inpursuitofoptimal#weld#parameters# …

22
1 of 22 IN PURSUIT OF OPTIMAL WELD PARAMETERS – THE HOW TO – By Chris Bertoni Director, Quality & Technical Services, 4Front Engineered Solutions Overview There is nothing new about a quest for an Optimal weld. Attempts to improve weld quality are a routine challenge for most folks in the welding industry. This article offers a five step method to finding the optimum or ‘best’ weld. The method detailed below utilizes a statistical tool known as the two level factor approach. This welltested method will assist an investigator in identifying what is to be optimized, choosing inputs for evaluation, running the tests so that statistically significant data is generated, analyzing data, and finally determining the settings for the significant inputs which result in the optimum weld. While there are many methods that can be used to find optimums, it is the author’s belief that the relative intuitiveness and simplicity of the two level factor design approach make it the best choice for most welding optimization projects. The approach is not a panacea. It requires specialized software, it can be costly and, on occasion, even after following all the steps an optimum weld may not be found. The article concludes with an application of the five step approach to a recent realworld weld improvement example. What Is An Optimum Weld? Selecting weld parameters is a regular part of welding. In general there are two broad scenarios when weld parameters are explored. The first scenario occurs before a production arc is struck. Prior to production, during the Procedure Qualification Record/Welding Procedure specification (PQR/WPS) qualification of a weld procedure, weld settings are specified, samples are run, and testing performed. If samples fail to meet testing requirements, weld parameters are changed and the tests are continued until a conforming weld is produced. The settings are recorded and the process released for production. At this point adequate weld settings have been found, but it could be wondered if different weld settings would produce a better weld. The same question can be asked of a weld engineer. For instance, is there a better design (less amount of weld, less need for pre or post treatment, different less expensive weld process, etc.) available? While this same five step approach works for weld design as it does for weld procedures, the focus of this article will be on weld procedures. The second scenario when weld parameters are explored occurs when adjustments are continuously required to stabilize a weld process which drifts in to and out of producing a conforming weld sometimes good welds are made and sometimes marginal welds are made. The general solution here is to call in a weld expert who, based on experience, adjusts the weld settings to produce an improved weld. Should the weld process drift again perhaps a different weld expert will be called upon for assistance. In which case, perhaps, different weld settings will be generated. In each case adequate weld settings will have been found, but a similar question remains as with scenario 1. Would different weld settings produce a more robust weld? Sometimes good enough is all that is needed. But, on occasion, what is desired is not weld settings that produce an acceptable weld but weld settings that produce the best or the optimum weld. Perhaps folks are tired of adjusting the weld settings day in and day out. Or perhaps the weld team is tired of two weld experts expressing their opinions as to who is right when it is required that a weld process be brought back to conformance. Or perhaps a third party is insisting on being provided documentation showing weld improvements following a weld failure in the field. In such cases there is a need to find better weld settings, weld parameters which will achieve more than an adequate weld. What is needed is the optimum weld. An optimum weld parameter can be either a maximum or a minimum. For instance, if the reduction in weld splatter is the goal, then the optimum is found when the inputs are adjusted so as to produce the minimum amount of weld splatter. Conversely, if the strength of the weld is the goal, then the optimum is found when the weld inputs are adjusted so as to produce the maximum strength weld. To find the optimum weld the first step is to state the problem, and the second step is to select weld output(s) which are measurable. For instance the problem/goal could be to reduce a particular weld failure in the field and

Upload: others

Post on 27-Oct-2021

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

1  of  22      

IN  PURSUIT  OF  OPTIMAL  WELD  PARAMETERS  –  THE  HOW  TO  –  

By  Chris  Bertoni  Director,  Quality  &  Technical  Services,  4Front  Engineered  Solutions    Overview  There  is  nothing  new  about  a  quest  for  an  Optimal  weld.    Attempts  to  improve  weld  quality  are  a  routine  challenge  for  most  folks  in  the  welding  industry.    This  article  offers  a  five  step  method  to  finding  the  optimum  or  ‘best’  weld.    The  method  detailed  below  utilizes  a  statistical  tool  known  as  the  two  level  factor  approach.    This  well-­‐tested  method  will  assist  an  investigator  in  identifying  what  is  to  be  optimized,  choosing  inputs  for  evaluation,  running  the  tests  so  that  statistically  significant  data  is  generated,  analyzing  data,  and  finally  determining  the  settings  for  the  significant  inputs  which  result  in  the  optimum  weld.      While  there  are  many  methods  that  can  be  used  to  find  optimums,  it  is  the  author’s  belief  that  the  relative  intuitiveness  and  simplicity  of  the  two  level  factor  design  approach  make  it  the  best  choice  for  most  welding  optimization  projects.    The  approach  is  not  a  panacea.    It  requires  specialized  software,  it  can  be  costly  and,  on  occasion,  even  after  following  all  the  steps  an  optimum  weld  may  not  be  found.  The  article  concludes  with  an  application  of  the  five  step  approach  to  a  recent  real-­‐world  weld  improvement  example.        What  Is  An  Optimum  Weld?    Selecting  weld  parameters  is  a  regular  part  of  welding.    In  general  there  are  two  broad  scenarios  when  weld  parameters  are  explored.    The  first  scenario  occurs  before  a  production  arc  is  struck.    Prior  to  production,  during  the  Procedure  Qualification  Record/Welding  Procedure  specification  (PQR/WPS)  qualification  of  a  weld  procedure,  weld  settings  are  specified,  samples  are  run,  and  testing  performed.    If  samples  fail  to  meet  testing  requirements,  weld  parameters  are  changed  and  the  tests  are  continued  until  a  conforming  weld  is  produced.    The  settings  are  recorded  and  the  process  released  for  production.    At  this  point  adequate  weld  settings  have  been  found,  but  it  could  be  wondered  if  different  weld  settings  would  produce  a  better  weld.  The  same  question  can  be  asked  of  a  weld  engineer.    For  instance,  is  there  a  better  design  (less  amount  of  weld,  less  need  for  pre  or  post  treatment,  different  less  expensive  weld  process,  etc.)  available?    While  this  same  five  step  approach  works  for  weld  design  as  it  does  for  weld  procedures,  the  focus  of  this  article  will  be  on  weld  procedures.    The  second  scenario  when  weld  parameters  are  explored  occurs  when  adjustments  are  continuously  required  to  stabilize  a  weld  process  which  drifts  in  to  and  out  of  producing  a  conforming  weld  -­‐  sometimes  good  welds  are  made  and  sometimes  marginal  welds  are  made.    The  general  solution  here  is  to  call  in  a  weld  expert  who,  based  on  experience,  adjusts  the  weld  settings  to  produce  an  improved  weld.    Should  the  weld  process  drift  again  perhaps  a  different  weld  expert  will  be  called  upon  for  assistance.    In  which  case,  perhaps,  different  weld  settings  will  be  generated.    In  each  case  adequate  weld  settings  will  have  been  found,  but  a  similar  question  remains  as  with  scenario  1.    Would  different  weld  settings  produce  a  more  robust  weld?    Sometimes  good  enough  is  all  that  is  needed.    But,  on  occasion,  what  is  desired  is  not  weld  settings  that  produce  an  acceptable  weld  but  weld  settings  that  produce  the  best  or  the  optimum  weld.    Perhaps  folks  are  tired  of  adjusting  the  weld  settings  day  in  and  day  out.    Or  perhaps  the  weld  team  is  tired  of  two  weld  experts  expressing  their  opinions  as  to  who  is  right  when  it  is  required  that  a  weld  process  be  brought  back  to  conformance.    Or  perhaps  a  third  party  is  insisting  on  being  provided  documentation  showing  weld  improvements  following  a  weld  failure  in  the  field.    In  such  cases  there  is  a  need  to  find  better  weld  settings,  weld  parameters  which  will  achieve  more  than  an  adequate  weld.    What  is  needed  is  the  optimum  weld.  An  optimum  weld  parameter  can  be  either  a  maximum  or  a  minimum.    For  instance,  if  the  reduction  in  weld  splatter  is  the  goal,  then  the  optimum  is  found  when  the  inputs  are  adjusted  so  as  to  produce  the  minimum  amount  of  weld  splatter.    Conversely,  if  the  strength  of  the  weld  is  the  goal,  then  the  optimum  is  found  when  the  weld  inputs  are  adjusted  so  as  to  produce  the  maximum  strength  weld.      To  find  the  optimum  weld  the  first  step  is  to  state  the  problem,  and  the  second  step  is  to  select  weld  output(s)  which  are  measurable.    For  instance  the  problem/goal  could  be  to  reduce  a  particular  weld  failure  in  the  field  and  

