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SM490A 結構用鋼同質銲接之特性研究 洪榮德 1 連聰賢 1 曾莉雅 1 施柏仰 2 林新智 2* 林昆明 3 1 振鋒企業股份有限公司 2 台灣大學 材料科學與工程學系 3 逢甲大學 材料科學與工程學系 摘要 熱軋鋼板經過銲接後,材料之各種特性有機會因銲接接合而產生巨幅變化,在實際使用中,可能會發生各 種不同的破壞現象,故在各種機械主體結構的銲接製程裡,須能有效掌握熱應力所產生的變形量與殘留應力, 並進行有效設計。本實驗採用多道次銲接,採用包藥銲線電弧銲(Flux Cored Arc WeldingFCAW)製程並輔以遮 蔽氣體 CO 2 ,搭配相當於美國銲接協會之 AWS A5.20 E70T-1 規格之包藥銲條執行 JIS G3106 SM490A 結構用鋼 同質焊接,藉由不同銲接參數之控制,進而分析銲後材料特性之變化,包括銲件之銲道化學成分、銲道與熱影 響區之微觀組織、機械性質測試、電化學測試其抗腐蝕性等。 實驗結果顯示:熱影響區及其中下層的銲道在經過多道次銲接後,會受到一類似回火或正常化的熱處理過 程,可消除區域上的不良組織,並有效的提升韌性、降低粗晶區的硬度,故較高入熱量的製程會有較高的衝擊 值,其拉伸強度也會隨著入熱量升高而下降;腐蝕性質方面,在動極化曲線中顯示同質銲接的銲道其腐蝕電流 比母材來得小,代表其腐蝕速率較慢,有較母材為佳的抗腐蝕性。隨著入熱量的上升,其銲道的腐蝕電位差異 不大,而腐蝕電流下降,有較佳的抗腐蝕性質;而在循環極化曲線的測試中可以了解材料的抗孔蝕性,隨著入 熱量的減小,銲道會從均勻腐蝕的性質轉變為有輕微的孔蝕現象。 關鍵字:SM490A 結構用鋼、同質銲接、機械性質、腐蝕特性 1. 前言 在現代工業技術上,運用銲接技術將金屬結合,大多以 惰性氣體遮蔽金屬電弧銲接(Inert-Gases Shield Metal Arc Welding)為主要加工步驟,而以銲線來做區別的話,惰性 氣體遮蔽金屬電弧銲乃使用實心銲線,而使用包藥銲線的銲 接方法則稱之為包藥銲線金屬電弧銲 (Flux-Cored Arc Welding, FCAW) ,包藥銲線在受熱後會分解產生氣體來保護 電弧,視情況再通入惰性氣體,則可達到雙重保護的作用, 可適用於造船、石化、核電、國防及機械製造等工業製程, 並且可運用於生活環境的基礎建築中。 銲接由於施工便利、接合形狀自由、氣密性佳和快速接 合的特性,故在各種金屬結構中常常可以看到銲接製程的運 用。在銲接的過程中,合金鋼構件經歷一急速加熱和冷卻過 程,其組織可分為銲道(weld metal)和熱影響區(heat affected zone)。銲道的性質可以藉由挑選適當的合金成分銲條來改 善其機械性質;而熱影響區往往是極硬的組織,韌性相對較 低,在使用上常常是造成破壞的根源,為了提升材料在使用 上的安全性,銲接前材料須經一系列的熱機加工及後熱處 理,以使組織及強度達到所需的規範。 在多重銲接的銲道中,最初的銲道與鄰近的熱影響區, 受後繼第二層銲道再加熱的影響,會使之與相鄰區域的顯微 組織再度發生變化,此區域稱之為再熱區(reheated zone)而未受影響的區域稱之為原熔區(primary fusion zone) 。再熱 區佔整體銲道的比例影響材料的性質甚鉅,其與銲接次數及 入熱量大小有關。 然而SM490A經過銲接後的機械性質、抗腐蝕性質常受 到銲條合金成份、入熱量和遮蔽氣體的影響,此次研究主要 目的是針對鋼板吊掛夾頭構件之銲接技術與製程參數做一 詳實且系統性的研究與探討,其品質的好壞,則是依賴銲接 實務上的經驗作為設計的依據,為符合在銲接現場之銲接製

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  • SM490A

    1 1 1 2 2* 3

    1 2 3

    (Flux Cored Arc WeldingFCAW)

    CO2 AWS A5.20 E70T-1 JIS G3106 SM490A

    SM490A

    1.

