พื้นฐานเทคนิคการเชื่อม
การเชื่อมคือการประกอบโลหะที่มีองค์ประกอบเดียวกันหรือคล้ายกันภายใต้ความร้อน โดยมีหรือไม่มีการเติมโลหะชนิดเดียวกันหรือคล้ายกันเข้าไป ด้วยการเชื่อม ชิ้นส่วนจะยึดติดกันอย่างถาวรจนเกิดเป็นชิ้นงานเดียวที่เป็นเอกภาพ การเชื่อมที่ดีต้องอาศัยการประสานอย่างแนบแน่น ซึ่งจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อวัสดุฐานเองหลอมละลายที่บริเวณรอยเชื่อม (เขตแนวหลอม)
การเชื่อมอาร์กไฟฟ้า
สำหรับโครงสร้างเหล็ก การเชื่อมด้วยอาร์กไฟฟ้าเป็นวิธีหลัก ซึ่งให้ความร้อนที่จำเป็นด้วยอาร์กไฟฟ้า เปลวอาร์กเกิดขึ้นระหว่างชิ้นงานหลักกับอิเล็กโทรดที่เรียกว่า ซึ่งจะหลอมละลายและให้วัสดุเติม การเลือกวัสดุเติม (อิเล็กโทรด) อย่างถูกต้องมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติของรอยเชื่อม อิเล็กโทรดจะถูกเลือกตามกำลังลักษณะเฉพาะของวัสดุหลักที่จะเชื่อม การเลือกอิเล็กโทรดและการกำหนดเงื่อนไขการเชื่อมต้องอาศัยความรู้เฉพาะทาง ด้วยเหตุนี้จึงได้ก่อตั้งสถาบันของ “วิศวกรผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีการเชื่อม” ขึ้นมา โดยหน้าที่ของพวกเขานอกจากอย่างอื่นคือกำกับดูแลงานเชื่อม และทวนสอบการรับรองของช่างเชื่อมอย่างสม่ำเสมอ
การเชื่อมและการตัดด้วยแก๊ส
ในการเชื่อมแก๊ส ความร้อนที่ต้องการเกิดจากการเผาไหม้ของแก๊ส ทำให้วัสดุพื้นฐานและวัสดุเติมหลอมละลาย สิ่งที่สำคัญกว่าคือ การตัด. หัวตัด นอกจากท่อความร้อนซึ่งทำงานเช่นเดียวกับตอนเชื่อมแล้ว ยังมีท่ออีกเส้นสำหรับออกซิเจนในการตัด เหล็กที่ถูกทำให้ร้อนด้วยเปลวไฟร้อนจะถูกเผาทะลุและเป่าออกด้วยกระแสออกซิเจน การตัดให้ผิวที่เรียบและแม่นยำ ซึ่งเพียงพอสำหรับงานโครงสร้างเหล็กหลายประเภทโดยไม่ต้องแปรรูปเพิ่มเติม
ความสามารถในการเชื่อม
ในการประเมินรอยเชื่อม ควรคำนึงว่าในระหว่างกระบวนการเชื่อม ส่วนผสมของวัสดุเติม รวมทั้งวัสดุฐาน สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมาก ความสำคัญอย่างยิ่งยังอยู่ที่การเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างด้วย — ระหว่างแนวเชื่อมที่หลอมละลายกับวัสดุฐานที่ไม่เปลี่ยนแปลง จะมีเขตที่มีโครงสร้างแตกต่างกันและด้วยเหตุนี้จึงมีคุณสมบัติแตกต่างกัน ข้างแนวเชื่อมจะมีบริเวณที่วัสดุฐานหลอมละลาย (เขตหลอมรวม) และเป็นบริเวณที่เกิดการเชื่อมประสานระหว่างเขตเชื่อมกับวัสดุฐาน บริเวณโดยรอบของวัสดุก็ยังถูกให้ความร้อนอย่างมาก แม้จะไม่ถึงจุดหลอมเหลวแล้วก็ตาม ในเขตให้ความร้อนเกินนี้จะเกิดการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างอย่างมาก จนบ่อยครั้งมีความเด็ดขาดต่อคุณสมบัติของรอยเชื่อมทั้งรอย
