臺灣博碩士論文加值系統

在新世代的科技產品上，全球逐漸興起省能源化、環保可回收的潮流，而輕金屬已成為各產業界的應用。以一般結構材的觀點，鋁、鎂、鈦合金是最為常見的輕金屬，這三種輕金屬也廣泛應用於汽車、航空與3C資訊產品等工業上。近年來，新崛起材料發泡金屬是最具發展的結構，特別是以發泡鋁最為普遍，而銅、鎳、鋼與鈦發泡金屬仍為發展狀態中。
由於發泡鋁為低熔點(約750℃)材料，不容易有效銲接，因此本實驗將發泡鋁填充於SS400低碳鋼圓管中，增加它的可銲性，也可同時探討SS400低碳鋼管內覆發泡鋁材料銲接後機械性質的影響。本研究將嘗試利用兩種不同的銲接模式對SS400低碳鋼管內覆發泡鋁材料進行研究。
首先，建立電漿銲接與混合銲接進行銲接的試驗，再探討此兩種銲接後品質特性的差異。最後再利用田口主成份分析法、田口主成份結合模糊理論分析法，針對SS400內覆發泡鋁銲道的彎曲強度、抗壓強度與銲道微硬度品質特性，開發單一脈衝式電漿銲接與脈衝式CO2雷射搭配TIG電弧混合對銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁多重品質特性最佳化製程技術。

In the new generation of technology products, the gradual rise of the world''s energy efficient technology,
environmental protection and recycling trends. The light metal has become an industry application. The views of the general structure of materials, aluminum, magnesium and titanium is the most common light metal, and these three light metal is also widely used in automotive, aerospace and information products, such as 3C industries. In recent years, emerging materials of metal foam is the most developed structure, especially the most common foamed aluminum. But copper, nickel, steel and titanium foam metal is still the development of state.
As the foamed aluminum for low melting point (about 750℃) Materials, welding is not easy to effectively. Therefore, this experiment will filled foamed aluminum tube on SS400 low carbon steel and increase its weld ability. As the same research SS400 carbon steel pipe welded with foamed aluminum mechanical properties. This study will attempt to use two different pairs of SS400 carbon steel pipe welded with foamed aluminum welding patterns within the study.
First, the establishment of plasma welding and hybrid welding test, and examine the characteristics of these two differences in the quality of welding. Finally, the study employs Taguchi methods coupled with principal component analysis, fuzzy-based Taguchi-PCA to develop the multiple quality characteristics process optimization of pulsed plasma welding and pulsed CO2 laser-TIG arc hybrid welding of SS400 carbon steel pipe welded with foamed aluminum.

