第二章 理論分析
2.3 GTAW(gas tungsten arc welding)銲接法
2.3.4 電流之選擇及其特性
2.3.4 電流之選擇及其特性
電流之選擇可分為DC及AC兩種，而DC又可分為DCSP及DCRP兩種。至於 電流之方向及特性見圖2-12、圖2-13[49]。
圖2-12 DCSP[49] 圖2-13 DCRP[49]
(一)DC WELDING
現將DCSP(直流正極)及DCRP(直流反極)之比較詳述如表2-3[49]，焊道 滲透之比較情形如圖2-14[49]。
表2-3 DCSP及DCRP比較表[49]
圖2-14 焊道滲透之比較[49]
(二)AC WELDING
AC WELDING在理論上是綜合DCSP&DCRP，在每半個CYCLE裡變化一次極 性，也綜合了DCSP及DCRP及之優點(DCSP是熱集中於工件之優點，DCRP是去 除表面氧化層之優點)。決定AC電流之最佳值，可由以下公式計算：
AC CURRENT = 1 1/4 Amp. X ELECTRODE DIA. (每.001＂) (三)電流不穩定之原因及解決方法，表2-4[49]
表2-4 電流不穩定之原因及解決方法[49]
(四)鎢電極簡介[50、51]
TIG 銲接法所使用的電極雖稱為非消耗性電極，但在實際銲接過程中 仍有少量受電弧高熱而蒸發或熔耗。通常常用的電極有三種：(1)純鎢棒；
(2) 鎢鋯合金棒；(3) 鎢釷合金棒。其中又以前兩者使用較為普遍，玆將其 分述如下：
1. 純鎢棒—含鎢量99.5%者是為純鎢棒，鎢的熔點約3410℃，適用於交流 電小電流的銲接中，代號為EWP。
2. 鎢鋯合金棒—含鋯0.15-0.40%的鎢合金電極，具有極高的污染性，適合 以交流電施銲，如核能電廠零件的精密銲件。代號為EWZr。
3. 鎢釷合金棒—有含釷1%和2%兩種，鎢棒加入釷元素後，容易起弧，銲 接電流範圍變廣，且電極在施銲時不易粘著為母材，交直流皆適用。代 號為EWTh-1、EWTh-2。
鎢棒選用時要根據銲接電流的種類、大小及銲接速度等作適當的選 擇，如表2-5所示。若小直徑用大電流，則鎢棒將產生過熱焢融，熔滴會落 在熔池而產生污染，同時，鎢棒伸出噴嘴之長度約為其直徑之1~2 倍左右，
分別依接頭型式之不同而有所差異。
表2-5 鎢棒尺寸與銲接電流容許範圍表[50、51]
2.3.5 焊接氣體之功能
1.保護電極、電弧、熔融金屬及填料金屬等，以避免直接與大氣接觸。
2.熱能的傳遞(由於銲接機主要的作用乃是將電能轉換成熱能，而這些熱 能就是經由銲接氣體來加以傳遞到銲件上)。
氬(Ar)氣是最常用的保護氣體 (尤其是人工銲時)，氦(He)氣用在特殊 的場合，比起氦氣來氬氣可以允許在最小電壓影響下有較大的電弧長度變 動。氬氣也提供較好的起弧特性及在交流電時有較好的清潔作用。
2.4 田口式品質工程 2.4.1 田口品質工程簡介
田口式品質工程又稱田口方法，是田口玄一博士（Dr. G. Taguchi）
在1949年於日本電信實驗室（the Electrical Communications Laboratory of Japan＇s Nippon Telephone & Telegraph Company, NTT）研發通序系 統時所發展的。經過50年代到60年代的研究工作，發展出一套改善品質的 工程方法，在日本稱之為品質工程（Quality Engineering），而在西方國 家則稱之為穩健設計（Robust Design）[52]。
在傳統的品質觀念中，產品只要在出廠時的規格、性能表現、安全性 等，合乎顧客的要求，也就是在容許的誤差範圍內，這項產品的品質就被 視為良好。但田口博士並不認同「只要做出符合規格內的產品即可」的想
法，他以損失函數（Loss Function）的觀點，強調製造出與目標值相近的 產品的重要性。所以，田口博士將品質定義為：「所謂品質，乃指產品出 廠後帶給社會的損失，但是不包括機能所引起的損失。」亦即我們用以衡 量產品品質的標準是決定於產品在機能上的變異及其有害副作用所造成的 社會總損失。
田口博士更進一步將品質改善的作法從生產階段追溯產品設計階段，
如此將品質設計製產品中，可以顯著降低製造的不良率，提高產品的品質 與可靠度，並大幅地降低生產成本[53]。田口方法是以工程的角度去了解品 質問題，利用社會損失成本來衡量產品品質的好壞。田口方法的主要兩個 工具為直交表（Orthogonal Arrays）與S/N 比（Signal-to-Noise Ratio），
強調產品在設計階段就應該考慮品質問題，降低產品績效的變異。其基本 概念為：
（1）品質不是檢驗出來的，品質必須設計到產品裡面。
（2）品質是要最小化「與目標值之間的偏差」，並且免於不可控制的環境 因素影響。
（3）品質成本應以與標準值偏移的函數關係來衡量[53]。 2.4.2 田口品質特性
品質工程的一個重要的步驟是選用合適的量測品質特性，這需要對產 品或製程上有所了解，同時也要熟知實驗計劃才能有效選用。田口博士將
田口方法中的品質特性（Quality Characteristic）分為望小特性（the smaller-the better：STB）、望大特性（the larger-the better：LTB）
