การเชื่อมโลหะ

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ขณะเชื่อมโลหะ

การเชื่อม เป็นกระบวนการที่ใช้สำหรับต่อวัสดุ ส่วนใหญ่เป็นโลหะและพลาสติก โดยให้รวมตัวเข้าด้วยกัน ปกติใช้วิธีทำให้ชิ้นงานหลอมละลายและการเพิ่มเนื้อโลหะเติมลงในแอ่งหลอมละลายของวัสดุที่หลอมเหลว เมื่อเย็นตัวรอยต่อจะมีความแข็งแรง บางครั้งใช้แรงดันร่วมกับความร้อน หรืออย่างเดียว เพื่อให้เกิดรอยเชื่อม ซึ่งตรงข้ามกับการบัดกรีอ่อนและการบัดกรีแข็งซึ่งไม่มีการหลอมละลายของชิ้นงาน มีแหล่งพลังงานหลายอย่างสำหรับนำมาใช้ในการเชื่อม เช่น การใช้ความร้อนจากเปลวแก๊ส, การอาร์คโดยใช้กระแสไฟฟ้า, ลำแสงเลเซอร์, การใช้อิเล็คตอรอนบีม, การเสียดสี, การใช้คลื่นเสียง เป็นต้น ในอุตสาหกรรมมีการนำมาใช้ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน เช่นการเชื่อมในพื้นที่โล่ง, พื้นที่อับอากาศ, การเชื่อมใต้น้ำ การเชื่อมมีอันตรายเกิดขึ้นได้ง่าย จึงควรมีความระมัดระวังเพื่อป้องกันอันตราย เช่น ที่เกิดจาก กระแสไฟฟ้า, ความร้อน, สะเก็ดไฟ, ควันเชื่อม, แก๊สพิษ, รังสีอาร์ค, ชิ้นงานร้อน, ฝุ่นละออง ในยุคเริ่มแรกจนถึงศตวรรษที่ 19 มีการใช้งานเฉพาะการเชื่อมทุบ (forge welding) เพื่อใช้ในการเชื่อมต่อโลหะ เช่นการทำดาบในสมัยโบราณ วิธีนี้รอยเชื่อมที่ได้มีความแข็งแรงสูง และโครงสร้างของเนื้อรอยเชื่อมมีคุณภาพอยู่ในระดับที่น่าพอใจ แต่มีความล่าช้าในการนำมาใช้งานในเชิงอุตสาหกรรม หลังจากนั้นได้มีการพัฒนามาสู่การเชื่อมอาร์ค และการเชื่อมโดยใช้เปลวแก๊สออกซิเจน และหลังจากนั้นมีการ เชื่อมแบบความต้านทานตามมา

เทคโนโลยีการเชื่อมได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในศตวรรษที่ 20 ซึ่งอยู่ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 และครั้งที่ 2 เทคโนโลยีการเชื่อมแบบใหม่ๆ ได้มีการเร่งพัฒนาเพื่อรองรับต่อการสู้รบในช่วงเวลานั้น เพื่อทดแทนการต่อโลหะแบบเดิม เช่นการใช้หมุดย้ำซึ่งมีความล่าช้าอย่างมาก กระบวนการเชื่อมด้วยลวดเชื่อมหุ้มฟลั๊กซ์ (SMAW) เป็นกระบวนการหนึ่งที่พัฒนาขึ้นมาในช่วงนั้นและกระทั่งปัจจุบัน ยังคงเป็นกรรมวธีที่ใช้งานกันมากที่สุดในประเทศไทยและประเทศกำลังพัฒนาทั้งหลาย

กระบวนการเชื่อม[แก้]

การเชื่อมอาร์ค[แก้]

การเชื่อมอาร์คเป็นกระบวนการเชื่อมที่ใช้แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าในการสร้างอาร์คระหว่างอิเล็กโทรดกับชิ้นงานโลหะที่จะเชื่อม กระบวนการเชื่อมอาร์คนี้สามารถแบ่งแยกย่อย ได้อีกหลายกระบวนการ ซึ่งแต่ละกระบวนการมีลักษณะแตกต่างกัน เช่น การกระแสไฟฟ้าที่ใช้มีการใช้ทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ อิเล็กโทรดที่ใช้มีทั้งแบบสิ้นเปลือง (หมดไปขณะเชื่อม) และไม่สิ้นเปลือง (ไม่หมดไปขณะเชื่อม) แนวเชื่อมอาจมีการปกคลุมด้วยแก๊สปกคลุม ที่มีคุณสมบัติเฉื่อยหรือกึ่งเฉื่อย หรืออาจปกคลุมด้วยวัสดุอื่นๆ เช่นแสลกและฟลักซ์ ซึ่งตัวอย่างกระบวนการเชื่อมอาร์คที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปได้แก่:-

