วัสดุช่างเชื่อม-04

หน่วยการเรยี นรู้ท่ี 4 ความสามารถในการเช่อื มของเหลก็ กล้า

อทิ ธพิ ลของธาตตุ ่าง ๆ ทน่ี ามาผสมในเหล็กกลา้ 1. คาร์บอน (C) เป็นธาตุท่ีสาคัญในการช่วยเพ่ิมความแข็งแก่เหล็กกล้า เมื่อมีปริมาณคาร์บอนผสมอยู่สูงขึ้นเหล็กกล้า จะมีความสามารถในการชบุ แขง็ ละความต้านทานต่อแรงดงึ จะสงู ขึน้ แต่ความเหนยี วและความสามารถในการเชื่อมจะลดลงเมื่อ ทาการเช่ือมเหล็กกล้าที่มีปริมาณ คาร์บอนผสมอยู่มากกว่า 0.25% และทาให้เย็นตัว อย่างรวดเร็วบริเวณใกล้เคียงกับรอย เช่ือมหรือ เรียกว่าบริเวณกระทบร้อน (Heat Affect Zone : HAZ) จะมีความแข็งและเปราะหรือถ้าบริเวณบ่อหลอมเหลว ได้รบั คารบ์ อนในปริมาณมากในขณะที่ทาการเชอ่ื ม รอยเช่ือมอาจจะมีความแขง็ มากกว่าปกติ บรเิ วณกระทบร้อน แสดงลักษณะบริเวณกระทบ

อทิ ธพิ ลของธาตตุ ่าง ๆ ทนี่ ามาผสมในเหลก็ กล้า 2. แมงกานีส (Mn) เป็นธาตุท่ีช่วยเพิ่มความสามารถชุบแข็งและความแข็งแต่จะมีผลน้อยกว่าธาตุคาร์บอน สมบัติของ เหลก็ กลา้ ท่มี ธี าตแุ มงกานสี ผสมอย่ขู ้นึ อย่กู บั ปรมิ าณคารบ์ อน ถา้ แมงกานสี น้อยกว่า 0.30% อาจทาให้เกิดตามด และรอยร้าว ภายในรอยเชื่อมและถา้ มแี มงกานีส มากกว่า 0.80% รอยเช่ือมอาจจะมีโอกาสเกิดการแตกรา้ วได้ง่ายเช่นเดียวกัน โดยทั่วไปแล้วแมงกานีสจะเป็นธาตุท่ีช่วยเร่งอัตราการแทรกซึมของคาร์บอน ขณะท่ีทาการอบเติมคาร์บอน และมีผลดี ตอ่ การตกแตง่ ผวิ สาเร็จ สว่ นผสมของแมงกานสี ตอ่ กามะถนั ในอตั ราส่วน 10 : 1 จะทาให้เหล็กกลา้ มคี วามสามารถ ในการเช่ือมท่ีดี ถ้าเหล็กกล้า มแี มงกานีสและคารบ์ อนต่า แสดงวา่ การลดปริมาณออกซเิ จนกระทาไม่เหมาะสม แมงกานีสในเหล็กกล้าจะรวมตัวกับกามะถัน ซึ่งจะไม่เป็นอันตรายแต่อย่างใด อย่างไรก็ตาม ถ้าเหล็กมีอัตราส่วนต่า จะทาให้รอยเช่ือมแตกร้าวได้ง่ายขณะที่รอยเชื่อมยัง ร้อนอยู่

