109 關務特考三等 機械工程 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

本題考查鑄造用鋼材與鋁合金的材料特性，以及貨櫃角件的形狀、受力和使用環境如何影響製程選擇。角件須承受貨櫃堆疊壓力與吊掛載荷，並設有供鎖具連接的孔槽；材料和製程都要兼顧強度、耐蝕性、形狀成形能力及製造成本。

（一）鑄造熔點與材料優缺點

鑄造熔點

各種合金的成分不同，熔化溫度通常是一個範圍：

• 鑄鋼：約 $1{,}425\sim1{,}540^\circ\mathrm{C}$。
• 鑄造鋁合金：約 $570\sim660^\circ\mathrm{C}$。

上述為材料的熔化溫度範圍。實際澆注溫度還須高於液相線，以確保金屬液能充填鑄模；實際設定依合金成分與鑄造方式而定。

材料優缺點

判斷重點：​鋼材著重高強度與韌性，鋁合金著重輕量與較低熔化溫度。角件承受重載，不能只以耐蝕或重量作為選材依據。

（二）貨櫃角件採用鑄造的理由

解題方法

先從角件的幾何形狀與功能判斷，再比較製程能否兼顧成形、承載及成本。圖示角件配置在貨櫃頂部與底部角隅，具有多方向的連接面及供吊掛、堆疊鎖固使用的孔槽，並須承受複合方向的載荷。

採用鑄造的理由

1. 適合形成複雜外形及多方向孔槽 角件有厚薄變化、凸耳、孔槽與不同方向的鎖固面。鑄造可直接形成接近成品的整體形狀，減少分件加工與組裝。

核心觀念

本題考查燒結碳化物刀具的粉末冶金製程，以及刀具鍍膜對切削性能的影響。常用碳化鎢刀具片是由硬質碳化物粉末與金屬黏結相製成的燒結硬質合金，典型材料為碳化鎢（WC）粉末，以鈷（Co）為黏結相。WC 提供高硬度與耐磨性，Co 則提供韌性與抗衝擊能力。

（一）碳化鎢刀具片之製作方法及流程

製作方法屬於粉末冶金法，主要流程如下：

1. 原料製備與配料 依所需刀具性能選定 WC 粉末與 Co 粉末比例；有些牌號會加入 TiC、TaC 或 NbC 等碳化物，以改善高溫硬度、抗 crater wear（凹陷磨耗）或抗氧化能力。粉末粒度及成分均勻性會影響燒結後的硬度、韌性與耐磨性。

2. 濕式球磨與混合 將粉末與磨球、液體介質一同球磨，使 WC 與黏結相均勻混合，並控制粉末粒度。球磨完成後進行乾燥，必要時篩分，以取得均勻混合粉末。

3. 加入成形劑與造粒 加入適量蠟或有機黏結劑，使粉末具有流動性與生坯強度，再經造粒或整粒處理，讓粉末能穩定填入模穴。

4. 壓製成形 將粉末置入模具，以單軸壓製或等靜壓方式壓成刀片形狀，得到生坯。生坯具有預定外形，但強度低且尚未達到最終尺寸與性能。

5. 脫蠟／預燒 加熱移除成形劑及其他揮發物，避免它們在後續燒結時形成孔隙或污染。脫蠟時須控制升溫速率，以免生坯開裂或變形。

6. 液相燒結 在真空或受控氣氛中加熱至燒結溫度，使 Co 黏結相形成液相並潤濕、包覆 WC 顆粒。液相促進顆粒重新排列與緻密化，冷卻後形成高硬度、高耐磨性的 WC–Co 硬質合金。燒結過程會造成收縮，因此須預留尺寸餘量並控制爐內溫度與氣氛。

7. 後加工與檢驗 依需要進行研磨、刃口倒角或鈍化、表面處理及尺寸修整；最後檢查尺寸、硬度、密度、孔隙與裂紋等品質項目。若要製成鍍膜刀片，則在基材完成後續表面處理後再進行鍍膜。

流程總結：

核心觀念

本題比較三種焊接法的熱源、接合方式、填料金屬需求、適用材料與製程限制：

• 氧乙炔焊接（OAW）：以氧氣與乙炔燃燒產生的火焰熔化接合部，可視需要添加填料金屬。
• 電弧焊接：以電極與工件間的電弧熱熔化母材；可採消耗式焊條，也可用非消耗式電極搭配填料。
• 摩擦焊接：以工件接觸面的相對運動產生摩擦熱，達到適當溫度後施加鍛壓，使接合面在固態下結合，通常不需焊條或填料。

