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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:徐大中
研究生(外文):Hsu, Da-Chung
論文名稱:Nd:YAG雷射銲接不銹鋼參數最佳化模式之探討
論文名稱(外文):Investigation on the Optimization Model Parameters basic on Nd:YAG Laser Welding Stainless Steel
指導教授:簡文通
指導教授(外文):Chien, Wen-Tung
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:121
中文關鍵詞:雷射銲接不銹鋼多重品質最佳化模式
外文關鍵詞:Laser WeldingStainless SteelMultiple Objective of QualityOptimized Model
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本研究是利用Nd:YAG 雷射對AISI304不銹鋼進行銲接,探討銲件之抗拉強度、銲道寬度及銲道凹陷量之特性,並建立多重品質目標之最佳化模式。研究流程可分成實驗步驟、單一品質特性及多重品質特性分析等階段。首先利用田口法直交表規劃實驗配置,選定尖峰功率、脈衝寬度、脈衝頻率、聚焦位置、氣體壓力及銲接速度等為雷射銲接條件。以抗拉強度、銲道寬度及銲道凹陷量等銲接品質為量測對象,並藉由田口法分別選定銲接品質為單一目標,求取在其最佳值時之銲接條件之組合。接著,利用田口法及灰關聯分析,找出同時考慮抗拉強度、銲道寬度和銲道凹陷量為多重目標之最佳銲接條件組合。結果顯示在個別單一目標之最佳銲接條件分析中,分別得到抗拉強度為工件材料強度的89%,銲道寬度為679微米,銲道凹陷量為63微米。在田口法多重目標之最佳銲接條件分析中,得到抗拉強度為工件材料強度的79%,銲道寬度為730微米和銲道凹陷量為49微米。當加入灰關聯之分析後,可得到直交表內灰關聯分析之抗拉強度為工件材料強度的63%,銲道寬度為630微米和銲道凹陷量為351微米;而在直交表外灰關聯分析之抗拉強度為原材強度的80%,銲道寬度為628微米和銲道凹陷量為23微米。其中,以直交表外灰關聯分析結果為最佳。同時可以推論此三種多重目標最佳化模式均可用做為雷射銲接相關研究的參考,提供雷射銲接加工相關產業之應用。
The purpose of this study is to investigate the characteristics of tensile strength, fusion width and weld under-cut in laser welding AISI304 stainless steel by Nd:YAG, and construct an optimized model for multiple quality objectives. Research procedure can be divided into experimental work, and analysis for single and multiple quality objectives. Firstly, a orthogonal array of Taguchi method is used to arrange experimental work. The laser welding parameters selected include peak power, impulse width, impulse frequency, focusing point, gas pressure and welding speed. The welding qualities of tensile strength, fusion width and weld under-cut are measured then, the optimum laser welding parameters for the single objective of welding qualities can be found by using Taguchi method, respectively. Furthermore, combining these three welding qualities as the multiple objectives to find the optimum laser welding parameters can be conducted by incorporating Taguchi method and grey relational analysis. The results of analysis show that the tensile strength is 89% of the raw material, fusion width is 679 micrometer and weld under-cut is 63 micrometer in the single objective analysis by using Taguchi method, respectively. The tensile strength is 79% of the raw material, fusion width is 730 micrometer and weld under-cut is 49 micrometer in the multiple objective by using Taguchi method. Finally, after introducing grey relational analysis, it can be found that the tensile strength is 63% of the raw material, fusion width is 630 micrometer and weld under-cut is 351 micrometer in the orthogonal array. The tensile strength is 80% of the raw material, fusion width is 628 micrometer and weld under-cut is 23 micrometer out of the orthogonal array, respectively. It can be seen that the last model can obtain the optimum results. Obviously, these three optimized models are good enough for the relational research in laser welding and can be used for practical applications in related industry.
