本研究之實驗流程如圖3-1所示。首先經由相關之文獻探討，決定量測

第三章 實驗方法與步驟

本章主要敘述實驗方法與步驟。首先說明整個實驗流程。在實驗材料 準備方面，說明母材尺寸及使用的銲線。在實驗配置方面，依控制因素的 個數及其水準值選用適當的直交表並說明欲量測的品質特性。在銲接實施 方面，說明銲接所使用的設備如銲接機、送線機、自動走銲機等及銲接之 方式。在試片製作方面，說明試片加工方式及尺寸大小。在微硬度測試方 面，說明微硬度量測之範圍與量測方法。在肥粒相量測方面，說明肥粒相 量測之方法。在金相顯微組織觀察方面，說明金相試片製作流程及欲觀察 之金相處。最後說明測試數據的解析方式。

第一節 實驗流程

本研究之實驗流程如圖3-1所示。首先經由相關之文獻探討，決定量測

之品質特性與控制因數。接下來需經過GTAW銲接試銲以決定控制因數的

起始條件與水準範圍。接著進行實驗配置，將控制因素及其水準值與欲量

測之品質特性配置於L

直交表上。然後開始依實驗計畫進行銲接，銲接完

畢後製作金相試片和微硬度試片以便進行量測、比較與分析。同時以銲道

微硬度、銲道寬度及 銲蝕 決定出最適銲接參數。最適銲接參數經由確認實

驗後，會同金相顯微組織及微硬度曲線，撰寫實驗結果與討論，最後歸納

結論。

文獻探討

GTAW銲接試銲

實驗配置

(L18直交表)

GTAW銲接

製作試片

量測與分析

確認實驗

實驗結果與討論

結論

1.銲道寬度量測 2.銲蝕情形 3.微硬度試驗

4.金相顯微組織觀察 5.肥粒相指數量測

圖 3-1 實驗流程圖

第二節 實驗材料

壹、母材

本研究所使用的銲接母材為 AISI316 不銹鋼薄板，其規格為 140mm

×40mm×3.3mm 及 100mm×40mm×3.3mm 兩種。母材成分如表 3-1 所示。

表 3-1 本研究使用之母材 AISI316 不銹鋼薄板之化學成分表 化學成分 wt%

AISI

C Mn Si Cr Ni Mo Fe

316 0.015 1.32 0.37 16.08 9.88 1.94 Bal

貳、銲線

本研究所使用的銲線依 AWS A5.9 規格，為直徑 1.2mm 之 ER316 銲線，其成分如表 3-2 所示。

表 3-2 ER316 銲線之化學成分表

Ni C Si Mn Mo Cr Fe

ER316 11.8 0.018 0.46 1.45 2.39 18.9 Bal 線

銲

成 分

第三節 實驗配置

銲道的幾何形狀和機械性質經常被用來作為評估銲接品質的好壞，因 此本研究擬以銲道微硬度、銲道寬度及 銲蝕 等三個項目作為度量銲道品質 之品質特性。決定品質特性及其理想機能後，便要評估影響品質特性的主 要參數（即控制因素） 。在參考文獻後，本研究選定電弧長度、銲接電流、

銲接速度、送線速度、對接間隙及保護氣體含氮量百分比等六項參數作為 評估品質特性的控制因素。

本研究各控制因素的水準值如表3-3所示，水準值的選擇乃是先行參考 文獻，然後經由不斷的試銲而得。水準值範圍的要求是銲道必須完全熔透、

沒有燒穿且沒有熱裂縫的產生。

本研究採用田口方法實驗配置，使用混合系列之L

直交表。在直交表 之內側配置銲接製程之控制因素及其水準值，。在直交表的外側配置所欲 量測的品質特性值，如表3-4至表3-7所示。

表 3-3 控制因素及其水準值 水準值

控制因素 1 2 3

A：電弧長度(mm) 2.0 2.5 －

B：銲接電流(安培) 150 155 160 C：銲接速度(cm/min) 16 18 20 D：送線速度(cm/min) 45 50 55 E：對接間隙(mm) 0.6 0.8 1.0

