# [機製] Fusion & Solid State Welding

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$$我侃威武$$

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無遠弗屆的錫侃工材連這個都教了。Magic !

# Prologue : Joining

這個大章節本來是介紹「把兩片東西弄在一起」的各種方法，關於這件事的大小方法通稱「Joining」。通常要做到這件事不外乎三種方法：

1. 用焊的：請左轉 Fusion, Welding, Brazing, Soldiering 等等。
2. 用黏的：統稱 Adhesive Bonding。
3. 插根螺絲鎖起來：統稱 Mechanical Fastening。

更詳細的可以看這張圖：

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不過因為考試只考 30, 31 章的關係加上本人懶癌發作，所以這裡就只針對考試要考的 Welding Intro, Fusion 以及 Solid State Welding。

幾種焊接方法依照溫度與相變發生的位置，可以分成：

1. Fusion Welding：準備接合的兩片金屬有人變成液體的焊接方法。可以用焊條，也可以不用焊條（叫做 autogenous）。~~高熱又暴力的焊接~~。要考慮兩片金屬成份不能差太多，不然產生介金屬就 G 了。

2. Solid State Welding：沒有超過熔點的焊接。

3. Brazing and Soldering： 把焊條當熱融膠黏的意味。這個意思是準備焊起來的兩片金屬本身不會融化，只有焊料會融化，而焊料跟要接合的金屬之間也不會彼此擴散。這當中，溫度比較高的叫做硬焊，溫度比較低的(像一般焊電路的那種)就叫做軟焊。

# Fusion

暴力把兩片金屬加熱到熔點以上連起來。

之所以會說「暴力」，是因為這大概是全部方法裡面能量消耗最大的一類。

主要要考慮的是「熱影響區」，還有兩片金屬的性質差異大不大。如果很大的話，焊接時就會形成海量的介金屬，然後黏起來就會變脆脆的(不好的意思)。

不過投影片裡面貌似沒特別提，所以我就省略ㄅ。~~反正我侃威武都上過了。~~

## Oxyfuel-Gas Welding

燃燒東西噴火來焊接。

工廠實習做過。用乙炔氧焰

### 火焰

(那個 我一開始放成本生燈火焰的圖了)(所以我把它換掉了)(這個影片說明比較清楚)

{%youtube rcQGnNjXneE %}

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|Oxidation||
|---|---|
|Neutral||
|Reduction||

主要是用氧氣跟乙炔的比例來分。氧氣比例比較少是「還原焰」。氧比例較多是「氧化焰」;

這裡有另外一個圖：


1. $乙炔 > 氧$ ：還原焰


溫度比氧化焰低一點點(大約 2800 度C)。最大的特徵就是有 3 層。中間那個 feather 是因為燃燒不完全造成的。

英文就叫做 Reduction Flame。有另外一個名稱叫做 Carburizing Flame。Carburizing 有「滲碳」的意思，會有這個名稱是因為火焰裡面燃燒不完全的碳會跟部分熔融的金屬產生碳化物，會讓金屬變脆。所以有這個名字。

因為溫度比較低，也可以來做 soldering 或 brazing 這種溫度比較低的焊接。

2. $乙炔 = 氧$：Neutral

理想的火焰。好像沒什麼特別的。

3. $乙炔 < 氧$：氧化焰


溫度高(3000度C左右)

因為氧比較多，所以叫做氧化焰聽起來也不怎麼奇怪嘛。對於焊接來說，這並不是好的火焰，因為高溫，氧氣又過多，這表示金屬在焊接過程中很容易被氧化。對焊接鋼鐵很不好，但是可以焊接銅~~氧化比較不嚴重~~ 因為會在液體表面行程薄薄的氧化物渣渣。

