ตำหนิในงานเชื่อม

ตำหนิในงานเชื่อม (อังกฤษ: welding defect) คือรอยบกพร่อง (flaw) ของวัสดุที่เกิดขึ้นจากกระบวนการเชื่อมซึ่งมีความหลากหลาย ประเภทของรอยความไม่สมบูรณ์ในงานเชื่อมมีการระบุไว้ในมาตรฐาน ISO 6520 และระบุเกณฑ์การยอมรับความไม่สมบูรณ์เหล่านี้ไว้ในมาตรฐาน ISO 5817 และ ISO 10042 น

สาเหตุหลักของรอยบกพร่อง

สมาคมวิศวกรรมเครื่องกล สหรัฐอเมริกา(ASME) แยกย่อยรอยบกพร่องในงานเชื่อมตามสาเหตุ ได้เป็น 45% มาจากการปรับตั้งค่าของกระบวนการเชื่อมไม่เหมาะสม 32% มาจากความผิดพลาดของผู้ปฏิบัติงาน 12% มาจากการใช้เทคนิควิธีการที่ไม่ถูกต้อง 10% มาจากการเลือกใช้ลวดเชื่อมไม่เหมาะสม และ 5% มาจากการเตรียมรอยต่อก่อนการเชื่อมที่ไม่ดีพอ 

ความเค้นตกค้าง (Residual stresses)

ขนาดของความเค้นที่เกิดขึ้นในงานเชื่อมสามารถคำนวณอย่างคร่าวๆ ได้โดยความเค้นมีค่าดังต่อไปนี้

${\displaystyle }$

โดยที่ E คือ ค่า มอดูลัสของยัง   α คือสัมประสิทธ์การขยายตัวทางความร้อน และ ΔT คือผลต่างของอุณหภูมิ  ในการเชื่อมเหล็กกล้า ความเค้นที่คำนวณได้จากวิธีการดังกล่าวนี้คิดเป็นประมาณ 3.5 GPa (510 ksi)

ประเภท

รอยแตกร้าวที่หน้า (Cracks)

การแตกร้าวจากสะเก็ดรอยอาร์ค (Arc strike cracking)

สะเก็ดรอยอาร์ค (Arc strike cracking) นี้เกิดขึ้นเพราะบริเวณเฉพาะที่ใดๆ ของผิวงานได้รับความร้อนสูงกว่าระดับอุณหภูมิวิกฤติของวัสดุนั้นๆ จากนั้นเกิดการเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วทำให้เกิดโครงสร้างมาร์เทนไซต์ในเนื้อวัสดุ ซึ่งมีความแข็งและเปราะ เป็นสาเหตุนำไปสู่ความเสี่ยงต่อการเกิดการแตกร้าวระดับจุลภาค โดยทั่วไปถ้าสะเก็ดรอยอาร์คนี้ไปเกิดขึ้นหรือตกลงไปในแนวเชื่อมมักจะไม่สร้างปัญหา แต่ถ้าหากสะเก็ดกระเด็นไปตกนอกแนวเชื่อม อาจก่อให้เกิดปัญหาได้ ทำโดยการเชื่อมทับหรือการทำกระบวนการทางความร้อนหลังการเชื่อมจะแก้ปัญหานี้ได้ ตัวอย่างการกระบวนการทางความร้อนได้แก่ การให้ความร้อนจากหัวทอร์ชการเชื่อมออกซิเจนจากนั้นทำให้บริเวณที่นั้นเย็นตัวอย่างช้าๆ

การแตกร้าวเย็น (Cold cracking)

ความเค้นตกค้างทำให้ความแข็งแรงของวัสดุลดลงได้ และทำให้เกิดความเสียหายโดยการแตกร้าวเย็น (Cold cracking) ได้ การแตกร้าวเย็นนี้เกิดขึ้นกับเฉพาะโลหะกลุ่มเหล็กกล้า มีความสัมพันธ์โดยตรงกับการเกิดโครงสร้างมาร์เทนไซต์ในเนื้อวัสดุเนื่องจากอัตราการเย็นตัวของแนวเชื่อม การแตกร้าวจะเกิดขึ้นที่บริเวณกระทบร้อน หรือบริเวณรอบๆ แนวเชื่อมที่เนื้อวัสดุเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางจุลภาคอันเนื่องมาจากความร้อนจากกระบวนการเชื่อม การจำกัดปริมาณความร้อนที่เข้าสู่ชิ้นงาน จะทำให้ความเค้นตกค้างเกิดขึ้นน้อยลงและเกิดการบิดเสียรูปน้อยลง การวางลำดับกระบวนการเชื่อมเป็นเทคนิคหนึ่งที่ทำให้ความร้อนเข้าสู่ชิ้นงานน้อยลง เช่นการเชื่อมเป็นช่วงๆ แทนการเชื่อมต่อเนื่องตลอดความยาวของชิ้น