  • Shielded metal arc welding (SMAW)

การเชื่อม SMAW หรือรู้จักในชื่อทั่วไปว่า การเชื่อมไฟฟ้า (stick welding or electric welding) ใช้แท่งอิเล็กโทรดหรือธูปเชื่อมที่มีฟลักซ์ (flux) หุ้มอยู่ ฟลักซ์เมื่อแตกตัวและหลอมจะกลายเป็นสแลก (slag) ทำหน้าที่ปกคลุมแนวเชื่อม ป้องกันการเกิดปฏิกิริยากับอากาศและความชื้นรายรอบแนวเชื่อม ซึ่งจะทำให้เกิดการปนเปื้อน และส่งผลให้คุณสมบัติของแนวเชื่อมไม่ตามที่ออกแบบหรือไม่ได้ตามมาตรฐาน

การเชื่อมโดยใช้ลวดเชื่อมหุ้มฟลั๊กซ์ (SMAW) หรือที่เรามักเรียกกันว่า ก้านเชื่อมธูป บางตำรามักเรียกกันว่า Manual Metal Ac (MMA) หรือ Stick Welding การเชื่อมแบบนี้ลวดเชื่อมจะมีฟลั๊กซ์หุ้มภายนอกแกนลวด และกระแสไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านแกนลวดเชื่อมไปยังส่วนปลาย กระแสไฟฟ้าที่มีทั้งชนิดกระแสตรง (DC) และชนิดกระแสสลับ (AC) การเลือกใช้งานควรเป็นไปตามคำแนะนำของผู้ผลิตลวดเชื่อม โดยปกติจะมีพิมพ์ไว้ข้างกล่องลวด โดยจะมีการชี้บ่ง เช่น ยี่ห้อ, เกรดของลวดเชื่อม, ขนาด x ความยาวลวด, ชนิดกระแสไฟที่แนะนำให้ใช้งานในแต่ละท่าเชื่อม, ชนิดฟลั๊กซ์หุ้ม เป็นต้น กระแสไฟจะถูกส่งผ่านแหล่งจ่าย โดยทั่วไปจะเป็นเครื่องเชื่อม การเริ่มต้นเชื่อมสำหรับลวดเชื่อมหุ้มฟลั๊กซ์ทำได้ 2 วิธี คือการเขี่ยอาร์คและการแตะปลายลวดกับผิวชิ้นงานแล้วยกขึ้นในระยะที่เหมาะสมเพื่อคงการอาร์คไว้ ขณะอาร์คจะมีความต้านทานระหว่างปลายลวดกับผิวชิ้นงานเกิดเป็นความร้อนที่สูง ซึ่งสูงพอที่จะหลอมละลายได้ทั้งผิวชิ้นงานและปลายลวดเชื่อมให้เกิดการหลอมรวมตัวกันเป็นเนื้อโลหะรอยเชื่อม

  • Gas tungsten arc welding (GTAW)

การเชื่อม GTAW หรือการเชื่อมทิก ดูเพิ่มเติมที่ การเชื่อมทิก

  • Submerged arc welding (SAW)

การเชื่อม SAW ใช้การป้อนอิเล็กโทรดอย่างอัตโนมัตเข้าสู่แนวเชื่อม โดยมีผงฟลักปกคลุมอยู่ด้านบนตลอดเวลา บ่อหลอมและบริเวณที่เกิดการอาร์คจะจมอยู่ใต้ฟลัก ที่ทำหน้าที่ปกคลุมป้องกันการปนเปื้อนและทำปฏิกิริยากับความชื้นและอากาศรายรอบ

  • Electroslag welding (ESW)

การเชื่อม ESW เป็นกระบวนการเชื่อมที่ให้ผลิตภาพสูง คือเชื่อมได้เร็วและปริมาณมาก ในการเชื่อมแต่ละแนว สามารถทำให้หนาได้ถึง 25 - 300 มม. ในทิศแนวดิ่ง หรือใกล้เคียงกับแนวดิ่ง

การเชื่อมแก๊ส[แก้]

