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田口方法搭配主成份分析法與模糊理論開發雙能量束銲接鎳基合金 Inconel 718 多重品質特性最佳製程技術 Multiple Quality Characteristics Optimization of Welding Inconel 718 alloy Using Taguchi methods coupled with Principal Component Analysis and Fuzzy logic theory. 作者:葉伯煒 指導教授:曾義豐 教授 報告人:施智偉. 大綱. 一 、摘要 二 、 研究動機 三、研究 目的 四 、 開發雙能量銲接機制

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田口方法搭配主成份分析法與模糊理論開發雙能量束銲接鎳基合金Inconel 718多重品質特性最佳製程技術

Multiple Quality Characteristics Optimization of Welding Inconel 718 alloy Using Taguchi methods coupled with Principal Component Analysis and Fuzzy logic theory

作者:葉伯煒

指導教授:曾義豐 教授

報告人:施智偉

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大綱

一、摘要

二、研究動機

三、研究目的

四、開發雙能量銲接機制

五、銲接實驗材料

六、實驗設備與研究方法

七、實驗結果與分析

八、結論

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摘要
  • 採用L18直交表進行實驗設計,隨後搭配主成份分 析法及模糊邏輯理論,以探討開發雙能量束銲接鎳 基合金Inconel 718多重品質特性最佳製程技術。
  • 本研究所選擇的多重品質特性分別為:拉伸強度、彎曲強 度與銲道微硬度,根據經過銲接測試實驗後,銲道外觀符合需求所得之控制因子 為:火嘴孔徑(A)、CO2雷射功率(B)、銲接速度(C)、側吹流量(D)、電漿基本電 流(E)、背吹流量(F)、保護氣體(G)、中心氣體(H)。
  • 最佳化混合銲接製程參數組合為:A1(火嘴孔徑1.8)、B3(CO2雷射功率為1400W)、C1(銲接速度為250mm/min)、D2(側吹流量為4L/min)、E3(電漿基本電流為62A)、F2(背吹流量為4L/min)、G3(保護氣體為16L/min)、H1(中心氣體為0.2L/min)。
  • 實驗結果顯示,田口方法搭配主成份分析及模糊理論,確實能有效改善開發雙能量束銲接鎳基合金Inconel718多重品質特性最佳製程技術。
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研究動機
  • 鎳基合金屬重要國防戰略物資,各航空大國都在極保密條件下研發製造,國內鮮少相關研究。
  • Inconel 718具有優良的抗腐蝕、抗氧化、高強度、延展性佳,工作溫度範圍在-250℃到650℃之間,被廣泛應用在航太工業與其他專業領域。
  • 混合銲接使電漿電弧預先加熱熔融鎳基合金,增加材料對雷射光的吸收率,接著以雷射光穩定電漿電弧,減少因銲接速度的增加導致電弧不穩的情況發生。
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鎳基合金材料使用分佈

Pratt & Whitney生產之PW4000型噴射渦輪引擎材料分佈圖

GE Aircraft Engine生產之CF-6型噴射渦輪引擎材料分佈圖

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研究目的
  • 鎳基合金主要以電子束銲接,但缺點是電子束成本昂貴且須在真空狀態下方可施銲,如何開發其他銲接技術取而代之。
  • 鎳基合金在銲接及熱處理時易產生裂縫,影響銲接件機械性質,該如何有效改善銲道品質。
  • 以田口實驗設計方法搭配主成份分析再結合模糊邏輯理論,開發最佳銲接製程參數,供未來工程上使用。
  • 開發雙能量束銲接鎳基合金Inconel 718最佳製程參數,並改善銲件品質特性。
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開發雙能量銲接機制
  • 開發雙能量束銲接鎳基合金Inconel 718實驗設計示意圖

單位:mm

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開發雙能量銲接機制
  • 開發雙能量束銲接鎳基合金Inconel 718實際照片圖
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銲接實驗材料
  • Inconel 718120mm×50mm×2mm
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銲接實驗材料
  • 鎳基合金Inconel 718之化學成份

(資料來源:美國ATI原廠材證)