除了噴火之外，也會噴一些鈍氣保護焊接的部分不受氧化。

### 構造

其實就單純是一邊灌氧氣，一邊灌乙炔，用兩個 Nozzle 調整各自比例。


## Pressure Gas Welding


就像圖一樣，噴火，把壁面融化，加壓黏起來。

{%youtube B8XLVBYFxyk %}

## Arc Welding

電弧焊接。

就是把銲條跟工件分別連上電極，然後產生電流放熱融化。注意事項有：

1. 要保護金屬不要受到氧化，所以通常會噴保護用的氣體(叫 Shielding Gas)
2. 安全性。不過幾乎所有焊接都滿危險的。車床失誤頂多東西飛出去，焊接有錯可能會炸掉整間工廠吧。

## 分類

1. 直流 vs. 交流

1. 直流：比較穩定。除了這個之外，另外還可以選擇把工件放在正極或負極。

1. 放正極：叫 straight polarity。電子全部打到工件上來，可以想像會有大量動能耗損在工件上，因此能量比較高，可以融比較深，但是保護要做比較好。


2. 放負極：能量比較低。因為現在反過來，電子從工件打到電極去，所以電子大部分的能量損失會發生在「撞到電極」時(而不是在工件上)。但是因為能量集中在電極。


有一個小八卦是：後面那些亂七八糟的電弧焊，不同的電極會有不同的 polarity。有的消耗性電極需要用助融劑，而助融劑又需要比較高溫的，這時候會希望電極溫度比較高，就會用這種 polarity。

直流電會有一個缺點。就是在電弧焊的過程中會產生感應磁場，這會使得電弧產生偏離，這個現象叫做「偏弧」。

2. 交流：


(大概就介於上面兩者中間)

不會偏弧。不過電壓跟電弧比較不穩定，比較危險。

特點是可以用在鋁、鎂這種氧化物熔點很高，熔渣不容易流動的金屬，因為交流電正負極會一直變，所以可以避免金屬在陽極持續氧化。

2. 消耗 vs. 非消耗

主要是「電極本身是不是焊條」。

1. 消耗：電極本身就是焊條（就是工廠實習做的那種）。電極消耗速度比較快。需要清理焊渣。

2. 非消耗：用碳或是鎢作為電極，而焊條是另外加上去的。不用清焊渣，但是電極比較貴。

## -- 非消耗性

### Gas Tungsten-arc Welding (GTAW)

~~GTA 第 55 代~~

{%youtube 4TIQYEv1OsE %}

這個東西又叫作Tig-GTAW，前面那個 tig 是 Tungsten Inert Gas (TIG) Welding 的意思(鎢 + 鈍氣)。大概像這樣：


用鎢(Tungsten) 當作電極，焊條另外提供，並且用鈍氣(inert shielding gas)保護前方不被氧化。在鎢電極跟工件中間會產生電弧。

>> inert = 惰性;

雖然鈍氣比較貴，不過表面粗糙度會比較理想。

另外，鋁這種切削容易，但是焊接需要很多技術的東西適合用 TIG 焊。

難點主要是因為的氧化物熔點很高，一旦形成，就很難透過高溫來去除。

### Plasma-Arc Welding (PAW)

用~~白白濯濯的~~電漿噴人家。

{%youtube 588EJInHLsc %}

一邊通電漿氣體(比如說氬-氧)，一邊通保護氣體(氬氣)。

依照電弧發生的位置又可以分：

1. Transferred-arc
電弧是在「電極」跟「工件」之間。下圖左邊。

2. Non-transferred-arc
電弧是在「電極」跟「電漿噴嘴」中間。下圖右邊。


>> 注意電源正負極的連接方向。

### Atomic-Hydrogen Welding (AHW)

1. 用氫氣當 shielding gas
2. 先用高溫電弧把 $H_{2}$ 變成 $H$ ，然後把分解的 $H$ 噴到工件表面。
3. $H$ 噴到工件表面時，就會結合變回 $H_{2}$ ，並且放出大量反應熱，把工件加溫。