Page 2: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

2  of  22      

the  two  outputs  to  optimize  could  be  depth  of  penetration  and  size  of  the  weld.    Depending  on  the  goal  of  the  experiments,  any  number  of  weld  features  is  candidates  for  optimization.    Examples  include  depth  of  penetration,  amount  of  porosity,  size  of  the  weld,  amount  of  splatter,  weld  appearance,  the  number  of  weld  defects,  weld  speed,  etc.      The  optimization  of  the  weld  output(s)  is  accomplished  by  varying  weld  input  settings.    Inputs  can  be  broadly  classified  as  controllable  or  uncontrollable.    The  controllable  inputs  are  ones  which  can  be  varied  to  determine  how  much  they  affect  the  desired  output.    Some  typical  controllable  inputs  are  the  volts,  filler  material  type,  cover  gas,  push  versus  pull,  drag  angle,  surface  finish  of  the  parts,  operator  training,  etc.    Uncontrollable  inputs  are  inputs  that  are  not  varied  and  can  include  drafts,  cleanliness  of  parts,  ambient  temperature,  etc.      To  improve  a  weld  output,  therefore,  adjustments  are  made  to  the  weld  inputs  –  in  an  effort  to  see  if  a  better  combination  of  inputs  can  be  found  which  will  result  in  a  better  weld  output.    Generally,  a  change  in  one  of  the  weld  inputs  will  result  in  an  improvement  or  deterioration  in  the  weld  output/goal  of  interest.    The  weld  input  settings  which  result  in  the  best  output(s)  are  the  optimum  weld  parameter  settings.      An  optimum  weld  setting  then  is  one  where  weld  parameters  (inputs)  are  chosen  which  maximize  (depth  of  penetration,  weld  travel,  etc.)  or  minimize  (number  of  defects,  amount  of  splatter,  etc.)  desired  output(s).      There  are  usually  several  inputs  which  are  varied  during  test  runs  or  trials  and  one  (or  more)  outputs  which  are  evaluated.    See  Figure  1.    

   

Figure  1.    Example  of  inputs  and  outputs  for  weld  testing.    Once  found,  an  optimal  weld  setting  is  not  the  only  weld  setting  that  will  ever  be  needed.    If  input  parameters  drift  outside  of  test  limits  or  if  new  conditions  develop,  the  input  parameters  may  to  be  tweaked.        How  An  Optimal  Weld  Is  Found  Today  Let's  begin  with  an  example.    Consider  the  situation  where  one  discovers  a  nonconforming  weld  that  is  covered  by  a  WPS  but  one  where  the  weld  parameters  have  not  been  optimized.    In  this  example,  we  will  pretend  that  this  particular  weld  requires  frequent  attention  as  the  weld  slips  in  to  and  out  of  conformance  –  sometimes  good  welds  are  made  and  sometimes  not  so  good  welds  are  made.    The  two  most  common  approaches  taken  to  returning  the  weld  to  conformity  are  shown  below  in  their  order  of  complexity:     -­‐   Ask  the  weld  expert  approach    

Page 3: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

3  of  22      

  -­‐   Traditional  or  One  Input  at  a  Time  test  approach      Ask  the  weld  expert  When  a  nonconforming  weld  is  discovered,  often  the  solution  begins  with  finding  the  weld  'expert'  (that's  the  welder  or  weld  engineer  with  the  most  gray  hair  or,  the  person  with  the  least  hair,  as  is  in  my  case)  and  asking  them  what  to  do.    From  experience  the  weld  expert  will,  in  short  order,  find  a  new  weld  setting  which  will  produce  conforming  welds.    Knobs  will  be  turned,  tips  examined,  words  will  be  mumbled  and  possibly  new  settings  will  be  recorded.    Victory  will  be  declared  and  production  will  resume.    That  is,  until  a  marginal  weld  is  discovered  once  again.    When  this  happens,  the  weld  process  will  once  again  come  under  the  scrutiny  and  attention  of  a  weld  expert  and  the  readjustment  process  will  be  repeated.    Most  weld  problems  are  addressed  with  a  high  degree  of  success  by  the  weld  expert.    However,  depending  upon  the  frequency  and  severity  of  the  consequences  of  a  nonconforming  weld,  additional,  more  formal  testing  may  need  to  be  done.        Traditional,  or  One  Input  at  a  Time  When  a  nonconforming  weld  is  found  and  either  the  weld  expert  is  unable  to  achieve  lasting  success  or  the  circumstances  require  that  tests  be  run,  the  approach  chosen  most  often  is  the  traditional  or  one  input  at  a  time  approach.    The  traditional  approach  normally  begins  with  a  meeting  where  the  problem  is  defined,  the  outputs  (what  we  wish  to  optimize  -­‐  maximize  or  minimize)  are  chosen  and,  the  input  variables  are  selected.    Next  a  range  is  established  for  the  input  variables  –  a  high  and  a  low.    Details  of  each  of  these  steps  are  provided  later  in  the  article.    A  single  input  is  selected  from  all  of  the  inputs  as  the  first  input  to  vary,  call  it  the  trial  input,  and  the  other  inputs  are  called  the  held  constant  inputs.    For  the  first  test  the  held  constant  inputs  are  set  to  their  best  guess  individual  optimum  high  or  low  values.    Then  a  test  is  run  with  the  trial  input  at  let’s  say  its  low  value  followed  by  a  second  test  with  all  other  inputs  held  constant  and  unchanged  while  the  trial  input  is  now  set  at  its  high  value.    Often  the  first  two  tests  are  run  again  to  confirm  the  results.    The  results  are  recorded  and  the  trial  input  value  which  resulted  in  the  better  output  response  (either  when  it  was  set  at  the  high  value  or  when  it  was  set  at  the  low  value)  is  locked  in.    This  trial  input  now  becomes  part  of  the  held  constant  inputs  and  a  new  trial  input  variable  is  selected  from  the  formally  held  constant  inputs.    Two  additional  tests  are  now  conducted,  often  to  be  repeated  to  be  sure  of  the  results,  one  with  the  new  trial  input  set  to  a  low  value  and  another  test  with  the  trial  input  set  to  a  high  value.    The  results  from  the  second  set  of  tests  are  analyzed  and  the  value  for  the  second  trial  input  which  resulted  in  the  better  output  value  is  selected,  moved  to  the  held  constant  inputs,  a  new  trial  input  selected  and  the  process  continued  until  all  inputs  have  had  their  turn.    An  simple  two  input  example  is  offered  below.      For  this  example  it  is  assumed  that  the  goal  is  to  improve  weld  penetration  and  that  the  team  choose  the  outputs  and  controllable  inputs  as  below.  

Output  variable  -­‐  depth  of  penetration,  rated  after  visual  inspection  of  a  cross  section  Inputs  (controllable)  –  volts  and  cover  gas  setting  Inputs  (uncontrollable)  -­‐  everything  else:    drafts,  cleanliness  of  parts,  fixturing,  cover  gas,  etc.  High  and  low  settings  –  see  Table  1:  

 Input  

Volts  (DC)   Gas  (CFH)  

Setting  Low   26   35  

High   33   50  

Table  1.    Controllable  inputs  and  their  high  and  low  settings.  (Note  while  the  following  results  are  borrowed  from  a  real  example  they  have  been  fudged  a  bit  to  be  useful  as  an  example.)  

 The  test  is  begun  by  picking  gas  flow  at  high  (50)  as  the  held  constant  input  and  voltage,  as  the  trial  input,  varying  between  low  (26)  and  high  (33).    The  tests  will  be  run  twice  to  increase  the  confidence  in  the  results.    Table  2  below  shows  the  results  from  the  first  test.    It  is  noted  that  runs  3  and  4  yield  the  best  depth  of  penetration  –  the  average  of  two  runs  at  4.1.    As  the  quest  is  to  maximize  the  depth  of  penetration,  with  the  gas  set  at  high  (50),  a  better  output  is  obtained  when  the  voltage  is  at  a  high  (33)  than  when  voltage  is  set  at  low  (26).    The  last  trial  is  run  with  the  volts  now  held  constant  at  high  (33)  and  the  gas  flow  set  to  low  (35).      As  the  results  from  runs  5  and  6  are  lower  than  the  results  from  3  and  4  we  declare  that  an  optimum  weld  setting  for  depth  of  penetration  has  been  found  which  is  Volts  set  at  high  (33)  and  Gas  Flow  set  at  high  (50).    

Page 4: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

4  of  22      

 

    Input  setting      

  Order   Run   Volts  (VDC)   Gas  Flow  (CFH)   Result   Ave  Result  Trial  /  Test  Ru

n   1   1   low   26   high   50   1.7  2.0  

1   2   low   26   high   50   2.2  1   3   high   33   high   50   3.8  

4.1  1   4   high   33   high   50   4.3  2   5   high   33   low   35   0.9  

1.1  2   6   high   33   low   35   1.2  

Table  2.    Traditional  testing  results  identifying  the  settings  for  runs  3  and  4  as  producing  the  optimum  weld.  