อิทธพิ ลของธาตุต่าง ๆ ทน่ี ามาผสมในเหล็กกล้า 3. กามะถนั (S) กามะถนั จะช่วยเพิม่ ความสามารถในการตัดแต่งของเหลก็ กลา้ แต่จะไปลดความออ่ นในแนวขวางความ ต้านทานต่อแรงกระแทกและความสามารถในการเช่ือมกามะถันจะทา ให้รอยเชื่อมเกิดแตกร้าวได้ง่ายในขณะร้อน (Hot– Short) แม้ว่าจะมีปริมาณเพยี งเล็กน้อยกต็ าม และมีโอกาสทจี่ ะเกิดมากขน้ึ ถา้ มปี รมิ าณกามะถนั สูงขึ้น ปกตแิ ล้วจะใหม้ ีกามะถนั ไดไ้ มเ่ กนิ 0.35% แต่ตอ้ งมีแมงกานสี เพยี งพอดว้ ยถ้ามมี ากเกินไปจะทาให้เกิดปัญหารุนแรง เป็นอันตรายต่อคุณภาพ ผิวของ เหลก็ กล้าคาร์บอน และเหลก็ กลา้ แมงกานีสตา่ เหล็กกล้าท่ีมีกามะถันผสมอยู่จะมีความสามารถในการเช่ือมไม่ดี เพราะว่ากามะถันจะรวมตัวกับเหล็กกลายเป็นฟิล์มซึ่ง ทาใหเ้ กดิ รอยแตกรา้ วและรอยตาหนิอืน่ ๆ ตามบริเวณแนวหลอมเหลว ของการอารก์ 4. ฟอสฟอรสั (P) จะมผี ลทาให้เหล็กกลา้ มคี วามแขง็ และความแข็งแรงสูงข้นึ แต่ความต้านทาน ตอ่ แรงกระแทกจะลดลง โดยเฉพาะในเหล็กกล้าเกรดคาร์บอนสูงในเหล็กกล้าเกรดคาร์บอนต่า ฟอสฟอรัสจะช่วยเพิ่มความสามารถในการตัดแต่งและ ความตา้ นทานตอ่ การกัดกร่อนของบรรยากาศ ได้ดี เมอื่ พิจารณาในด้านของงานเชื่อมจะถือวา่ ฟอสฟอรสั จะเปน็ สารมลทนิ จึงต้องพยายามควบคุมให้ตาทสี่ ดุ เท่าที่จะทาได้ถ้ามี มากกวา่ 0.04% จะทาให้รอยเช่อื มเปราะและแตกร้าวได้ง่ายขึน้ นอกจากน้ีฟอสฟอรัสทาใหก้ ารไหลของนา้ โลหะดีขึน้ จึงทาให้ การควบคุมการเชื่อมได้ยาก

อิทธิพลของธาตุตา่ ง ๆ ทีน่ ามาผสมในเหลก็ กลา้ 5. ซิลิคอน (Si) เป็นธาตุที่ช่วยลดออกซิเจนในเหล็กกล้าซ่ึงจะเติมลงไปในขณะทาการผลิตเหล็กกล้าและยังช่วยเพิ่ม ความแข็งและความแข็งแรงแต่จะให้ผลน้อยกว่าธาตุแมงกานีส ถ้าเหล็กกล้ามีคาร์บอนค่อนข้างสูงซิลิคอนจะมีโอกาสทาให้ เหล็กแตกร้าวได้ง่ายข้ึน เหล็กกล้าที่มีความสามารถในการเชื่อมท่ีดีต้องมีซิลิคอนไม่เกิน 0.10% แต่ถ้าสูงถึง 0.30% จะมี ผลเสยี นอ้ ยกว่า เมอื่ เทยี บกับการมกี ามะถันหรือฟอสฟอรัสสูง 6. ทองแดง (Cu) เปน็ ธาตทุ ่มี ีสมบัตปิ รับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนจากบรรยากาศ ถ้าเติมทองแดงจนถึง 0.50% จะไม่มีผลต่อความสามารถในการเชื่อมแต่ถ้ามีเพียงเล็กน้อยจะมีผลต่อความสามารถในการตีประสานแต่ถ้าเป็นเหล็กกล้าท่ี ต้องผา่ นการอบชุบ หากมที อกงแดงมากกว่า 0.50% จะทาใหส้ มบัติเชงิ กลลดลง

ความสามารถในการเชอื่ มของเหล็กกล้าคาร์บอน การแบง่ ชนิดของเหลก็ กล้าคาร์บอนโดยท่ัวไปจะแบง่ ตามปริมาณของคาร์บอนท่ีผสม ซึ่งจะแบ่งได้ดังนี้เหล็กกล้าคาร์บอน ตามีคาร์บอนไม่เกิน 0.30% เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง มีคาร์บอนระหว่าง 0.30 - 0.45 % และเหล็กกล้าคาร์บอนสูงมี คารบ์ อนมากกวา่ 0.45% เหลก็ กลา้ คาร์บอนตา่ จะแบง่ เป็น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ามากมีคารบ์ อนไม่เกนิ 0.15% และเหลก็ กล้า ละมุน มีคารบ์ อน 0.15 - 0.30% ส่วนผสมของเหลก็ กล้าคาร์บอนตามมาตรฐานSAE ดังแสดงในตาราง