    Inert-Gases Shield Metal Arc

    Welding

    (Flux-Cored Arc

    Welding, FCAW)

    (weld metal)(heat affected

    zone)

    (reheated zone)

    (primary fusion zone)

    SM490A

  • 9

    mm

    2.

    2.1

    SM490A

    (Niobium)

    SM490A []

    JIS [] JIS G3106 SM490A 16mm

    JIS G3106

    (%) C Mn P S Si Al Nb

    SM490 0.12 1.06 0.02 0.006 0.01 0.032 0.023

    Yield

    Strength (MPa)

    Tensile Strength (MPa)

    Elongation (%)

    JIS G3106 SM490A 325 490-610 17

    Test Result SM490A 457 537 17.3

    JIS

    2.2 FCAW

    (FCAW)

    (over-matching)

    SM490A TM-70C [3]

    1.2mm AWS A5.20

    E70T-1

    (wt%) Fe C Mn P S Si

    E70T-1 Bal. 0.05 1.47 0.017 0.01 0.55

    Yield strength (MPa)

    Tensile strength (MPa)

    Elongation (%)

    E70T-1 549 598 26

    2.3

    (1)

    SASBSC

    SVIQ *= (1)

    (QI V S)

    2.4

    2.4.1

    SiC #240#400#600#800#1000#1500#2000

    0.05m

    5%Nital (5%HNO3+ 98%

    ) OM

    Welding parameters No.

    Welding layer

    Current(A)

    Voltage (V)

    Speed (mm/s)

    Heat input(KJ/mm)

    Total heat input

    (KJ/mm)

    Root 175 25.5 2.33 1.915 Second layer 170 27.5 2.33 2.006

    SA

    Surface 170 29.5 2.33 2.152

    6.073

    Root 165 24.5 2 2.021 Second layer 160 26.5 2 2.12

    SB

    Surface 160 28.5 2 2.28

    6.421

    Root 185 27.5 2.5 2.035 Second layer 180 29.5 2.5 2.124

    SC

    Surface 180 31.5 2.5 2.268

    6.427

  • SEM

    2.4.2 TEM

    3mm 10mm

    200m 70m

    twin-jet (jet polish)

    5%(HClO3) + 20% + 75%

    -15~-10 JEOL JEM 100CXII

    100KV

    2.5

    2.5.1 (tensile test)

    AWS D1.1[4]

    ASTM E8 20mm/min

    2.5.2 (Charpy-notch impact test)

    SEM

    AWS D1.1[4]

    10mm x 7.5mm x 55mm

    2mm ASTM E23

    2.5.3

    SEM

    2.5.4

    AWS D1.1[4]

    40mm x 9mm x 150mm 3-11

    ASTM E190-92

    ()

    ASTM E190-92

  • 2.5.5

    5%nital

    HAZ

    200g 0.5mm

    0.25mm

    2.6 -

    (potentiodynamic polarization curve test)

    (cyclic polarization curve test)

    3.5wt%NaCl ()

    3.

    3.1

    SM490A

    [5](Nb)

    [6] 1200

    (Coarse grain

    zone) (Fine grain zone) (Partially

    transformed zone)(Tempered zone)

    (Reaustenization)

    SM490A

    SM490A

    ( 1200

    )

    [7]

    TEM

    100nm

    SM490A

    50m

  • (grain

    boundary ferrite)(Widmanstatten ferrite)

    (acicular ferrite) (inclusion)

    (Micro-phase)...

    TEM

    5

    1~101

    micro-phase micro-phase

    3.2

    3.2.1

    [8] SM490A

    SM490A

    (MPa) EL

    SM490 537 17.3%

    SA 606 26.47%

    SB 600 25.68%

    SC 599 23.78%

    3.2.2

    (weldability)

    [4]

    (Hv)

    SM490A

    Microphases Microphases

    [6]

    SM490A

    NbNb

    (Ar3)

    Micro-phase

  • SA

    SA

    Gowrisankar[9]

    Dorschu Stout[10]

    Weld Maximum Minimum SM490A170

    180

    190

    200

    210

    220

    230

    240

    250

    HV 0

    .2

    Distance (mm)

    SA SB SC

    Weld Maximum Minimum SM490A

    170

    175

    180

    185

    190

    195

    200

    205

    210

    HV 0

    .2

    Distance (mm)

    SA SB SC

    Weld Maximum Minimum SM490A

    180

    190

    200

    210

    220

    230

    HV 0

    .2

    Distance (mm)

