臺灣博碩士論文加值系統

　　本研究運用田口方法尋找影響氣體鎢極電弧銲接製程參數之最佳組合，運用L16 直交表研究四個控制因子與水準，配合訊號雜訊比值及變異數分析理論進行分析，並以銲接最大熔透深度與最小熔融面積為品質特性。影響銲接品質的重要參數選定銲接電流、銲接速度、鎢棒角度及電弧長度，經由分析後得知，銲接電流與銲接速度影響銲道幾何形狀之品質特性甚大，所求得之最適條件經由確認實驗來驗證其再現性，其訊號雜訊比皆落在95％信賴區間。之後以獲得之最佳參數來探討助銲劑對構造用合金鋼銲接特性之影響，實驗結果顯示酸性助銲劑能有效地提高銲道熔透深度，甚至可達全熔透狀態。在金相組織分析中，母材的顯微結構為肥粒鐵與波來鐵，而銲道金屬則為麻田散鐵與變韌鐵混合組織，由於兩者顯微結構的差異性導致其微硬度值也產生明顯的變化。

　In this study, the Taguchi method was used to find the optimal process parameters for gas tungsten arc welding. A 4-factor 4-level (L16) orthogonal array, the signal-to-noise ratio, and analysis of variance were employed to study the weld penetration and bead area in welding of structural alloy steel. Four welding process parameters namely, welding current, welding speed, electrode tip angle and arc length, are optimized with the objective of producing welded joint with higher penetration and minimum bead area. The welding current and the welding speed were the major parameters that influence the weld bead geometry. Besides, a confirmation test was conducted subsequently, and the results were found to be within the 95% confidence interval. The optimum conditions were determined, and then effect of flux on the weld peculiarities of structural alloy steel was evaluated. The results showed that the acidic fluxes increased the weld penetration effectively and some of fluxes were enough to obtain full penetration welds. Optical microscopy revealed that the matrix microstructure of the base metal was ferrite and pearlite, while the microstructure of the weld metal was bainite and martensite. Because of different microstructures, the hardness of the weld metal was significantly different from that of the base metal.