目錄
摘要I
誌謝IV
圖目錄X
表目錄XIV
第1章 緒論1
1.1 研究背景1
1.2 研究動機1
1.3 研究目的2
1.4 文獻回顧2
1.5 穩健設計參數最佳化3
1.6 論文架構4
第2章 實驗方法與設備5
2.1 雷射銲接法(LBW)5
2.1.1 雷射銲接簡介[2.1]5
2.1.2 雷射銲接原理6
2.1.3 CO2雷射銲接主要參數7
2.1.4 保護氣體種類之影響9
2.1.5 雷射銲接的優點[2.6][2.7]：10
2.1.6 混合銲接的原理10
2.2 TIG電弧銲接法10
2.2.1 TIG電弧銲接簡介10
2.2.2 TIG電弧銲接原理11
2.2.3 交流極性(AC)12
2.2.4 TIG電弧銲接參數12
2.2.5 TIG電弧銲接的優點[2.1]17
2.3 電漿電弧銲接法(PAW)18
2.3.1 電漿銲接簡介18
2.3.2 電漿銲接原理19
2.3.3 輸出波形19
2.3.4 電漿氣體20
2.3.5 電漿電弧銲接的優點[2.18]：20
2.4 田口穩健設計21
2.5 主成分分析法22
2.6 模糊邏輯理論23
2.7 實驗用夾具25
2.8 實驗設備26
2.8.1 雷射加工機26
2.8.2 TIG電弧銲接機26
2.8.3 電漿電弧銲接機26
2.8.4 金相鑲埋成型機27
2.8.5 拋光研磨機27
2.8.6 微硬度測試機28
2.8.7 萬能試驗機29
2.8.8 示波器29
2.8.9 電流放大器與電流探棒30
第3章 實驗材料與討論32
3.1 實驗材料32
3.1.1 發泡鋁金屬簡介32
3.1.2 發泡鋁金屬之基本型態[3.3]32
3.1.3 發泡鋁金屬的製程33
3.1.4 發泡鋁金屬的特性[3.8]34
3.1.5 SS400低碳鋼內覆發泡鋁35
3.2 單一脈衝式電漿電弧銲接與脈衝式CO2雷射搭配TIG電弧銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁機制36
3.2.1 單一脈衝式電漿電弧銲接加工機制36
3.2.2 脈衝式CO2雷射搭配TIG電弧混合銲接加工機制37
3.3 CO2雷射脈衝輸出加工參數之控制38
3.4 實驗參數設計40
3.4.1 脈衝式電漿電弧加工參數設計之量測40
3.4.2 TIG電弧加工參數設計之量測44
3.5 實驗綜合討論47
3.5.1 單一脈衝式電漿與脈衝式CO2雷射搭配TIG混合銲接的彎曲強度、抗壓強度與銲道微硬度之比較47
3.5.2 最佳化脈衝式電漿電弧與脈衝CO2雷射搭配TIG電弧銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁微觀金相組織觀察50
3.5.3 SS400低碳鋼管內覆發泡鋁銲接之抗壓試驗發泡鋁能量吸收狀態52
3.5.4 SS400碳鋼管內覆發泡鋁掃描式電子顯微鏡(SEM)組織觀測圖55
第4章 應用田口主成份於脈衝式電漿銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁製程技術最佳化研究58
4.1 前言58
4.2 實驗材料與方法60
4.2.1 實驗材料60
4.2.2 實驗方法61
4.2.3 實驗參數設計62
4.3 實驗步驟63
4.3.1 田口方法63
4.3.2 主成分分析法63
4.4 實驗流程65
4.5 實驗結果與分析66
4.5.1 建立主成份分析的架構66
4.5.2 輸入因子變數正規化66
4.5.3 多重品質主成份分析67
4.5.4 變異數分析70
4.5.5 最佳化製程表現之預測71
4.5.6 確認實驗71
4.6 結論73
第5章 應用田口主成份結合模糊分析法於脈衝式電漿銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁製程技術最佳化研究75
5.1 前言75
5.2 實驗材料與方法77
5.2.1 實驗材料77
5.2.2 實驗方法78
5.2.3 實驗參數設計79
5.3 實驗步驟80
5.3.1 田口方法80
5.3.2 主成分分析法80
5.3.3 模糊邏輯理論82
5.4 實驗流程84
5.5 實驗結果與分析85
5.5.1 建立主成份分析架構85
5.5.2 輸入因子變數正規化85
5.5.3 多重品質主成份分析86
5.5.4 模糊邏輯之多重品質特性88
5.5.5 輸入變數正規化89
5.5.6 模糊化介面89
5.5.7 模糊規則庫的建立90
5.5.8 變異數分析92
5.5.9 最佳化製成表現之預測93
5.5.10 確認實驗94
5.6 結論96
第6章 應用田口主成份於脈衝式CO2雷射搭配TIG電弧混合銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁製程技術最佳化研究97
6.1 前言98
6.2 實驗材料與方法99
6.2.1 實驗材料99
6.2.2 實驗方法100
6.2.3 實驗參數設計101
6.3 實驗步驟102
6.3.1 田口方法102
6.3.2 主成分分析法102
6.4 實驗流程104
6.5 實驗結果與分析104
6.5.1 建立主成份分析的架構104
6.5.2 輸入因子變數正規化105
6.5.3 多重品質主成份分析106
6.5.4 變異數分析109
6.5.5 最佳化製程表現之預測110
6.5.6 確認實驗111
6.6 結論113
第7章 應用田口主成份結合模糊分析法於脈衝式CO2雷射搭配TIG電弧混合銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁製程技術最佳化研究115
7.1 前言115
7.2 實驗材料與方法117
7.2.1 實驗材料117
7.2.2 實驗方法118
7.2.3 實驗參數設計119
7.3 實驗步驟120
7.3.1 田口方法120
7.3.2 主成分分析法121
7.3.3 模糊邏輯理論122
7.4 實驗流程124
7.5 實驗結果與分析125
7.5.1 建立主成份分析架構125
7.5.2 輸入因子變數正規化125
7.5.3 多重品質主成份分析126
7.5.4 模糊邏輯之多重品質特性128
7.5.5 輸入變數正規化129
7.5.6 模糊化介面129
7.5.7 模糊規則庫的建立130
7.5.8 變異數分析132
7.5.9 最佳化製成表現之預測133
7.5.10 確認實驗134
7.6 結論136
參考文獻138