รอยร้าวของแนวเชื่อมหมายถึงการเกิดรอยแตกในแนวเชื่อม ซึ่งเกิดขึ้นทันทีหลังการเชื่อม ขณะอุณหภูมิยังสูงอยู่ หรืออาจเกิดขึ้นเมื่อเย็นตัวลงในช่วงสีกล้ำเงิน (ประมาณ 300oC) รอยร้าวเป็นคุณสมบัติของอิเล็กโทรดเป็นอย่างมาก มักเกิดขึ้นเกือบเฉพาะกับอิเล็กโทรดหุ้มฟลักซ์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับโครงสร้างเหล็ก การเกิดรอยแตกต้องมีเงื่อนไขสองประการเกิดขึ้นพร้อมกัน กล่าวคือ ความเค้นสูงอันเนื่องมาจากกระบวนการเชื่อมหรืออิทธิพลภายนอกอื่นๆ รวมทั้งความแข็งของวัสดุที่เพิ่มขึ้น
นอกจากการเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยาในองค์ประกอบและโครงสร้างของวัสดุแล้ว ยังมีความสำคัญต่อกระบวนการทางกายภาพด้วย ซึ่งเกี่ยวข้องกับปริมาณความร้อนมหาศาลที่ถูกส่งเข้าสู่วัสดุระหว่างการเชื่อมและอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นในกระบวนการนี้ การให้ความร้อนไม่ได้เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ แต่เกิดขึ้นเฉพาะในบริเวณที่จำกัดแคบ การขยายตัวทางความร้อนที่เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนถูกยับยั้งโดยความเค้นภายในของบริเวณที่ร้อน ซึ่งเกิดจากวัสดุรอบข้างที่ยังไม่ร้อน นอกจากนี้ยังมีแรงเค้นภายนอก เนื่องจากชิ้นงานต้องถูกยึดแน่นระหว่างการเชื่อม ดังนั้นเมื่อให้ความร้อนจึงเกิดการอัดตัวแบบพลาสติก เมื่อเย็นตัว แนวเชื่อมและบริเวณรอบข้างจะหดตัวมากที่สุด (การหดตัว) ระหว่างการเย็นตัวจึงต้องเกิดความเค้นบังคับ (ความเค้นจากการหดตัว) การอุ่นชิ้นส่วนที่จะเชื่อมล่วงหน้าที่ 200 oC ถึง 300 oC สามารถทำให้การเย็นตัวช้าลงได้มาก เนื่องจากลดผลของการชุบแข็ง จึงได้โครงสร้างที่ก่อตัวดีกว่า และความแข็งตัวจะน้อยลง
การทดสอบวัสดุและงานเชื่อม
ทั่วไป: เนื่องจากคุณภาพของงานเชื่อมขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย และไม่ท้ายสุดยังขึ้นอยู่กับทักษะและความน่าเชื่อถือของช่างผู้ชำนาญ จึงจำเป็นต้องมีการควบคุมและการทดสอบงานเชื่อมทั้งหมดอย่างแม่นยำ การทดสอบที่กล่าวถึง ได้แก่ การกำหนดความสามารถในการเชื่อมของวัสดุและอิเล็กโทรด การเปรียบเทียบเงื่อนไขการเชื่อมและกระบวนการเชื่อมสำหรับกรณีหนึ่งๆ การทดสอบตัวอย่าง เป็นต้น
รูป 1 - การทดสอบการดัดของรอยเชื่อม
การทดสอบดัดของรอยเชื่อม: เป็นการทดสอบการดัดของคานธรรมดาหน้าตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้า (รูป 1) ซึ่งร่องตามยาวที่เตรียมเป็นครึ่งวงกลมในเส้นใยด้านรับแรงดึงถูกเชื่อมซ้ำด้วยชั้นเดียวที่อุณหภูมิห้อง รอยเชื่อมทำให้ความสามารถในการเสียรูปลดลงอย่างมาก ดังนั้นตัวอย่างจึงมักแตกหักแบบเปราะและฉับพลัน มุมดัดของแผ่นบางจะมากกว่า และจะลดลงเมื่อความหนาของแผ่นเพิ่มขึ้น