目 錄
中文摘要 ……………………………………………………………………… i
英文摘要 ……………………………………………………………………… ii
誌 謝 …………………………………………………………………… iii
目 錄 …………………………………………………………………… iv
表 目 錄 …………………………………………………………………… vii
圖 目 錄 ……………………………………………………………………viii
第一章 緒論 ………………………………………………………………… 1
1.1 研究背景與動機 ……………………………………………………1
1.2 研究方法與目的…………………………………………………… 2
第二章 文獻回顧 …………………………………………………………… 3
2.1 構造用合金鋼 ……………………………………………………… 3
2.1.1 合金鋼的類別 ………………………………………… 3
2.1.2 構造用合金鋼的特性 ……………………………… 4
2.1.3 構造用合金鋼之分類 ……………………………… 7
2.2 銲接電弧之基本原理 …………………………………………… 9
2.2.1 材料銲接電弧之結構 ……………………………………… 9
2.2.2 電壓－電流之靜特性 ……………………………………… 10
2.3 惰性氣體鎢極電弧銲 …………………………………………… 12
2.3.1 惰性氣體鎢極電弧銲優缺點 ……………………………… 14
2.3.2 惰性氣體鎢極電弧銲銲接電流的性質 …………………… 14
2.3.3 銲接參數 …………………………………………………… 15
2.4 銲接氣體 ………………………………………………………… 17
2.4.1 銲接氣體之功用 …………………………………………… 17
2.4.2 銲接氣體之特性 …………………………………………… 18
2.4.3 銲接氣體之選擇 …………………………………………… 19
2.5 銲接缺陷 ………………………………………………………… 22
2.5.1 銲接缺陷之分類 …………………………………………… 22
2.5.2 銲接缺陷常發生原因及防止措施 ………………………… 23
2.6 助銲劑 …………………………………………………………… 26
2.6.1 助銲劑之功用 ……………………………………………… 26
2.6.2 助銲劑之分類 ……………………………………………… 26
2.6.3 助銲劑之成份 ……………………………………………… 27
2.6.4 助銲劑增加銲道熔深之機制 ……………………………… 28
2.6.5 助銲劑之調配溶劑與粉末粒徑大小對銲道熔深的影響 … 30
2.6.6 助銲劑之鹼性指數 …………………………………………30
2.6.7 各種助銲劑之特性 ………………………………………… 31
2.7 銲道熔透深度變異之原因 ……………………………………… 32
2.7.1 在熔池中驅動流體流動之力量 …………………………… 32
2.7.2 電弧效應 …………………………………………………… 33
2.7.3 微量元素對銲道熔深之影響 ……………………………… 34
2.8 田口方法 ………………………………………………………… 35
2.8.1 田口方法基本原理與步驟 ………………………………… 35
2.8.2 直交表簡介 ………………………………………………… 36
2.8.3 SN比基本定義 …………………………………………… 37
2.8.4 確認實驗 ………………………………………………… 38
2.8.5 變異數分析 ………………………………………………… 39
第三章 實驗設備及方法 …………………………………………………… 43
3.1 實驗流程 ………………………………………………………… 43
3.2 銲接試片 ………………………………………………………… 44
3.2.1 材料選擇 …………………………………………………… 44
3.2.2 銲接試片之準備 …………………………………………… 44
3.3 銲接試驗 ………………………………………………………… 46
3.3.1 惰性氣體鎢極電弧銲之設備 ……………………………… 46
3.3.2 助銲劑之準備與調配 ……………………………………… 47
3.3.3 助銲劑鹼性指數 …………………………………………… 48
3.4 田口方法直交表與實驗參數配置 ………………………………… 50
3.5 金相顯微鏡試驗 …………………………………………………… 52
3.6 銲道滲透深度與寬度量測 ………………………………………… 54
3.7 微硬度試驗 ………………………………………………………… 55
第四章 結果與討論 ………………………………………………………… 56
4.1 銲道熔深結果分析 ……………………………………………… 56
4.1.1 銲道各組SN 比之評價與計算結果 ……………………… 56
4.1.2最佳製程參數之解析 ……………………………………… 57
4.1.3變異數分析 ………………………………………………… 58
4.2 銲道面積結果分析 ………………………………………………… 59
4.2.1各組SN比之評價與計算結果 …………………………… 59
4.2.2最佳製程參數之解析 ……………………………………… 60
4.2.3變異數分析 ………………………………………………… 61
4.3 確認實驗 …………………………………………………………… 62
4.4 助銲劑之鹼性指數對銲道外觀之影響 …………………………… 65
4.5 助銲劑之鹼性指數對銲道深寬比及面積之影響 ………………… 68
4.6 助銲劑之鹼性指數對銲道截面形狀之影響 ……………………… 70
4.7 助銲劑之鹼性指數對銲道顯微組織之影響 ……………………… 72
4.8 助銲劑之鹼性指數對銲道硬度之影響 …………………………… 80
4.8.1銲接前試片表面硬度實驗 ………………………………… 80
4.8.2銲接後試片橫截面硬度量測實驗 ………………………… 81
4.8.3酸性助銲劑之試片橫截面硬度量測 ……………………… 83
第五章 結 論 ……………………………………………………………… 84
參考文獻 …………………………………………………………………… 85
英文論文大綱（Extended Abstract）
簡 歷

表 目 錄
表2-1 美國鋼鐵學會和美國汽車工程師學會共同訂定之鋼鐵材料分類表 …………4
表2-2 構造用合金鋼中各種合金元素的效果比較………….………………………………5
表2-3 構造用合金鋼的化學成分…………………………………………………… 8
表2-4 惰性氣體鎢極電弧銲電流型式及特性 …………………………………… 15
表2-5 銲接氣體的比重 ………………………………………………………… 18
表2-6 銲接氣體的解離電壓值 ………………………………………………… 19
表2-7 銲接缺陷發生原因及防止措施 …………………………………………… 23
表2-8 基本直交表 ………………………………………………………… 36
表2-9 單因子變異數分析表 ………………………………………………… 42
表3-1 構造合金鋼化學組成成份 ……………………………………………… 44
表3-2 構造合金鋼淬火、回火後的機械性質 ………………………………… 44
表3-3 助銲劑的種類及藥劑的成份與調配粉末質量 …………………………… 49
表3-4 控制因子 ……………………………………………………………… 50
表3-5 L （4 ）直交表實驗配置 ……………………………………………… 51
表4-1直交表實驗配置之SN比 ……………………………………………… 56
表4-2各因子水準之平均 ……………………………………………………… 57
表4-3變異數分析 ……………………………………………………………… 58
表4-4直交表實驗配置之SN比 ………………………………………………… 59
表4-5各因子水準之平均值 ………………………………………………… 60
表4-6 變異數分析表 ………………………………………………………… 61
表4-7 熔深確認實驗 ………………………………………………………… 63
表4-8 熔深面積確認實驗 ……………………………………………………… 63
表4-9各種試片銲道幾何形狀分析 ……………………………………………… 71
表4-10構造用合金鋼銲接前硬度值 ……………………………………………… 80