圖目錄
圖2.1 CO2雷射的主要結構示意圖[2.1] 6
圖2.2 CO2雷射的輸出結構示意圖[2.2] 6
圖2.3能量密度在單位時間下雷射加工範圍的關係[2.3] 6
圖2.4為雷射銲接綜合參數[2.4] 7
圖2.5雷射功率輸出波形示意圖[2.5] 8
圖2.6 (a)銲道熔渣噴濺形成機制 (b)遮蔽氣體保護模式 9
圖2.7定電流式銲機之電流-電壓特性曲線[2.8] 13
圖2.8 TIG脈衝式輸出波形示意圖[2.11] 13
圖2.9銲槍工作角度示意圖 15
圖2.10陶瓷噴嘴種類與編號 15
圖2.11電漿電弧銲接之示意圖 19
圖2.12脈衝式電漿輸出波形示意圖 20
圖2.13座標系統 22
圖2.14模糊推論基本架構[2.22] 24
圖2.15具有雙輸入、單輸出之模糊邏輯 24
圖2.16模糊推論過程 25
圖2.17 CNC-101R電腦數控分度盤 25
圖2.18 PRC 2200W CO2 Laser 26
圖2.19 AC/DC 300GP TIG電弧銲接機 26
圖2.20電漿電弧銲接機與順序控制器 27
圖2.21 DMP-20N金相鑲埋成型機 27
圖2.22STM-900拋光研磨機 27
圖2.23 TNP-200F-1拋光研磨機 28
圖2.24維克氏硬度測試機 28
圖2.25 UMH-50萬能試驗機 29
圖2.26 TDS-2012示波器 30
圖2.27 TCPA 300電流放大器與TCP 303電流探棒 31

