114 公務人員升官等薦任 機械工程 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

MIG 與 TIG 都是以電弧熱熔化母材的熔焊法，差別主要在電極種類、填料金屬供給方式、保護氣體、操作方式與適用情形。

• MIG：使用連續送進的消耗性金屬焊線作為電極，焊線熔化後同時提供填料金屬；以惰性氣體保護電弧與熔池。
• TIG：使用不熔化的鎢電極產生電弧；填料金屬通常由焊工另行添加，也可不加焊條直接熔接母材；以惰性氣體保護電弧與熔池。

題目要求「繪圖條列」，答題時宜先畫出兩種焊接的基本構造，再用表格整理異同。

解題方法：基本構造圖

MIG（金屬惰性氣體電弧焊）

 保護氣體
 ↓↓↓↓↓↓↓↓↓
送線輪 ── 焊線（消耗性電極）
 ↓
 電弧 ⚡
母材 ───────── 熔池 ───────── 母材

焊線由送線機構連續送進，兼作電極與填料金屬；保護氣體由焊槍噴嘴送出。

TIG（鎢極惰性氣體電弧焊）

 保護氣體
 ↓↓↓↓↓↓↓↓↓
焊槍 ── 鎢電極（不熔化）
 ⚡ 電弧
填料焊條 ↘ 熔池
母材 ──────────────── 母材

鎢電極負責產生電弧，通常不熔化；需要填料金屬時，由焊工另行送入焊條。

MIG 與 TIG 的差異

核心觀念

車削時，工件旋轉，單點刀具沿工件軸向進給，逐層切除材料。題目考查三個主要切削參數的意義，以及如何用它們計算材料移除率（MRR）。

• 切削深度 $d$（depth of cut）：工件表面到切削後表面的徑向距離。若車削前後直徑分別為 $D_0$、$D_f$，則 $d=\frac{D_0-D_f}{2}.$
• 進給 $f$（feed）：工件每旋轉一周，刀具沿工件軸向前進的距離，常用單位為 $\mathrm{mm/rev}$。
• 主軸轉速 $N$（spindle rotational speed）：工件每分鐘旋轉的圈數，常用單位為 $\mathrm{rev/min}$ 或 $\mathrm{rpm}$。

車削的切削速度為 $V=\pi DN$。當切削深度相對工件直徑很小，常用下式估算材料移除率：

其中 $D$ 為切削處的工件直徑，使用此近似式時通常取切削前直徑或平均直徑；所得單位為 $\mathrm{mm^3/min}$。

三個參數示意

側視圖（工件軸線方向水平）

工件旋轉方向：↻
 ┌──────────────────────────────┐ 切削前表面
 │ │
 └──────────────────────────────┘
 ↑ d：徑向切削深度
 │
刀具進給方向：→ f（每轉進給量）
 ────────────▲────────────────── 切削後表面
 刀具

端視圖（垂直於工件軸線）

 工件外圓
 ┌─────────┐
 │ ●────┼──→ 刀具切入
 └─────────┘
 ↻ N：主軸每分鐘轉數

進給 $f$ 描述刀具沿工件長度方向移動的量；切削深度 $d$ 描述刀具切入工件的徑向距離；主軸轉速 $N$ 描述工件旋轉的快慢。

解題方法與計算

題目給定長度 $150\ \mathrm{mm}$、切削前直徑 $12.5\ \mathrm{mm}$、切削後直徑 $12.0\ \mathrm{mm}$、主軸轉速 $400\ \mathrm{rpm}$、進給 $0.25\ \mathrm{mm/rev}$，另稱切削深度為 $0.5\ \mathrm{mm}$。

先檢查直徑變化與切削深度是否一致：

因此，依車削切削深度的徑向定義，直徑資料對應的切削深度是 $0.25\ \mathrm{mm}$，與題目另列的 $0.5\ \mathrm{mm}$ 不一致。以直徑資料計算實際材料移除量時，可用環形截面面積乘上軸向進給速率：

