(最新)銲接設備與銲材專題研究-產品與產業.pdf

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銲接設備與銲材專題研究第二章產品與產業第一節產品定義與分類廣義的銲接設備(weldingequipment)又稱銲接裝置(weldingapparatus)，指的是應用銲接觀念的機械操作單元與其機械耗材，前者包括交直流（或變頻式）電源供應裝置、自動控制單元、電纜線、銲炬、夾治具、工作平台及其他附屬設備等，後者則包括氣體供應裝置、電極及其他機械耗材等；而狹義的銲接設備又稱銲接機械(weldingmachinery)指的主要為銲接電源機部份，並不包括耗材及周邊輔助裝置。由於世界各國分類及調查基準的不同，本研究將依所蒐集之次級資料，部份市場分析以銲接設備稱之，部份則以銲接機械稱之，同時兩者之間的市場統計基準亦將有所差異。(一)銲接之定義不管是銲接設備或銲接機械，其所代表之銲接技術是一致的，而在說明銲接設備之前，有必要先說明銲接技術之定義及分類。所謂『銲接』(welding)─是將兩獨立的金屬件(母材)，根據其接合的需要，利用加熱或兼具加壓的方式，使欲接合處熔融(某些銲接法未達熔融)，並視需要加入熔填金屬(銲條)至冷凝後結合成一體的加工方法。(二)銲接之分類自銲接發展以來，已有300年歷史，各種銲接法相繼產生，截至目前為止，銲接法已超過90餘種，惟此數目仍隨著科技的進步及工業需要而不斷地改進增加中。銲接之分類法有許多種，若依母材之接合方式予以分類，大致區分如下：1.熔接(fusionwelding)─母材接頭達到熔點，視需要添加或不添加銲條。包括•氣銲類─空氣乙炔氣銲法(airacetylenewelding,AAW)、氫氧氣銲法(oxyhydrogenwelding,OHW)、氧乙炔氣銲法(oxyacetylenewelding,OAW)、氧氣第二章產品與產業7 銲接設備篇燃氣氣銲法(oxyfuelgaswelding,OFW)。‚電弧銲類─碳弧銲法(carbonarcwelding,CAW)、保護金屬電弧銲法(shieldedmetalarcwelding,SMAW)、氣體鎢極電弧銲法(gastungsten-arcwelding,TIG)、氣體金屬極電弧銲法(gasmetalarcwelding,MIG/MAG)、電漿電弧銲法(plasmaarcwelding,PAW)、內包藥銲線電弧銲法(flux-coredarcwelding,FCAW)、潛弧銲法(submergedarcwelding,SAW)、電熱氣電弧銲法(electrogaswelding,EGW)、原子氫電弧銲法(atomichydrogenwelding,AHW)、植釘銲法(studwelding,SW)、重力式電弧銲法(gravitywelding,GW)。ƒ其他─熱料銲法(thermitwelding,TW)、電熱熔渣銲法(electroslagwelding,ESW)、電子束銲法(electronbeamwelding,EBW)、電射光銲法(laserbeamwelding,LBW)。2.壓接(pressurewelding)─母材接頭局部達到熔點，然後施壓力使其接合。包括•電阻銲類─電阻點銲法(resistancespotwelding,RSW)、電阻縫銲法(resistanceseamwelding,RSEW)、電阻浮凸銲法(projectionwelding,PW)、端壓銲法(upsetwelding,UW)、閃光銲法(flashwelding,FW)、衝擊銲法(percussionwelding,PEW)。‚晶體固態銲類─摩擦銲法(frictionwelding,FRW)、超音波銲法(ultrasonicwelding,USW)、爆炸銲法(explosionwelding,EXW)、冷壓銲法(coldwelding,CW)、高週波銲法(highfrequencywelding,HFW)、鍛壓銲法(forgewelding,FOW)、氣體壓銲法(pressuregaswelding,PGW)3.