F：氮氣百分比(%) 0 1 2

表 3-4 銲道微硬度實驗配置

控制因數 銲道微硬度

實驗組別 A 電 弧 長 度

B 銲 接 電 流

C 銲 接 速 度

D 送 線 速 度

E 對 接 間 隙

F 氮 氣 百 分 比

e e

銲件Ⅰ 銲件Ⅱ

No.1 1 1 1 1 1 1 1 1

No.2 1 1 2 2 2 2 2 2

No.3 1 1 3 3 3 3 3 3

No.4 1 2 1 1 2 2 3 3

No.5 1 2 2 2 3 3 1 1

No.6 1 2 3 3 1 1 2 2

No.7 1 3 1 2 1 3 2 3

No.8 1 3 2 3 2 1 3 1

No.9 1 3 3 1 3 2 1 2

No.10 2 1 1 3 3 2 2 1

No.11 2 1 2 1 1 3 3 2

No.12 2 1 3 2 2 1 1 3

No.13 2 2 1 2 3 1 3 2

No.14 2 2 2 3 1 2 1 3

No.15 2 2 3 1 2 3 2 1

No.16 2 3 1 3 2 3 1 2

No.17 2 3 2 1 3 1 2 3

No.18 2 3 3 2 1 2 3 1

表 3-5 銲道寬度實驗配置

控制因數 銲道寬度

實驗組別 A 電 弧 長 度

B 銲 接 電 流

C 銲 接 速 度

D 送 線 速 度

E 對 接 間 隙

F 氮 氣 百 分 比

e e

銲件Ⅰ 銲件Ⅱ

No.1 1 1 1 1 1 1 1 1

No.2 1 1 2 2 2 2 2 2

No.3 1 1 3 3 3 3 3 3

No.4 1 2 1 1 2 2 3 3

No.5 1 2 2 2 3 3 1 1

No.6 1 2 3 3 1 1 2 2

No.7 1 3 1 2 1 3 2 3

No.8 1 3 2 3 2 1 3 1

No.9 1 3 3 1 3 2 1 2

No.10 2 1 1 3 3 2 2 1

No.11 2 1 2 1 1 3 3 2

No.12 2 1 3 2 2 1 1 3

No.13 2 2 1 2 3 1 3 2

No.14 2 2 2 3 1 2 1 3

No.15 2 2 3 1 2 3 2 1

No.16 2 3 1 3 2 3 1 2

No.17 2 3 2 1 3 1 2 3

No.18 2 3 3 2 1 2 3 1

表 3-6 銲蝕實驗配置

控制因數 銲蝕

實驗組別 A 電 弧 長 度

B 銲 接 電 流

C 銲 接 速 度

D 送 線 速 度

E 對 接 間 隙

F 氮 氣 百 分 比

e e

銲件Ⅰ 銲件Ⅱ

No.1 1 1 1 1 1 1 1 1

No.2 1 1 2 2 2 2 2 2

No.3 1 1 3 3 3 3 3 3

No.4 1 2 1 1 2 2 3 3

No.5 1 2 2 2 3 3 1 1

No.6 1 2 3 3 1 1 2 2

No.7 1 3 1 2 1 3 2 3

No.8 1 3 2 3 2 1 3 1

No.9 1 3 3 1 3 2 1 2

No.10 2 1 1 3 3 2 2 1

No.11 2 1 2 1 1 3 3 2

No.12 2 1 3 2 2 1 1 3

No.13 2 2 1 2 3 1 3 2

No.14 2 2 2 3 1 2 1 3

No.15 2 2 3 1 2 3 2 1

No.16 2 3 1 3 2 3 1 2

No.17 2 3 2 1 3 1 2 3

No.18 2 3 3 2 1 2 3 1

第四節 銲接實施與試片裁取

壹、銲接實施

本研究所使用之氣體鎢極電弧銲接設備如下：

一、電源機

採用美國 Miller 公司所生產之 Syncrowawe 250 型多功能式銲 接機，如圖 3-2 所示。並配置 Miller Radiator-1 型水冷式冷卻設備。