中文摘要 ................................................................................................ I
英文摘要 ................................................................................................ II
誌謝 ............................................................................................ III
目錄 .......................................................................................................... IV
圖目錄 ......................................................................................................... IX
表目錄 ......................................................................................................... XIII
第一章 緒論 .............................................................................................. 1
1.1 前言 .................................................................................................. 1
1.2 文獻回顧 .......................................................................................... 2
1.2.1 雷射銲接 ................................................................................ 2
1.2.2 田口法 .................................................................................... 3
1.2.3 灰關聯分析 ............................................................................... 5
1.3 研究動機與目的 .............................................................................. 6
第二章 雷射銲接 ...................................................................................... 8
2.1 前言 .................................................................................................. 8
2.2 雷射原理 .......................................................................................... 8
2.2.1 雷射的由來 ............................................................................ 8
2.2.2 雷射產生之過程 .................................................................... 9
2.2.3 雷射光的特性及應用 .......................................................... 14
2.3 雷射銲接 …………………………………………………………. 14
2.3.1 雷射銲接原理 ……………………………………………... 16
2.3.2 Nd:YAG雷射銲接 ………………………..…………..… 18
2.3.3 雷射銲接加工條件之選擇 ………………………………... 19
第三章 田口法 …………………………………………………………. 22
3.1 前言 ………………………………………………………….…… 22
3.2 田口法原理 ………………………………………………………. 22
3.2.1 損失函數 …………………………………………………... 23
3.2.2 品質特性值的種類 ………………………………………... 24
3.2.3 直交表 ……………………………………………………... 26
3.3 最佳參數組合程序 ………………………………………………. 26
3.3.1 定義目標函數 ……………………………………………... 26
3.3.2 定義設計參數及水準表 …………………………………... 26
3.3.3 選擇直交表 ………………………………………………... 27
3.3.4 平均數分析 ………………………………………………... 27
3.3.5 兩階段最佳化 ..……………………………………………. 28
3.3.6 變異數分析 …………………...…………………………… 29
3.4 田口法的應用 ……………………………………………………. 32
第四章 灰關聯分析 ……………………………………………………. 33
4.1 前言………………………………………………………………... 33