 Something  New  Within  the  field  of  statistics  a  specialized  body  of  knowledge  exists  known  as  Design  of  Experiments  (DOE).    Individuals  within  the  DOE  group  assist  (or  equip)  others  by  providing  the  tools  and  information  needed  to  run  tests  and  make  statistically  significant  decisions  as  to  the  influence  a  particular  input  has  on  an  output.    The  main  tool  used  by  the  practitioners  of  DOE  is  specialized  software.    Within  such  software  packages  can  be  found  many  options  as  to  the  design  of  the  test.    Included  are  tests  such  as  Box-­‐Behnken,  Plackett-­‐Burman,  two  level  factor  design,  and  Taguchi.    It  is  the  author’s  experience  that  the  most  appropriate  DOE  test  for  finding  an  optimum  weld  setting  is  the  two  level  factor  design  and  as  such  it  is  the  only  test  which  will  be  explored.    Two  level  factor  design  The  two  prime  reasons  that  the  two  level  factor  design  is  recommended  as  the  test  design  approach  are  that  it  is  more  efficient  and  better  able  to  find  an  optimum  than  is  the  one  input  at  a  time  approach.    Also  it  is  not  as  complicated  as  other  Design  of  Experiment  approaches.    It  is  the  middle  ground  so  to  speak.    As  shown  later  the  two  level  factor  design  test  is  accomplished  with  fewer  runs  (cheaper)  and  that  even  with  fewer  runs  it  is  more  likely  to  find  an  optimum  (more  successful)  than  is  the  one  input  factor  at  a  time  approach.    However,  to  take  full  advantage  of  this  approach  to  finding  an  optimum  a  person  with  access  to  the  DOE  software  and  knowledgeable  in  the  subject  area  of  DOE  will  need  to  become  part  of  the  team.      To  emphasize  the  advantages  of  the  two  level  factor  design  over  the  traditional  approach  the  example  begun  above  will  be  continued.      The  start  of  this  test  approach  is  similar  to  the  traditional  or  one  input  at  a  time  approach  in  that  it  normally  begins  with  a  meeting  where  the  problem  is  defined,  the  outputs  are  chosen,  the  inputs  are  selected,  and  a  test  range  is  established  for  the  input  variables  –  a  high  and  a  low.    The  similarities  end  here.    The  next  step  in  the  two  level  factor  design  is  to  list  all  possible  combinations  between  the  inputs  and  then  to  randomize  the  order  of  the  test.    Randomization  is  done  to  mitigate  the  influence  of  some  uncontrollable  inputs  such  as  machines  warming  up  and  drifting  during  the  test  or  an  operator  becoming  tired  as  the  test  progresses,  etc.      For  example,  Table  3  lists  the  four  possible  combinations  of  volts  and  gas  flow.      

Volts  (VDC)   Gas  Flow  (CFH)  

low   26   low   35  

high   33   low   35  

low   26   high   50  

high   33   high   50  

Table  3.    The  four  possible  combinations  of  high  and  low  for  the  two  inputs  chosen.    The  results  from  the  randomized  run  are  entered  in  Table  4  below.    These  are  the  same  numbers  as  were  used  in  the  first  trial  run  from  Table  2,  the  traditional,  one  input  at  a  time  approach.      

Page 5: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

5  of  22      

      Input  setting    

  Order   Volts  setting   Gas  Flow   Result  

Trial  /  Test  

run  

1   high   33   low   35   0.9  

2   low   26   high   50   1.7  

3   high   33   high   50   3.8  

4   low   26   low   35   4.9  

Table  4.    Randomized  run  order  results  for  the  two  level  factor  design  trials.    Notice  two  things  from  Table  4  above.    First,  a  better  setting  for  depth  of  penetration  was  found,  4.9  versus  4.1.    This  occurred  from  a  combination  of  inputs,  Volts  low  and  Gas  Flow  low  which  was  not  even  tested  in  the  traditional  approach.    Second,  note  that  the  optimum  was  found  in  4  trials  versus  6  trials.      The  question  can  be  asked:  Is  there  as  much  confidence  in  the  results  from  the  two  level  factor  approach  as  with  the  traditional  approach?    In  the  traditional  approach  to  improve  confidence  in  the  results  two  runs  were  made  for  each  trial  while  in  the  two  level  factor  approach  only  one  run  was  made  for  each  trial.    Would  this  not  imply  that  the  traditional  approach  provides  an  answer  with  more  certainty  -­‐  more  confidence?  The  answer  is  no.    With  the  two  level  factor  approach  note  that  each  and  every  input  is  tested  twice  -­‐  at  a  high  level  and  a  low  level  -­‐  providing  the  same  confidence  in  the  result  as  with  the  traditional  approach.    The  reason  that  the  traditional  approach  found  a  non-­‐optimal  solution  is  that  in  the  traditional  approach  factor  interactions  are  ignored.    Hence,  should  the  voltage  effect  on  the  depth  of  penetration  change  as  the  gas  flow  changed  the  traditional  approach  would  miss  this  interaction.    As  the  two  level  factor  tests  all  inputs  at  high  and  low  settings,  interactions  are  captured.    The  interactions  for  this  example  can  be  graphed  and  viewed  as  shown  in  Figure  2  below.    Parallel  lines  indicate  no  interaction  while  non-­‐parallel  lines  indicate  an  interaction  between  the  inputs.      

 

   

Figure  2.    Graph  of  the  Volts  and  Gas  Flow  interaction  data.    As  parallel  lines  do  not  result,  data  supports  that  there  is  an  interaction  between  Volts  and  Gas  Flow.  

 Later  in  this  article  it  will  be  shown  that  when  using  the  two  level  factor  approach  the  most  significant  inputs  and  their  interactions  can  be  found  using  simple  arithmetic.      To  summarize,  the  benefits  and  disadvantages  of  the  three  approaches  used  to  find  an  optimum  weld  setting  are:    Ask  the  weld  expert  The  benefits  of  this  approach  are  that  the  results  are  immediate  and,  if  the  weld  expert  is  an  internal  person,  the  cost  is  often  considered  to  be  zero.    The  disadvantage  is  that  one  does  not  know  if  an  optimum  weld  was  found  as  the  solution  is  based  on  the  experience  of  the  individual  weld  expert.    Two  experts  may  resolve  the  problem  with  a  

Page 6: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

6  of  22      

different  fix,  and  on  occasion  each  may  feel  the  other’s  approach  is  non-­‐optimum,  sending  mixed  signals  to  the  team.    Traditional  or  One  Input  at  a  Time  One  benefit  of  this  approach  is  that  it  is  intuitively  pleasing.    It  makes  logical  sense  to  many  technical  folks.    In  addition,  it  is  an  approach  many  have  used  successfully  to  find  a  better  weld  result.    Also,  no  outside  expert  is  required  as  a  team  member.      The  disadvantages  are  that  it  is  wasteful  of  test  resources  as  shown  above.    To  achieve  the  same  confidence  as  the  two  level  factor  design  the  traditional  approach  took  6  runs  while  with  the  two  level  factor  design  only  4  runs  were  required.    The  traditional  approach  only  tests  for  main  factors  and  is  blind  to  interaction  of  factors  such  as  the  gas  flow  /  volt  setting  from  Figure  2.    As  shown  above,  this  approach  can  miss  the  optimum.    As  run  order  is  managed  e.g.  pick  one  trial  input  and  vary  it  then  pick  another  trial  input,  the  benefits  of  randomization  are  lost.    Finally  the  inputs  chosen  may  not  be  statistically  significant.    Two  level  factor  design  The  three  main  benefits  of  the  two  level  factor  design  over  the  traditional  approach  to  finding  an  optimum  are  that  a  better  optimum  may  be  discovered  due  to  considering  input  interactions  and  the  randomization  of  the  test,  less  runs  will  be  needed,  and  the  results  will  be  statistically  significant.  A  disadvantage  of  the  approach  is  that  a  person  familiar  with  the  subject  area  of  design  of  experiments  is  needed  as  a  member  on  the  test  design  team.    This  outsider’s  primary  responsibility  is  to  develop  the  test  plan,  evaluate  the  data,  and  present  the  conclusions.    Furthermore,  time  will  need  to  be  devoted  to  educating  this  expert  as  to  the  processes  involved,  the  input  factors,  and  the  problem.    This  adds  cost  and  lengthens  the  project  time  line.        More  About  The  Two  Level  Factor  Approach  -­‐  A  Golf  Example  The  five  step  approach  to  find  an  optimum  is  presented  below.    A  golf  example  will  be  used  to  introduce  and  formalize  the  five  step  approach  and  provide  the  final  comments  on  the  superiority  of  the  two  level  factor  testing  approach  over  the  ask  the  expert  or  the  traditional,  one  factor  at  a  time  testing  approaches.  