การแตกร้าวเย็นจะเกิดขึ้นเมื่อมีองค์ประกอบความเสี่ยงเหล่านี้เกิดขึ้นพร้อมกัน:

• โครงสร้างจุลภาคมีความไวต่อการแตกร้าวร้อน เช่นโครงสร้างแบบมาร์เทนไซต์ 
• มีอะตอมไฮโดรเจนแทรกตัวอยู่ในเนื้อวัสดุ 
• อุณหภูมิขณะที่วัสดุนั้นๆ ถูกใช้งาน เช่นในช่วง -100 ถึง 100 °F
• ความเค้นตกค้างที่มีปริมาณมาก 
  

การจำกัด หรือกำจัดปัจจัยเสี่ยงดังกล่าว แม้เพียงหนึ่งปัจจัย เพื่อให้ปัจจัยไม่ครบ 4 ปัจจัย ทำให้ไม่เกิดการแตกร้าวเย็น

การแตกร้าวแบบแครเตอร์ (Crater crack)

การแตกร้าวแบบแครเตอร์ (Crater Crack) เกิดขึ้นจุดกึ่งกลางของบ่อหลอมของเนื้อเชื่อมเกิดรูและไม่ถูกเติมเนื้อเชื่อมลงไปให้เต็ม ก่อนที่จะหยุดให้ความร้อน หรือดับเปลวอาร์ค จากนั้นบริเวณรอบๆ ของจุดศูนย์กลางบ่อหลอมเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วเมื่อเทียบกับจุดศูนย์กลางบ่อหลอม การเย็นตัวอย่างที่แตกต่างกันนี้ หากมีความแตกต่าง และเย็นตัวอย่างรวดเร็วมากเพียงพอ ทำให้เกิดความเค้นซึ่งก่อให้เกิดการแตกร้าวในรูปแบบตามยาว ตามขวาง และตามแนวรัศมี แบบใดแบบหนึ่ง หรือเกิดร่วมกัน รอบๆ จุดศูนย์กลางบ่อหลอมที่เกิดแครเตอร์ได้

การแตกร้าวแบบ Hat (Hat crack)

รอยแตกร้าว Hat เป็นรอยแตกร้าวที่เมื่อนำแนวเชื่อมมาตัดขวาง แล้วมองไปที่ภาพตัดขวางนั้น รอยแตกจะเป็นลักษณะเหมือนหมวกปีก รอยแตกนี้เริ่มต้นที่ขอบบ่อหลอม แล้วลามเข้าสู่เนื้อเชื่อมด้านใน สาเหตุหลักคือศักย์ไฟฟ้าขณะเชื่อมสูงเกินไป หรือการเดินแนวเชื่อมช้าเกินไป

การแตกร้าวร้อน (Hot cracking)

การแตกร้าวร้อน (Hot Cracking) หรือการแตกร้าวขณะกำลังแข็งตัว (Solidification Cracking) เกิดขึ้นได้กับการเชื่อมโลหะทุกชนิด เกิดขึ้นในบริเวณบ่อหลอม การลดระดับ การจับยึด ตรึง หรือให้แรงจากภายนอกแก่วัสดุขณะเชื่อมที่ทำให้เกิดความเค้นขณะวัสดุขยายตัวเนื่องจากความร้อน จะทำให้แนวเชื่อมเกิดการแตกร้าวร้อนน้อยลง นอกจากนี้ ยังมีอีกหลายปัจจัยที่ทำให้เกิดความเสี่ยงต่อการแตกร้าวร้อน เช่น การเลือกใช้ลวดเชื่อมไม่เหมาะสม กระแสไฟฟ้าขณะเชื่อมที่สูงเกินไป การออกแบบรอยต่อการเชื่อมที่ไม่เหมาะสม การเจือปนจากธาตุที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ เช่นกำมะถัน และฟอสฟอรัส การให้ความร้อนก่อนการเชื่อมแก่ชิ้นงานไม่เพียงพอ การเดินแนวเชื่อมที่เร็วเกินไป ระยะอาร์คที่มากเกินไป เป็นต้น

การแตกร้าวใต้แนวเชื่อม (Underbead crack)

