銲接之解析方法之流程圖。

圖2及圖3為本發明之一實施例之銲道巨觀金相試驗照片1及2，顯示多層道銲接品質。

4a及圖4b分別顯示本發明之一實施例之板厚12.7mm的多層道堆銲及板厚25.4mm的多層道堆銲的剖面示意圖。

圖5為本發明之一實施例之銲道切片的剖面示意圖。

圖6為本發明之一實施例之多層道銲接品質的評估方法之流程圖。

圖7a~圖7d分別為WPS的-7%、+0%、+10%、+15%入熱量之銲道組織影像的金相圖。

圖8a~圖8d分別為WPS的-7%、+0%、+10%、+15%入熱量之銲道/熱影響區(HAZ)之接合界面組織影像的金相圖。

圖9a~圖9d分別為WPS的-10%、+0%、+10%、+15%入熱量之銲道組織影像的金相圖。

圖10a~圖10d分別為WPS的10%、+0%、+10%、+15%入熱量之銲道/熱影響區(HAZ)之接合界面組織影像的金相圖。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

圖1為本發明之一實施例之多層道銲接之解析方法之流程圖。該多層道銲接之解析方法主要是用於厚板之多層道銲接，例如厚板可為A36碳鋼板件，其板厚可為12.7mm或25.4mm。該多層道銲接之解析方法，包括下列步驟：

在步驟S11中，提供一銲接程序的多個銲接作業參數及一待銲工件。該銲接程序的多個銲接作業參數為該銲接程序參考基準的多個銲接作業參數，特別是指使用者依據ISO 15614-1事先已建立的銲接程序(WPS)規範書的多個銲接作業參數。該銲接作業參數包括：銲接電壓、銲接電流、銲接速度、母材材料、母材板厚、及開槽形態等。該銲接程序參考基準的多個銲接作業參數已經對應多層道銲接品質為銲道機械性能試驗的品質檢測結果，包括：銲道切片之拉伸、彎曲、衝擊、硬度等皆合格。該銲接程序參考基準的多個銲接作業參數也已經對應多層道銲接品質為銲道巨觀金相試驗的品質檢測結果，包括：銲道切片之照相的裂紋、氣孔、熔合、夾渣、銲冠高度等皆合格，如圖2及圖3。就各使用者而言，銲接程序參考基準(包括多個銲接作業參數)、及所對應的多層道銲接品質(包括銲道機械性能試驗的品質檢測結果及銲道巨觀金相試驗的品質檢測結果)可視為事先已建立好的資料庫。

在步驟S12中，透過調整該些銲接作業參數，對該待銲工件進行多層道銲接以形成一銲接工件。舉例調整該些銲接作業參數之銲接電壓、銲接電流、銲接速度在±5%或±10%內，以進行多層道銲接。在本實施例中，入熱量(KJ/cm)=電流(A)×電壓(V)×60/焊接速度(cm/min)，導入數值計算銲接入熱量，入熱量控制與銲道目視品質需同時達成，藉由調整電壓、電流、銲速參數來釐清銲道目視品質與入熱量之關係。在本實施例中，製作該多層道銲接之銲接部分的可銲區試驗試片11組，如下表1：

在步驟S13，製備該銲接工件之銲道切片。舉例，將該多層道銲接之銲接部分切開，以獲得該多層道銲接之銲道切片10，其示意圖如圖4a及圖 4b。圖4a顯示板厚12.7mm的多層道堆銲，相較於WPS(0%)，入熱量控制為WPS的+15%及-15%。圖4b顯示板厚25.4mm的多層道堆銲，相較於WPS(0%)，入熱量控制為WPS的+15%及-15%。在本實施例中，銲道數與入熱量之關係，如下表2：

在步驟S14中，透過分析該銲道切片以獲得一金相顯微組織影像，其中該金相顯微組織影像包括一銲道組織影像、一接合界面組織影像及一熱影響區組織影像。舉例，拍攝該銲道切片以獲得一金相顯微組織影像20，其中該金相顯微組織影像20包括一銲道組織影像21、一接合界面組織影像22及一熱影響區組織影像23，其示意圖如圖5。

在步驟S15中，解析該金相顯微組織影像，其中該銲道組織影像包括至少一個第一特徵項目，該接合界面組織影像包括至少一個第二特徵項目，且該熱影響區組織影像包括至少一個第三特徵項目。該銲道組織影像之第一特徵項目為：缺陷形式、缺陷比例、結晶緻密度、晶粒形狀及晶粒尺寸。該接合界面組織影像之第二特徵項目為：缺陷形式、缺陷比例、熔合界面寬度、結晶緻密度、及晶粒尺寸。該熱影響區組織影像之第三特徵項目為：缺陷形式、缺陷比例、熱擴散特徵變化、材料二次相析出、及晶粒尺寸。該些第一至第三特徵項目可利用Photoshop等影像處理分析軟體進行面積統計分析，以將上述第一至第三特徵項目數值化。