鑞接法(solderingorbrazing)─母材接頭未達熔點，然後加入熔點低於母材的銲條使其於熔接後在接頭間產生毛細管作用形成結晶能式的接合，一般所謂的軟硬銲即為此類。(三)各種銲接設備之定義每一種銲接技術，幾乎均有其搭配之專用設備（機械），才能以最有效率的方式完成銲接工程，也就是說90種以上的銲接法，即搭配了90種以上的銲接設備。但是就市場研究的角度而言，並非所有的銲接設備均具備市場性，因為某一些銲接設備僅是為了非常特殊的用途而發展的，在使用上並不普及，所以沒有足8智權所有，翻印必究 銲接設備與銲材專題研究夠的市場調查價值。因此，本節不擬針對所有的銲接設備做介紹，僅就具備市場調查價值之項目加以說明，說明如下：1.電弧銲接設備電弧銲接法(arcwelding)，是指由電極與母材間通電產生電弧熱使母材熔融，然後加入熔填金屬(銲條)，或直接由電極本身受熱形成熔填金屬(電銲條)，使母材接合在一起的各種銲接法，這類銲接法之專用設備即為電弧銲接設備。以下將針對各類之電弧銲接設備詳細說明之。(1)保護金屬電弧銲接設備(SMAW)為保護金屬電弧銲接法之專用設備，此銲接法是以電銲條為電極與母材接觸通電後產生電弧，而藉著電弧的高熱分別將母材局部熔融成熔池(moltenpool)，並由電銲條以熔滴型態熔入母材熔池中逐漸形成銲道使母材接合在一起的銲接法。整套SMAW銲接設備，包括：直交流電銲機、面罩、電纜線(含銲條手把)、皮手套、通風設備、工作台及其他手工具，如除渣鎚、鋼絲刷、除渣劑等。其配置及實體照片如【圖2-1】。圖2-1SMAW銲接設備配置及實體照片資料來源：ModernWelding第二章產品與產業9 銲接設備篇(2)氣體鎢極電弧銲設備(GTAW，TIG)為氣體鎢極電弧銲接法之專用設備，此銲接法是一種利用非消耗性鎢電極與母材間產生電弧，然後在熔池周圍罩以惰性保護氣體，視接合的需要填加或不填加銲條的銲接法。這種銲接法常稱為惰性氣體鎢極銲接法(tungsteninertgaswelding)，在工業界慣稱為TIG，另由於使用的惰性保護氣體以氬氣(argon,Ar)居多，所以又稱為「氬銲」。氣體鎢極電弧銲接設備約可分成六大類，分別為變頻式TIG銲機、銲炬、惰性氣體、氣體流量調節器、鎢極棒、冷卻系統。其配置及實體照片如【圖2-2】。圖2-2TIG銲接設備配置及實體照片資料來源：ModernWelding(3)氣體金屬極電弧銲接設備(GMAW，MIG/MAG)為氣體金屬極電弧銲接法之專用設備，前述的TIG銲法是使用非消耗性鎢極棒為電極，而此銲接法則是一種由連續送出消耗性的銲線(電極)與母材產生電弧熱，使銲道呈熔融狀，然後在電弧與銲道熔池周圍罩以保護氣體的銲接法。此銲接法早期稱為MIG(metalinertgas)銲法，但自各國相繼採用二氧化碳活性氣體為保護氣體施銲碳鋼後，則總稱為氣體金屬極電弧銲接法(GMAW)。此後，為順應各種材料的銲接，分別發展出各種混合氣體保護的銲接法，所以又有MAG(metal10智權所有，翻印必究 銲接設備與銲材專題研究activegas)銲法的名稱。完整的GMAW銲接設備包括：電銲機、送線機、銲炬、附屬裝置(如氣瓶、流量計、遙控開關等)。其配置及實體照片如【圖2-3】。圖2-3GMAW銲接設備配置及實體照片資料來源：ModernWelding(4)潛弧銲接設備(submergedarcwelding,SAW)為潛弧銲接法之專用設備。此銲接法是一種由連續輸送的銲線與母材產生電弧，然後由銲線附近連續供應粒狀銲藥(flux)，隨著銲藥的前進而完全將銲接時產生的電弧覆蓋住的一種銲接法。由於在銲接時，無法從外部看到電弧光、噴渣及氣體，潛弧銲因而得名。其配置如【圖2-4】。