{%youtube Mks09XPvYYw %}

~~(然後就發現每個焊接都看起來一模一樣)~~

## -- 消耗性

### Shielded Metal-Arc Welding (SMAW)


工廠實習做的那種焊接。

把焊條接到電極上，工件街另外一個電極，靠近的時候就產生電弧跟高溫，把跟金屬焊條融化。

會叫 shielded-metal 是因為焊條並不是單純一條金屬(這樣電弧會噴不出來或亂噴)。通常會是長這樣：


只有會端會露出一點點金屬，剩下的部分會被 flux (助焊劑)包住(所以叫 shielded-metal)，一方面幫助焊接，一方面助焊劑通常有很強的還原性，可以保護正在焊接的部位。另外，因為助焊劑本身沒那麼會導熱，所以覆蓋在焊接區域也可以降低熱影響區的範圍。

### Submerged-Arc Welding (SAW)


一個漏斗在前面撒助焊劑，後面的電極一邊送被電弧融化的焊料。注意焊料會自動餵出來(可以看到 electrode-wire reel 那個滾輪)，所以前面會源源不絕的流出融化的焊料。

因為要形成一個溝槽裝 flux ，所以底下有時會放一個 Weld Backing。也因為這樣，只能用在做的出溝槽放助焊劑的狀況。

{%youtube Zc3Fu1AVCjc %}

可以發現影片中焊接時，幾乎沒看到電弧，因為電弧被埋沒在 flux 底下。而這正是他叫做 submerged 的原因。

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### Gas Metal-Arc Welding (GMAW)(MIG)

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有自動送線的機構。這超像 3D 印表機。


鈍氣 + 自動餵焊料的組合。

鈍氣 + 這種金屬的組合又叫 metal inert-gas welding ，或是很潮的用縮寫 MIG 。

跟剛剛一樣是焊料連接金屬電極，一邊噴保護的氣體，然後自動餵進焊接用的金屬：


{%youtube wPeHA9Szhhg %}

根據送出金屬的方式，分成 3 種：

1. Spray : 融化金屬的噴霧

{%youtube IHkbh0oKv_g %}

2. Globular：漏尿的金屬液體

{%youtube NQYI95PBiUY %}

3. Short Circuit：線連續地跟工件接觸，兩者之間直接短路，因而得名。

{%youtube Rsr_rzAP35A %}

>> 其實那個線應該要講成「焊料」。不過我覺得線比較好懂。
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### Flux-Cored Arc Welding (FCAW)

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Flux-Core 顧名思義，就是焊條中間有 Flux。


是上一個 Gas Metal-Arc Welding 的改良版。主要改進在於線的成分不是只有焊料，而是外面一圈焊料 + 線材中心有 flux (所以才叫 flux-core 嘛～ 線材的 core 裡面是 flux)。

可以想像成上一個 Gas Metal-Arc Welding 跟前面那個工廠實習版電弧焊接(SMAW)的合體版本

{%youtube kI7GOVrB33c %}

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### Electron-beam (EB) Welding

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{%youtube zX9tvdTEAEo%}

就是用電子束打下去。不一定要在真空，不過越真空的環境，電子可以打越深。

是一種超級高級的焊接，幾乎可以用在任何金屬，熱影響區小、能夠打小而深的洞，而且速度可以到 12m/min

速度才 0.1mm/min 化學加工表示：

### Laser-beam Welding (LBW)

用雷射光焊接。

一句話：高精度，不收縮，不用真空。

然後還有什麼彈性很大之類的，反正跟前面雷字輩的各種加工類似。

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$$This\ page\ is\ intentionally\ left\ blank.$$

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# Solid State Welding

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沒有東西到達熔點的焊接。

聽起來有點不直覺，這到底尛巫術？不懂的話沒關係，你念工材一定念很累，所以我們先進廣告：

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$$廣告$$

{%youtube TC6v6646niU %}

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$$然後再看看下面這個例子$$

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$$超音波焊接$$

{%youtube yLGiY6Ehofo %}

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$$尊爵\cdot 不凡\cdot 87 \% 像$$

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(好啦那不是真的廣告)
(不過系上有缺贊助的話也不是不行合作啦)(遭毆)
~~(不過只有我們系會來看這個吧？)~~
~~(不過只有我們系考試前會來看這個吧？)~~
~~(我也只有考試前會看這個)~~
~~(有誰放假會整理這種東西啊。無趣！)~~
~~(啪啪啪)(腫)~~

