บทความ  หลักการเชื่อมโลหะ

"การเชื่อม" (Welding) เป็นกระบวนการที่ใช้สำหรับต่อวัสดุ ส่วนใหญ่เป็นโลหะและพลาสติค โดยให้รวมตัวเข้าด้วยกัน ปกติใช้วิธีทำให้ชิ้นงานหลอมละลาย และการเพิ่มเนื้อโลหะเติมลงในแอ่งหลอมละลายของวัสดุที่หลอมเหลว เมื่อเย็นตัวรอยต่อจะมีความแข็งแรง บางครั้งใช้แรงดันร่วมกับความร้อน หรืออย่างเดียว เพื่อให้เกิดรอยเชื่อม ซึ่งตรงข้ามกับการบัดกรีอ่อน และการบัดกรีแข็ง ซึ่งไม่มีการหลอมละลายของชิ้นงาน มีแหล่งพลังงานหลายอย่างสำหรับนำมาใช้ในการเชื่อม เช่น การใช้เปลวไฟแก๊สอ็อกซิเจน, การอาร์คโดยใช้กระแสไฟฟ้า, ลำแสงเลเซอร์, การใช้อิเล็คตรอนบีม, การเสียดสี, การใช้คลื่นเสียง เป็นต้น ในอุตสาหกรรมมีการเชื่อมในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน เช่นการเชื่อมในพื้นที่โล่ง, พื้นที่อับอากาศ, การเชื่อมใต้น้ำ, การเชื่อมในพื้นที่อันตราย เช่น ถังเก็บน้ำมันขนาดใหญ่, ภายในโรงงานผลิตสารเคมี และวัตถุไวไฟ การเชื่อมมีอันตรายเกิดขึ้นได้ง่าย จึงควรมีความระมัดระวังเพื่อป้องกันอันตราย เช่น เกิดจากกระแสไฟฟ้า, ความร้อน, สะเก็ดไฟ, ควันเชื่อม, แก๊สพิษ, รังสีอาร์ค, ชิ้นงานร้อน, ฝุ่นละออง 

กระบวนการเชื่อม

การเชื่อมอาร์ค

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

                  หลักการเชื่อมไฟฟ้า  เชื่อมลวดธูป

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

      การเชื่อมโลหะด้วยวิธี  TIG การเชื่อมทิก อาร์กอน

การเชื่อม GTAW หรือการเชื่อมทิก

การเชื่อมทิกสามารถให้คุณภาพงานเชื่อมที่ดีเท่าเทียมหรือเหนือกว่ากระบวนการเชื่อมอื่นๆ เป็นกระบวนการที่ยืดหยุ่นคือ สามารถให้คุณภาพงานเชื่อมที่ดีได้สำหรับโลหะในงานเชื่อมส่วนใหญ่ อาจจัดได้เป็นกระบวนการที่เกือบจะไร้ขีดจำกัด

กระบวนการนี้เหมาะสำหรับการเชื่อมประกอบ ขึ้นรูปงาน หรือโครงสร้างที่มีความต้องการความแม่นยำสูง และตัวโลหะที่เชื่อมมีความหนาไม่มาก แต่ข้อเสียคือ เป็นกระบวนการที่ต้องอาศัยทักษะ และต้นทุนที่สูง และผลิตภาพต่ำกว่ากระบวนการเชื่อมอาร์คอื่นๆ

         การเชื่อมโลหะด้วยวิธี MIG การเชื่อมมิก CO2

เป็นกระบวนการเชื่อมโดยการอาร์กแบบหนึ่ง ซึ่งได้รับความร้อนจากการอาร์กระหว่างลวดเชื่อมแบบต่อเนื่อง (Continuous Filler Metal or Consumable Electrode) กับชิ้นงาน และมีแก๊สจากแหล่งภายนอกถูกจัดให้จ่ายออกมาเป็นเกราะปกคลุมแนวเชื่อมขณะ อาร์กเพื่อป้องกันการรวมตัวจากบรรยากาศ กระบวนการเชื่อมแบบนี้แบ่งออกได้เป็น 4 วิธีการ (Variations) ตามชนิดของแก๊สที่ใช้เป็นเกราะป้องกันขณะอาร์กหรือชนิดของการส่งป้อนโลหะ (Metal Transfer) ไปยังแนวเชื่อมได้แก่

MIG เป็นการเชื่อมโดยใช้แก๊สเฉื่อยบริสุทธิ์เป็นเกราะป้องกันในการเชื่อมโลหะจำพวกที่ไม่ใช่เหล็ก

