第二章 理論分析
2.4 田口式品質工程
2.4.5 田口實驗分析法之步驟
Phadke[53]認為田口實驗的參數設計是一套找出可控因子最適水準的方 法，使得產品或製程對雜訊因子不敏感。在使用參數設計時，我們需先確 認品質特性，找出可控因子與雜訊因子，並且以直交表、線點圖以及S/N 比 為工具來選取最佳的因子水準組合。Phadke 將參數設計分成三大階段，共 計八個步驟：
第一階段：規劃實驗
Step1. 確認實驗的目的，大致決定實驗的規模。
Step2. 蒐集實驗相關資料，加以整理檢討。
Step3. 確定評估品質損失的測試條件及決定品質特性，即望大、望小 或望目的型態。
Step4. 決定因子及水準數，通常一次選取四至六個控制因子來進行實 驗，對每個因子我們擇定二或三個水準。
Step5. 確定矩陣實驗及資料分析，選擇適合的直交表來配置因子及其 水準。使用直交表的好處是：一、實驗次數可以減少。二、實
驗數據容易分析。
第二階段：執行實驗
Step6. 進行矩陣實驗。
第三階段：分析與驗證實驗結果
Step7. 分析資料，決定最佳因子水準組合，並預測品質特性值。
Step8. 實施驗證實驗和規劃未來對策，進行驗證實驗是田口實驗分析 法的最後一個步驟，卻也是最關鍵的一步。目的是驗證矩陣實 驗建議的最佳參數是否有如預期的改善效果，若與預測相符，
則表示建議之參數為我們所需；反之我們必須加以修正。
2.5 氫燃料電池
一、 燃料電池的簡介[74]
燃料電池（fuel cell）是一種將燃料的化學能，透過電化學反應直 接轉換成電能的裝置。其發展歷史可追溯至一八三九年，首先由威廉．羅 伯特．葛羅夫爵士（SirWilliam Robert Grove）所發明，該系統是使用 稀釋的硫酸當做液態電解質，成功地產生電能。經過不斷的研究，能司特 在一八九九年，首度發現固態電解質的導電行為。而第一個陶瓷型燃料電 池則在一九三七年，由鮑爾與葡來司首先示範成功。
二、 燃料電池原理[74]
燃料電池的運作原理，也就是電池含有陰陽兩個電極，分別充滿電解 液，而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池的陽極 進入，氧氣則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫原 子分解成兩個氫質子（proton）與兩個電子（electron），其中質子被氧
『吸引』到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流後，到達陰極。在 陰極催化劑之作用下，氫質子、氧及電子，發生反應形成水分子，因此水 可說是燃料電池唯一的排放物。
燃料電池的陽極是多孔性的Ni，陰極是多孔性Ni-NiO混合物，電解質 使用高濃度KOH溶液；通H2於陽極，通O2於陰極，反應溫度為70～140℃之間，
反應電壓為0.9伏特。其反應式如下(反應示意圖如圖2-16[70])：
陽極：2H2 + 4OH－ → 4H2O + 4e－ 陰極：O2 + 2H2O + 4e－→ 4OH－ 全反應：2H2 +O2 → 2H2O
圖2-16 燃料電池內部反應示意圖[70]
三、 燃料電池種類
依照電解質的不同，可加以區分為：
（一） 鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell；AFC）
（二） 磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell；PAFC）
（三） 質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；
PEMFC）
（四） 直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell；DMFC）