กระบวนการเชื่อมแก๊สที่ใช้แพร่หลายมากที่สุดคือ การเชื่อมออกซิเจน (Oxyfuel welding) หรือ Oxyacetylene welding ถือว่าเป็นกระบวนการเชื่อมที่เก่าแก่และมีความยืดหยุ่นมากที่สุด แต่ในปัจจุบัน สำหรับงานระดับอุตสาหกรรมแล้ว กระบวนการเชื่อมออกซิเจนได้รับความนิยมน้อยลง เว้นแต่การเชื่อมท่อ และการเชื่อมเพื่อซ่อมบำรุงที่ยังมีการใช้อยู่

เครื่องมือที่ใช้ในกระบวนการเชื่อมออกซิเจนมักมีราคาไม่แพง และไม่ซับซ้อน เมื่อเทียบกับกระบวนการเชื่อมอื่นๆ ซึ่งโดยทั่วไปกระบวนการนี้จะใช้การเผาไหม้ระหว่าง อะซิเตลีน และออกซิเจน เพื่อสร้างเปลวเพลิงที่มีอุณหภูมิสุงได้ถึง 3100 องศา แต่เนื่องจากเปลวเพลิงที่เกิดขึ้นนี้มีหนาแน่นต่อพื้นที่ต่ำกว่าการเชื่อมอาร์ค ทำให้การเย็นตัวของแนวเชื่อมช้ากว่า นำไปสู่การเกิดความเค้นตกค้างมากกว่า ส่งผลให้เกิด การบิดเสียรูป

การเชื่อม Resistance[แก้]

การเชื่อม Resistance เกี่ยวข้องกับการสร้างความร้อนจากการผ่านกระแสไฟฟ้าผ่านโลหะที่มีความต้านทานไฟฟ้า ซึ่งบริเวณที่มีความต้านทานสูงคือบริเวณรอยที่ผิวโลหะคนละชิ้นมาสัมผัสกัน จะเกิดความร้อนสูงสุด ทำให้โลหะหลอมละลายเกิดเป็นบ่อหลอมเชื่อมต่อโลหะทั้งสองชิ้นเข้าด้วยกัน โดยทั่วไปกระบวนการเชื่อมนี้ทำให้เกิดมลพิษต่ำ แต่มีข้อจำกัดด้านการใช้งานที่ไม่หลากหลาย และอุปกรณ์มีราคาแพง การเชื่อม spot weld เป็นการเชื่อม resistance ชนิดหนึ่งที่เป็นที่นิยมใช้งานเชื่อมต่อแผ่นโลหะที่วางซ้อนกันโดยมีความหนาได้ถึง 3 มิลลิเมตร ในการเชื่อมนั้น อิเล็กโทรดสองชิ้นจะทำหน้าที่นำกระแสไฟฟ้าเข้าสู่ชิ้นงานและ กดชิ้นงานในเวลาเดียวกัน ข้อดีของกระบวนการนี้คือ ใช้พลังงานน้อย และไม่ทำให้ชิ้นงานเสียรูป ทำงานได้เร็ว ทำเป็นระบบอัติโนมัติได้ง่าย และไม่จำเป็นต้องใช้ลวดเติม แต่ความแข็งแรงของแนวเชื่อมที่ได้จะต่ำกว่าการเชื่อมด้วยกระบวนการอื่นๆ กระบวนการเชื่อม spot weld นี้ใช้มากให้อุตสาหกรรมรถยนต์ โดยประยุกต์ใช้กับแขนหุ่นยนต์ ในรถยนต์คันหนึ่งอาจมีรอยเชื่อม spot ได้มากถึงหลายพันจุด การเชื่อม seam welding คล้ายกับการเชื่อม spot แต่มีข้อแตกต่างที่การเชื่อมแบบ seam นั้น รอยเชื่อมต่อเนื่องเป็นแนว ไม่ได้เป็นจุด เนื่องจากไม่ได้ใช้อิเล็กโทรดรูปแท่งแบบ spot weld แต่ใช้เป็นลักษณะวงล้อ

ความเค้นตกค้างหรือความเค้นที่เหลืออยู่ (Residual stress)[แก้]