1.   State  the  problem  and  chose  the  outputs  2.   Choose  the  inputs  and  determine  their  levels  for  testing  3.   Select  a  test/experiment  approach  4.   Conduct  the  test  and  collect  data  5.   Analyze  the  data  to  determine  the  optimum  

 1.   State  the  problem  and  chose  the  outputs  The  golfer  in  this  simplified  example  wishes  to  optimize  the  accuracy  of  their  drive.      To  measure  the  accuracy  of  the  drive  the  golfer  decides  to  create  a  bull’s  eye  and  reward  drives  where    balls  that  lie  closer  to  the  flag  receive  a  higher  score  (see  Figure  3).    In  this  case  the  output  optimum  is  achieved  by  maximizing  the  score.  

Page 7: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

7  of  22      

 Figure  3.    Golf  target  example.    A  higher  score  (output)  is  

recorded  when  the  drive  lands  closer  to  the  flag    2.   Choose  the  inputs  and  determine  their  levels  for  testing  There  are,  of  course,  a  great  many  inputs  which  could  be  varied  to  see  which  are  significant  to  maximizing  the  score.    Inputs  for  consideration  would  include  the  direction  the  wind  is  blowing,  the  wind  speed,  the  manufacturer  or  style  of  driver,  the  amount  of  rest  had  before  the  test,  how  overcast  or  bright  the  sky  is,  height  of  the  grass,  dryness  of  grass,  whether  the  head  stays  down  during  the  swing,  etc.,  etc.    For  the  sake  of  this  example  our  model  will  consider  just  two  controllable  inputs,  is  the  golfer’s  arm  remain  straight,  and  what  is  the  length  of  the  golfer’s  cleats.    All  other  inputs  will  be  considered  uncontrollable.    These  two  inputs  were  chosen  to  demonstrate  that  the  two  level  factor  design  can  accommodate  both  categorical  and  attribute  data,  e.g.  non  numeric  data  (such  as  does  the  glass  feel  wet,  etc.)  as  well  as  numerical  input  information.  The  levels  will  be  set  as  below:     Is  the  golfer’s  arm  straight?       -­‐   The  golfer’s  arm  is  straight       -­‐   The  golfer’s  arm  is  not  straight     Is  the  length  of  the  golfer’s  cleats  important?       -­‐   The  golfer’s  cleats  are  1/4”  long       -­‐   The  golfer’s  cleats  are  3/4”  long    3.   Select  a  test/experiment  approach  The  test  approach  to  be  used  is  the  two  level  factor  approach.    As  mentioned  earlier,  there  are  two  reasons  for  this,  one,  is  that  it  is  superior  to  the  traditional  or  one  input  at  a  time  design  approach  (a  better  optimum  may  be  discovered,  less  runs  will  be  required,  and  the  results  will  be  statistically  significant)  and  two  is  that  it  is  the  author's  opinion  that  this  is  the  most  appropriate  test  for  welding.  In  a  classic  full  two  level  factor  approach  our  test  would  look  something  like  Table  5  below:    

Test  Run   Input  1   Input  2   Results  (zone)  

1   Arm  not  Straight   1/4"  Cleats    

2   Arm  Straight   1/4"  Cleats    

3   Arm  not  Straight   3/4"  Cleats    

4   Arm  Straight   3/4"  Cleats    

Table  5.    Listing  of  all  possible  combinations  of  inputs    

Note  that  we  need  to  run  minimum  of  (4)  tests  to  cover  all  the  different  combinations  or  runs.    (Or  two  times  (4)  or  three  times  (4)  if  we  wish  to  run  replicates  to  improve  the  certainty  of  our  results.)    Now  we  all  know  that  varying  just  the  two  chosen  variables  may  or  may  not  make  any  difference  on  how  close  the  golfer  gets  to  the  hole.    In  fact  the  variables  chosen  for  the  test  may  not  have  any  predictive  value  at  all.    Our  test  results  from  this  test  may  prove  

Page 8: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

8  of  22      

to  be  completely  random.    If  our  testing  suggests  this,  the  tests  can  be  rerun  the  test  with  a  different  mix  of  variables.    Let's  assume  that  for  this  particular  golfer  the  variables  chosen  will  be  significant.      The  next  thing  is  to  randomize  the  run  order.    A  random  number  would  be  assigned  to  each  trial.    Perhaps  the  order  would  be  test  run  3  followed  by  test  run  1  followed  by  test  run  2  followed  by  test  run  4.    Randomization  is  a  critical  test  element.    It  helps  even  out  the  playing  field  when  there  are  uncontrollable  variables  (and  this  is  always  the  case).    Uncontrolled  variables  include  wind  direction,  dryness  of  the  grass,  style  of  driver,  etc.    When  inputs  cannot  be  controlled  it  is  best  to  average  out  their  effects  –  and  often  randomization  is  the  best  method.    4.   Conduct  the  test  and  collect  data  Data  will  be  created  as  needed  to  demonstrate  the  two  level  factor  design  approach.    The  results  from  the  trial  are  recorded  below.    The  results  have  been  entered  back  in  to  the  original  table  and  are  shown  in  Table  6.  

Page 9: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

9  of  22      

             

 Table  6.    Golf  example  #1.  

 5.   Analyze  the  data  to  determine  the  optimum  After  examining  Table  6  what  might  be  concluded  is:  

-­‐   The  drive  is  better  (remember  that  closest  to  the  pin  in  zone  #5)  while  wearing  shoes  with  3/4”cleats  landing  in  zone  #5  every  time.  

-­‐   And  that  whether  the  golfer's  arm  is  straight  or  not  does  not  makes  a  difference.    With  the  arm  held  straight,  the  ball  lands  in  zone  #5  one  time  and  another  time  the  ball  lands  in  zone  #1.    Also,  with  the  arm  held  not  straight,  the  ball  lands  in  zone  #5  one  time  and  another  time  the  ball  lands  in  zone  #1.    

A  little  later  it  will  be  shown  how  to  convert  this  table  in  to  a  number  format  and  calculate  which  variables  result  in  the  best  drive  better  using  simple  arithmetic.    For  the  time  being  our  powers  of  observation  will  be  the  guide.  Rather  than  the  results  above  from  golf  example  #1  perhaps  different  test  outputs  resulted,  for  example,  the  results  as  in  Table  7  below:    

           

Table  7.    Golf  example  #2.  For  Golf  example  #2  what  would  be  concluded?    It  might  be  concluded  that:  

-­‐   The  drive  is  better  (remember  that  closest  to  the  pin  is  zone  #5)  when  the  golfer's  arm  is  straight.    Here  the  ball  lands  in  zone  #1  every  time.  

-­‐   Also,  whether  the  cleats  are  1/4”  or  3/4”  makes  no  difference.    With  1/4”  cleats,  the  ball  lands  in  zone  #5  one  time  and  another  time  the  ball  lands  in  zone  #1.    Also,  with  3/4”  cleats,  the  ball  lands  in  zone  #5  one  time  and  another  time  the  ball  lands  in  zone  #1.    

Time  for  arithmetic.    The  next  step  is  to  add  some  numbers  so  that  the  output  results  can  be  quantified  and  not  dependent  upon  an  intuitive  review.    The  same  data  tables  as  above  can  be  converted  to  meet  the  need.    The  variables  will  be  defined  as  below.    It  does  not  make  a  difference  which  input  is  the  ‘+1’  or  the  ‘-­‐1‘.    If  the  +1’s  and  -­‐1‘s  were  chosen  differently  it  would  make  NO  difference.      

Arm  not  Straight  =  ‘-­‐1‘           1/4”  Cleats  =  ‘-­‐1‘                Arm  Straight  =  ‘+1’           3/4”  Cleats  =  ‘+1’  

 And  Zone  #1  =  1  and  Zone  #2  =  2,  etc.    The  results  of  this  math  conversion  is  to  convert  golf  example  #1  (Table  6)  and  Golf  example  #2  (Table  7)  in  to  Tables  8  and  9.    

Test  Run   Input  1   Input  2   Results  (zone)  

1   Arm  not  Straight   1/4"  Cleats   #1  

2   Arm  Straight   1/4"  Cleats   #1  

3   Arm  not  Straight   3/4"  Cleats   #5  

4   Arm  Straight   3/4"  Cleats   #5  

Test  Run   Input  1   Input  2   Results  (zone)  

1   Arm  not  Straight   1/4"  Cleats   #5  

2   Arm  Straight   1/4"  Cleats   #1  

3   Arm  not  Straight   3/4"  Cleats   #5  

4   Arm  Straight   3/4"  Cleats   #1  

Page 10: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

10  of  22    

   

                                                                                   

 

 Table  8.    Golf  example  #1  converted  to  a  math  format  

Table  9.    Golf  example  #2  converted  to  a  math  format  

Next  add  two  columns  and  one  row  to  Tables  8  and  9  for  the  ‘math’  results,  see  Tables  10  and  11.    The  last  two  columns  are  formed  when  the  Result  column  is  multiplied  by  Input  1  or  Input  2.    For  instance,  for  row  1  of  Golf  example  #1,  Input  1  x  Result  yields  -­‐1  as  the  Input  of  -­‐1  times  the  result  of  1  which  equals  -­‐1.    On  the  same  row  for  Input  2  the  result  is  obtained  by  multiplying  -­‐1  times  1  which  equals  -­‐1.    And  so  it  goes  for  the  other  rows  until  the  table  is  completed.    