（五） 熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell；MCFC）
（六） 固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell；SOFC）
四、 燃料電池的優、缺點[71]
（一）優點：
1、低污染：燃料電池比一般傳統火力發電方式更清潔，沒有二氧化碳及 含硫的問題，更沒有核能發電核廢料的問題。若用氫氣與空氣作為燃 料與氧化劑，其生成物只有水和熱。
2、效率高：燃料電池的電能轉換效率非常高，主要原因是因為它是由化 學能直接轉換成電能，能源轉換效率可達 40%以上，如果能利用氣電 共生的技術，將廢熱回收，能量轉換效率應該能達到 80%以上。
3、無噪音：燃料電池發電本體在發電時，不需其它移動機件的配合，因 此沒有噪音問題。在 11MW 級的燃料電池發電廠附近，測得的噪音污 染在 55 分貝以下。
4、用途多：燃料電池所能提供的電力範圍相當廣泛，小至手機大至百萬 瓦發電廠，都在其適用範圍內。
5、免充電：一般電池是將能量貯於電池本體中，用完後即捨棄，或充電 後再重複使用。燃料電池是由燃料中的化學能提供能源，它並不含在 電池本體結構中，因此只要持續不斷地供給燃料，燃料電池便可以不 停地發電。
6、燃料來源極廣：只要含有氫原子的石化能源如石油、天然氣、煤炭、
沼氣、酒精與甲醇等，通過一個轉換器，都可作為燃料電池的能源進 料。目前更有利用高壓鋼瓶或金屬氫化物等儲氫材料製成的儲氫卡 匣，成為燃料電池電力組，可取代一般的蓄電池。
（二）缺點：
1、成本較高：在眾多的燃料電池中，質子交換膜燃料電池是最具有發展 潛力之一，但是質子交換膜燃料電池必須要以貴金屬鉑為觸媒且須以 純氫作為反應氣體，因此成本較高。
2、單位體積及單位重量所產生的功率較小：依目前所研究發展之燃料電 池其所產生的功率稍嫌太小，若要增大其功率，勢必組合成燃料電池
組，因而會造成燃料電池之體積與重量增加。
目前國內外現行輸送與儲存氫氣的技術大多採用高壓氣體和低溫液體
97/23/EC 等等，來界定其測試之標準，其中規定較為嚴苛的首推 DOT49CFR 規範。根據 DOT49CFR 測試規範之規定，對於一合格的壓力容器需通過：
繡，則以不繡
第三章 實驗設備及方法
3.2 GTAW 之設備
3.2.1 GTAW 主要設備
本實驗係採用惰氣鎢電極電弧銲接機(GTAW)，所使用之機型為 HOBART TIGWAVET 350 AC/DC 型氫銲機與可數位控制走速的銲接檯 車。，其外觀照片如圖 3-1 所示。圖 3-2 則為 GTAW 銲槍外觀與所使用 銲接夾具之照片。
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圖 3-1 HOBART 銲接設備
圖 3-2 銲槍、台車、夾具等外觀
3.2.2 設備調整控制單元
銲接設備調整控制單元，主要為調整及控制銲接參數(電流)，如圖 3-3，自走台車操作控制單元，主要為控制銲接速度，如圖 3-4，保護性 氣體流量調整單元，主要控制氬氣流量，如圖 3-5。
圖 3-3 銲接設備調整控制單元
銲速調整 銲接啟動鈕
緊急停止鈕
電源開關
走動方向 手/自動調整
電流/電壓調整
銲接 型式 切換
流量計
壓力調 整鈕 壓力錶
流量調 整鈕
圖 3-5 保護性氣體流量調整單元 3.2.3 其他銲接工具
鎢電極材料為 EWTh-2(直徑為 2.4mm)，鎢電極伸出噴嘴的距離為 3mm，鎢電極至實驗試片的距離為實驗之參數，鎢電極角度為 75。，陶 瓷罩杯為 7 號，保護氣體(純氬氣)。相關工具如圖 3-6。此外，為確保 實驗結果的準確性，在進行每一次銲接實驗前均使用鑽石研磨器重新研 磨鎢電極呈標準形式，且重新調整電弧至標準長度，以保證每一條銲道 均在製程參數條件下來進行銲接研究工作。