4.2 灰色系統理論起源與本質 ………………………………………. 33
4.3 灰色系統理論應用現況 …………………………………………. 33
4.4 灰關聯理論分析………………………………………………….. 34
4.4.1 因子空間 …………………………………….……………... 34
4.4.2 建立序列之可比性 ………………………………………… 35
4.4.3 灰關聯度四大公理 ………………………………………… 36
4.4.4 灰關聯係數 ……………………………………………….... 36
4.4.5 辨識係數 ………………………………………………...… 37
4.4.6 灰關聯度 …………………………………………………... 37
4.4.7 熵測度-灰關聯度中權重因子之決定 ………….…………. 37
4.4.8 灰關聯序 …………………………………………………... 39
4.5 實驗設計 …………………………………………………………. 41
4.5.1 灰關聯分析應用於多重目標問題 ………………………... 41
4.5.2 定義多重目標函數 ………………………………………... 43
4.5.3 定義加工條件、水準值及直交表 ………………………… 43
4.5.4 直交表內及直交表外灰關聯分析 ………………………... 43
4.5.5 實驗數據生成及無因次化 ………………………………... 46
4.5.6 熵測度-灰關聯度之權重因子 ……………………………. 49
4.5.7 灰關聯分析 ………………………………………………... 50
第五章 實驗程序 ………………………………………………………. 51
5.1 實驗材料與設備 …………………………………………………. 51
5.2 實驗目的 …………………………………………………………. 59
5.3 實驗設計 …………………………………………………………. 60
5.4 實驗步驟 …………………………………………………………. 61
第六章 結果與討論 .................................…………...... 62
6.1 雷射銲接加工條件單一目標最佳化分析 …………………….… 62
6.1.1 單一目標抗拉強度最佳化 ………………………………... 62
6.1.2 單一目標銲道寬度最佳化 ………………………………... 65
6.1.3 單一目標銲道凹陷量最佳化 ……………………………... 67
6.2 田口法多重目標最佳化 ………………………………………… 69
6.3 變異數分析 ……………………………………………………… 72
6.3.1 單一目標抗拉強度變異數分析 …………………………… 72
6.3.2 單一目標銲道寬度變異數分析 …………………………… 73
6.3.3 單一目標銲道凹陷量變異數分析 ………………………… 74
6.3.4 田口法多重目標變異數分析 ……………………………… 76
6.4 灰關聯分析多重目標最佳化 …………………………………… 77
6.4.1 直交表內多重目標灰關聯分析 …………………………… 77
6.4.2 直交表外多重目標灰關聯分析 …………………………… 82
6.5 單一及多重目標最佳化之比較………………………………….. 89
6.6 重要因子對目標函數之影響 …………………………………… 89
6.6.1 銲接速度對抗拉強度之影響 ……………………………… 89
6.6.2 脈衝寬度對銲道寬度之影響 ……………………… 92
6.6.3 銲接速度對銲道凹陷量之影響 …………………… 94
6.6.4 銲接速度對多重目標之影響 ……………………… 96
第七章 結論與建議 ................................................................................. 100
7.1 結論 ................................................................................................. 100
7.2 建議 ................................................................................................. 102
參考文獻 ……………………………………………………………….... 103
符號索引 …………………………………………………….…………... 107
附錄A:加工條件之直交表與S/N值 ………………………………… 109
附錄B:實驗設備規格 …………………………………………………. 120
作者簡介 ……………………………………………………………….... 121
圖目錄
圖2-1 光子受激過程 ……………………………………………………… 11
圖2-2 釹離子所處能階變化示意圖 ……………………………………… 12
圖2-3 橢圓形聚光器之結構 ……………………………………………… 12
圖2-4 Nd:YAG雷射共振腔構造 ……………………………………….. 13
圖2-5 雷射輸出形態 …………………………………………………….... 13
圖2-6 雷射銲接狀態示意圖 ……………………………………………… 17
圖2-7 熔化銲接示意圖 …………………………………………………… 19
圖2-8 小孔銲接示意圖 …………………………………………………… 19
圖3-1 品質損失函數示意圖 ……………………………………………… 23
圖3-2 最佳參數組合程序流程圖 ………………………………………… 31
圖4-1 灰關聯分析流程圖 ………………………………………………… 40
圖4-2 多重目標最佳化分析流程圖 ……………………………………… 42
圖5-1 夾具之設計及銲接示意圖 ………………………………………… 52
圖5-2 夾具之加工完成圖 ………………………………………………… 52
圖5-3 標準抗拉試片 ……………………………………………………… 53