ความเหนียวเมื่อมีรอยบาก: ในการทดสอบดัดของแนวเชื่อม มักเกิดรอยแตกขึ้นที่แนวเชื่อมก่อน ทำให้เกิดการแตกหักแบบเปราะ วัสดุฐานต้องสามารถรับภาระที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลันเมื่อแนวเชื่อมแตกเปราะ ควรกำหนดว่ารอยแตกในบริเวณแนวเชื่อมจะต้องไม่ลุกลามอย่างรวดเร็วไปในวัสดุฐาน แต่รอยแตกควรเคลื่อนตัวได้ช้าเท่านั้น วัสดุฐานต้องมีความเหนียวเพียงพอที่จะรับภาระฉับพลันนี้ และความสามารถนี้ต้องคงอยู่ในระดับที่เพียงพอแม้ที่อุณหภูมิต่ำ ความเหนียวเมื่อมีรอยบาก เช่นเดียวกับคุณสมบัติเชิงกลอื่นๆ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่ใช้ทดสอบอย่างมาก ที่อุณหภูมิต่ำ เช่น ต่ำกว่า 0 oC อาจลดลงเหลือเพียงส่วนหนึ่งของค่าที่ 20 oC ตำแหน่งของการลดลงอย่างฉับพลันนี้มีความสำคัญต่อการประเมินวัสดุชนิดหนึ่ง สำหรับโครงสร้างเหล็กเชื่อม ในปัจจุบันต้องการวัสดุที่มีความคงทนต่อการเสื่อมอายุที่ดี กล่าวคือ มีความต้านทานรอยบากจากการกระแทกในสภาวะเย็นสูง
รูป 2 - การเสียรูปในสภาวะความเค้นที่มีรอยบาก
ความแข็ง: ปรากฏการณ์ความแข็งในเขตเชื่อมมีความสำคัญมาก จำเป็นต้องทราบ การเพิ่มขึ้นของความแข็ง เพราะการยืดตัวเมื่อขาดจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อความแข็งเพิ่มขึ้น (รูป 3) ในขณะที่กำลังดึง σB เพิ่มขึ้นเกือบเป็นสัดส่วนตรงกับความแข็งบริเนลล์ HB สำหรับเหล็กโครงสร้างโดยประมาณ σB = 0,36*HB ตัวอย่างหนึ่งของความแข็งของแนวเชื่อมมุมหลักของคานรูป I แสดงไว้ในรูป 4. ในเขตเปลี่ยนผ่านจะมีความแตกต่างของความแข็งมากในระยะห่างที่น้อยมาก แนวโน้มความแข็งขึ้นอยู่กับโครงสร้างที่เกิดขึ้น กราฟ σ-ε-l เปลี่ยนแปลงตามความแข็งคล้ายกับสภาพความเค้นของรอยบาก (รูป 2)
รูป 3 - ความแข็ง Brinell และการยืดตัว
รูป 4 - ความแข็งในบริเวณรอยเชื่อมที่คอของคานไอรูปตัว I แบบเชื่อมหนึ่งชิ้น
การทดสอบแบบไม่ทำลายของรอยเชื่อมสำเร็จรูป
การถ่ายรังสี – เมื่อทำการถ่ายรังสีในชิ้นงานที่มีความหนาน้อย สามารถทำให้ภาพรังสีปรากฏบนจอได้เพียงหนึ่งจอ แทนรังสีเอกซ์อาจใช้รังสีแกมมาจากวัสดุกัมมันตรังสีได้ ภาพรังสีช่วยให้สรุปได้ถึงคุณภาพของแนวเชื่อม ตะกรันหรือโพรงที่ติดค้าง ตลอดจนข้อบกพร่องในการประสานและรอยร้าว จึงสามารถตรวจพบได้ด้วยวิธีนี้และในกรณีจำเป็นก็สามารถกำจัดได้
การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก – สร้างสนามแม่เหล็กในส่วนของเหล็กที่กำลังทดสอบ แล้วผงตะไบที่โรยไว้จะเรียงตัวตามแนวสนาม จากความผิดปกติที่อาจเกิดขึ้นในสนามแม่เหล็กสามารถตรวจพบรอยร้าวได้ วิธีนี้มีประสิทธิภาพโดยเฉพาะสำหรับการค้นหารอยร้าวบนผิว แต่ค่อนข้างไม่ไวต่อสิ่งแทรกสอดจากตะกรันและรูพรุน รวมทั้งรอยร้าวที่อยู่ภายในแผ่นที่หนากว่า
การทดสอบด้วยอัลตราซาวนด์ – คลื่นเสียงสั้นพิเศษสะท้อนกลับไม่เพียงที่พื้นผิวขอบเขตเท่านั้น แต่ยังสะท้อนที่ผิวแบ่งภายในด้วย เช่น ที่รอยร้าวหรือการแยกชั้น