不過這裡有一件很重要的事：

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$$不\ 懂\ S.S.W.$$

$$想\ 想\ 封\ 口\ 機$$

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$$根本\cdot 87 \% 像$$

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OK, 雖然我現在處在一個期末崩潰的狀態，但我覺得這個想像滿有用的。

這些 Solid State Welding 的過程，有很多都像剛剛看的封口機一樣，雖然沒有加熱到融點，但是加熱到一定的溫度之後，用力壓下去，兩者就可以接合在一起。

可以粗略的把加溫過金屬想成黏土：沒到熔點也不是液體，但是加壓之後就可以把兩塊黏土捏成一塊。

注意這裡只有要求「不要有東西到熔點變成液體」，但是熔融的話仍然在這個範疇裡面。

接下來的 Solid State Welding 原理上大致上都相同，只是能量的來源各有不同。

## Cold Welding

不加能量。把兩塊金屬當黏土用力黏在一起。

{%youtube Vuay_xNllnY %}

不過這麼~~巫術~~好康的事是有代價的：要兩片金屬性質很接近，而且表面要非常乾淨 & 沒有氧化物。

另外，這個接合處的強度很低。如果兩片金屬的材質差異很大，接合處可能會產生介金屬，就會變得更脆。

### Roll Welding


就像做三明治那樣滾過去，讓幾片東西接合在一起。可以加高溫讓金屬比較容易接合。

可以做 bimetallic strips, 就是國中學過兩片膨脹係數不同金屬黏再一起，溫度有變化就會因為膨脹係數不同翹起來的那個東西。

{%youtube Oc42-l0D_IY %}

影片中大約 1 分鐘的地方會出現。不過這裡不是拿來做課本的 cladding plate，而是拿來做大馬士革鋼。

## Sonic Welding

{%youtube yLGiY6Ehofo %}

用~~電動按摩棒~~超音波震動的封口機。

關鍵是要怎麼把能量轉換成高頻振動，那根機構叫做 transducer ：


~~阿這不就跟某種用品一樣嘛？~~

## Friction Welding

摩擦的~~封口機~~為能量來源。

大致上有 3 種：

### Inertia Friction Welding

用轉的來摩擦：

{%youtube -aEuAK8bsQg %}

通常過程是：

1. 先維持一定速度摩擦一陣子，讓金屬溫度夠高
2. 接著降速，換成兩邊緊緊壓住。這時候熔融的金屬就會~~噗滋~~接合在一起。
3. ~~爽夠了~~焊接得差不多之後就把它移開。