及望目特性（the nominal-the better：NTB）[54]。以下為簡略的說明：
(1)望小品質特性
若品質特性值具有一個規格上限（Upper Specification Limit；USL），
且為非負數值，其值愈小愈好的特性稱之為望小品質特性。此類的品質特 性諸如污染程度。
(2)望大品質特性
若品質特性值具有一個規格下限（Lower Specification Limit；LSL），
且為非負數值，其值愈大愈好的特性稱之為望大品質特性。此類品質特性 如系統的壽命。
(3)望目品質特性
此類品質特性通常有一個理想的目標值，且規格上限與規格下限，在 此目標值的兩側。當產品的特性值偏離此一目標值時，產品的功能就會發 生退化。此類品質特性如尺寸特性。
S/N 比的推算，是將損失函數直接取對數值轉換而得，依據不同的品 質特性，有不同的轉換公式。田口以S/N 比替代品質損失函數，作為產品 績效衡衡量的準則，主要在於減少交互作用的產生，增強穩健設計中，加 法性（additive model）模式的成立。將各類品質特性之損失函數與S/N 比
公式，整理成表2-6[55]所示：
表2-6 品質特性與損失函數[55]
2.4.3 影響產品或製程績效的因子
Phadke & Dehnad（1987）提出一個影響產品或製程績效的參數圖，如 圖2-15[56]。由圖知，可將影響產品或製程績效的因子歸納為：
(一) 不可控制因子（uncontrollable factor；或稱雜音因子）
雜音因子為設計人員所不能控制的因子，因子的水準在實際操作時很 難控制，或必須花費非常昂貴的代價去控制。雜音因子可分為下列三類：
(1)外部雜音（external noise）
會隨使用條件或環境的變化，而干擾產品的機能。如溫度、濕度、灰 塵及人的差異等。
(2)內部雜音（internal noise）
當某產品在儲存期間發生劣化或是使用期間造成磨損而發生變化，從 而使其無法達到該有的機能。
(3)單位間的變異（unit-to-unit variation）
雖然規格值一定，但是在製程中無法避免的會造成每件產品之特性值 不一致，而其中原因並不明確。
(二) 可控制因子（controllable factor）
此為設計人員為達到產品品質績效，根據本身之工程經驗和知識，對 於易於調整控制之因子，依其對品質特性平均值及變異數影響的情形，將 可控制因子分為下列三類：
(1)控制因子（control factor）
此類因子為對產品品質變異具有顯著影響的因子，透過最佳控制因子 水準的選擇，使產品品質機能對雜音因子的干擾有最小之敏感性，以降低
產品變異性。
(2)信號因子（signal factor）
對品質特性平均值具有影響的因子，通常由使用者或操作者根據目標 值的需求而設定，如風扇轉速通訊系統0、1 轉換。
(3)調整因子（adjustment factor）
在參數設計最佳化中，由於為了降低產品變異，有可能會導致產品品 質平均值偏離目標值。此時，我們選擇對變異沒有顯著影響的因子，但對 產品品質特性平均值有顯著影響的因子，為調整因子，調整產品品質特性 之平均值至目標值上，以使產品品質損失降至最低。
2.4.4 直交表介紹
田口之實驗計畫法，使用直交表( Orthogonal Array )分析資料的好 處，是每一可控因子之主效果( Main Effect )可以獨立且均衡的求出。應 用直交表做實驗， 事實上是進行完全要因實驗( Complete Factorial Experiment ) 中之部分要因實驗( Fractional Factorial Experiment ) 。 它是一種以直接、經濟的方式，一次就可以做許多因素的實驗， 現以一2 水準直交表L8(27) 做說明，如表2-7。其中符號L 是指拉丁方格( Latin Square )之代號，下標 8 是指執行 8 次實驗，2 是指每個因子都是二水 準，7 是指總共探討配置了7 個主要因子。表2-8中，本體內的1、2代表 因子水準， 而「行」代表的是因子及交互作用的配置，「Exp.」則是指
實驗的次數， 它的符號如下所示：
表2-7 L8(27)直交表表示法
表2-8 L8(27)直交表實驗配置圖
若進行全因子實驗，則需進行27 =128 次實驗。
所謂各因子間為直交，意即各水準的組合都必須存在，且出現的次數 都須相等利用直交性實驗，各「行」的效應不會互相混淆，故可安全的進 行實驗結果的比較。
其優點包括：（1）實驗次數較少，（2）由直交表實驗所獲得之結論，
在整個實驗範圍裡都是成立的，（3）具有良好的再現性，（4）資料分析 簡單，各因子的效果只要簡單地計算一些平均值即可決定各因子的效果，
及（5）可用來查核加法模式是否成立（加法模式為數個因子的總效果等於 個別因子效果的和）。
構建直交表的注意事項（1）決定因子數、（2）決定每個因子的水準 數、（3）估計的二因子交互作用、（4）分析實驗進行時可能發生的困難。
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。
Step6. 進行矩陣實驗。