 Table  10.    Golf  example  #1                     Table  11.    Golf  example  #2  

                     Input  Result  columns  added                                      Input  Results  columns  added    Once  a  table  is  expanded,  all  that  needs  to  be  done  is  to  pick  the  input  with  the  largest  number  (absolute  value)  which  is  8  in  both  examples.    Based  on  the  observations  above  for  the  first  example  it  was  observed  that  Input  2  (Cleats/No  Cleats)  was  the  more  important  factor  than  Input  1  (Arm  Straight/Arm  not  Straight).    Now  by  simply  observing  the  summations  it  is  readily  apparent  that  Input  2  (Cleats/No  Cleats)  has  the  largest  value  and  hence  is  the  most  significant.  The  same  reasoning  goes  for  the  second  example.    Earlier  it  was  observed  that  Input  1  (Arm  Straight/Arm  Not  Straight)  was  a  more  important  factor  than  Input  2  (Cleats/No  Cleats).    With  the  completed  table  it  is  a  straight  exercise  to  identify  that  Input  1  (Arm  Straight/Arm  Not  Straight)  with  a  summation  value  of  8  is  a  more  important  input  that  Input  2  (Cleats/No  Cleats)  with  a  summation  value  of  0.  So  far  there  is  relatively  nothing  surprising  here.    Following  the  traditional  approach  of  varying  one  input  at  a  time  may  have  achieved  the  same  level  of  understanding.    As  stated  above,  one  advantage  of  the  two  level  factor  Design  of  Experiment  approach  over  the  traditional  approach  is  that  interactions  between  the  variables  can  be  checked.    The  step  begins  with  the  addition  of  one  more  column  to  the  table  to  capture  the  interaction  effect.    To  complete  the  last  column  (the  interaction  column)  multiply  both  Input  columns  (1  or  -­‐1)  with  the  Results  column  and  enter  the  answer  in  the  last  column.    The  rows  are  summed  as  before.    Remembering  that:    

           

Test  Run  

Input  1   Input  2  Results  (zone)  

1   -­‐1   -­‐1   1  

2   1   -­‐1   1  

3   -­‐1   1   5  

4   1   1   5  

Test  Run  

Input  1   Input  2  Results  (zone)  

1   -­‐1   -­‐1   5  

2   1   -­‐1   1  

3   -­‐1   1   5  

4   1   1   1  

Test  Run  

Input  1  

Input  2  

Results  (zone)  

Input  1  x  Result  

Input  2  x  Result  

1   -­‐1   -­‐1   1   -­‐1   -­‐1  

2   1   -­‐1   1   1   -­‐1  

3   -­‐1   1   5   -­‐5   5  

4   1   1   5   5   5  Total         0   8  

Test  Run  

Input    1  

Input  2  

Results  (zone)  

Input  1  x  Result  

Input  2  x  Result  

1   -­‐1   -­‐1   5   -­‐5   -­‐5  

2   1   -­‐1   1   1   -­‐1  

3   -­‐1   1   5   -­‐5   5  

4   1   1   1   1   1  Total         -­‐8   0  

This  Times  this  

Equals  this  

-­‐1   -­‐1   1  

1   -­‐1   -­‐1  

-­‐1   1   -­‐1  

1   1   1  

Page 11: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

11  of  22    

 In  the  case,  Golf  example  #1  (Table  10)  becomes  Table  12.        

               

Table  12.    Golf  example  #1  (Table  10)  with  an  interaction  column    

So,  given  the  results  from  Golf  example  #1  the  conclusions  remain  the  same.    Input  2  (Cleats/No  Cleats)  is  the  significant  variable  and  the  interaction  effect  is  nonexistent.    It  is  now  time  for  Golf  example  #3.    The  results  are  shown  below  in  Table  13.    What  could  be  concluded  based  on  an  observation  of  the  data  below?                

Table  13.    Results  for  Golf  example  #3  Probably  not  much.    Converting  Table  #13  to  a  math  table  without  the  interaction  column  results  in  Table  14.  

   

           

Table  14.    Golf  example  #3  converted  to  a  math  format  Table  #14  suggests  that  neither  Variable  1  (Arm  Straight/Arm  Not  Straight)  nor  Variable  2  (Cleats/No  Cleats)  make  a  difference  in  how  far  the  result  of  the  drive.    The  suggestion  is  that  the  variables  are  insignificant.    But,  if  the  math  table  is  expanded  and  the  interactions  included  the  Table  14  becomes  Table  15.    

       

     

Table  15.    Golf  example  #3  interaction  column  added  Table  15  shows  that  the  significant  factor  here  is  the  interaction  and  not  the  individual  Inputs.    What  is  seen  an  interaction  between  Input  1  and  Input  2.    Specifically  if  Input  1  is  a  ‘+’  and  Input  2  is  a  ‘-­‐‘  OR  Input  1  is  a  ‘-­‐‘  and  Input  2  is  a  ‘+’  our  drive  is  close  to  the  pin.    On  the  other  hand  if  both  are  ‘-­‐‘  s  OR  both  ‘+’s  our  drive  is  far  from  the  

Test  Run  

Input  1  

Input  2  

Results  (zone)  

Input  1  x  Result  

Input  2  x  Result  

Interaction  Input  1  &  2  

1   -­‐1   -­‐1   1   1   -­‐1   -­‐1  

2   1   -­‐1   1   -­‐1   -­‐1   1  

3   -­‐1   1   5   5   5   5  

4   1   1   5   -­‐5   5   -­‐5  

Total         0   8   0  

Test  Run   Input  1   Input  2   Results  (zone)  

1   Arm  not  Straight   1/4"  Cleats   #1  

2   Arm  Straight   1/4"  Cleats   #5  

3   Arm  not  Straight   3/4"  Cleats   #5  

4   Arm  Straight   3/4"  Cleats   #1  

Test  Run  

Input  1  

Input  2  

Results  (zone)  

Input  1  x  Result  

Input  2  x  Result  

1   -­‐1   -­‐1   1   -­‐1   -­‐1  

2   1   -­‐1   5   5   -­‐5  

3   -­‐1   1   5   -­‐5   5  

4   1   1   1   1   1  

Total         0   0  

Test  Run  

Input  1  

Input  2  

Results  (zone)  

Input  1  x  Result  

Input  2  x  Result  

Interaction  Input  1  &  2  

1   -­‐1   -­‐1   1   -­‐1   -­‐1   1  

2   1   -­‐1   5   5   -­‐5   -­‐5  

3   -­‐1   1   5   -­‐5   5   -­‐5  

4   1   1   1   1   1   1  

Total         0   0   -­‐8  

Page 12: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

12  of  22    

pin.    So  if  the  golfer's  arm  is  straight  (1)  and  the  cleats  are  1/4"  (-­‐1)  OR  the  golfer's  arm  is  not  straight  and  the  cleats  are  3/4"  this  results  in  a  drive  which  is  closest  to  the  pin.  There  are  two  additional  results  that  could  have  occurred.    One  is  that  no  input  or  interaction  is  significant  and  the  other  is  that  there  are  no  clear  significant  inputs  or  interactions.    In  Golf  example  #4,  Table  16,  each  test  run  results  in  the  golf  ball  landing  in  zone  2.    As  the  summation  totals  are  all  zero,  this  suggests  that  none  of  the  selected  inputs  or  their  interaction  is  significant,  meaning  the  inputs  chosen  have  no  effect  on  the  results.    At  this  point  additional  inputs  should  be  considered  and  tests  with  these  new  inputs  would  need  to  be  run  to  see  if  any  of  them  have  an  effect  on  the  output.        

Test  Run  

Input  1  

Input  2  

Results  (zone)  

Input  1  x  Result  

Input  2  x  Result  

Interaction  Input  1  &  2  

1   -­‐1   -­‐1   2   -­‐2   -­‐2   2  

2   1   -­‐1   2   2   -­‐2   -­‐2  

3   -­‐1   1   2   -­‐2   2   -­‐2  

4   1   1   2   2   2   2  

Total         0   0   0  

  Table  16.    Golf  example  #4    As  the  summation  totals  for  input  1,  input  2,  and  the  interaction  are  zero,  the  

data  suggests  neither  input  nor  interaction  is  significant.    