第二章產品與產業11 銲接設備篇圖2-4SAW銲接設備配置圖資料來源：ModernWelding(5)電漿電弧銲接設備(plasmaarcwelding,PAW)為電漿電弧銲接法之專用設備。此銲接法是利用氣體分子在高溫電弧中所形成的離子化狀態，亦即物理的第四態產生的高溫(最高可達24000°K)電漿，對材料施銲的一種電弧銲接法。簡言之，電漿(plasma)即為一種帶電的離子化氣體。電漿電弧銲接法的原理是將能夠電離的氣體(通常為氬、氦或氫)，拘束至有一小孔徑噴嘴的銲炬內，使氣體受電弧熱後產生帶電的高溫高壓電離子氣，此電離子氣由於受到銲炬小孔徑噴嘴的拘束，而形成能量密集的電漿電弧，經由噴嘴高速噴至銲件表面，由於銲件是在常溫狀態，所以電漿會再結合為氣體分子，放出大量的熱能，即可用於銲接。電漿銲接所需的設備包括：銲接電源(含電流計、氣體流量計、控制裝置等)、銲槍、控制箱(銲接開始、停止及電流的調整)、銲槍電纜(電線、氣體管線、冷卻水管等)、母材電纜、氣瓶和氣體調節器等。其配置及實體照片如【圖2-5】。12智權所有，翻印必究 銲接設備與銲材專題研究圖2-5PAW銲接設備配置及實體照片資料來源：ModernWelding2.氣銲設備(gaswelding)為氣銲之專用設備。所謂『氣銲』，是將可燃性氣體與助燃氣體自容器中導出，經銲炬混合後，由銲炬火口處點燃成高溫火焰對銲件加熱的一種銲接方法。使用的可燃性氣體有乙炔、丙烷、甲烷與氫等，但目前以乙炔最為常用，助燃氣體則為氧氣。氣銲的設備通常包括氣體供應裝置、銲炬、火口(火嘴)、壓力調整裝置、橡皮管、逆火防止器、其他氣銲設備。其配置及實體照片如【圖2-6】。圖2-6氣銲設備配置及實體照片資料來源：ModernWelding第二章產品與產業13 銲接設備篇3.電阻銲接設備(resistancewelding)為電阻銲接法之專用設備。此銲接法是將兩個或兩個以上的金屬件，利用同時加熱與加壓的方式使其接頭處呈局部熔融而接合在一起的銲接法。電阻銲的設備主要為一變壓器，變壓器是由兩個繞在鐵心上而匝數不同的一次線圈與二次線圈所組成。利用降壓的原理而將交流電轉變成高電流、低電壓的電阻銲電流。由於適用條件的不同，電阻銲設備又分為電阻點銲機(resistancespotwelding,RSW)、電阻縫銲機(resistanceseamwelding,RSEW)、電阻浮凸銲機(projectionwelding,RPW)及端壓銲接機(upsetwelding,UW)。其中點銲設備配置及實體照片如【圖2-7】。圖2-7電阻點銲設備配置及實體照片資料來源：ModernWelding4.超音波銲接設備(ultrasonicwelding,USW)為超音波銲接法之專用設備。此銲接法是將銲件夾持在兩音極間，並以高週波的振動能平行作用於銲件表面，藉著振動所產生的剪應力，可以去除銲件表面的氧化層，然後形成原子間的變形作用，使銲件接合在一起的一種銲接法。超音波銲接設備之配置及實體照片如【圖2-8】。14智權所有，翻印必究 銲接設備與銲材專題研究圖2-8超音波銲接設備配置及實體照片資料來源：ModernWelding5.電子束銲接設備(electronbeamwelding,EBW)為電子束銲接法之專用設備。電子束銲接為利用從加熱燈絲中發射出之電子經加速及聚焦(0.1－1mm)後撞擊於工件上，藉電子之動態經與工件上之原子作用後轉換為熱能，使材料加熱在其熔點上。其優點為銲道凝固速度快、無污染、銲道深、產生較小之熱影響區及銲接後之變形量小。電子束銲接設備包括電子束發射鎗、真空施銲室、真空幫浦抽氣系統、電子儀器設備、電子束控制器、發射鎗移動裝置以及移動工作平台。其配置及實體照片如【圖2-9】。6.雷射銲接設備(laserbeamwelding,LBW)為雷射銲接法之專用設備。雷射的基本原理乃是原子或分子於正常狀態下是處於低能階的『基態』。