判斷時先看熱源，再看接合面是否熔化，最後確認是否需要焊條或填料，以及能否接合非金屬材料。

解題方法

一、氧乙炔焊接

工作原理與方法： 氧氣與乙炔在焊炬中混合燃燒，火焰直接加熱工件接合處，使母材局部熔化形成熔池。焊工沿接縫移動焊炬，視板厚、接頭型式及焊道需求，以焊絲補充填料金屬。氧乙炔焊多採手工操作，火焰可調整為中性焰、氧化焰或碳化焰，以配合材料與焊接需求。

優點：

• 設備簡單、可攜性高，不依賴電源，適合現場維修及小型工作。
• 熱量與火焰性質可調，焊工能直接控制加熱與熔池。
• 同一套氣焊設備也可用於切割、加熱、釬焊等作業。

缺點與限制：

• 熱源集中度及加熱效率低於電弧焊，焊接速度慢、生產率較低。
• 熱影響區較大，工件容易產生變形。
• 焊接品質較依賴操作者技術，厚板或高效率量產不具優勢。
• 需妥善管理氧氣與乙炔鋼瓶及管線，並注意火焰與回火安全。

二、電弧焊接

工作原理與方法： 由電源在電極與工件間建立電弧，利用電弧熱熔化母材，並視焊接方法熔化電極或加入填料，形成熔池；熔池凝固後即成為焊道。常見方法包括使用熔化焊條的焊條電弧焊，以及使用非消耗式電極的氬氣鎢極電弧焊（GTAW／TIG）。

優點：

• 熱源集中、加熱效率高，焊接速度與生產率通常較高。
• 焊接方法及設備選擇多，適用材料、厚度與接頭型式廣。
• 可採手工、半自動或自動化方式，適合工廠生產。
• 適當選用電極、填料與保護方式，可取得良好焊接品質。

缺點與限制：

• 多數電弧焊需要電源與相關設備；戶外作業須考慮供電、風勢及保護效果。
• 電弧光、飛濺、煙塵與觸電風險須有適當防護。
• 焊接品質受電流、電壓、行走速度、電極及保護條件影響；操作不當易產生氣孔、夾渣或未熔合等缺陷。
• 電弧焊的適用材料仍取決於具體製程；不能把所有電弧焊都視為只能焊接金屬，例如特定材料也可採電弧方式接合。

三、摩擦焊接

核心觀念

點焊（電阻點焊，Resistance Spot Welding）是電阻焊的一種，常用於汽車車身鈑金的搭接接合。其核心是以電流通過重疊板材與接觸界面時產生的電阻熱，使接合處局部熔化，再由電極壓力使熔融金屬凝固成為熔核（weld nugget）。

點焊的發熱量可用焦耳熱關係式表示：

其中 $Q$ 為熱量、$I$ 為焊接電流、$R$ 為電阻、$t$ 為通電時間。實際焊接時，電流、通電時間、電極壓力、電極端面形狀及板材接觸狀況共同影響熔核大小與品質。

解題方法

本題可依序從「如何產生接合、為何適合機器人、是否形成 HAZ」三個角度作答。判斷 HAZ 時，須先區分熔核與 HAZ：熔核是達到熔化並凝固的區域；HAZ 則是未熔化、但受焊接熱循環影響而產生組織或性質變化的母材區域。

（一）點焊法之工作原理及方法

點焊通常用來接合兩片或多片重疊的薄板。焊接時，上、下銅合金電極夾住板材，先施加電極壓力使板材緊密接觸；接著通以大電流、短時間加熱。板材接合界面及其附近因電阻而迅速升溫，接合面局部達到熔化，形成熔融區。停止通電後，電極仍維持壓力，使熔融金屬在受壓狀態下冷卻凝固，形成圓形或近似橢圓形的熔核，完成單點接合。

典型循環可分為：

1. 加壓（squeeze）：電極夾緊重疊板材，建立穩定接觸。
2. 通電加熱（weld）：短時間通入大電流，利用電阻熱形成熔核。
3. 保壓冷卻（hold）：停止通電但維持壓力，使熔核凝固。
4. 電極移開：完成一個焊點，再移至下一位置重複焊接。

由於電阻熱與電流平方成正比，焊接電流對熱輸入特別敏感；電極壓力則影響接觸狀態與接觸電阻。壓力或焊接參數不適當，可能造成熔核不足、飛濺、壓痕過深或板材燒穿。

（二）點焊法適用於機械手臂進行汽車鈑金焊接的原因

點焊適合機械手臂自動化，原因如下：

• 焊接動作重複且容易程式化：機械手臂可依設定路徑將焊鉗移至各焊點，依序完成加壓、通電與保壓。