ความสามารถในการเชอื่ มของเหลก็ กล้าคารบ์ อน แสดงสว่ นผสมทางเคมขี องเหลก็ กลา้ คารบ์ อน ตามมาตรฐาน SAE

ความสามารถในการเช่ือมของเหลก็ กลา้ คาร์บอน 1. ความสามารถในการเชื่อมของเหลก็ กลา้ คารบ์ อนตา่ เหล็กกล้าคารบ์ อนตาจะมธี าตุคารบ์ อนผสมอยู่ไมเ่ กนิ 0.30% ซง่ึ จะมีความสามารถในการเชือ่ มไฟฟา้ ทด่ี นี ยิ มนามาใช้ใน งานโครงสร้างทัว่ ไปภาชนะ ฐานเครอ่ื งจกั รเครอื่ งกลการเกษตร และงานเช่ือมท่ัวไป เหล็กกล้าคาร์บอนตาที่มีคาร์บอนประมาณ 0.13% สามารถใช้ในงานเช่ือมได้ดีแต่จะเช่ือมได้ ไม่ดีนักเมื่อเช่ือมด้วย ความเรว็ สูงเหล็กกล้าชนิดนีเ้ มือ่ มแี มงกานสี ไมเ่ กนิ 0.30% จะมีโอกาสเกิดรูพรุนได้ง่ายซึ่งวิธีการแก้ไขอาจทาได้โดยการเชื่อม ใหช้ า้ ลงกวา่ เดิม แต่ถา้ ยอมใหเ้ กดิ รพู รนุ อยูบ่ า้ กไ็ มต่ อ้ งลดความเร็วในการเชอ่ื มกไ็ ด้ เหล็กกล้าท่ีมีคาร์บอนผสมอยู่ระหว่าง 0.15-0.20 % จะมีความสามารถในการเชื่อมท่ีดีมาก สามารถเชื่อมตามวิธี มาตรฐานโดยทัว่ ไปไดด้ ว้ ยลวดเช่ือมเหลก็ เหนียวทกุ ชนิดจึงเหมาะสมกับงานท่ตี อ้ งการความรวดเร็วในการเชอื่ ม เหล็กกล้าท่ีมีคาร์บอนผสมอยู่ระหว่าง 0.25-0.30% จะมีความสามารถในการเช่ือมที่ดี แต่ถ้ามีธาตุผสมบางตัวสูงเกิน ค่าที่จากดั อาจทาใหง้ านเชอ่ื มแตกรา้ วไดง้ า่ ย โดยเฉพาะอย่างยง่ิ เม่ือเชื่อมแบบฟลิ เลท(Fillet) ซงึ่ สามารถแก้ไขปญั หานไ้ี ดโ้ ดย การลดความเร็วและกระแสไฟเชือ่ ม หรือถ้ามีธาตุผสมมากเกินไปจะมีโอกาสเกิดโพรงอากาศได้ง่ายซึ่งอาจแก้ไขได้โดยการลด ความเร็ว และกระแสไฟเชอ่ื มลงได้เชน่ เดยี วกัน

ความสามารถในการเช่ือมของเหล็กกลา้ คาร์บอน การเช่ือมเหล็กกล้าคาร์บอนต่าน้ีโดยทั่วไปแล้วไม่ต้องให้ความร้อนก่อนการเช่ือม (Preheat) แต่ถ้าช้ินงานมีความหนา ตั้งแต่ 5 เซนติเมตรข้ึนไปควรอุ่นชิ้นงานก่อนการเช่ือมแต่ถ้าเป็นกระบวนการเช่ือมท่ีมีไฮโดรเจนตาอาจจะไม่ต้องทาการอุ่น ช้ินงานก็ได้ โดยทั่วไปแล้วเหล็กกล้าท่ีมีคาร์บอน ผสมอยู่ระหว่าง 0.25 - 0.30% ควรใช้ลวดเช่ือมชนิดไฮโดรเจนต่า (EXXX5, EXXX6, EXXX8) หรือกระบวนการเชื่อมแบบไฮโดรเจนตาถ้าอุณหภูมิแวดล้อมต่ากว่า 10 oC ลักษณะงานเช่ือม เหล็กกลา้ คารบ์ อนต่า ดังแสดงในรปู แสดงลักษณะงานเช่ือมเหลก็ กลา้ คารบ์ อนต่า