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銲接實驗材料
  • 拉伸試片尺寸規格圖
  • 彎曲試片尺寸規格圖
co 2 laser plasma
實驗設備: CO2 Laser+ Plasma

PRC 2200W CO2 Laser

順序控制器

新型120安培變頻式脈波電漿銲接機

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實驗設備

檢測項目:

1.拉伸強度

2.彎曲強度

3.銲道微硬度

AG-IS50KN萬能測試機

維克氏微硬度測試機

拉伸試片實圖

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實驗設備

彎曲強度測試

My-9000-S試驗機

彎曲試片實圖

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研究方法:田口方法
  • 信號雜訊比 (Signal/Noise: S/N) 。
  • 望大特性(Bigger The-Better Characteristic,B.B.;L.B. ):品質特性之量測值為連續、非負值且其值越大越好,稱之為望大特性。

其中yi為拉伸強度、彎曲強度以及銲道微硬度。

slide16
研究方法-主成份分析法(PCA)
  • 目的:求出彼此互相線性獨立的主成份,取代原有互相線性相關的多重品質特性。
  • 分析軟體:SPSS。

Y=AX

Y:主成份矩陣

A:權重係數矩陣

X:多重品質特性矩陣

Y:主成份矩陣

MPCI:主成份總得點

主成份解釋力矩陣

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模糊規則庫

參考輸入

模糊化介面

模糊推論引擎

解模糊化介面

模糊控制系統

受控系統

合成結果

研究方法-模糊邏輯理論
  • 目的:推導出多重品質性能綜合指標(MPCI)。
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田口方法參數設計

實驗參數: 控制因子與水準值

principal component analysis
Principal Component Analysis

多重品質特性之線性相關係數矩陣

主成份特徵值與變異解釋力分析

主成份權重係數矩陣

slide23

MPCI by Taguchi + PCA

Y=AX

主成份權重矩陣

解釋變異力

Y:主成份矩陣

X:多重品質特性值矩陣

MPCI:主成份總得點

slide24

Fuzzy Logic-Normalization

本實驗正規化值域定在「0, 1」之間

Dmin=0 Dmax=1

mpci response table graph
MPCI ResponseTable、Graph

最佳化混合銲接參數組合︰A1B3C1D2E3F2G3H1

mpci anova
MPCI ANOVA

B(CO2雷射功率) 、C(銲接速度) 、E(電將基本電流) 為最重要的控制因子,總貢獻度為75.9118%。

slide28
最佳化製程表現之預測

本研究所獲得之最佳水準組合A1B3C1D2E3F2G3H1,其MPCI的預測值為:

MPCIopt = A1+B3+C1+D2+E3+F2+G3+H1-7 MPCIaverage

= 0.6394+0.6438 +0.6697+0.6377+0.6938+0.6130+0.6212+0.6230-7×0.6078

=0.8868

其現行製程參數條件組合為 A1B1C1D1E1F1G1H1,其MPCI的預測值為:

MPCIinitial = A1+B1+C1+D1+E1+F1+G1+H1-7 MPCIaverage

= 0.6394+0.5555+0.6697+0.5813+0.5543+0.6033+0.6207+0.6230-7×0.6078

= 0.5924

預測所得到的MPCI增益為0.2943。

slide30

Product Comparisons

拉伸試驗

前面

背面

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Product Comparisons

微硬度檢測

slide33

結論

  • 最佳化混合銲接製程參數組合為:A1(火嘴孔徑1.8)、B3(CO2雷射功率為1400W)、C1(銲接速度為250mm/min)、D2(側吹流量為4L/min)、E3(電漿基本電流為62A)、F2(背吹流量為4L/min)、G3(保護氣體為16L/min)、H1(中心氣體為0.2L/min)。
  • 影響雙能量束銲接鎳基合金Inconel 718製程之主要控制因子為B(CO2雷射功率)、C(銲接速度)與E(電漿基本電流)。
  • 利用Taguchi + PCA、Taguchi + PCA+ Fuzzy考慮多重品質特性進行製程參數最佳化,所推論之最佳混合銲接參數組合略有不同,但均能使各品質特性獲得有效改善。
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報告完畢

謝謝指教