一旦這些原子或分子受到光源照射或其他熱能時，其電子會由低能階跳至外層的高能階，使原子受到激發作用而獲得能量。然而，電子並無法持續留在高能階上，而必須跳回原來的能階，在跳回過程中即會以光子型態放出能量，如果將此現象限制在一固定範圍內，使原子持續地激發、放出光子，再激發其他原子放出光子，則這些頻率、相位皆相同的光會以平行方式射出，即為雷射光。再利用這種高能量的光源來銲接即為雷射光銲接法。第二章產品與產業15 銲接設備篇圖2-9電子束銲接設備配置及實體照片資料來源：ModernWelding工業上最常用於銲接的雷射，依其介質分主要有兩種：•Nd-YAG雷射─以釹(Nd)為介質。‚CO2雷射─以二氧化碳(CO2)為介質，又可分為連續波式與脈波式兩種。除此之外，應用激元(Excimer)雷射的銲接設備，因在半導體製造領域有極為優異的表現，需求正迅速的擴大之中。典型的雷射銲接設備包括：雷射振盪器、電源供應、冷卻系統、雷射氣體供應裝置、雷射光傳送系統、控制系統、輔助系統、偵測回饋系統等。其配置及實體照片如【圖2-10】。圖2-10雷射銲接設備配置及實體照片資料來源：ModernWelding16智權所有，翻印必究 銲接設備與銲材專題研究第二節產品發展歷程人類自古以來即知道利用金屬加熱後打造接合成型的原理來製造各類簡單的金屬器具，如刀劍、農具等，亦即最早期的鍛銲(forgewelding)法。西元1540年，義大利威尼斯出版的一份名叫〝Pyrotechnia〞的雜誌中就曾記載過鍛銲法。至於現代銲接技術的發展，則應由西元1800年開始談起。一、西元1800年至1900年在這個時期，從銲接的觀點來看，構成其基礎的能源和銲接材料開始在歐洲出現，經由煤氣燈和弧光(arc)燈，這些能源已被利用作光源，而且也開始考慮應用於工業規模日益壯大的鋼鐵金屬之熔解，此時電弧銲接和氣銲也以競爭的態勢登場了。二、西元1900年至1935年第一次世界大戰爆發，對工業界的大量生產與短交貨期之要求變得嚴格，銲接在歐美從修理的功能轉變成為生產的手段，此時大多數歐洲國家逐漸以電弧銲取代氣銲，而氣銲發明國的法國則仍一直拘泥於氣銲的研發。電弧銲接在比利時受到採用，因而確立了塗藥銲條電弧銲的基礎。後來由於世界性經濟恐慌及各國景氣呆滯不振的情況下，希特勒崛起於充斥勞工問題的德國，由於其重整軍備的宣言使得世界局勢的走向難以捉摸。三、西元1935年至1940年此時期爆發第二次世界大戰。歐美在銲接方面由於自動化的熱絡乃出現了包括潛弧銲接在內的許多自動化裝置，也出現了像電栓銲接(studwelding)、鋁的點銲(spotwelding)和電漿噴塗等與戰時密切相關的專用化特殊銲接法。四、西元1940年至1945年此時期由於歐洲處於戰火之中，因此沒有值得一提的發明;但是在後方支援的美國則引進了許多以短期與大量生產為導向的銲接技術，也經歷了許多的銲接事第二章產品與產業17 銲接設備篇故，從中確立了今日的接頭形狀與銲接順序等施工上的基本事項。五、西元1945年至1950年此時期歐美在銲接方面，電漿切割普遍用於非鐵金屬的切割，而MIG銲接和電子束銲接等也相繼出現。六、西元1950年至1955年此時期高週波電阻銲接被提出、二氧化碳銲接的可能性提高及美國發明家G.C.Devol首度取得有關機器人裝置的專利。七、西元1955年至1960年以非鐵金屬為對象的電漿切割機開始在市場上出現，而且摩擦銲接、電子束銲接、超音波銲接等技術也在這個時期初試啼聲。八、西元1960年至1965年此時期美國發表了雷射加工機的原型。在銲接方面，隨著造船等構造物的巨大化，使用單面自動銲接、立向自動銲接等專用設備的銲接自動化風氣也熱絡起來了。九、西元1965年至1970年在這個時期中間所發生的中東戰爭切斷了蘇伊士運河的通行，使得各海運公司傾向於建造巨型油輪，因而引發了第三次造船熱潮，而構造物的巨大化、生產線的輸送帶化、以及NC加工在火焰切割方面的應用都變得熱絡了。電子束銲接機亦在此時期被發表。