ความสามารถในการเชือ่ มของเหลก็ กล้าคารบ์ อน 2. ความสามารถในการเชื่อมของเหล็กกลา้ คาร์บอนปานกลางและเหล็กกลา้ คาร์บอนสงู โดยทั่วไปแล้วความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กกล้าจะเพิ่มขึ้นเมื่อเหล็กกล้ามีปริมาณคาร์บอนเพ่ิมขึ้น ดังน้ัน เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางและคาร์บอนสูงจึงเหมาะกับการใช้งานที่ความแข็ง ความต้านทานต่อการสึก หรอดี และความ แข็งแรงสูง เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (มีคาร์บอนประมาณ 0.45%) จะนิยมใช้ทาแผ่นกันสึก สปริงและช้ินส่วนรถไฟ อุปกรณ์และ เคร่ืองมือการขุดและตักดิน แต่เหล็กกล้าชนิดนี้จะมีสมบัติในด้านการเช่ือมไม่ดีคือจะเชื่อมยากนั่นเอง การเช่ือม ต้องให้ความร้อนกอ่ นทจี่ ะทา และในบางครง้ั หลงั จากการเช่อื มต้องอนุ่ งาน อกี ครง้ั เพ่ือคลายความเค้นท่ีอยภู่ ายในชน้ิ งานลง เหล็กกล้าคาร์บอนสูงจะเหมาะกับงานในสภาพอบชุบแข็ง เช่น นาไปใช้ทาเครื่องมืองานโลหะ และงานไม้ดอกสว่าน แม่พิมพ์ มีด ผาลไถ และเหล็กกันสึกเป็นต้น อุปกรณ์ทาฟาร์มบางชนิดจะทาจากเหล็กรางรถไฟนาไปรีดใหม่ (มีคาร์บอน 0.65%) โดยการเช่ือมในสภาพที่หลังรีดต้องอุ่นช้ินงานก่อนการเช่ือม อุ่นรอยเช่ือมเดิมก่อนเช่ือมทับลงไป (Interpart Heating) และอุ่นงานหลงั จากการเช่อื ม (Postheat) เพอื่ คลายความเค้นภายใน แสดงลกั ษณะการให้ความรอ้ นหลังการเช่ือม

ความสามารถในการเช่อื มของเหลก็ กล้าคารบ์ อน เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนตั้งแต่ 0.30% ขึ้นไปควรจะทดลองเช่ือมงานก่อนที่จะเชื่อมงานจริง เพ่ือหาแนวโน้มของงานที่จะ แตกร้าว ถ้างานมีโอกาสจะแตกร้าวได้ง่ายควรอุ่นงานก่อนและหลังจากการเชื่อมแล้วอุณหภูมิที่ใช้สาหรับอุ่นงานของเหล็กแต่ ละชนดิ จะไมเ่ ท่ากัน ทัง้ นีข้ นึ้ อยู่กับส่วนผสม ขนาด รูปร่างชิ้นงานและปรมิ าณความร้อนท่ีได้จากการเช่ือม ถ้าปริมาณคาร์บอน และธาตุผสมสูง และช้ินงานหนา ควรใช้อุณหภูมิสูงเพ่ือให้งานเย็นตัวช้ากว่าปกติ แต่ถ้าเช่ือมด้วยกระบวนการ ไฮโดรเจนต่า สามารถใช้อุณหภูมิอ่นุ งานตา่ กว่าปกติ สาหรับงานเช่ือมท่ีบางกว่าเบอร์ 14 ไม่จาเป็นต้องอุ่นงาน โดยท่ัวไปแล้วถ้าเชื่อมด้วย ลวดเช่ือมชนดิ ไฮโดรเจนต่า ให้อุ่นงานใหม้ อี ุณหภูมิตา่ กวา่ ปกตปิ ระมาณ 40 – 80 oC° ปรมิ าณของธาตุคารบ์ อนทผี่ สมอยใู่ นเหล็กกล้าจะมผี ลในดา้ นของความแขง็ เพม่ิ ข้ึน เมื่อเหลก็ มปี ริมาณคาร์บอนผสมอยู่ไม่ เกิน 2% และจะมีความแข็งสูงสุดเมื่อเหล็กมีปริมาณคาร์บอนเท่ากับ 0.83% แต่ถ้าเหล็กมีปริมาณคาร์บอนน้อยกว่าหรือ มากกว่า 0.83% จะทาให้ค่าความแข็งแรงลดลง ส่วนสมบัติในด้านความเหนียวหรือความต้านทานแรงกระแทกจะลดลงไป เมื่อเหลก็ มีปรมิ าณของคาร์บอนเพม่ิ ขนึ้

