การเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 5)
การเชื่อมโลหะต่างชนิดกัน
ถึงแม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมจะมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีและมีความแข็งแรงสูง แต่การจะนําไปใช้งานบ่อยๆ โดยไม่จําเป็น ดูจะเป็นการสิ้นเปลืองมากเกินไป ผู้ออกแบบใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมจึงพยายามลดปริมาณให้เหมาะสมกับการใช้งานจริง ดังนั้นจึงมีอยู่บ่อยครั้งที่การเชื่อมโลหะต่างชนิดกันเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ การเชื่อมโลหะต่างชนิดกันนี้มีสิ่งที่ควร พิจารณา คือ การเปลี่ยนแปลงทางด้านส่วนประกอบทางเคมีของเนื้อโลหะเชื่อมที่เกิดการผสมผสานระหว่างชิ้นงาน 2 ชนิด (Dilution)และลวดเชื่อม และการเคลื่อนย้ายตัวของคาร์บอนในบริเวณขอบของการหลอมละลาย (Carbon migration)

ผลของการผสมผสานส่วนผสมทางเคมีในเนื้อโลหะเชื่อม (Dilution)
ในการเชื่อมโลหะต่างชนิดกัน เช่น เหล็กกล้าไร้สนิมกับเหล็กกล้าคาร์บอน ลวดเชื่อมที่ใช้จะต้องมีส่วนผสม โครเมียม และนิเกิลมากกว่าส่วนผสมของลวดเชื่อมที่ใช้เชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมอย่างเดียว 

นอกจากนี้การควบคุมอัตราการซึมลึกลงไปในชิ้นงานก็จําเป็นต้องควบคุมด้วยเพื่อป้องกันการแตกร้าวหรือการเปราะที่อาจเกิดขึ้นเมื่อเนื้อโลหะเชื่อมได้รับการกระทําทางความร้อนหลังเชื่อม

ส่วนผสมทางเคมีของเนื้อโลหะเชื่อมสามารถประมาณคร่าวๆได้โดยใช้ Schaeffler's Diagram สมมติว่าเราจะเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก(SUS304) และเหล็กกล้าคาร์บอน (SS41) โดยใช้ลวด เชื่อมเกรด E309

สมมติว่าการซึมลึกเกิดขึ้นในเหล็ก SS41 และเหล็ก SUS304 ในอัตราเท่าๆกัน เราจะคิดว่าส่วนผสมทางเคมีของชิ้นงาน ที่จะเชื่อมอยู่ที่จุดกึ่งกลางระหว่างชิ้นงานเหล็กทั้งสองชนิด ส่วนผสมทางเคมีของเนื้อโลหะเชื่อมจะอยู่บนเส้นที่ลากระหว่างจุดกึ่งกลางกับจุดลวดเชื่อม E309 ถึง แม้ว่าตําแหน่งของเนื้อโลหะเชื่อมจริงจะเปลี่ยนแปลงไปตามอัตราการซึมลึก ในกรณีที่เราต้องการเฟอร์ไรท์เพื่อป้องกันการแตก ร้าวร้อนที่อาจเกิดขึ้นในการเชื่อม อัตราการซึมลึกก็ควรถูกจํากัดไว้ให้ต่ํากว่า 33% 

อย่างไรก็ตาม ในการเชื่อมจริงการซึมลึกมักจะเกิดขึ้นทางด้านของเหล็กกล้าคาร์บอนมากกว่า เนื่องจากอิทธิพลของเปลว อาร์คเบี่ยงเบน ผลที่ตามมาก็คือ อัตราการซึมลึกจะต้องถูกจํากัดไว้ต่ํา แต่ ถ้าอัตราการซึมลึกต่ําเกินไป ส่วนผสมทางเคมีของเนื้อโลหะเชื่อมก็จะเข้าใกล้จุด E309 มากขึ้น และอาจมีผลเสียคือ การเกิด ความเปราะเมื่อผ่านการกระทําทางความร้อนหลังเชื่อม

ปัญหาในการเชื่อมโลหะต่างชนิดกัน 
โครงสร้างจุลภาคของบริเวณขอบของการหลอมละลายถ้าเราเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนหรือเหล็กกล้าเจือต่ําด้วยลวดเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมหรือนิเกิลเจือ จะเกิดการเปลี่ยนแปลง ส่วนผสมทางเคมีของเนื้อโลหะเชื่อมในบริเวณที่ติดกับแนวเส้นหลอมละลาย 

การเชื่อมเหล็กกล้า คาร์บอน (SM41) ด้วยลวดเชื่อมเกรด 309 จะพบว่า โครเมียม (Cr) , นิเกิล (N1) แมงกานีส (Mn) และเหล็ก (Fe) มีการเปลี่ยน แปลงอย่างต่อเนื่องในเนื้อโลหะเชื่อมทําให้เกิดบริเวณที่มีการแตกต่างกันของส่วนผสมทางเคมีเป็นระยะประมาณ 150 ไมครอน (micron)