圖 3-6 銲接工具
3.3 實驗配置 3.3.1 實驗材料準備 1.母材(base metal)
本研究所採用的實驗材料為 7075 T6 鋁合金，主要合金元素為鋅及 鎂，強度在鋁合金中屬高強度等級，其規範成份如表 3-1 所示，其機械 性質如表 3-2 所示。在銲接前先將所有的試片切割為選用之大小(尺寸為 150mm×60mm×3mm) 如圖 3-7，另鋁合金表面因氧化而生成一層氧化膜，
所以先使用砂輪研磨器裝上鋼刷輪，並將表面氧化層除去後再利用#400 砂紙研磨試片之表面，研磨後試片如圖 3-8。
圖 3-7 銲接試片尺寸
研磨前 研磨後
7075-T6 570（82.7） 505（73.3） 11
Hardness
7075-T6 150 330（47.9） 160（23.2）
材 料 性 質 材 料
性 質
2.填料金屬(filler metal)
本實驗中於氣瓶焊接所使用之填充銲條為 ER5356。銲條直徑為 3.2mm，其成份如表 3-3 所示。銲條之特點為是一種用途廣泛的通用型銲 材，適合焊接或表面堆焊的 5%鎂的鑄鍛鋁合金，強度高、可鍛性好、有 良好的抗腐蝕性。
表 3-3 填料金屬成份表
ER5356 0.25 0.4 0.1 0.05~0.2 4.5~5.5 0.05~0.2 0.1 0.06~0.2 0.1
鈦 其他
錳 鎂 鉻 鋅
矽 鐵 銅
Alloy 銲條型號
3.3.2 試片銲接方法
本實驗中採用兩階段的銲接方式來得到最適參數，首先使用如圖 3-7 之試片以田口實驗法進行銲接實驗，並依銲道的深寬比與銲道面積以望 大值之理論進行較佳銲接條件組之選定，接著使用圖 3-9 之試片並採用 較佳銲接條件再次進行田口實驗法進行不填料不開槽(材料厚度：3mm) 之對接銲接，其利用如圖 3-1 HOBART GTAW 銲接機進行銲接，接著再 製成試片進行銲道外觀及深寬比、銲道面積進行比對確認，最終得到最 佳的銲接參數。
60 60
150
圖 3-9 3mm 不填料不開槽對接示意圖(單位：mm)
3.3.3 最佳銲接參數的選擇
實驗開始之首要工作在尋找 7075 T6 鋁合金之最佳銲接參數。參數 包括銲接電流、銲接速度、火嘴至工作物表面之距離、保護氣體(Ar)流 量。而最佳參數的判定，系依據銲道表面狀況、熔透深度(penetration)、
銲道深寬比及銲道面積，經由田口實驗分析法獲得最適參數。
銲接參數之尋找，本實驗預計以下列步驟進行：
1.TIG 銲接試銲
Step1.將加工完成之試片，以事先選定的一組銲接參數試銲。
Step2.檢查已經銲完之試片表面狀況是否理想，有無銲蝕(undercut)或 試片背面凸出之狀況。
Step3.沿銲道垂直面，利用切割機截取某一斷面，以細砂紙將斷面磨 亮，查看熔透情形。
Step4.表面熔透不佳或熔透不全則視實際情況，將參數作適當修正。
2.田口實驗分析法
Step5.決定銲接因素及水準，3mm 試片實驗以 4 個控制因素、4 個水 準，選擇L16(44)表，如表 3-4 所示，由此得到較佳之銲接參 數。
Step6.接著再以 3mm 鈑厚試驗依照較佳參數以 4 個控制因素、3 個水 準，選擇L9(34)直交表（如表 3-5 所示）進行對接銲接。
Step7.進行銲道深寬比及銲道面積計算並求得 S/N 比。
3.4 銲道外觀觀察
試片銲後之表面品質狀況，如銲道表面之凹陷狀況、銲道寬度、銲道 表面有無裂痕或氣孔均可進行銲道品質之判斷，以利後續最佳銲接參數選 擇之參考。
3.5 銲道截面觀察
銲接後之試片，將銲接試片之頭尾二端約各 20mm 予以切除後，取 垂直銲道方向的橫截面來作金相實驗，而且每個銲件至少取 2~3 個試片
銲接後之試片，將銲接試片之頭尾二端約各 20mm 予以切除後，取 垂直銲道方向的橫截面來作金相實驗，而且每個銲件至少取 2~3 個試片