In  Golf  example  #5,  Table  17,  each  run  results  in  the  golf  ball  landing  in  zones  3,  4  or  5.    The  closeness  of  these  outputs  makes  finding  a  significant  input  more  difficult  than  if  the  golf  ball  landed  in  zones  1  -­‐  5.      The  summation  totals  do  not  suggest  a  clear  significant  input.    Perhaps  Input  1  is  significant  then  again  perhaps  it  is  not.    To  find  out  if  input  1  is  significant  a  statistical  analysis  of  the  data  known  as  an  analysis  of  variance  (ANOVA)  should  be  performed.    The  ANOVA  test  helps  determine  the  probability  of  an  input  being  significant  versus  the  probability  that  the  result  is  due  to  chance  (hence  the  input  is  insignificant).    Anytime  a  two  level  factor  design  is  run,  an  ANOVA  table  should  be  generated  to  check  the  statistical  significance  for  the  inputs  and  interactions.    This  check  will  normally  be  done  as  part  of  the  software  provided  by  the  design  of  experiment  subject  matter  expert.    The  ANOVA  test  for  significance  uses  the  data  already  developed  from  the  tables.      The  ANOVA  calculation  will  not  be  covered  in  this  article  but  it  comes  standard  with  Design  of  Experiment  software.        

Test  Run  

Input  1  

Input  2  

Results  (zone)  

Input  1  x  Result  

Input  2  x  Result  

Interaction  Input  1  &  2  

1   -­‐1   -­‐1   3   -­‐3   -­‐3   3  

2   1   -­‐1   4   4   -­‐4   -­‐4  

3   -­‐1   1   3   -­‐3   3   -­‐3  

4   1   1   5   5   5   5  

Total         3   1   1  

Table  17.    Golf  example  #5    As  the  summation  totals  are  close,  ANOVA  testing  is  required  to  determine  

statistical  significance  of  inputs  and  interaction.    

In  summary  the  five  step  method  was  presented  using  several  golf  examples.    The  heart  of  the  five  step  method  is  the  two  level  factor  design  approach.    Details  of  how  the  two  level  factor  design  approach  "discovers"  the  significant  factor(s)  and  their  interactions  were  shown  using  data  tables.    Not  covered  was  the  use  of  an  analysis  of  variance  (ANOVA)  when  the  summation  does  not  clearly  identify  a  superior  input.    Real-­‐World  Example  

Page 13: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

13  of  22    

The  five  step  approach  will  be  further  developed  by  covering  a  recent  real  world  example.    This  project  was  begun  in  response  to  a  weld  failure  in  the  field  (see  Figure  4).    A  visual  analysis  of  the  welds  confirmed  that  the  failed  welds  lacked  fusion  between  the  tube  and  the  angle.    Some  process  specifics  follow:      

-­‐   3/16”  x  2”  flare  bevel  joint  (GMAW)    -­‐   1.25”  OD  x  0.688”  ID  x  2”  long  tube  (A36)    -­‐   3”  x  3”  1/4”  angle  (A36)  -­‐   90/10  (Co2/Ar)  gas  mixture  -­‐   0.052”  E70C-­‐6M  electrode  

 

             

Figure  4.       Tube                       Angle    1.   State  the  problem  and  choose  the  outputs  A  team  was  selected  and  chartered  with  the  responsibility  of  investigating  the  nonconformance.    The  core  team  members  included:    the  Director  of  Quality  (AWS  certified  weld  inspector),  the  Manager  of  Quality,  the  Director  of  Facilities  (AWS  certified  junior  weld  inspector),  the  Maintenance  Lead  (AWS  certified  weld  inspector),  and  the  Research  and  Development  Technician  (a  subject  matter  expert).    Plant  welders  are  position  ‘qualified’  to  AWS  D1.1  (American  Weld  Society  Structural  Weld  Code).    The  joint  design,  base  materials,  and  filler  material  (electrode)  in  this  case  are  all  prequalified  per  AWS  D1.1.    However,  there  was  no  documented  weld  procedure  for  this  particular  weld.    Hence,  there  was  ample  opportunity  for  weld  variability  caused  by  welder  to  welder  technique  differences  and  weld  machine  set  up.    It  was  agreed  that  documenting  and  controlling  welder  set-­‐up  parameters  and  weld  procedures  would  minimize  the  likelihood  of  this  nonconformance  from  occurring  again.      During  the  first  meeting  the  problem  statement  became:  Improve  fusion  between  the  tube  and  the  angle.    The  goal  of  this  design  of  experiment  was  to  identify  and  understand  the  critical  parameters  and  associated  interactions  for  the  tube  to  angle  weld.      During  this  step  the  team  created  a  list  of  outputs  that  were  indicators  of  what  was  to  be  optimized.    In  this  example  Weld  Appearance,  Weld  Size,  and  Depth  of  Penetration  were  chosen  as  outputs  which  were  to  be  optimized.    Agreement  was  also  reached  as  to  how  the  outputs  would  be  measured.  

1.   Weld  Appearance  –  Visual  on  a  scale  of  1  –  5  (porosity,  inclusions,  voids,  etc.)  2.   Weld  Size  –  Weld  gage  3.   Depth  of  Penetration  –  Visual  after  cross  sectioning  and  polishing  on  a  scale  of  1  -­‐  5  

For  the  first  output  the  welds  were  to  be  examined  and  graded  in  situ.    For  outputs  two  and  three  the  adjusting  sleeve  assembly  would  be  cross  sectioned,  polished  and  etched,  and  then  graded.    See  Figure  5  below  for  examples  of  nonconforming  and  conforming  cross  sectioned,  etched  and  polished  welds.    

Page 14: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

14  of  22    

                   

Figure  5.  Nonconforming  Weld           Conforming  Weld    2.   Choose  the  inputs  and  determine  their  levels  for  testing  

   

Figure  6.    Meeting  room  Once  the  outputs  were  selected,  the  team  focused  on  inputs  which  would  affect  the  outputs.    These  were  the  inputs  which  were  to  be  varied  during  testing  in  hopes  of  finding  an  optimum  output.    An  optimum  in  this  case  is  where  each  of  the  three  outputs  is  maximized.  Figure  6  shows  the  white  board  used  during  discussions.    At  these  meetings  the  inputs  and  their  levels  for  testing  was  determined.    A  fishbone  diagram  was  generated  to  list  all  reasonable  inputs  (see  Figure  7).        

Page 15: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

15  of  22    

 Figure  7.    Fishbone  diagram  of  all  reasonable  inputs  as  judged  by  the  team  

 Then  the  inputs  were  categorized  as  to  those  to  be  varied,  those  to  hold  constant,  and  those  to  be  ignored  (nuisance).    Low  and  High  settings  were  agreed  to.    The  low  and  high  settings  were  chosen  by  team  subject  matter  experts  based  on  their  experience  and  supplier  provided  literature  -­‐  e.g.  the  weld  wire  provider.    The  Control  inputs  were:  

1.   Gas  flow     -­‐   35  -­‐  50  CFH  2.   Voltage     -­‐   26  -­‐  33  VDC  3.   Wire  speed     -­‐   258  -­‐  500  IPM  4.   Push  versus  Pull  5.   Weave  versus  no  weave  

 The  Held-­‐Constant  inputs  were:    

1.   Drafts  /  wind     -­‐   Fan  in  the  area  will  be  turned  on  2.   Type  of  gas  

-­‐   Use  the  plant  standard  90/10  (Ar/CO2)  gas  mixture.    It  is  piped  from  central  storage  tanks  3.   Wire  diameter     -­‐   Use  the  plant  standard  0.052”  4.   Type  of  weld  machine     -­‐   Use  the  existing  Miller  LN-­‐7  with  a  Lincoln  CV-­‐300  power  supply  5.   Polarity     -­‐   Use  the  plant  standard  DCEP  6.   Wire  material  

Page 16: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

16  of  22    

  -­‐   Use  the  plant  standard  E70C  7.   Clip  versus  no  clip     -­‐   Clip  the  electrode  after  each  weld  8.   Ground  clamp  position     -­‐   Continue  with  the  ground  as  it  is  positioned  9.   Operator     -­‐   The  operator  will  be  the  Maintenance  Lead  -­‐  an  AWS  Certified  Weld  Inspector.  