MICRO WIRE เป็นการเชื่อมแบบป้อนลวดเชื่อมในลักษณะลัดวงจร (Metal Transfer) หรือ Short Circuiting Transfer โดยสามารถเชื่อมได้ทุกท่าเชื่อม

CO2 เป็นการเชื่อมโดยใช้แก๊สคาร์บอนไดอ๊อกไซด์เป็นแก๊สปกป้องขณะอาร์กและใช้ลวดเชื่อมขนาดโตกว่า

SPRAY เป็นการเชื่อมโดยใช้ส่วนผสมของแก๊สอาร์กอน (Argon) กับแก๊สออกซิเจนเป็นแก๊สปกป้องขณะอาร์ก

การเชื่อมแบบ MIG จะขจัดปัญหาในการใช้ลวดเชื่อมที่มีความยาวจำกัด ทั้งกรณีการป้องกันการรักษาความสะอาดและสามารถเชื่อมได้ทุกตำแหน่ง

• Submerged arc welding (SAW)

การเชื่อม SAW ใช้การป้อนอิเล็กโทรดอย่างอัตโนมัตเข้าสู่แนวเชื่อม โดยมีผงฟลักปกคลุมอยู่ด้านบนตลอดเวลา บ่อหลอมและบริเวณที่เกิดการอาร์คจะจมอยู่ใต้ฟลัก ที่ทำหน้าที่ปกคลุมป้องกันการปนเปื้อนและทำปฏิกิริยากับความชื้นและอากาศรายรอบ

แหล่งจ่ายไฟสำหรับอาร์ค (Arc Power Source)

แหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อมอาร์ค หรือ Power Source หรือตู้เชื่อม ทำหน้าที่จ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าสู่กระบวนการเชื่อมเพื่อให้เกิดการอาร์คขณะเชื่อม ตัวแหล่งจ่ายไฟนี้ทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงด้วย เนื่องจากไฟฟ้าที่มาจากสายส่งสาธารณะนั้นมีแรงดันสูง 120 - 480 โวลต์ ตัวแหล่งจ่ายไฟ หรือตู้เชื่อมนี้จะลดแรงดันลงเหลือ 20 – 80 โวลต์ ซึ่งเป็นระดับที่เหมาะสมกับการใช้งาน และเพิ่มกระแสให้อยู่ในระดับใช้งานในช่วง 30-1500 แอมแปร์ ตัวแปลงไฟนี้มีทั้งแบบ solid state inverter และแบบ motor generator กระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามความสามารถและการออกแบบของผู้ผลิต ซึ่งอาจทำได้อย่างใดอย่างหนึ่ง หรือทำได้หลายอย่างในตู้เดียวกัน ได้แก่ ไฟฟ้ากระแสตรง ไฟฟ้ากระแสสลับ กระแสแบบพัลส์ กระแสคงที่ และ แรงดันคงที่ เป็นต้น

การเชื่อมแก๊ส

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

กระบวนการเชื่อมแก๊สนี้สามารถประยุกต์แยกย่อยตามลักษณะการใช้งานได้ดังนี้

• การเชื่อมด้วยแก๊ส โดยใช้เปลวนิวทรอล ทำโดยปรับแต่งปริมาณแก๊สเชื้อเพลิงและออกซิเจนให้เกิดเปลวกลางและเปลวในทับซ้อนกัน
• การตัดด้วยแก๊ส โดยใช้เปลวออกซิไดซิ่ง ทำโดยปรับแต่งปริมาณแก๊สเชื้อเพลิงและออกซิเจนโดยปรับแต่งให้เกิดเปลวนอก และเปลวใน สำหรับเปลวในจะมีความสว่างและแหลม
• การแล่นประสาน โดยเปลวคาร์บูไรซิ่ง ทำโดยปรับแต่งปริมาณแก๊สเชื้อเพลิงและออกซิเจนโดยปรับแต่งให้มีเปลวนอก เปลวกลาง และเปลวใน ให้เปลวกลางมีความยาวกว่าเปลวในประมาณ 0.5 - 1 เท่าตัว
• การบัดกรี

• กระบวนการทางความร้อน

กระบวนการทางความร้อนหลังการเชื่อม (post-welded heat treatment) มีเพื่อการลดความเค้นตกค้าง และเพิ่มความแข็งให้กับแนวเชื่อม