圖3.1 Foam samples: (a) 開孔型(OC)結構 by M-PORE (investment casting)；(b) 閉孔型發泡鋁矽材料(CCA)結構by CYMAT (melt gas injection)；(c) 閉孔型發泡鋁材料(CC)結構 by SCHUNK (powder metallurgy) 33
圖3.2 CYMAT製程 34
圖3.3 ALPORAS製程 34
圖3.4製作超輕量結構金屬之粉末冶金製程 34
圖3.5預發泡材放入鋼管爐內加熱發泡情形觀察 35
圖3.6 SS400低碳鋼管內覆發泡鋁成形圖 35
圖3.7 SS400低碳鋼管內覆發泡鋁結構圖 35
圖3.8電漿電弧銲接實際照片圖 36
圖3.9電漿電弧銲接之交流脈衝輸出模式 36
圖3.10脈衝式CO2雷射搭配TIG電弧混合疊銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁實驗設計示意圖 38
圖3.11脈衝式CO2雷射搭配TIG電弧混合銲接實際照片圖 38
圖3.12 CO2雷射之各種功率輸出模式[3.10] 39
圖3.13 CO2雷射光與加工件交互作用時間 39
圖3.14基本電流值10A、脈衝電流值80A、頻率100Hz、脈衝寬度50%量測圖 41
圖3.15基本電流值20A、脈衝電流值90A、頻率100Hz、脈衝寬度50%量測圖 43
圖3.16基本電流值30A、脈衝電流值100A、頻率100Hz、脈衝寬度50%量測圖 44
圖3.17 TIG電流設定50 A，實際量測的平均電流(Ch1)與平均電壓(Ch2)訊號圖 45
圖3.18 TIG電流設定65 A，實際量測的平均電流(Ch1)與平均電壓(Ch2)訊號圖 45
圖3.19 TIG電流設定80 A，實際量測的平均電流(Ch1)與平均電壓(Ch2)訊號圖 46
圖3.20脈衝式電漿與脈衝式CO2雷射搭配TIG混合銲接彎曲強度之關係 49
圖3.21 脈衝式電漿與脈衝式CO2雷射搭配TIG混合銲接抗壓強度之關係 49
圖3.22脈衝式電漿與脈衝式CO2雷射搭配TIG混合銲接銲道微硬度之關係 49
圖3.23最佳化脈衝式電漿銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁銲道宏觀組織形態(50X)與各部位的微觀金相組織圖(500X) 51
圖3.24最佳化脈衝式混合銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁銲道宏觀組織形態(50X)與各部位的微觀金相組織圖(500X) 52
圖3.25 SS400低碳鋼管內覆發泡鋁銲接前抗壓試驗 53
圖3.26最佳化電漿銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁抗壓試驗圖 54
圖3.27最佳化混合銲接SS400低碳鋼管內覆發泡鋁抗壓試驗圖 55
圖3.28電漿銲接SS400碳鋼管內覆發泡鋁銲道正下方左側SEM顯微組織(200X) 56
圖3.29銲道正下方左側顯微組織(4000X) 56
圖3.30 銲道正下方左側Line-Scan分析 57

圖4.1 SS400低碳鋼管內覆發泡鋁材料 61
圖4.2銲接完成之管材 61
圖4.3由銲道位置進行抗彎曲強度測試 62
圖4.4抗壓縮強度測試 62
圖4.5座標系統 64
圖4.6實驗流程圖 65
圖4.7主成份總得點MPCI之回應圖 70
圖4.8初始與最佳條件彎曲檢測實驗後之試片比較圖 73
圖4.9初始與最佳條件抗壓檢測實驗後之試片比較圖 73

圖5.1 SS400低碳鋼管內覆發泡鋁材料 78
圖5.2銲接完成之管材 79
圖5.3由銲道位置進行抗彎曲強度測試 79
圖5.4抗壓縮強度測試 79
圖5.5座標系統 81
圖5.6模糊推論基本架構[5.10] 82
圖5.7具有雙輸入、單輸出之模糊邏輯 83
圖5.8模糊推論過程 84
圖5.9實驗流程圖 84
圖5.10輸入變數Y1、Y2及Y3歸屬函 89
圖5.11輸出變數MPCIs及MPCIs1歸屬函數圖 90
圖5.12主成份總得點MPCIs1之回應圖 92
圖5.13初始與最佳條件彎曲檢測實驗後之試片比較圖 95
圖5.14初始與最佳條件抗壓檢測實驗後之試片比較圖 96

圖6.1 SS400低碳鋼管內覆發泡鋁材料 100
圖6.2銲接完成之管材 101
圖6.3由銲道位置進行抗彎曲強度測試 101
圖6.4抗壓縮強度測試 101
圖6.5座標系統 103
圖6.6實驗流程圖 104
圖6.7主成份總得點MPCI之回應圖 109
圖6.8初始與最佳條件彎曲檢測實驗後之試片比較圖 112
圖6.9初始與最佳條件抗壓檢測實驗後之試片比較圖 113

圖7.1 SS400低碳鋼管內覆發泡鋁材料 118
圖7.2銲接完成之管材 119
圖7.3由銲道位置進行抗彎曲強度測試 119
圖7.4抗壓縮強度測試 119
圖7.5座標系統 121
圖7.6模糊推論基本架構[7.10] 122
圖7.7具有雙輸入、單輸出之模糊邏輯 123
圖7.8模糊推論過程 124
圖7.9實驗流程圖 124
圖7.10輸入變數Y1、Y2及Y3歸屬函 130
圖7.11輸出變數MPCIs及MPCIs1歸屬函數圖 130
圖7.12主成份總得點MPCIs1之回應圖 133
圖7.13初始與最佳條件彎曲檢測實驗後之試片比較圖 135
圖7.14初始與最佳條件抗壓檢測實驗後之試片比較圖 136