    SA SB SC

    3.2.3

    AWS1.1 4.8.3.3

    1. 1/8inch(3mm)

    2. 1/32inch(1mm) 1/8inch(3mm)

    3/8inch(9.5mm)

    3. (Corner crack)1/4inch(6mm)

    1/8inch(3mm)

    SA SB SC

    SA SB SC

    3.2.4

  • Charpy V-notch

    25C

    ~

    notch

    n*(n

    )

    EDX

    inclusion

    [11]

    DA

    inclusion

    inclusion

    inclusion [10][11]

    SM490

    Nb

    Nb

    SM490A

    [12] EDX (

    ) MnS

    (I)

    SM490A 12.512 0.250791

    HAZ-SA 8.08 0.75896

    HAZ-SB 8.44 0.680468

    HAZ-SC 8.69 0.470208

    W-SA 17.21 0.586228

    W-SB 17.00 1.220092

    W-SC 19.44 0.666107

    SA SB

    SC

  • EDX

    3.3

    3.3.1

    (corrosion potential)

    Tafel (Tafel extrapolation)

    (corrosion current)

    Tafel 50mV

    Tafel

    50mV

    (linear polarization

    method)

    10mV

    SA

    SBSC 2

    order 3 order

    3.5wt%NaCl

    1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01-1.2

    -1.0

    -0.8

    -0.6

    -0.4

    -0.2

    0.0

    0.2

    0.4

    Pot

    entia

    l (V

    )

    Log I (A/cm2)

    SM490A

    1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01-1.2

    -1.0

    -0.8

    -0.6

    -0.4

    Pot

    entia

    l (V

    )

    Log I (A/cm2)

    SA SB SC

    mV

    (A/cm2)

    (ohm*cm2)

    BM-SM490 -699 5.578*10-5 6.082*102

    WM-SA -665 5.31 x 10-6 5.876*103

    WM-SB -669 3.38 x 10-8 1.156*106

    WM-SC -652 2.69 x 10-8 1.408*106

    SM490A

    SA SB

    SC

  • 3.3.2

    SM490A 3.5wt%NaCl

    SM490A

    (Positive Pitting hysteresis loop)

    SM490A

    (negative pitting

    hysteresis loop)

    1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01

    -1.0

    -0.5

    0.0

    0.5

    1.0

    1.5

    Pote

    ntia

    l (V

    )

    Log I (A/cm2)

    SM490A

    1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3-1.5

    -1.0

    -0.5

    0.0

    0.5

    1.0

    Pot

    entia

    l (V

    )

    Log I (A/cm2)

    SA

    1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3-1.5

    -1.0

    -0.5

    0.0

    0.5

    1.0

    Pot

    entia

    l (V

    )

    Log I (A/cm2)

    SB

    1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3-1.5

    -1.0

    -0.5

    0.0

    0.5

    1.0

    Pote

    ntia

    l (V

    )

    Log I (A/cm2)

    SC

    BM-SM4

    90A

    SA SB SC

    mV -684 -737 -671 -660

    (A/cm2) 3.312*10-5 3.79*10-6 5.733*10-6 3.88*10-7

    (mV) 148 320 271 204

    (mV) -632 242 - -

  • 4.

    inclusion micorphase

    SM490A

    SM490A

    SM490A

    [1] JIS G3106-2004 Rolled Steels for Welded

    Structure(2004)

    [2] (2008)

    [3] -490/FCAW-G (2008)

    [4] ANSI/AWS D1.1/D1.1M:2002 Structural Welding Code

    - Steel (2002)

    [5]

    P11(1990)

    [6] Najma Shams, Jounal of Materials, 1985, p.21.

    [7] M.N.Waton, P.L.Harrison and R.A. Farrar, Welding and

    Metal Fabrication, 1981, p.101.

    [8] -(1995).

    [9] I. Gowrisankar, A. K. Bhaduri, V. Seetharaman, D. D. N.

    Verma, D. R. G. Achar, Effect of Number of Passes on

    the Structure and Properties of Submerged Arc Welds of

    AISI Type of 316L, Welding JOURNAL, Vol66, 1987,

    p.147-p.154.

    [10] Gladman, Effect of Second-phase Particle on the

    Mechanical Properties of Steel, Iron and Steel

    Interstitute, 1971.

    [11] J.F.Knott, Fundamentals of Fracture Mechanics,

    Butterworth, 1973.

    [12] T.J. Baker and J.A. Charles, Deformation of MnS

    inclusions in steel, J. Iron Steel Inst. 210 (1972),

    p.680p.690.