圖5-4 銲道寬度及銲道凹陷量使用之銲接試片 ………………………… 54
圖5-5 Nd:YAG雷射加工機 ………………………………………………. 55
圖5-6 雷射銲接加工系統示意圖 ……………………………………….... 56
圖5-7 工具顯微鏡 ……………………………………………………….... 56
圖5-8 銲道寬度及銲道凹陷量示意圖 …………………………………… 56
圖5-9 雷射銲接量測系統示意圖 ………………………………………… 57
圖5-10 銲道寬度及銲道凹陷量之量測示意圖 ………………………….. 57
圖5-11電腦式伺服控制材料試驗機 ……………………………………... 58
圖5-12 鑽石切割機 ……………………………………………………….. 58
圖5-13 試片熱鑲埋機 …………………………………………………….. 58
圖5-14 試片拋光機 ……………………………………………………….. 59
圖5-15 光學顯微鏡 ……..…..…………………………………………….. 59
圖6-1 抗拉強度S/N回應圖 ……………………………………………… 64
圖6-2 銲道寬度S/N回應圖 ……………………………………………… 66
圖6-3 銲道凹陷量S/N回應圖 …………………………………………… 68
圖6-4 最佳參數之銲道凹陷量圖 ………………………………………… 69
圖6-5 多重目標S/N回應圖 ……………………………………………… 71
圖6-6 多重目標銲道寬度及銲道凹陷量 ………………………………… 71
圖6-7 各序列之灰關聯度反應圖 ………………………………………… 78
圖6-8 直交表內灰關聯分析銲道寬度及銲道凹陷量 …………………… 79
圖6-9(a) 尖峰功率灰關聯度反應圖 ……………………………………... 85
圖6-9(b) 脈衝寬度灰關聯度反應圖 ……………………………………... 86
圖6-9(c) 脈衝頻率灰關聯度反應圖 ……………………………………... 86
圖6-9(d) 聚焦位置灰關聯度反應圖 ……………………………………... 87
圖6-9(e) 氣體壓力灰關聯度反應圖 ……………………………………... 87
圖6-9(f) 銲接速度灰關聯度反應圖 ……………………………………... 88
圖6-10 直交表外灰關聯分析銲道寬度及銲道凹陷量 …………………. 88
圖6-11 銲接速度與抗拉強度之關係 …………………………………….. 90
圖6-12(a) 銲接速度1.5mm/sec …………………………………………… 91
圖6-12(b) 銲接速度2.3mm/sec ……………………………….…………... 91
圖6-12(c) 銲接速度2.8mm/sec ………………………………….………... 91
圖6-12(d) 銲接速度3.7mm/sec …………………………….………….….. 91
圖6-12(e) 銲接速度4.5mm/sec ……………………….…………………... 91
圖6-12(f) 銲接速度5.7mm/sec ………………………………………….... 91
圖6-13 脈衝寬度與銲道寬度之關係 …………………………………….. 92
圖6-14(a) 脈衝寬度1.55ms …………………………………………….…. 93
圖6-14(b) 脈衝寬度1.65ms ………………………….…………………… 93
圖6-14(c) 脈衝寬度1.85ms ………………………………………………. 93
圖6-14(d) 脈衝寬度2.15ms ………………………………………………. 93
圖6-14(e) 脈衝寬度2.3ms ………………………………………………… 93
圖6-15 銲接速度與銲道凹陷量之關係 ………………………………….. 94
圖6-16(a) 銲接速度1.5 mm/sec …………………………………………... 95
圖6-16(b) 銲接速度2.3 mm/sec ………………………………………….. 95
圖6-16(c) 銲接速度2.8 mm/sec ………………………………………….. 95
圖6-16(d) 銲接速度3.7 mm/sec ………………………………………….. 95
圖6-16(e) 銲接速度4.5 mm/sec …………………………………………... 95
圖6-17 銲接速度與抗拉強度、銲道寬度之關係 ……………………….. 97
圖6.18 銲接速度與銲道寬度、銲道凹陷量之關係 ……………………… 97
圖6-19(a) 銲接速度1.5mm/sec …………………………………………… 98
圖6-19(b) 銲接速度2.3mm/sec …………………………………………… 98
圖6-19(c) 銲接速度2.8mm/sec …………………………………………… 98
圖6-19(d) 銲接速度3.7mm/sec …………………………………………… 98
圖6-19(e) 銲接速度4.5mm/sec …………………………………………… 99
圖6-19(f) 銲接速度5.7mm/sec …………………………………………… 99
表目錄
表2-1 雷射的分類………………………………………………………… 10
表2-2 YAG雷射與CO 雷射之比較 …………………………………….. 15
表2-3 雷射銲接與各種銲接之比較 …………………………………….. 16
表3-1 兩階段最佳化加工條件的分類 ………………………………….. 29
表4-1 直交表內灰關聯分析 …………………………………………….. 44
表4-2 直交表外灰關聯分析 …………………………………………….. 45
表4-3 直交表內無因次化後數據 ……………………………………….. 47
表4-4 直交表外無因次化後數據 ……………………………………….. 48
表4-5 直交表內灰關聯分析權重值 …………………………………….. 50
表4-6 直交表外灰關聯分析權重值 …………………………………….. 50