รอยแตกร้าวใต้แนวเชื่อม หรือ รอยแตกร้าวบริเวณกระทบร้อน (heat-affected zone (HAZ) crack) คือรอยแตกร้าวที่เกิดขึ้นจาก ณ ตำแหน่งใกล้ๆ กับเส้นรอยต่อระหว่างบ่อหลอม ใต้แนวเชื่อม เกิดขึ้นในการเชื่อมโลหะเจือต่ำ และโลหะเจือสูง สาเหตุของการเกิดรอยแตกร้าวนี้ยังไม่เป็นที่ชัดเจน แต่เป็นที่รับรู้ว่ารอยแตกร้าวนี้มีการละลายของอะตอมไฮโดรเจนอยู่ และปัจจัยอื่นที่มีผล ที่ทำให้เกิดการแตกร้าวนี้คือ ความเค้นภายในซึ่งเป็นผลมาจากการเย็นตัว การหดตัวที่ไม่สมดุลกันระหว่างเนื้อวัสดุและบ่อหลอม ความเค้นที่มีอยู่แล้วภายในตัวเนื้อวัสดุเอง ความเค้นที่เกิดจากการก่อตัวของโครงสร้างมาร์เทนไซต์ และความเค้นที่เกิดจากการรวมตัวของไฮโดรเจนในเนื้อวัสดุ

การแตกร้าวแนวยาว (Longitudinal crack)

รอยแตกร้าวแนวแนวยาววางไปในทางเดียวกับกับความยาวของแนวเชื่อม แบ่งออกเป็น 3 แบบ คือ check root และ full centerline รอยแตกร้าวตามยาวแบบ check สามารถมองเห็นได้ที่ผิวและมีบางส่วนของรอยแตกร้าวยาวเข้าไปในเนื้อเชื่อม รอยแตกร้าวนี้เกิดจากความเค้นที่เกิดจากการหดตัวของเนื้อวัสดุ หรือเกิดการแตกตามกลไกของการแตกร้าวร้อน รอยแตกร้าวตามยาวแบบ root เริ่มต้นจากราก หรือส่วนใต้ล่างสุดของแนวเชื่อม แล้วลามเข้าสู่เนื้อเชื่อม เป็นรอยแตกร้าวตามยาวที่พบมากที่สุด เป็นผลมาจากแนวเชื่อมที่มีขนาดเล็กของแนวเชื่อมชั้นแรก หากมีการเชื่อมแนวต่อๆมาทับลงไป รอยแตกร้าวนี้สามารถลุกลามออกมาจากชั้นล่างจนถึงชั้นบนสุดของแนวเชื่อม เกิดเป็นรอยแตกร้าวแบบ full centerline 

การแตกร้าวเมื่อได้รับความร้อนซ้ำ (Reheat cracking)

การแตกร้าวเมื่อได้รับความร้อนซ้ำ (Reheat cracking) คือการแตกร้าวที่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าเจือต่ำความแข็งแรงสูง (HSLA) โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับเหล็กกล้าที่มีส่วนผสมของ โครเมียม โมลิบดินัม และ วานาเดียม การแตกร้าวเกิดขึ้นระหว่างการปรับปรุงคุณสมบัติของโลหะด้วยกระบวนการความร้อนหลังการเชื่อมเสร็จ (Post weld heat treat, PWHT) นอกจากนี้การแตกร้าวเมื่อได้รับความร้อนซ้ำ ยังเกิดขึ้นกับเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเทนนิติกด้วย สาเหตุเป็นเพราะวัสดุกลุ่มนี้มีคุณสมบัติเรื่องความเหนียวที่อุณหภูมิสูง (creep ductility) ไม่ดีในบริเวณกระทบร้อน (HAZ) หากมีรอยตำหนิ รอยบาก ในบริเวณ HAZ ที่มีคุณสมบัติดังกล่าวไม่ดี รอยตำหนิจะกลายเป็นเป็นจุดกำเนิดของรอยแตก การหลีกเลี่ยงปัญหานี้ในกระบวนการให้ความร้อนหลังการเชื่อม ทำโดยการให้ความร้อนแก่วัสดุด้วยอุณหภูมิไม่สูงมากเป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นเพิ่มความร้อนอย่างรวดเร็ว จนวัสดุมีอุณหภูมิสูง เพื่อหลีกเลี่ยงช่วงอุณหูมิวิกฤติ โดยให้วัสดุสัมผัสช่วงอุณหภูมิวิกฤติในระยะเวลาสั้นที่สุด นอกจากนี้ การเจียรผิวเพื่อลดความเค้นที่หนาแน่น การเคาะคลายตัวที่ตีนแนวเชื่อมเพื่อลดความเค้นทางดึง หรือการใช้เทกนิคการเชื่อม 2 ชั้นเพื่อปรับปรุงโครงสร้างเกรนของบริเวณกระทบร้อน ก็ช่วยลดปัญหานี้