ความเค้นตกค้าง คือ สิ่งที่ตกค้างอยู่ เป็นสาเหตุเริ่มต้นของการเกิดความเค้นทั้งหมด (จากแรงภายนอก, จากการไม่สมดุลของความร้อน) ซึ่งต้องกำจัดออก เป็นความเค้นที่เหลืออยู่ระหว่างพื้นที่หน้าตัดชิ้นงาน แม้ว่าไม่มีความเค้นภายนอกมากระทำ ความเค้นคงเหลือเกิดขึ้นจากหลายเหตุผล รวมทั้งการไม่ยืดหยุ่นให้ชิ้นงานเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง และผลจากการปรับปรุงด้วยความร้อน ความร้อนจากการเชื่อมเป็นสาเหตุให้ชิ้นงานขยายตัวในวงจำกัด เช่นการเชื่อมแบบหลอมละลาย หรือการจับยึดชิ้นงานระหว่างการเชื่อม เมื่อเนื้อรอยเชื่อมเกิดเย็นตัว บางพื้นที่เย็นก่อนและเกิดการหดตัวก่อนส่วนอื่น ความเค้นตกค้างที่เหลืออยู่ คือสิ่งที่ได้จากการหลอม รวมทั้งการเย็นตัวของชิ้นงานที่ไม่สมดุลกัน ขณะที่ไม่สมารถควบคุมความเค้นตกค้างได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่ต้องการ การออกแบบจำนวนมากขึ้นกับมัน ตัวอย่างเช่น ความแข็งแรงของกระจก และการเผื่อความเค้นล่วงหน้าของคอนกรีต ความเค้นในคอนกรีต ขึ้นกับการป้องกันความเปราะ เสียหาย ให้ทำนองเดียวกัน ความโน้มเอียงสู่การเกิดโครงสร้างที่แข็งเปราะ (marensite) การก่อรูปแบบของความเค้นในมีดดาบโดยเจาะจงให้คมมีความแข็ง สามารถป้องกันการแตกที่คมดาบ บางอย่างเช่น ลำกล้องปืน ทำด้วยท่อสองท่อให้ยึดติดกัน ท่อด้านในถูกบีบอัดขณะภายนอกทำให้ขยายออกได้ เพื่อป้องกันการแตกจากร่องที่เป็นเกลียวของลำกล้องแน เมื่อกระสุนพุ่งออกไป ปกติชิ้นส่วนทำให้ร้อนหรือจุ่มในของเหลวไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen) เพื่อช่วยส่วนประกอบ การบีบอัดที่เหมาะสมโดยทั่วไปจะทำอย่างรอบคอบของการใช้ความเค้นตกค้าง สลักเกลียวพวงมาลัยของยานยนต์ ตัวอย่างเช่น การกดรูของดุมล้อ รูมีขนาดเล็กกว่าสลัก เพื่อต้องการอัดแรงผ่านสลักให้เกิดความเค้นตกค้าง ความเค้นตกค้างจะผูกติดเข้าด้วยกันกับชิ้นส่วน ต้วอย่างอื่นๆเช่นตะปู เป็นต้น

การปรับปรุงคุณสมบัติแนวเชื่อม หลังการเชื่อม[แก้]

  • การเคาะเพื่อคลายตัว (Peening)

เป็นการปฏิบัติงานทางกลของโลหะ โดยหมายถึงการตีด้วยหัวค้อนหรือการยิงในระยะสั้น (short peening) การเคาะเพื่อคลายตัวเป็นขบวนการทำงานเย็น มันโน้มน้าวให้ให้เกิดการขยายของผิวโลหะงานที่เย็น เนื่องด้วยเหตุนั้น การผ่อนคลายความเค้นแรงดึง และ/หรือความเค้นอัดภายใน การเคาะเพื่อคลายตัวยังกระตุ้นให้เกิดการแข็งตัวคงเหลือ (stain hardening) ของผิวโละหะ

การเคาะคลายด้วยมือ (hand peening) กระทำหลังการเชื่อมเพื่อคลายความเค้นแรงดึงซึ่งเกิดขึ้นในเนื้อรอยเชื่อมและรอบๆโลหะงานจากการเย็นตัว ระดับการลดลงของความเค้นเรงดึงอย่างน้อยที่สุดคือบริเวณที่เกิดขึ้นใกล้ผิวรอยเชื่อมเท่านั้น การเคาะคลายตัวมีแนวโน้มให้ความแข็งสูงขึ้นในเนื้อเชื่อมและงานบางอย่างควรหลีกเลี่ยง ด้วยเหตุผลนี้การเคาะคลายตัวโดยทั่วไปไม่ถูกยอมรับจากโค้ดส่วนใหญ, มาตรฐานหรือข้อกำหนด (เช่น ASME B31.3 หมวด 328.51 (d) ทุกๆรูปแบบของการเคาะคลายตัวถูกก่อนการนำมาใช้งานบนเนื้อเชื่อมต้องแนินการตามข้อกำหนดของการทดสอบชิ้นงาน