ความสามารถในการเชอื่ มของเหล็กกล้าคารบ์ อน แสดงสมบัติทางกลของเหล็กกลา้ คารบ์ อน

ความสามารถในการเชอ่ื มของเหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กกล้าคารบ์ อนแต่ละชนิดมีความเหมาะสมในการใช้ประโยชน์ท่ีแตกต่างกนั ตัวอยา่ งการใชง้ านของเหล็กกลา้ คารบ์ อน แสดงการใช้งานของเหลก็ กลา้ คารบ์ อน

โลหะวทิ ยาของรอยเช่ือม ความร้อนจากการเช่ือมจะทาให้โครงสร้างของโลหะงานและโลหะเชื่อมเกิดการเปลี่ยนแปลง ซ่ึงจะมีโอกาสเกิดข้ึนได้ทั้ง ขณะเช่ือมและหลังจากงานเชื่อมเย็นตัวลงแล้วขณะที่เกิดการอาร์กระหว่างลวดเช่ือมและชิ้นงานจะมีอุณหภูมิประมาณ 1,649 o°C หรือสูงกว่าและระยะห่างจากรอยเชื่อมเล็กน้อยจะมีอุณหภูมิประมาณ 1,500 °oC เมื่อเหล็กร้อนขึ้นจนถึงอุณหภูมิ วิกฤตโครงสรา้ งเกรน ความแข็งและความแข็งแรงของโลหะจะเปลยี่ นแปลง ดงั แสดงในรูป แสดงผลของความร้อนจากการเชื่อมที่มผี ลต่อความแขง็ แรง

โลหะวิทยาของรอยเช่ือม การเปล่ียนแปลงโครงสร้างของรอยเชื่อม จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสูงสุดท่ีงานได้รับ ระยะเวลาท่ีอยู่ภายใต้อุณหภูมิดังกล่าว ส่วนผสมทางเคมีของโลหะและอัตราเย็นตัวหลังจากการเชื่อม องค์ประกอบสาคัญที่จะควบคุมการเปล่ียนแปลงนี้ ได้แก่ ปริมาณของความรอ้ นทีใ่ หแ้ กง่ านเชื่อมท้งั ท่ใี ชใ้ นการอนุ่ งานและขณะท่ที าการเชื่อมจรงิ อัตราการเย็นตัวของงานเช่ือมจะมีผลกระทบต่อสมบัติทางขนาดของเกรน ถ้าอัตราการเย็นตัวเร็วจะทาให้เกิดความ แข็งแรง แต่จะเปราะกว่าเม่ือมีอัตราการเย็นตัวช้าในกรณีของเหล็กกล้าคาร์บอนต่า ถ้าอัตราการเย็นตัวแตกต่างกันเพียง เลก็ นอ้ ยกจ็ ะมีผลกระทบต่อสมบตั ิเพยี งเล็กนอ้ ยเท่านน้ั แตถ่ ้ามปี รมิ าณคาร์บอนสูงหรือมธี าตุอน่ื ผสมอยู่ด้วยแม้ว่าจะมีอัตราการ เยน็ ตวั ตา่ งกนั ไปเพียงเล็กนอ้ ย ก็จะมีผลกระทบต่อสมบัตติ ่าง ๆ ของช้ินงานแตกตา่ งกนั อยา่ งชดั เจน