十、西元1970年至1980年此時期由於爆發能源危機，大量導入省能源且變化靈活性高的簡易型自動銲接機，以及移動性良好的半自動銲接機以取代大型專用設備。18智權所有，翻印必究 銲接設備與銲材專題研究十一、西元1980年至1990年此時期在銲接機的生產量上，標準自動電弧銲接機也超越了交流電弧銲接機，而從這個時期的中葉起，脈波(pulse)和變頻式(inverter)的銲接機增加，小型的空氣電漿(airplasma)切割機則呈現驚人的成長，而NC火焰切割機也以大型設備為中心而向上挺升。而銲接機器人方面，在製造廠大致齊全，由5軸走向6軸、教授法的簡略化以及感測(sensing)機能的充實之下，其工件開始從薄板小物件擴大至中等厚板和中型物件了。此外，在後半期特別是雷射加工機方面，新加入的製造廠增多，已紮實地走上實用化之路了。十二、西元1990年之後在這個時期的世界局勢有東西德的統一、蘇聯的解體、波斯灣戰爭、中國採用社會主義市場經濟路線等大震撼。在銲接機器方面，1990年的生產台數是史上最高的，不過後來卻巨幅滑落了2成，其中以空氣電漿切割機的急速減少最為明顯；然而在另一方面，配備微電腦的銲接機和使用變頻式的銲接機卻增加，採模糊控制(fuzzy)的銲機也出現了。在銲接機器人方面則已進入低價競爭的時代，而NC火焰切割機和雷射加工設備則是向上挺升。同時，在此之前的美國主要銲接機製造廠中，Miller和Hovert被IllinoisToolWork(ITW)收購，UnionCarbide的Linde事業部被美國Esab公司吸收，而Airco則被lincoln收購，因而業界變成由Lincoln、ITW、Esab、Thermadyne四家主要公司四方霸主鼎立的局面。第三節產品/技術/應用關連圖銲接設備之產業關聯性大，許多產業在產製產品時，均需經過銲接這個製程，包括運輸工具業、機械業、鋼結構業、化工業、造船業、電子電機業、金屬製品業、金屬基本業及精密器械業等。銲接技術在主要行業之重要應用產品如【圖2-11】所示。而隨著各行業特性之不同，對銲接設備之需求條件亦有所不同，部份產業對重型專用銲接設備有大量需求，有些對自動銲接設備有需求，另外部份則需要簡易型銲接設備，對不同行業的產品需求可整理如【圖2-12】。第二章產品與產業19 銲接設備篇運輸工具大型產業機械鋼結構底盤結構起重機自行車架工具機十字柱車體上部結構建築機械箱型柱I型樑沖床側壁承載結構送風機壓縮機樑柱接口L型樑轉向架結構水泥攪拌機樑ㄇ型樑發電機銲接技術儲槽照明燈具插座插頭平行部小組立大型歧管船尾船首小組立重電設備人孔感應線圈平行部大組立塔槽馬達船尾船首大組立電池鍋爐商業用電設備一般家電壓力容器造船電子電機圖2-11銲接技術應用關聯圖資料來源：金屬中心銲接組造船鋼構產業機械單極小型SAW設備機器人銲接系統小型可攜式銲重力式銲接設備門型多機器人接機器人系統縱列式門型多簡易式行走台車小型可攜式銲MAG設備小型MAG銲接設備接機器人系統簡易型ES銲接極銲接設備機器人銲接系統小型可攜式銲簡易式行窄縫MAG銲接設備小型MAG銲接設備接機器人系統水平填角專用機器人走台車門型多電極十字架型3電極門型多電極門型多電極SAW設備MAG銲接設備SAW設備窄縫MAG銲接設備單面接板SAW設備MAG設備H型鋼組立專用銲接機器人銲接系統設備銲接設備箱桁多部銲產業管件預製銲接設備管對管圓周銲接設備上向行走自動銲接專用設備接機器人系統熱交換器圓周接頭銲接設備管對板圓周銲接設備門型自動MAG門型多電極天然氣輸配送自動TIG橫向SAW銲接設備假銲機器人系統MAG設備脈衝銲接設備小型可攜式機窄縫MAG銲接設備器人銲接系統補強板銲接機器人系統壓力容器電溶渣硬面銲窄縫SAW銲接設備H樑組立銲接設備單面接板SAW銲接設備可攜式機器人銲接系統十字架SAW銲接設備儲槽、配管橋樑圖2-12銲接設備產品應用關聯圖資料來源：金屬中心自控組20智權所有，翻印必究