圖 3-2 GTAW 電源機

二、自動送線機

採用美國 Jettline 公司所生產之 CWF-10A(9092)型可調式自動送 線機，如圖 3-3 所示。

三、自動走銲機

採用美國 ProArc 公司所生產之 SB-1500 型走銲機，可調整走銲

速度及銲炬位置，且銲炬垂直於工件，如圖 3-4 所示。

圖 3-3 自動送線機

圖 3-4 自動走銲機

四、銲接平台

配置有夾治具和紫銅背襯，可提供試片拘束和銲件冷卻，如圖 3-5 所示。

圖 3-5 銲接平台 五、氬氣及氮氣鋼瓶

鋼瓶皆配置壓力調節器和流量計，可顯示鋼瓶內之壓力及調整 氣體流量，如圖 3-6 所示。

圖 3-6 保護氣體設備

貳、銲接參數

本研究的銲接參數分為兩種：一為因實驗需要，必須變化不同數 值的參數，稱為控制因素；一為在銲接過程中數值不改變的固定參數。

一、控制因素

本研究的控制因素為電弧長度、銲接電流、銲接速度、送線速 度、對接間隙及保護氣體含氮量百分比。

二、固定參數

（一）電流型式：直流電極負（DCEN）。

（二）銲接電壓：30V。

（三）電極：直徑為 2.4mm 之鎢釷電極（EWTh-2），電極中含有 2%

的釷元素。

（四）鎢電極頂角：30∘。

（五）鎢電極伸出噴嘴（nozzle）距離：3mm。

（六）氬氣加氮氣總流量：15L/min。

（七）後吹時間：10 秒。

參、實施銲接

銲接前先將母材表面的油污及氧化物利用 400 號砂紙予以清除，

並用丙酮清潔乾淨。然後將母材置於銲接平台上，採不開槽平銲方式 對接。首先依實驗配置之對接間隙，銲件兩端予以點銲後，利用夾治 具將銲件拘束於銲接平台上，即完成銲件之固定工作。然後依L

直交 表之實驗配置，調整控制因素的水準值，在確定無誤後即執行銲接，

銲接完成試片如圖 3-7 所示。在銲接次數方面，L

直交表的每一組實

驗銲接 2 次，故每一組實驗可得 2 個銲件。

圖 3-7 銲接完成之銲件

肆、試片裁取

規格為100mm×40mm×3.3mm之母材對接完成後不予裁剪，供作肥粒相

指數量測用。規格為140mm×40mm×3.3mm之母材對接完成後，依照銲接前

後順序位置加以編號後，以金相砂輪切割機裁取試片，如圖3-8所示。銲道

之兩端原則上去除，編號2、4、6、8、10做為量測銲件微硬度之用；編號1

至編號10做為量測銲道寬度及銲蝕之用；編號5則為觀察金相微觀組織之試

片。

80

20 10

140

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

試片編號 銲接方向 單位：mm

圖 3-8 試片裁取示意圖

第五節 品質特性值之量測

本研究欲量測之品質特性值為銲道寬度、 銲蝕 與銲道微硬度。以下分 別說明量測之方法。

壹、銲道寬度及 銲蝕 之量測

銲件經由金相砂輪切割機裁減之適當大小後，以保力膠加入少許硬化 劑之製作流程進行冷鑲埋，鑲埋完成之試片如圖3-9所示。然後將已鑲埋之 試片經由水砂紙＃180 →＃400 →＃600 →＃800 →＃1000 →＃1200研磨 完成後，將試片分別以1μm→0.3μm之氧化鋁粉懸浮液在拋光機中進行拋 光。拋光後之試片以清水去除氧化鋁殘餘粉末，並以酒精清洗後吹乾。然 後以10ml的HNO

、20ml的HCl和30ml的H

O相互混合以做為試片的腐蝕 液，腐蝕試片之時間約為60秒。

本研究以CY-100A Digital CCD Camera低倍率光學顯微鏡量測銲道寬 度及 銲道外觀 ，如圖3-10所示。在銲道寬度方面，利用尺寸量測軟體Measure- ment tool予以量測，量測精度為0.01mm。在 銲蝕 方面，採用田口計數值分 成四個等級：銲道凸起無銲蝕（1點）、銲蝕不明顯（2點）、輕微銲蝕（3 點）、嚴重銲蝕（4點）。

圖 3-9 試片之冷鑲埋

圖 3-10 CCD Camera 低倍率光學顯微鏡

貳、銲道微硬度之量測

以金相砂輪切割機切取大小為 30mm×10mm×3.3mm 之量測試片，以第 六節所述之方法將試片經由研磨、拋光、鑲埋及腐蝕後，即完成微硬度試 片之製作。本研究以 Future tech FM-7 Vickers 微硬度試驗機量測微硬度，

試驗機量測精度為 Hv 0.1，如圖 3-11 所示。量測微硬度時，量測荷重 300g，

維持時間 15 秒。微硬度分成兩部分量測：第一部份以銲道為主，量測位置

如圖 3-12(A)所示，共量測 17 點，所獲得之數據供作田口分析及灰關聯分

析之用。第二部分為沿銲道橫斷面中心向右側每隔 0.5mm 打一點，範圍涵

蓋銲道、熱影響區及母材，如圖 3-12(B)所示，測出之微硬度值繪成微硬度

曲線，以了解最適製程參數與現行製程參數微硬度的差異情形。

圖 3-11 Vickers 微硬度試驗機

(A)