  10.   Part  materials       -­‐   The  parts  being  joined  are  ASTM  A36  

11.   Weld  position     -­‐  As  there  will  be  no  change  to  the  fixturing,  the  weld  will  be  performed  in  the  flat  position  

The  Nuisance  inputs  were:  1.   Cleanliness  of  incoming  power  2.   Contamination  of  parts  -­‐  scale,  rust,  oil,  water,  paint  3.   Tip  to  work  distance  4.   Work  angle  

Now  that  the  input  variables  were  chosen  and  their  high  and  low  settings  determined  it  was  time  to  select  the  test  design.        3.   Select  a  test/experiment  approach  At  this  point  in  the  hunt  for  an  optimum  a  design  of  experiment  subject  matter  expert  will  take  the  lead.      The  two  factor  design  approach  covered  in  the  Golf  examples  is  officially  known  as  a  'full'  two  level  factor  design.    This  is  a  powerful  design,  but  as  the  number  of  inputs  increase  the  number  of  interactions  multiply  and  the  number  of  tests  required  become  quite  large.    For  instance  if  there  were  four  inputs  say  A,  B,  C  and  D,  the  two  factor  interactions  are  AB,  AC,  AD,  BC,  BD,  and  CD  while  the  three  factor  interactions  are  ABC,  ABD,  and  BCD  and  the  four  factor  interaction  is  ABCD.    Rather  than  just  two  inputs  creating  one  interaction,  as  the  level  of  inputs  grow  there  become  three  and  more  interactions  which  in  the  real  world  are  unlikely.    Basically  in  the  'full'  two  level  factor  design  after  about  three  inputs  a  fractional  versus  'full'  two  level  factor  design  is  chosen.    This  fractional  design  approach  eliminates  the  need  for  running  tests  which  provide  information  about  complex  input  interactions  that  are  relatively  useless.    This  allows  for  a  reduction  in  the  number  of  tests  needed.    It  was  determined  by  subject  matter  experts  that  third  order  and  higher  interactions  were  difficult  to  imagine,  e.g.  for  instance  it  was  felt  that  there  was  little  likelihood  that  Gas  flow,  Voltage  and  Wire  speed  would  interact  together  resulting  in  a  significant  change  in  an  output.      The  test  model  chosen  was  a  25-­‐1  fractional  factorial  with  four  center  points  to  screen  the  effects  of  the  chosen  factors  on  the  response  variables.    This  meant  that  twenty  samples  were  needed  to  be  run.    This  is  a  good  design  choice  for  finding  first  and  second  order  interactions.  A  randomized  run  sheet  was  prepared  by  the  software1  as  shown  in  Table  18.    

Page 17: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

17  of  22    

 

 Table  18.    Randomized  run  order  for  the  trial  runs.  

 4.   Conduct  the  test  and  collect  data  The  run  was  supervised  by  members  of  the  team.    During  the  test,  all  samples  were  identified  with  the  run  number.    Results  from  the  run  are  shown  in  Figure  8.    

           

Figure  8.    Samples  prior  to  visual  inspection    

After  the  run,  the  samples  were  rated  by  four  experienced  individuals  –  three  AWS  experienced  Weld  Inspectors  and  one  subject  matter  expert.    These  individuals  were  told  to  rate  the  visual  appearance  of  the  samples  on  a  scale  of  1  –  5  with  1  being  the  poorest  weld  and  5  being  the  best  weld.    As  the  adjusting  sleeve  to  upright  angle  weld  produced  two  welds  per  sample,  each  inspector  provided  two  ratings  for  each  sample.    After  examination  of  the  data,  it  was  decided  that  the  differences  were  negligible  and  the  two  ratings  were  averaged.    Measurement  of  the  weld  size  proved  to  be  a  difficult  task  using  standard  weld  gages.    However,  the  weld  size  was  averaged  and  recorded  for  all  the  samples.      

 

Page 18: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

18  of  22    

After  the  visual  weld  appearance  inspection  and  the  measurement  of  the  weld  size  were  completed,  all  samples  were  cross  sectioned,  polished  and  etched  with  nitric  acid  based  solution.    These  samples  were  then  inspected  by  the  same  four  inspectors.    The  depth  of  weld  penetration  was  evaluated  by  the  four  inspectors  and  the  samples  were  placed  in  to  one  of  five  groups.    The  samples  were  reviewed  by  the  group  and  jointly  evaluated.    As  before,  a  rating  of  1  –  5  was  used  where  1  indicated  that  the  group  felt  that  the  sample  exhibited  very  poor  depth  of  weld  penetration  while  5  meant  that  the  sample  exhibited  excellent  depth  of  weld  penetration.    Sample  results  are  shown  in  Figure  9.  

             Cross  Sectioned  Samples            Good  Depth  of  Penetration      Poor  Depth  of  Penetration  

Figure  9.    

The  various  responses  are  shown  in  Table  19  below.    

   

 Analyze   the  data  to  

determine  the  optimum  The  data  was  entered  into  a  design  of  experiment  software  package.1    Several  analyses  were  conducted.    In  each  case  the  five  input  variables  were  contrasted  with  each  of  the  three  outputs:    Weld  Appearance,  Weld  Size,  and  Depth  of  Penetration.    For  reference,  the  five  input  factors  (previously  identified)  were:    

                       Low  ('-­‐'s)          High  ('+'s)  A   Gas  flow  (Cubic  Ft/hr.)          35                50    B   Voltage   (Volts  DC)            26                33  

    C   Wire  speed  (inches/min)     258          500  Two  weld  techniques:  

D   Weave  versus  no  weave            Weave          No  weave  E   Push  versus  Pull                    Push        Pull  

Std  order  

Run  order  

LC   RW   CB   JC  Average  

Appearance  Rating  

Average  Size  

Penetration  Rating  Right  

Penetration  Rating  Left  

8   1   1   2.5   2   2   1.9   0.2   5.0   5.0  

19   2   1   4   3   2   2.5   0.3   2.0   1.0  

15   3   1   2   1   1   1.3   0.1   4.0   4.0  

3   4   1   1   1   1   1.0   0.1   2.0   2.0  

17   5   1   2   1   1   1.3   0.2   1.0   1.0  

1   6   2   2   2   2   2.0   0.3   5.0   5.0  

12   7   5   5   5   4   4.8   0.3   3.0   3.0  

7   8   1   1   1   1   1.0   0.3   1.0   1.0  

10   9   4   4   5   1.5   3.6   0.2   3.0   2.0  

9   10   4   4   5   3   4.0   0.3   3.0   2.0  

2   11   3   3   3   4   3.3   0.3   5.0   5.0  

20   12   1   3   2   1   1.8   0.3   1.0   1.0  

18   13   4.5   3   4   2   3.4   0.2   3.0   3.0  

6   14   4   4   4.5   4   4.1   0.3   4.0   4.0  

5   15   2   4   3   3   3.0   0.2   5.0   5.0  

14   16   1   2   1.5   1   1.4   0.3   3.0   3.0  

11   17   4.5   5   4.5   2.5   4.1   0.3   2.0   2.0  

16   18   1   2   2   1   1.5   0.1   1.0   1.0  

13   19   4.5   5   4   3   4.1   0.2   4.0   4.0  

4   20   1   1   1   1   1.0   0.3   1.0   1.0  

Page 19: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

19  of  22    

 Inputs/Variables  versus  the  Depth  of  Weld  Penetration  –  Right  In  Table  20  the  primary  inputs,  results,  and  interactions  (those  appropriate  for  the  fractional  factorial  design  chosen)  have  been  calculated  and  summed.    

Depth  of  Penetration  

(Right)Run A B C D E A B C D E AB AC AD AE BC BD BE CD CE DE1 1 1 1 -­‐1 -­‐1 5 5 5 5 -­‐5 -­‐5 5 5 -­‐5 -­‐5 5 -­‐5 -­‐5 -­‐5 -­‐5 52 0 0 0 -­‐1 1 2 0 0 0 -­‐2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -­‐23 -­‐1 1 1 1 -­‐1 4 -­‐4 4 4 4 -­‐4 -­‐4 -­‐4 -­‐4 4 4 4 -­‐4 4 -­‐4 -­‐44 -­‐1 1 -­‐1 -­‐1 -­‐1 2 -­‐2 2 -­‐2 -­‐2 -­‐2 -­‐2 2 2 2 -­‐2 -­‐2 -­‐2 2 2 25 0 0 0 -­‐1 -­‐1 1 0 0 0 -­‐1 -­‐1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 16 -­‐1 -­‐1 -­‐1 -­‐1 1 5 -­‐5 -­‐5 -­‐5 -­‐5 5 5 5 5 -­‐5 5 5 -­‐5 5 -­‐5 -­‐57 1 1 -­‐1 1 -­‐1 3 3 3 -­‐3 3 -­‐3 3 -­‐3 3 -­‐3 -­‐3 3 -­‐3 -­‐3 3 -­‐38 -­‐1 1 1 -­‐1 1 1 -­‐1 1 1 -­‐1 1 -­‐1 -­‐1 1 -­‐1 1 -­‐1 1 -­‐1 1 -­‐19 1 -­‐1 -­‐1 1 1 3 3 -­‐3 -­‐3 3 3 -­‐3 -­‐3 3 3 3 -­‐3 -­‐3 -­‐3 -­‐3 310 -­‐1 -­‐1 -­‐1 1 -­‐1 3 -­‐3 -­‐3 -­‐3 3 -­‐3 3 3 -­‐3 3 3 -­‐3 3 -­‐3 3 -­‐311 1 -­‐1 -­‐1 -­‐1 -­‐1 5 5 -­‐5 -­‐5 -­‐5 -­‐5 -­‐5 -­‐5 -­‐5 -­‐5 5 5 5 5 5 512 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 113 0 0 0 1 -­‐1 3 0 0 0 3 -­‐3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -­‐314 1 -­‐1 1 -­‐1 1 4 4 -­‐4 4 -­‐4 4 -­‐4 4 -­‐4 4 -­‐4 4 -­‐4 -­‐4 4 -­‐415 -­‐1 -­‐1 1 -­‐1 -­‐1 5 -­‐5 -­‐5 5 -­‐5 -­‐5 5 -­‐5 5 5 -­‐5 5 5 -­‐5 -­‐5 516 1 -­‐1 1 1 -­‐1 3 3 -­‐3 3 3 -­‐3 -­‐3 3 3 -­‐3 -­‐3 -­‐3 3 3 -­‐3 -­‐317 -­‐1 1 -­‐1 1 1 2 -­‐2 2 -­‐2 2 2 -­‐2 2 -­‐2 -­‐2 -­‐2 2 2 -­‐2 -­‐2 218 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 119 -­‐1 -­‐1 1 1 1 4 -­‐4 -­‐4 4 4 4 4 -­‐4 -­‐4 -­‐4 -­‐4 -­‐4 -­‐4 4 4 420 1 1 -­‐1 -­‐1 1 1 1 1 -­‐1 -­‐1 1 1 -­‐1 -­‐1 1 -­‐1 -­‐1 1 1 -­‐1 -­‐1