圖6為本發明之一實施例之多層道銲接品質的評估方法之流程圖。該多層道銲接之多層道銲接品質的評估方法，包括下列步驟：

在步驟S21中，提供本發明前述之多層道銲接之解析方法。

在步驟S22中，同時評估該第一特徵項目、該第二特徵項目、及該第三特徵項目是否良好。換言之，該銲道組織影像之第一特徵項目：缺陷形式、缺陷比例、結晶緻密度、晶粒形狀、或晶粒尺寸是否良好。該接合界面組織影像之第二特徵項目：缺陷形式、缺陷比例、熔合界面寬度、結晶緻密度、或晶粒尺寸是否良好。該熱影響區組織影像之第三特徵項目：缺陷形式、缺陷比例、熱擴散特徵變化、材料二次相析出、或晶粒尺寸是否良好。在本實施例中，該第一特徵項目是否良好為：該晶粒尺寸是否良好，及該結晶緻密度或該缺陷比例兩者之一是否良好；該第二特徵項目是否良好為：該晶粒尺寸，及該結晶緻密度或該缺陷比例兩者之一是否良好；以及該第三特徵項目是否良好為：該缺陷比例是否良好。

舉例，圖7a~圖7d分別為WPS的-7%、+0%、+10%、+15%入熱量之銲道組織影像的金相圖。12.7mm銲道組織分析如下：第一、檢視銲道中軸金相，WPS的-7%入熱量下晶界應力集中、機械性能(拉伸強度)下降、銲道延展性下降等銲接降造成銲道微孔(氣孔)增加，屬於銲道缺陷，容易造成品質問題。第二、WPS的+0%、+10%、+15%提高入熱量有助於提升銲道緻密度，並有效改善銲道缺陷。第三、WPS的+15%(入熱量)銲道出現明顯疊層分界，而粗晶區寬度因入熱量增加而擴大，入熱量增加造成凝固組織的結晶速率變化，易使熔合處易產生熱應力集中的問題。第四、本發明指出入熱量、機械性能與銲道品質之關係應綜合材料、製程及參數最佳化調整，入熱量並非越大越好。第五、試片拉伸強度：WPS的+0%≦+15%<-7%<+10%(入熱量試片)，銲道緻密度(圖7a~圖7d圖中所示白色紋路為結晶區代表緻密度面積)：WPS的-7%≦+0%<+15%< +10%(入熱量試片)，以及銲道缺陷數量(圖7a~圖7d圖中所示黑點為孔洞代表缺陷面積)：WPS的+15%<+10%<+0%<-7%(入熱量試片)。相較於WPS的-7%、+0%、+15%入熱量，WPS的+10%入熱量的該銲道組織影像之第一特徵項目(晶粒尺寸、缺陷形式、缺陷比例、及結晶緻密度)視為良好。

舉例，圖8a~圖8d分別為WPS的-7%、+0%、+10%、+15%入熱量之銲道/熱影響區(HAZ)之接合界面組織影像的金相圖。12.7mm銲道/熱影響區(HAZ)之接合界面組織分析如下：第一、銲道/熱影響區(HAZ)之接合界面寬度隨著入熱量增加而縮減(由60→15μm)。第二、銲道組織金相分佈為接合界面(局部回火)/熱影響區/銲道之三個主要的凝固組織。第三、可發現WPS的+10%入熱量的試片之銲道外緣顯現更均勻的帶狀晶粒細化組織，說明WPS的+10%銲道具有較完善熱擴散，可提供相對優異之接合強度。WPS(+0%)入熱量的試片略顯入熱量不足，而WPS的+15%入熱量的試片則有過溫結晶組織出現(晶粒尺寸：avg.GS~100μm)，結晶成長方向趨於水平。第四、入熱量下降造成銲道與熱影響區缺陷增加，銲道微孔(氣孔)增加屬銲道缺陷(圖8a~圖8d圖中所示黑點為微孔)，容易造成晶界應力集中、機械性能(拉伸強度)下降、銲道延展性下降等銲接品質問題。相較於WPS的-7%、+0%、+15%入熱量，WPS的+10%入熱量的該銲道組織影像之第二特徵項目(晶粒尺寸、缺陷比例、及熔合界面寬度)視為良好。

舉例，圖9a~圖9d分別為WPS的-10%、+0%、+10%、+15%入熱量之銲道組織影像的金相圖。25.4mm銲道組織分析如下：第一、檢視銲道中軸金相，WPS的-10%入熱量過低造成銲道缺陷增加，WPS的+15%入熱量過高也造成銲道缺陷增加(圖9a~圖9d圖中所示黑點為微孔代表缺陷)，同樣容易造成晶界應力集中、機械性能(拉伸強度)下降、銲道延展性下降等銲接品質問題。第二、銲道組織依入熱量的差異出現截然不同的情形，WPS的+10%入熱量的試片具備最高的帶狀細晶的堆積界面密度(Stacking interface density)，其界面密度增加可助於組織的結構力學提升；而WPS的+15%入熱量的試片已發現肥粒鐵化合相的晶軸延伸，可能伴隨銲接過程產生雜質偏析或孔洞缺陷，不利於銲道強度的提升。相較於WPS的-10%、+0%、+10%、+15%入熱量，WPS的+10%入熱量的該銲道組織影像之第一特徵項目(晶粒尺寸、缺陷形式、缺陷比例、及結晶緻密度)視為良好。