ชิ้นงานที่ดำเนินการทดสอบกระบวนการทำงานเชื่อมนั้น ตัวแปรที่จำเป็นทั้งหมดนั้นจะถูกใช้เพื่อการผลิตงานเชื่อม ถ้าหากเนื้อเชื่อมถูกเคาะคลายตัวระหว่างการทดสอบกระบวนการของขั้นตอนการเชื่อม การทดสอบทางกลซึ่งตามมาของขั้นตอนจะแสดงให้เห็นคุณสมบัติทางกลของเนื้อเชื่อม คุณสมบัติทางกลเหล่านี้ ต้องเข้ากันได้กับคุณสมบัติทางกลของวัสดุซึ่งจะเชื่อมเข้าด้วยกัน ถ้ามันไม่ได้ดำเนินการมีการสอบตกและขั้นตอนการเชื่อมนั้นไม่ถูกยอมรับที่จะใช้ในการเชื่อม การเคาะคลายตัวถูกนำมาใช้ในการการผลิตงานเชื่อมที่ถูกกำหนดให้กระทำเท่านั้นอีก

  • กระบวนการทางความร้อน

กระบวนการทางความร้อนหลังการเชื่อม (post-welded heat treatment) มีเพื่อการลดความเค้นตกค้าง และเพิ่มความแข็งให้กับแนวเชื่อม

โลหะในงานเชื่อม[แก้]

  • เหล็กกล้า (Steel)

เหล็กกล้าเป็นโลหะผสมประกอบด้วยธาตุเหล็ก (iron) , คาร์บอน 0.2-1.7 หรือ 2.0% ไม่เกินกว่านี้โดยน้ำหนัก (C:1000-10,8.67Fe) ขึ้นกับเกรดที่ใช้งาน คาร์บอนเป็นธาตุที่มีผลอย่างมากต่อโลหะผสม แต่ธาตุอื่นๆที่นำมาใช้เช่น แมงกานีส, ทังสะเตน, คาร์บอนและธาตุอื่นๆทำหน้าที่ให้เกิดปฏิกิริยาการชุบแข็งในผลึกอะตอมของเหล็ก จากการเลื่อนไหลของโครงสร้างอื่นๆภายในเนื้อเหล็กกล้า จำนวนของธาตที่ผสมและรูปแบบของมันเป็นตัวควบคุมบทบาทในเหล็กกล้า (ธาตุตัวถูกละลาย ขั้นตอนการตกตะกอน) เช่น ความแข็ง ความเหนียว ความทนต่อแรงดึงของการมีผลต่อเหล็กกล้า เหล็กกล้าที่มีการเพิ่มคาร์บอนสามารถให้ความแข็งที่เพิ่มขึ้นมากกว่าเหล็กแต่ให้ความเปราะมากขึ้นด้วย การถูกละลายได้ของคาร์บอนในเหล็ก (iron) ในรูปแบบออสเตนไนต์ คือ 2.14% โดยน้ำหนัก การเกิดขึ้นที่ 1149 C คาร์บอนที่เข้มข้นมากกว่านี้หรืออุณหภูมิต่กว่านี้จะสร้างโครงสร้างเซีเมนไต์ (โครงสร้างเปราะ) โลหะผสมที่มีคาร์บอนมากกว่านี้ คือเหล็กหล่อที่ได้มาจากการหลอม (Cast iron) เพราะมันมีจุดหลอมต่ำ เหล็กกล้ามีความโดดเด่นจากเหล็กเหนียว (wrought iron) ซึ่งมีธาตุอื่นผสมเพียงเล็กน้อย 1-3% ของน้ำหนักโดยสแลก (slag) ในรูปแบบของอนุภาคขนาดเล็กในทุกทิศทาง การให้เกรนที่มีลักษณะโครงสร้างเหล็ก มันมีความต้านทานต่อสนิมมากกว่าเหล็กกล้าและเชื่อมได้ง่าย ในทุกวันนี้เราพูดเกี่ยวกับอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า เหมือนกับว่าเจาะจงเพียงเป็นอย่างเดียวกัน แต่สิ่งที่เกิดขึ้นในประวัติศาสตร์ พวกมันได้เคยถูกแบ่งไว้เป็น 2 แบบ

  • ทองแดง
  • อลูมิเนียม
  • นิกเกิลอัลลอย
  • ไทเทเนียมอัลลอย