-­‐1 -­‐13 3 -­‐4 -­‐10 3 -­‐1 -­‐5 -­‐5 3 7 -­‐9 -­‐1 -­‐5 0

Factors Result

Summation  of  the  Result  columns  Table  20.      Real  World  example  -­‐  five  primary  input  results  and  ten  two  input  interactions  

 Using  simple  arithmetic  it  is  apparent  that  the  three  most  significant  inputs  are  B  (Voltage)  at  13,  E  (Push  versus  Pull)  at  10  and  the  interaction  of  BE  at  9.    Additional  design  of  experiment  tools  (half  normal,  normal  plots,  Pareto  effect  of  the  inputs  versus  a  standard  ‘t’  value,  and  a  Bonferroni  value)  can  be  used  to  reach  a  similar  conclusion.    A  statistical  analysis  of  variation,  Table  21  (ANOVA),  confirms  that  the  three  factors  B,  E  and  BE  are  statistically  significant.            The  design  of  experiments  ANOVA  table  calculates  a  'p'  value  which  is  the  probability  that  the  factor's  effect  on  the  output  is  due  to  chance.    For  the  model  with  the  three  inputs  of  B,  E,  and  BE,  the  p  value  is  0.0048.    This  means  that  there  is  a  less  than  1%  chance  that  changes  in  the  output  Depth  of  Penetration  -­‐  Right  caused  by  varying  B,  E  and  BE  is  due  to  chance.    Hence  the  three  factors  are  significant  and  can  be  used  to  predict  a  change  in  weld  penetration.    The  low  R^2  (correlation  coefficient)  was  not  considered  troubling  as  per  the  fishbone  diagram  one  can  note  the  multitude  of  ‘difficult  to  control’  factors  –  tip  to  work  distance,  ground  clamp  position,  etc.  

Source  Sum  of  Squares   df  

Mean  Square   F  Value   p  Value  

Model   20.62   3   6.87   6.75   0.0048        B  -­‐  Voltage   10.56   1   10.56   10.38   0.0062        E  -­‐  Push-­‐pull   5.03   1   5.06   4.97   0.0426        BE   5.03   1   5.06   4.97   0.0426  Curvature   6.93   2   3.46   3.40   0.0625  Residual   14.25   14   1.02      Correlation  Total   41.80   19        

Table  21.    Analysis  of  variance  (ANOVA)  demonstrating  that  inputs  B,  E  and  BE  are  statistically  significant  as  based  on  their  p  value  being  less  than  0.05  (5%).  

A  final  consideration  is  provided  by  the  statistical  software.    It  is  used  to  insure  that  the  sound  fundamentals  of  normality  and  randomness  have  not  been  violated.    This  is  done  through  residual  tests.    Plots  generated  from  the  software  are  shown  below  (Table  22)  demonstrating  that  the  residual  tests  have  all  been  met,  e.g.  the  tests  for:    normality,  independence  versus  run,  and  actual  versus  predicted.  

Page 20: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

20  of  22    

 

 Table  22.    Residual  plots  for  Factors/Variables  versus  the  Depth  of  Weld  Penetration  –  Right  (goal  

of  the  experiment)  So,  what  is  the  optimum  setting  to  achieve  the  highest  depth  of  penetration?    An  interaction  plot  (Table  23)  generated  by  the  software  offers  a  visual  presentation  of  the  data.  

Page 21: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

21  of  22    

 

   

Table  23.    Interaction  of  Inputs  Push  versus  Pull  and  Voltage  at  26  and  33  versus  the  output  of  Right  -­‐  Depth  of  Penetration.  

The  small  green  triangles  and  small  red  squares  in  the  chart  above  are  the  averages  of  the  data  at  a  particular  point,  e.g.  high  or  low.    The  lines  extending  above  and  below  the  averages  are  a  measure  of  the  spread  (dispersion  or  variance)  of  the  data.    When  these  spread  lines  overlap,  the  results  are  considered  insignificant.    In  other  words  the  effect  of  push  or  pull  when  the  voltage  is  low  on  the  depth  of  penetration  is  insignificant  –  either  pushing  or  pulling  will  result  in  essentially  the  same  output.    However,  when  the  voltage  is  set  to  the  high  level,  pushing  results  in  a  statistically  significant  better  depth  of  penetration.      From  Table  24,  the  interaction  plots  versus  visual  it  can  be  shown  that  the  best  weld  appearance  is  obtained  when  the  wire  feed  is  low  and  there  is  no  weave.    Low  wire  feed  and  no  weave  appears  to  offer  the  most  attractive  welds.  

 Table  24.    Other  interaction  plots  generated  by  the  software  -­‐  visual  output  versus  inputs.  

                     

     Result  of  Study:  When  depth  of  penetration  was  the  output,  it  was  identified  that  welder  voltage  and  push/pull  were  statistically  significant  inputs  while  gas  flow,  wire  feed,  and  weave/no  weave  were  not  significant.    Setting  voltage  low  and  welding  in  a  do  not  weave  pattern  produced  the  optimum  depth  of  penetration.        

Page 22: INPURSUITOFOPTIMAL#WELD#PARAMETERS# …

22  of  22    

When  visual  weld  appearance  was  the  output,  it  was  identified  that  wire  feed  and  weave/no  weave  were  statistically  significant  inputs  while  gas  flow,  voltage  and  push/pull  were  not  significant.    Setting  wire  feed  low  and  welding  in  a  do  not  weave  pattern  produced  the  most  attractive  welds.      Therefore,  the  optimum  weld  for  depth  of  penetration  and  weld  appearance  was  achieved  by  setting  the  voltage  low,  pushing,  setting  the  wire  feed  low,  and  welding  in  a  do  not  weave  pattern.    The  other  input  of  gas  flow  is  not  significant  over  its  test  levels  and  can  be  set  to  either  high  or  low.    Note  that  this  means  that  the  gas  flow  can  be  set  to  low  resulting  in  a  cost  savings  without  compromising  either  the  depth  of  penetration  or  the  weld  appearance.    Summary  It  was  shown  that  finding  an  optimum  weld  is  a  common  task  in  the  field  of  welding,  whether  it  is  to  create  a  WPS  or  PQR,  or  to  stabilize  a  weld  process,  or  to  respond  to  a  failure  in  the  field.    Three  approaches  were  explored,  the  weld  expert,  the  traditional  or  one  input  at  a  time  trials,  and  the  two  level  factor  approach.    Each  testing  approach  was  explored  and  advantages  and  disadvantages  of  each  were  listed.    The  advantages  of  the  two  input  factor  approach  over  the  traditional  approach  were  listed  as:     -­‐   Requires  less  runs  for  the  same  confidence  level;  more  efficient     -­‐   Produces  statistically  significant  results     -­‐   Tests  the  entire  model  space;  better  able  to  discover  an  optimum  A  five  step  test  approach  utilizing  a  two  level  factor  design  of  experiment  approach  was  demonstrated  in  several  Golf  examples.    These  showed  how  significant  inputs  and  possible  interactions  can  be  identified  using  simple  arithmetic.    Finally  the  two  level  factor  design  and  five  step  approach  was  further  developed  with  a  real  world  weld  example  using  a  design  of  experiments  statistical  software  package.      In  weld  optimization  efforts  the  traditional  one  factor  at  a  time  approach  should  not  be  used.    If  one  is  serious  in  finding  a  weld  optimum,  a  design  of  experiment  expert  familiar  with  the  two  level  factor  design  should  be  add  to  the  test  team.    To  contact  Chris  Bertoni,  phone:  972-­‐323-­‐6716  or  email:  [email protected]    Notes  1.   Design  of  Experiments  software  Stat-­‐Ease,  Design  Expert®  8.0.7.1