ถ้าเราจะใช้ส่วนผสมทางเคมีที่เปลี่ยนแปลงไปในช่วง 150 ไมครอนนี้อ้างอิงถึง Schaeffler Diagram เราจะสามารถคาดการได้ว่าน่าจะเกิดโครงสร้างมาร์เทนไซท์ขึ้น และจากการศึกษาโครงสร้างจุลภาคพบว่ามีแถบมาร์เทน ไซท์เกิดขึ้นจริงๆ มี ความแข็งสูงมากและความเหนียวต่ําในสภาพหลังเชื่อม ซึ่งถ้าเราทิ้งรอยเชื่อมนี้ไว้โดยไม่มีการกระทําทางความร้อนหลังเชื่อม อาจเกิดการแตกร้าวเย็น (cold crack) ขึ้นได้ในบริเวณนี้

อย่างไรก็ตามถ้าเราใช้ลวดเชื่อมประเภทนิเกิลเจือ เช่นอินโคเนล (Inconel) การเปลี่ยนแปลงส่วนผสมทางเคมีของเนื้อ โลหะเชื่อมก็จะยังคงมีเหมือนเดิม แต่เนื่องจากปริมาณนิเกิลที่สูงก็จะทําให้ไม่มีการเกิดโครงสร้างมาร์เทนไซท์ขึ้น

ปัญหาอีกอย่างหนึ่งก็คือ การเคลื่อนย้ายตัวของคาร์บอน (Carbon migration) เมื่อชิ้นงานที่ส่วนผสมของโครเมียมต่างกันถูกเชื่อมเข้าด้วยกันและได้รับความร้อนที่อุณหภูมิสูง คาร์บอนจะเคลื่อนย้ายตัวจากชิ้นงานที่มีโครเมียมต่ําไปสู่ชิ้นงานที่มีโครเมียมสูง ทําให้เกิดชั้นที่สูญเสียคาร์บอนไป (Decarburized layer) ในชิ้นงานที่มีโครเมียมต่ํา และมีชั้นที่มีการรวมตัวกับ คาร์บอน (Carburization layer) ขึ้นในชิ้นงานที่มีโครเมียมสูง

พบว่ามีการกระจายของค่าความแข็งในบริเวณที่มีการเคลื่อนย้ายของคาร์บอนทั้งก่อนและหลังการกระทํา ทางความร้อนหลังเชื่อม ความแข็งลดลงในชั้นที่สูญเสียคาร์บอน (Decarburized layer) ในขณะที่ความแข็งจะสูงขึ้นใน ชั้นที่มีการรวมตัวกับคาร์บอน (Carburized layer)

ชั้นที่มีการรวมตัวกับคาร์บอนจะประกอบไปด้วยคาร์ไบด์จํานวนมาก ส่วนใหญ่เป็นโครเมียมคาร์ไบด์) เนื่องจากการ รวมตัวกับคาร์บอนที่เคลื่อนตัวเข้าไป บางครั้งอาจมีความแข็งมากกว่า 400 วิกเกอร์ ชั้นที่มีการรวมตัวกับคาร์บอนมีผลเสียต่อ รอยเชื่อมอย่างไรยังไม่มีผลชัดเจนนัก แต่การเกิดรอยแตกเล็กๆ ในชั้นที่มีการรวมตัวกับคาร์บอนเนื่องจากความแตกต่างทางด้าน ความแข็งอย่างมากมาย ก็อาจเกิดขึ้นได้เมื่อรอยเชื่อมรับแรงคัด
 
จากแนวความคิดนี้เราก็พอจะสรุปได้ว่าชั้นที่มีการรวมตัวกับ คาร์บอนเป็นสิ่งที่ไม่พึงปรารถนา ส่วนชั้นที่สูญเสียคาร์บอนจะมีผลในวงจํากัดคือ กระทบต่อค่าความต้านทานแรงดึงเท่านั้น

กรรมวิธีการเชื่อมและการเลือกวัสดุสิ้นเปลืองในงานเชื่อม 
ในการเลือกลวดเชื่อมสําหรับการเชื่อมโลหะต่างชนิดกันมีหลักในการพิจารณาคือ คุณสมบัติของชิ้นงานทั้ง 2 ชนิด, การ เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของเนื้อโลหะเชื่อมหลังจากที่ผสมผสานกับเนื้อชิ้นงาน, อิทธิพลของการกระทําทางความร้อนหลังเชื่อม และสภาพแวดล้อมในการใช้งาน ตารางที่ 4 แสดงถึงตัวอย่างการเลือกลวดเชื่อมสําหรับโลหะต่างชนิดกัน ตัวอย่างเช่น การ เชื่อมต่อระหว่างเหล็กกล้าไร้สนิม 304 กับเหล็กกล้าคาร์บอน แนะนําให้ใช้ลวดเชื่อมเกรด 309 ซึ่งมีโครเมียมและนิเกิลสูงกว่า ชิ้นงาน เหตุผลก็คือ ถ้าเราใช้ลวดเชื่อมเกรค 308 หรือ 316 ปริมาณ โครเมียมและนิเกิลในเนื้อโลหะเชื่อมจะลดลงเนื่องจากการ ภารละลายเอาคาร์บอนจากเหล็กกล้าคาร์บอนเข้ามา ทําให้อาจเกิดการแตกร้าวทั้งแบบร้อน (hot crack) และแบบเย็น (cold crack) ในเอกสารบางตัวอาจแนะนําว่าสามารถนําลวดเชื่อมเกรด 310 มาใช้ได้ แต่อย่างไรก็ดีถ้าเราพิจารณาให้ดีจะพบว่า ลวด เชื่อมเกรด 310 มีโครงสร้างเป็นออสเตนนิติกล้วนซึ่งมีโอกาสเกิดการแตกร้าวสูง ดังนั้นในตําราเล่มนี้จึงไม่ขอแนะนําแบบนั้น

ในการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมหล่อเข้ากับเหล็กกล้าคาร์บอน S45C ซึ่งมีปริมาณคาร์บอนสูง ถ้าเราใช้ลวดเชื่อมเกรด 309 อาจมีโอกาสเกิดการแตกร้าวร้อนขึ้นได้ ดังนั้นในกรณีนี้ แนะนําให้ใช้ลวดเชื่อมเกรด 312 ซึ่งมีปริมาณเฟอร์ไรท์สูงกว่าและ ทําให้เนื้อโลหะเชื่อมมีความต้านทานการแตกร้าวร้อนได้สูงกว่า

สําหรับการเชื่อมหลายๆชั้นด้วยลวดเชื่อมเกรด 309 ในชั้นที่มีการผสมผสานกับเนื้อชิ้นงานน้อย จะทําให้เนื้อโลหะ เชื่อมมีปริมาณแฟอร์ไรท์สูง ในกรณีที่มีการกระทําทางความร้อนหลังเชื่อมหรือมีการใช้งานที่อุณหภูมิสูง อาจเกิดการเปราะเนื่อง จากเฟสซิกม่า (signa-phase embrittement) ขึ้นได้ ในกรณีนี้ แนะนําให้ใช้การเชื่อมพอกลงบนผิวชิ้นงานด้านเหล็กกล้า คาร์บอนด้วยลวดเชื่อมเกรด 309 และและเชื่อมต่อชิ้นงานด้วยลวดเชื่อมเกรด 308 ดังแสดงในรูปที่ 32

ในตารางที่ 4 ลวดเชื่อมประเภทอินโดเนล (Inconel) ถูกแนะนําไว้สําหรับการเชื่อมที่ต้องการป้องกันไม่ให้เกิดการ เคลื่อนย้ายตัวของคาร์บอน (Carbon migration) ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้ถ้ารอยเชื่อมถูกใช้งานที่อุณหภูมิสูง

3.3.2 การเชื่อมเหล็กที่เคลือบด้วยเหล็กกล้าไร้สนิม (Welding of clad steel)
เหล็กที่เคลือบด้วยเหล็กกล้าไร้สนิมนั้นถูกออกแบบมาโดยที่การรับแรงอาศัยความแข็งแรงของเหล็กชิ้นงาน ส่วนเหล็ก กล้าไร้สนิมที่เคลือบไว้ใช้สําหรับการป้องกันการกัดกร่อน ดังนั้นในการเลือกลวดเชื่อมอละวิธีการเชื่อมจึงจําเป็นต้องคํานึงถึงสิ่ง เหล่านี้ ตารางที่ 5 แสดงตัวอย่างการเลือกใช้ลวดเชื่อมและวิธีการเชื่อมเหล็กชนิดนี้

รอยเชื่อมยัดไส้ (root pass) สามารถพิจารณาว่าเป็นการเชื่อมต่อโลหะต่างชนิดกันได้ ดังนั้นลวดเชื่อมที่ใช้ควรเป็นลวด เชื่อมเกรด 309 ส่วนชั้นที่ 2 และชั้นต่อๆ ไป ควรเลือกใช้ลวดเชื่อมที่เหมาะสมกับชิ้นงานนั้นๆ

ในกรณีของการเชื่อมเหล็กที่เคลือบด้วยเหล็กกล้าไร้สนิมเกรค 316 โดยใช้ลวดเชื่อมเกรด 309 เชื่อมยัดไส้ไปแล้วนั้น ส่วนผสมของโมลิบดีนัม (Mo) ในรอยเชื่อมชั้นที่ 2อาจขาดไป ดังนั้นในกรณีนี้ แนะนําให้ใช้ลวดเชื่อมเกรด 309Mo ในการเชื่อม ยัดไส้แทนเกรด 309

ในการเชื่อมเหล็กที่เคลือบด้วยเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 405 ซึ่งเป็นชนิดเฟอร์ริติก แนวยัดไส้ควรใช้เป็นลวดเชื่อมเกรด 430Nb และในชั้นต่อๆไปควรใช้ลวดเชื่อมเกรด 41OND แต่ในกรณีที่รอยเชื่อมนี้จะถูกใช้งานที่อุณหภูมิต่ํากว่า 400 c ลวดเชื่อม เกรด 309 เป็นที่นิยมใช้มากกว่าเนื่องจากความเค้นที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมีไม่สูงนัก


SHARE

Comments