舉例，圖10a~圖10d分別為WPS的10%、+0%、+10%、+15%入熱量之銲道/熱影響區(HAZ)之接合界面組織影像的金相圖。25.4mm銲道/熱影響區(HAZ)之接合界面組織分析如下：第一、從增加入熱量的銲道組織觀測結果可見明顯的銲接熔填分界與熱影響區(HAZ)晶粒變化，粗晶區伴隨入熱量增加而向母材擴張，晶粒尺寸同步成長，說明WPS的+15%入熱量的試片受到最大程度的加熱。第二、WPS的-10%入熱量的試片於右側界面出現方向性凝固時的漸進式結晶分佈，其生成原因為偏低的銲合熱能在多層道銲接過程間些微增加了停留時間，常見分佈形態為多邊或者弧形，其漸進式結晶區寬度約為250μm。WPS的-10%入熱量的試片銲接缺陷集中發生於與銲道外緣，這部份與12.7mm板厚及WPS的-7%入熱量的試片雷同。相較於WPS的-10%、+0%、+10%、+15%入熱量，WPS的+10%入熱量的該銲道組織影像之第二特徵項目(晶粒尺寸、缺陷比例、及熔合界面寬度)視為良好。

在步驟S23中，根據上述評估結果，判斷出所對應之較佳的銲接作業參數及較佳的多層道銲接品質。舉例，板厚12.7mm及25.4mm銲道機械性能表，分別如下表3及表4：

根據表3，可判斷出板厚12.7mm之多層道銲接所對應之較佳的銲接作業參數(入熱量為WPS+10%)及較佳的銲道機械性能表(多層道銲接品質)。再者，根據表4，可判斷出板厚25.4mm之多層道銲接所對應之較佳的銲接作業參數(入熱量亦為WPS+10%)及較佳的銲道機械性能表(多層道銲接品質)。

在步驟S24中，多層道銲接品質的評估方法更包括：檢驗該多層道銲接品質。舉例，該多層道銲接品質可為銲道機械性能試驗的品質檢測結果，包括：銲道切片之拉伸、彎曲、衝擊、硬度等皆合格。該多層道銲接品質可為銲道巨觀金相試驗的品質檢測結果，包括：銲道切片之照相的裂紋、氣孔、熔合、夾渣、銲冠高度等皆合格。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

S11~S15:步驟

Claims

一種多層道銲接之解析方法，包括下列步驟：提供一銲接程序的多個銲接作業參數及一待銲工件；透過調整該些銲接作業參數，對該待銲工件進行多層道銲接以形成一銲接工件；製備該銲接工件之銲道切片；透過分析該銲道切片以獲得一金相顯微組織影像，其中該金相顯微組織影像包括一銲道組織影像、一接合界面組織影像及一熱影響區組織影像；以及解析該金相顯微組織影像，其中該銲道組織影像包括至少一個第一特徵項目，該接合界面組織影像包括至少一個第二特徵項目，且該熱影響區組織影像包括至少一個第三特徵項目。
如申請專利範圍第1項所述之多層道銲接之解析方法，其中該第一特徵項目為：缺陷形式、缺陷比例、結晶緻密度、晶粒形狀、及晶粒尺寸。
如申請專利範圍第2項所述之多層道銲接之解析方法，其中該第二特徵項目為：缺陷形式、缺陷比例、熔合界面寬度、結晶緻密度、及晶粒尺寸。
如申請專利範圍第3項所述之多層道銲接之解析方法，其中該第三特徵項目為：缺陷形式、缺陷比例、熱擴散特徵變化、材料二次相析出、及晶粒尺寸。
如申請專利範圍第1項所述之多層道銲接之解析方法，其中該些銲接作業參數包括銲接電壓、銲接電流以及銲接速度。
如申請專利範圍第1項所述之多層道銲接之解析方法，其中該銲接程序為一銲接程序參考基準。
一種多層道銲接品質的評估方法，包括下列步驟：提供申請專利範圍第4項所述之多層道銲接之解析方法；同時評估該第一特徵項目、該第二特徵項目、及該第三特徵項目是否良好；以及根據上述評估結果，判斷出所對應之較佳的銲接作業參數及較佳的多層道銲接品質。
如申請專利範圍第7項所述之多層道銲接品質的評估方法，其中該第一特徵項目是否良好為：該晶粒尺寸是否良好，及該結晶緻密度或該缺陷比例兩者之一是否良好；該第二特徵項目是否良好為：該晶粒尺寸，及該結晶緻密度或該缺陷比例兩者之一是否良好；以及該第三特徵項目是否良好為：該缺陷比例是否良好。
如申請專利範圍第7項所述之多層道銲接品質的評估方法，更包括：檢驗該多層道銲接品質，其中該多層道銲接品質包含銲道機械性能試驗的品質檢測結果。
如申請專利範圍第9項所述之多層道銲接品質的評估方法，其中該銲道機械性能試驗的品質檢測結果包括：銲道切片之拉伸、彎曲、衝擊、硬度等是否合格。