การแตกร้าวที่รากและตีน (Root and toe cracks)

 รอยแตกร้าวที่ราก เกิดขึ้นโดยแนวเชื่อมที่รากส่วนล่างสุดของการเตรียมรอยต่อของวัสดุ แล้วยาวเข้ามาสู่เนื้อเชื่อม สาเหตุมาจากกระแสไฟตอนเริ่มต้นการเชื่อมต่ำเกินไป และการเลือกใช้ขนาดและชนิดของลวดเติมอย่างไม่เหมาะสม ซึ่งทำให้เกิดการเปราะเนื่องมาจากไฮโดรเจน รอยแตกร้าวนี้สามารถป้องกันได้ด้วยการใช้กระแสเริ่มต้นที่สูง และการเลือกใช้ลวดเชื่อมที่เหมาะสม รอยแตกร้าวที่ตีนเกิดจากความชื้นในบริเวณที่เชื่อม เป็นรอยแตกร้าวที่ผิว สามารถหลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้ด้วยการให้ความร้อนแก่ชิ้นงานก่อนเชื่อม และการเตรียมรอยต่อของชิ้นงานอย่างเหมาะสม 

การแตกร้าวแนวขวาง (Transverse crack)

Tการแตกร้าวแนวขวาง คือการแตกร้าวที่ตั้งฉากกับทิศทางของแนวเชื่อม โดยทั่วไปรอยแตกร้าวนี้เป็นผลมาจากการความเค้นจากการหดตัวในแนวยาวของชิ้นงานที่กระทำต่อเนวเชื่อมที่มีความเหนียวต่ำ (มีความเปราะสูง)  

การบิดเสียรูป

การเชื่อมที่มีการหลอมเนื้อโลหะ มีความเสี่ยงต่อการหดตัวเมื่อโหละที่หลอมเกิดการเย็นตัว การหดตัวทำให้เกิดความเค้นตกค้าง และการบิดเสียรูป ซึ่งการบิดเสียรูปนี้อาจก่อให้เกิดปัญหาในการใช้งาน เนื่องจากชิ้นงานไม่ได้ขนาดตามที่ออกแบบไว้ รูปดังต่อไปนี้แสดงให้เห็นลักษณะการบิดเสียรูปต่างๆ อันเนื่องมาจากการเชื่อม

• 
  Transverse shrinkage
• 
  Angular distortion
• 
  Longitudinal shrinkage
• 
  Fillet Distortion
• 
  Neutral axis distortion

แก๊สฝังใน (Gas inclusion)

แก๊สฝังในเนื้อเชื่อม เป็นรอยความไม่ต่อเนื่องที่มีความหลากหลาย เช่นรูพรุน (porosity) โพรงอากาศ (blow holes) ท่อ หรือ รูหนอน (pipes or wormholes) สาเหตุมาจากการที่แก๊สไม่สามารถออกจากแนวเชื่อมได้ทันก่อนที่แนวเชื่อมจะแข็งตัว แก๊สจึงถูกกักไว้ในเนื้อเชื่อม แก๊สเหล่านี้เกิดจาก การมีกำมะถันเจือปน หรือ ความชื้น ในเนื้อวัสดุหรือลวดเติมมากเกินไป การเชื่อมโดยรักษาระยะห่างระหว่างชิ้นงานกับหัวเชื่อมไม่เหมาะสม ใกล้เกินไป หรือการปรับตั้งค่ากระแส และขั้วไฟฟ้า ไม่เหมาะสม เป็นต้น

Inclusions

การฝังใน มีสองประเภทคือ การฝังในแบบเส้น และการฝังในแบบกลม การฝังในคือการที่มีสิ่งอื่นที่ไม่ใช้เนื้อเชื่อม อยู่ในเนื้อเชื่อม อาจเกิดขึ้นโดดเดี่ยว หรือ รวมเป็นกลุ่ม การเกิดการฝังในแบบเส้นเป็นผลมาจาก สแลก หรือฟลักซ์ ฝังอยู่ในเนื้อเชื่อม เนื่องจากฟลักซ์ที่หลอมตัวไม่สมบูรณ์ หรือสแลกที่ไม่ลอยตัวขึ้นมาสู่ผิวบนของแนวเชื่อม การเชื่อมหลายๆ ชั้นสามารถทำให้เกิดปัญหานี้เช่นกันโดยเฉพาะเมื่อขจัดสแลกของแนวเชื่อมชั้นล่างไม่หมดแล้วเชื่อมทับลงไป หรือแนวเชื่อมชั้นล่างมีมุมหลบที่ไม่สามารถ