(B)

圖 3-12 量測微硬度示意圖，(A)銲道，(B)銲道、熱影響區及母材

第六節 肥粒相量測與金相顯微組織之觀察

壹、肥粒相量測

本研究是以規格為100mm×40mm×3.3mm之母材對接完成之試片進行肥 粒相指數量測。首先將銲道之凸起部以砂輪機磨平，然後用砂紙將銲道研 磨到400號，以丙酮清潔乾淨後，即完成肥粒相量測試片之製作。本研究以 Ferrite Scope M10B-FE肥粒相含量測定儀量測肥粒相指數，量測精度為 FN0.1，如圖3-13所示。量測的方法是依照AWS規範A4.2-86，在試片中心 線左右各3cm之區域內，用Ferrite Scope沿著銲道每隔1cm量取一點，共量 得七點的數據，取其平均值，此值即代表此塊試片之肥粒相指數，如圖3-14 所示。

圖 3-13 肥粒相含量測定儀

圖 3-14 肥粒相指數量測示意圖

貳、金相顯微組織觀察

以第六節所述之方法將試片經由研磨、拋光、鑲埋及腐蝕後，即完成 金相試片之製作。然後以OLYMPUS BH型光學顯微鏡觀察試片金相顯微組 織，如圖3-15所示。以了解在不同製程參數組合下，熔融區之顯微組織變 化情形。

圖 3-15 光學顯微鏡及相關設備

第七節 測試數據之解析

本研究所量測之品質特性分別為銲道微硬度值、銲道寬度及銲蝕。將 各品質特性所測得之數據分別鍵入MicroSoft Excel中，以求出以下各項解 析所須之SN比、灰關聯係數及灰關聯度。

壹、單一品質特性之解析

銲道微硬度值以參數設計之靜態望大特性公式求出各次實驗之 SN 比；銲道寬度以參數設計之靜態望小特性公式求出各次實驗之 SN 比；銲蝕以靜態望小特性公式求出各次實驗之 SN 比。

一、求出最適條件

作出各品質特性之 SN 比補助表及要因效果圖，便可分別決定 銲道微硬度值、銲道寬度及銲蝕之最適條件。此外，運用變異數分 析以了解各控制因素對品質特性的影響程度，作法是將各品質特性 之 SN 比代入變異數分析之公式中（附錄） ，做成變異數分析表以了 解各控制因素對於總變異量之貢獻率。

二、確認實驗

用各品質特性中所求得的最適條件，以相同的實驗步驟，製作 相同尺寸之試片，分別量測銲道微硬度、銲道寬度及銲蝕後，將數 據代入同一公式中求出其 SN 比，以確認所選擇之最適條件的再現 性如何。田口博士認為：當推定之現行條件與最適條件之增益值，

與實際確認實驗中現行條件及最適條件之增益值，兩者之間的差異

值愈小，表示其再現性愈高；其差值大於 30%時，表示此實驗之再

現性不佳。因此，若推定與確認實驗增益值之差小於 30%時，則可

認定此最適條件在量產之工廠中，其品質目標能夠再現。

貳、多重品質特性之解析

在考慮多重品質特性之問題時，無法藉由單一之 SN 比來處理兼 顧多重品質特性之最適化，所以田口方法便有所不足。本研究擬以灰 關聯分析中的灰關聯度（grey relational grade）來綜合銲接各品質特性。

一、求出最適條件

以各種品質特性之各次實驗的原始數據平均值比做為灰關聯分 析中的數據，銲道微硬度使用望大型之灰關聯生成公式做數據前處 理，銲道寬度及銲蝕使用望小型之灰關聯生成公式做數據前處理。

接下來求出各次實驗的灰關聯係數與灰關聯度。其中灰關聯度最大 值，其對應在直交表內之控制因素組合僅是直交表內之最適條件。

因此，必須分別對各控制因素之水準再做灰關聯分析，以求得落在 直交表外側之最適條件。

二、確認實驗

為了驗證直交表內、外之最適條件是否帶來預期的改善，必須 再做實驗加以驗證。以直交表內、外之最適條件去做相同的實驗，

製作相同尺寸之試片，分別量測各品質特性之數據後，將數據代入

同一公式中求出其 SN 比及再現性。然後比較直交表內、外最適條

件之 SN 比增益值及再現性，增益值為正且再現性佳者即為最終之

最適條件。