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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

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

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  1. 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

  2. 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

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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

  6. 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。

  7. 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

  8. 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

  9. 銲接實驗材料 • Inconel 718120mm×50mm×2mm

  10. 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)

  11. 銲接實驗材料 • 拉伸試片尺寸規格圖 • 彎曲試片尺寸規格圖

  12. 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

  13. 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

  14. 實驗設備 彎曲強度測試 My-9000-S試驗機 彎曲試片實圖

  15. 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。

  16. 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

  17. 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)。

  18. Taguchi methods + PCA + Fuzzy

  19. 田口方法參數設計 實驗參數: 控制因子與水準值

  20. 品質特性量測值

  21. Normalization

  22. 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

  23. 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

  24. Fuzzy Logic-Normalization 本實驗正規化值域定在「0, 1」之間 Dmin=0 Dmax=1

  25. MPCI -1和MPCI 模糊推論結果

  26. MPCI ResponseTable、Graph 最佳化混合銲接參數組合︰A1B3C1D2E3F2G3H1

  27. 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%。

  28. 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。

  29. Comparisons between Initial and Optimal

  30. Product Comparisons 拉伸試驗 前面 背面

  31. Product Comparisons 彎曲試驗

  32. Product Comparisons 微硬度檢測

  33. 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。

  34. 報告完畢 謝謝指教

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