圖 目 錄
圖2-1 電弧結構與電壓降的關係圖 …………………………………………… 9
圖2-2 電壓－電流之靜特性曲線 ……………………………………………… 10
圖2-3 GTAW製程示意圖 ……………………………………………………… 13
圖2-4 銲接遮蔽氣體的示意圖 ………………………………………………… 17
圖2-5 銲接氣體的熱傳導性 …………………………………………………… 18
圖2-6 氬氣對銲道截面之影響 ………………………………………………… 19
圖2-7 氦氣對銲道截面之影響 ………………………………………………… 20
圖2-8 氬、氦氣混合氣體對銲道截面之影響 …………………………………… 21
圖2-9 在熔池中的Marangoni對流 …………………………………………… 28
圖2-10助銲劑吸附電子造成電弧收縮示意圖 …………………………………… 29
圖2-11 熔池中驅動流體流動之力量 …………………………………………… 33
圖3-1 實驗流程 ……………………………………………………………… 43
圖3-2 硏磨前後之試片外觀 …………………………………………………… 45
圖3-3 變頻式直流脈波氬銲材料銲接機 ……………………………………… 46
圖3-4 銲接設備 ……………………………………………………………… 47
圖3-5 助銲劑配置工具 ………………………………………………………… 48
圖3-6 銲道試片金相實驗取樣位置 …………………………………………… 52
圖3-7 熱鑲埋機 ……………………………………………………………… 52
圖3-8 銲接後道形狀量測示意圖 ……………………………………………… 54
圖3-9 電腦式微小硬度實驗機 ………………………………………………… 55
圖4-1 望大品質特性因子水準 ………………………………………………… 57
圖4-2 望小品質特性因子水準 ………………………………………………… 60
圖4-3 確認實驗銲道截面 ……………………………………………………… 63
圖4-4 助銲劑之B.I指數對鉻鉬鋼銲道外觀之影響 …………………………… 67
圖4-5 鹼性指數對銲道熔深及面積之影響 ……………………………………… 69
圖4-6 試片銲道截面形狀 ……………………………………………………… 71
圖4-7 金相顯微組織觀察示意圖 ……………………………………………… 72
圖4-8 銲道金相顯微組織照片 ………………………………………………… 74
圖4-9 銲道與熱影響區金相顯微組織照片 …………………………………… 76
圖4-10 熱影響區與母材金相顯微組織照片 ……………………………………… 77
圖4-11 熔道橫截面示意圖 ………………………………………………… 78
圖4-12 銲道金相顯微組織照片 ………………………………………………… 78
圖4-13 熔道與熱影響區金相顯微組織照片 ……………………………………… 79
圖4-14 熱影響區與母材金相顯微組織照片 …………………………………… 79
圖4-15 試片銲接前硬度量測示意圖 …………………………………………… 80
圖4-16 B.I值0.45之試片橫截面各區硬度值（Hv）關係 ……………………… 81
圖4-17 銲道橫截面全滲透硬度量測示意圖 …………………………………… 81
圖4-18 B.I值0.45之試片銲道橫截面全滲透硬度量測值 ……………………… 81
圖4-19 B.I值0.45之試片表面硬度量測 ……………………………………… 82
圖4-20 B.I值0.45之助銲劑對構造用合金鋼試片硬度值（Hv）………………… 82
圖4-21 酸性助銲劑對構造用合金鋼硬度（Hv）之影響 … ……………………… 83

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