表5-1 AISI304不銹鋼成分 ………………………………………………. 51
表5-2 AISI304不銹鋼機械性質 …………………………………………. 51
表5-3 矩形拉伸試片規格 ……………………………………………….. 53
表5-4 實驗因子水準表 ………………………………………………….. 61
表6-1 抗拉強度品質特性回應表 ……………………………………….. 63
表6-2 抗拉強度S/N值回應表 ………………………………………….. 63
表6-3 加工條件兩階段最佳化的分類 ………………………………….. 65
表6-4 銲道寬度品質特性回應表 ……………………………………….. 65
表6-5 銲道寬度S/N回應表 …………………………………………….. 66
表6-6 加工條件兩階段最佳化的分類 ………………………………….. 67
表6-7 銲道凹陷量品質特性回應表 …………………………………….. 68
表6-8 銲道凹陷量S/N回應表 ………………………………………….. 68
表6-9 多重目標S/N乘上權重值再相加 …………………….…………. 70
表6-10 多重目標S/N回應表 …………………………………………… 71
表6-11 銲接後抗拉強度S/N值第一次統合誤差 ……………………… 72
表6-12 銲接後抗拉強度S/N值第二次統合誤差 ……………………… 72
表6-13 銲接後抗拉強度S/N值第三次統合誤差 ………………………. 73
表6-14 銲道寬度之S/N比第一次誤差統合 …………………………… 73
表6-15 銲道寬度之S/N比第二次誤差統合 …………………………… 74
表6-16 銲道寬度之S/N比第三次誤差統合 …………………………… 74
表6-17 銲道凹陷量之S/N比第一次誤差統合 ………………………… 75
表6-18 銲道凹陷量之S/N比第二次誤差統合 ………………………… 75
表6-19 銲道凹陷量之S/N比第三次誤差統合 ………………………… 75
表6-20 田口法多重目標S/N比第一次誤差統合 ……………………… 76
表6-21 田口法多重目標S/N比第二次誤差統合 ……………………… 76
表6-22 田口法多重目標S/N比第三次誤差統合 ……………………… 77
表6-23 屬性因子之差序列值 ….………………………………………... 80
表6-24 比較序列之灰關聯係數 ……………………………..………….. 81
表6-25 各序列之灰關聯度及灰關聯序 ………………………………… 82
表6-26 屬性因子之差序列值 …………………………………….……... 84
表6-27屬性因子之灰關聯係數值 ………………………………..……… 85
表6-28(a) 尖峰功率各水準值之灰關聯度 ……………….……..………. 85
表6-28(b) 脈衝寬度各水準值之灰關聯度 ……………………...………. 86
表6-28(c) 脈衝頻率各水準值之灰關聯度 ……………………..….……. 86
表6-28(d) 聚焦位置各水準值之灰關聯度 …………………….…..……. 87
表6-28(e) 氣體壓力各水準值之灰關聯度 ………………….….….……. 87
表6-28(f) 銲接速度各水準值之灰關聯度 ……………………..……….. 88
表6-29 單一目標與目標函數之比較…………………………………….. 89
表6-30 多重目標與目標函數之比較…………………………………….. 89
表6-31 銲接速度對抗拉強度之影響實驗因子配置表 ………………… 90
表6-32 脈衝頻率對銲道寬度之影響實驗因子配置表 ………………… 92
表6-33 銲接速度對銲道凹陷量之影響實驗因子配置表 ……………… 94
表6-34 銲接速度對多重目標之影響實驗因子配置表 ………………… 96
表6-35 抗拉強度、銲道寬度、銲道凹陷量量測值 …………………… 97
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[43] Tzeng Y. F., 2000, “Effect of operating parameters on surfacee quality for the pulsed laser welding of zinc-coated steel,” Journal of Materials Processing Technology, Vol. 100, pp. 163-170.
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[45] William M. S., 2001, Laser Material Processing 2nd Edition, Springer-Verlag London.
[46] Yang Z. M., and Lee G. S., 1999, “Neural Network Design by Using Taguchi Method,” Journal of Dynamic System, Measurement, And Control, Vol. 121, pp. 560-563.
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2. [15] 紀勝財、徐立章,2001,「模糊多重品質特性田口實驗設計法之建立與電漿電弧銲接之應用」,工業工程學刊,第十八卷,第四期,第97-110頁。
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8. [21] 陳天青,1998,雷射顯微接合技術,機械月刊,第二十四卷,第八期,第279-284頁。
9. [23] 莊裕仁,2000,「雷射銲接之原理與應用」,機械技術雜誌,台北,第82-89頁。
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11. [27] 蕭玉祥,2000,「認識不銹鋼」,科學月刊,第三十一卷,第三期,第198-204頁。