核心觀念

本題考查純金屬與合金的凝固方式、冷卻曲線與二元相圖的對應關係，以及凝固後晶粒組織的差異。作答時須把「冷卻曲線上的溫度變化」與「相圖中的相變溫度範圍」相互對照。

• 純金屬在定壓下於固定熔點凝固。液相轉為固相時釋放潛熱，溫度暫時維持不變，因此冷卻曲線出現水平停滯段。
• 一般合金在液相線與固相線之間的凝固範圍內，液相與固相共存。冷卻時固相比例逐漸增加，溫度仍持續下降，因此冷卻曲線通常沒有水平停滯段。
• 凝固後的典型晶粒圖樣可比較為：純金屬形成成分均一的晶粒；一般合金在凝固範圍內形成枝晶，枝晶臂間的溶質分布與成分偏析較明顯。

解題方法

先畫冷卻曲線，再在相圖上標示相變溫度或凝固範圍，最後畫出凝固組織。相圖採最常見的二元等溶解度示意型，縱軸為溫度 $T$、橫軸為成分 $C$；合金的合金端成分標在液相線與固相線之間，以呈現液相與固相共存的凝固區間。

一、純金屬的冷卻曲線與相圖

溫度 T
 ↑
 │\
 │ \ 液體冷卻
Tm│ ──────────── 凝固停滯：液體 → 固體，釋放潛熱
 │ \
 │ \ 固體冷卻
 └────────────────────→ 時間 t

純金屬冷卻至熔點 $T_m$ 後開始凝固。凝固期間，液相與固相共存，放出的潛熱抵銷散失的熱量，使溫度維持在 $T_m$；全部凝固後，固體溫度才繼續下降。

溫度 T
 ↑
 │ 液相 L
 │ │
Tm│──────────────●────────────── 純金屬熔點
 │ │
 │ 固相 α
 └──────────────┼──────────────→ 成分 C
 純金屬成分

純金屬的相變發生在單一溫度；在相圖上可用該純成分的熔點表示。冷卻曲線上的水平停滯段，對應於這個固定熔點。

二、合金的冷卻曲線與相圖

溫度 T
 ↑
 │\
 │ \ 液體冷卻
TL│ ● 開始凝固
 │ \
 │ \ 液體 + 固體共存；固相比例增加
TS│ ● 凝固完成
 │ \
 │ \ 固體冷卻
 └────────────────────→ 時間 t

一般合金由液態冷卻至液相線溫度 $T_L$ 時開始析出固相；降至固相線溫度 $T_S$ 時凝固完成。

核心觀念

本題在考固態接合的兩種工業製程：超音波焊接與摩擦攪拌焊接。兩者均在材料不熔化的條件下，藉由界面受壓與相對運動，使接合面產生塑性變形、破除表面氧化膜並形成金屬結合；主要差異在於能量輸入方式、工具運動形式，以及適用的接合型態。

• 超音波焊接（Ultrasonic welding, USW）：以加壓下的高頻、低振幅相對振動，使搭接界面摩擦與塑性變形，形成固態接合。
• 摩擦攪拌焊接（Friction stir welding, FSW）：旋轉工具的軸肩與攪拌針壓入接縫，工具沿接縫移動；摩擦熱與材料攪拌使接合區軟化並產生塑性流動，冷卻後形成接合。材料不熔化。

解題方法與示意圖

作答時可從「工具如何運動、能量如何輸入、工件如何接合」三點比較，再各列三項會直接影響接合品質的製程參數。以下示意圖需標出工具、工件、施力或行進方向，以及接合界面。

1. 超音波焊接

 高頻振動 →
 ┌────────────┐
 │ 超音波焊頭 │
 └─────┬──────┘
 ↓ 加壓力
 ────────────┼──────────── 上片
 ⇆ 相對振動
 ───────────────────────── 下片
 接合界面

焊頭對工件施加法向壓力，並沿接合面方向作高頻、低振幅振動。界面氧化膜與污染層受到破除，接觸區產生局部塑性變形及原子尺度接觸，因而形成接合。典型配置為薄片或箔材的搭接接合。

主要製程控制參數（列舉三項）：

1. 振動振幅：影響界面相對滑動與能量輸入；振幅不足會使接合不良，過大則可能造成表面損傷或工件變形。
2. 焊接壓力（焊頭法向力）：決定界面接觸狀況及塑性變形程度；壓力須與振幅及焊接時間配合。
3. 焊接時間：控制振動作用與累積能量；時間不足會造成接合不足，過長則可能導致材料過度變形或接合區受損。

2. 摩擦攪拌焊接