所以整個過程畫成圖的話，就大概會是這樣：


### Linear Friction Welding

就是換成一個面的摩擦。

{%youtube umEuqbgVOR8 %}

好像就沒什麼了。

### Friction Stir Welding

是一個比較新(1991 年)提出來的方法：


前面那個頭會一直轉，碰到平行的邊界之後產生高熱，把兩邊金屬各自熔融一小部分。然後因為有在轉，所以兩邊熔融的金屬會被攪在一起，形成焊接區域。


這裡有影片：

{%youtube aNbQH8XBgxQ %}

## Resistance Weilding

就跟真的封口機一樣。

通過電流生熱來幫封口機加熱。電阻是這裡考量的重要因素(不然熱要從哪來？)，而且變因很多，包含工件們的電阻、接觸時的電阻等等。

比較感覺的應該是工廠實習做的點焊，就是一種 Resistance Welding。

以點焊為例，大概的過程就像這樣，通過電流在中間產生高熱，形成一個焊接的小區域(~~chicken~~ weld nugget)：


### Resistance Spot Welding

就是點焊啦。


不過工廠都做過了。而且原理滿好懂的，就東西放上去，踏板踩一下，電流通過就會焊起來順便噴出華麗的火花。

### Resistance Seam Welding

把點焊「一個點」的電極，換成一個圓周

{%youtube xZ5SMBoIh4s %}

~~圓形的封口機。~~

有幾種變形：

### -- Roll Spot Welding

圓周版的點焊。

{%youtube XZejfhTe5is %}

如果仔細看影片的話，可以發現鋁箔紙邊緣並不是連續的接合，而是一點一點的：


每個 Welding Nugget 都獨立的

事實上電流的連續與否，還可以有很多搭配。他們各自有另外的名稱：


### -- Smash Seam Welding

把兩張東西~~黏~~焊起來，變成更大片東西的意味。

方法是讓兩張東西邊緣稍微重疊，然後把重疊的地方加熱焊下去。

就像是之夜或成發時如果需要並聯大片垃圾袋或全開紙張當布幕時你會做的事。


### High-frequency Resistance Welding


把直流電變成高頻交流電。上面那個 contact 是電極。

有另外一種變種叫做 high-frequency induction welding 。差別是在電流是用管子外的一圈線圈來產生感應電流：


這個東西可以拿來做 butt-welded tube。butt-weld 中文是叫「對焊」，泛指把兩個平行的邊界焊接在一起。所以 butt-welded tube 的意思就是像捲~~大麻~~雪茄，捲一圈再把邊邊焊接起來的那種管子。

### Resistance Projection Welding

中文叫做「凸焊」。

就是在預計焊接的地方用出小凸點，通電的時候就會尖端放電，強迫 weld nugget 長在那邊。


## Flash Welding

用電弧作為能量來源。

把要焊接的兩片東西靠很近，然後加高電壓讓中間產生短暫的電弧，高熱會讓金屬表面熔融，最後再壓在一起。

{%youtube Zza6ZRccvlg %}

比較適合「不同東西的兩端焊在一起」的場合。

很方便自動化，因為只要靠近之後無腦的通電就好。

### Stud Welding

「柱焊」。主要是用在焊接立起來的東西：


能量來源一樣是用電弧，流程是先用一個陶瓷的支撐構造(
這是拋棄式的)套在圓周，通電弧到金屬熔融並且順利順利焊接之後，再把支撐構造移除。

有另外一種變種是叫 capacitor-discharge stud welding 。把直流電源換成電容器放電。因為電容可以瞬間噴出超大的電流，所以焊接速度很快(數量級大概在毫秒左右)，也因為這樣可以不用 ferrule。

## Explosion Welding

在兩片金屬上面鋪上一層炸藥，引爆的時候兩片金屬就會被壓在一起。


不過炸藥力量要夠強，而且對於「面」來說，每一點引爆速度夠要均勻，而且要夠快。

這裡有個示範：

{%youtube 2u51tJdRDK0 %}

## Diffusion Bonding

把金屬的兩個面變得非常光滑，然後接起來，加到約 $0.5T_{m}$ (跟再結晶溫度有點像)後壓緊。兩片金屬會彼此擴散到對方裡面，最後邊界就黏再一起。

大概像這樣：


是一種很無敵的接合方法，但是也非常費工，挑剔的點地方有：

1. 表面要非常光滑
2. 溫度、壓力、時間等等都要控制
2. 要在真空環境下進行
3. 也因為要在真空環境進行，所以大小可能會因為沒有夠大的真空環境而被限制。
4. 總和以上，成本也非常高。

不過他可以做到傳統焊接做不到的事，比如：

1. 讓性質差異很大的金屬連接
2. 接合處的機械性質很好
2. 過程當中幾乎沒有塑性變形

### Superplastic Forming

超塑性 bla bla bla ~~(請自行帶入各種聽起來很高科技的用字)~~ 成形～之前有上過。這裡會再提的原因是因為他可以跟 Deffusion Bonding 合體，做這種東西：


注意上面那個黏起來的地方，都是用 Deffusion Bonding 去連接的。大致的過程是這樣：

首先把金屬片疊起來，中間不希望它黏起來的部分放上 stop-off


接著加壓做 Diffusion Bonding, 這樣該黏在一起的地方就會黏再一起，但是有 stop-off 的地方則不會。

黏完之後就是充氣進去，加高壓做正常的超塑性變形：