ขจัดสแลกออกได้ โดยทั่วไป การกำจัดสแลกและการทำความสะอาดก่อนจะเชื่อมแนวเชื่อมชั้นต่อไป ด้วยการเจียร หรือขัดด้วยแปรงลวด จะช่วยป้องกันปัญหานี้

การฝังในเดี่ยวๆ อาจเกิดเมื่อเชื่อมทับลงไปบนชิ้นงานที่มีสนิมหรือเศษโลหะเป็นแผ่นๆ ที่ตกค้างบนผิวงานเนื่องมาจากกระบวนการผลิต

การซึมลึกไม่สมบูรณ์ (Incomplete penetration)

การซึมลึกไม่สมบูรณ์คือการที่เนื้อเชื่อมไม่ได้ก่อตัวเริ่มต้นขึ้นจากรากของแนวร่องรอยต่อของชิ้นงานที่เตรียมไว้ ทำให้เกิดช่องหรือร่องที่ราก อันนำไปสู่ปัญหาใหญ่ เช่นกรณีการเชื่อมต่อท่อขนส่งของเหลว โดยการเชื่อมจากภายนอกท่อ ร่องหรือช่องที่เกิดจากการซึมลึกไม่สมบูรณ์จะทำให้ของเหลวมาติดอยู่ในบริเวณนี้ เกิดการกัดกร่อน หรือขัดขวางการไหล สาเหตุของการซึมลึกไม่สมบูรณ์คือการปรับตั้งค่ากระแสไม่ ระยะอาร์ค มุมการเชื่อม และลักษณะการเดินแนวเชื่อม ไม่เหมาะสม

ลาเมลาร์ แทริ่ง (Lamellar tearing)

ลาเมลาร์ แทริ่ง คือตำหนิประเภทหนึ่งของงานเชื่อม เกิดขึ้นในเหล็กแผ่นรีด เมื่อเชื่อมและชิ้นงานเกิดการหดตัว โดยทิศทางการหดตัวตั้งฉากกับผิวหน้าของแผ่นเหล็ก หากบริเวณนั้นมีรอยความไม่ต่อเนื่องหรือกำมะถันเจืออยู่มาก จะทำให้ ความแข็ง

แรง ภายในไม่สามารถต้านทางความเค้นดึง ที่เกิดจากการหดตัวของวัสดุขณะเชื่อมได้ ทำให้เกิดการแยกชั้น สามารถหลีกเลี่ยงปัญหานี้โดยการเลือกใช้เหล็กที่มีปริมาณกำมะถันเจือปนต่ำ เช่น น้อยกว่า 0.005% หรือเลือกใช้เหล็กที่ไม่ได้ผลิตขึ้นด้วยวิธีการรีดขึ้นรูป เช่นการหล่อ หรือการ forged นอกจากนี้การออกแบบรอยต่อ โดยให้เกิดความเค้นทางดึง ไม่ตั้งฉากกับแนวการรีดขึ้นรูปสามารถช่วยลดปัญหานี้ได้

รอยกัดขอบ (Undercut)

รอยกัดขอบ คือการที่การเชื่อมทำให้เนื้อวัสดุมีพื้นที่หน้าตัดลดลง เกิดรอยแหว่งของเนื้อชิ้นงานที่ตีนรอยเชื่อม ทำให้ชิ้นงานมีความแข็งแรงลดลง เกิดจากการเชื่อมด้วยกระแสไฟฟ้าสูงเกินไป การเติมลวดไม่เพียงพอ การเลือกชนิดของลวดอย่างไม่เหมาะสม การทำมุมขณะเชื่อมไม่เหมาะสม ระยะอาร์คไกลเกินไป และ การเชื่อมที่ช้าเกินไป

อ้างอิง

บรรณานุกรม

• Cary, Howard B.; Helzer, Scott C. (2005), Modern Welding Technology, Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, ISBN 0-13-113029-3.
• Raj, Baldev; Jayakumar, T.; Thavasimuthu, M. (2002), Practical non-destructive testing (2nd ed.), Woodhead Publishing, ISBN 978-1-85573-600-9.
• Rampaul, Hoobasar (2003), Pipe welding procedures (2nd ed.), Industrial Press, ISBN 978-0-8311-3141-8.
• Moreno, Preto (2013), Welding Defects (1st ed.), Aracne, ISBN 978-88-548-5854-1.
• Weman, Klas (2003), Welding processes handbook, New York, NY: CRC Press, ISBN 0-8493-1773-8.