表2.1 TIG電弧銲接極性之電流種類特性[2.10] 11
表2.2鎢電極選用指南[2.12] 14
表2.3保護氣體選用指南[2.12] 17
表2.4 TDS-2012示波器規格 29
表2.5 TCPA 300電流放大器與TCP 303電流探棒規格 30

表3.1基本電流10A、脈衝電流80A、頻率100、脈衝寬度50%所計算 40
表3.2基本電流20A、脈衝電流90A、頻率100、脈衝寬度50%所計算 42
表3.3基本電流30A、脈衝電流100A、頻率100、脈衝寬度50%所計算 43
表3.4電流設定50A時，量測的加工參數與所計算的平均功率 45
表3.5電流設定65A時，量測的加工參數與所計算的平均功率 46
表3.6電流設定80A時，量測的加工參數與所計算的平均功率 46
表3.7 TIG銲接實際量測平均電壓、平均電流與平均功率 46
表3.8電漿銲接實驗控制因子與水準值 48
表3.9混合銲接實驗控制因子與水準值 48
表3.10 L18直交表實驗參數設計 48

表4.1 SS400低碳鋼之化學成份 60
表4.2發泡鋁之化學成份 61
表4.3實驗參數控制因子與水準值 63
表4.4三種品質特性量測與效果評估結果 66
表4.5品質特性之正規化表 67
表4.6多重品質特性之相關係數矩陣 68
表4.7主成份特徵值與變異解釋力分析 68
表4.8主成份權重係數矩陣 68
表4.9主成份得點 69
表4.10主成份總得點MPCI之回應表 70
表4.11主成份總得點MPCI之變異數分析 71
表4.12初始參數和多重品質特性最佳參數比較 72

表5.1 SS400低碳鋼之化學成份 78
表5.2發泡鋁之化學成份 78
表5.3實驗參數控制因子與水準值 80
表5.4三種品質特性量測與效果評估 85
表5.5品質特性之正規化表 86
表5.6多重品質特性之相關係數矩陣 87
表5.7主成份特徵值與變異解釋力分析 87
表5.8主成份權重係數矩陣 87
表5.9主成份得點 88
表5.10模糊邏輯單元一規則表 90
表5.11模糊邏輯單元二規則表 91
表5.12模糊推論結果表 91
表5.13主成份總得點MPCIs1之回應表 92
表5.14主成份總得點MPCIs1之變異數分析 93
表5.15初始參數組合與最佳化參數組合銲接效果比較 94

表6.1 SS400低碳鋼之化學成份 100
表6.2發泡鋁之化學成份 100
表6.3實驗參數控制因子與水準值 102
表6.4三種品質特性量測與效果評估結果 105
表6.5品質特性之正規化表 106
表6.6多重品質特性之相關係數矩陣 107
表6.7主成份特徵值與變異解釋力分析 107
表6.8主成份權重係數矩陣 107
表6.9主成份得點 108
表6.10主成份總得點MPCI之回應表 109
表6.11主成份總得點MPCI之變異數分析 110
表6.12初始參數和多重品質特性最佳參數比較 111

表7.1 SS400低碳鋼之化學成份 118
表7.2發泡鋁之化學成份 118
表7.3實驗參數控制因子與水準值 120
表7.4三種品質特性量測與效果評估 125
表7.5品質特性之正規化表 126
表7.6多重品質特性之相關係數矩陣 127
表7.7主成份特徵值與變異解釋力分析 127
表7.8主成份權重係數矩陣 127
表7.9主成份得點 128
表7.10模糊邏輯單元一規則表 131
表7.11模糊邏輯單元二規則表 131
表7.12模糊推論結果表 131
表7.13主成份總得點MPCIs1之回應表 132
表7.14主成份總得點MPCIs1之變異數分析 133
表7.15初始參數組合與最佳化參數組合銲接效果比較 134

第1章
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