♦ การซ่อมชิ้นงานเหล็กกล้า AISI 4140 ด้วยกรรมวิธีการเชื่อมประสาน

บ่อยครั้ง ที่ทีมงานมีคำถามมาจากผู้ใช้ เรื่องงานเชื่อมซ่อมบำรุง  เป็นต้นว่า ผมต้องการเชื่อมซ่อมเพลาที่ทำจากเหล็กเกรดพิเศษ  จะใช้ลวดเชื่อมอะไรดี คำว่า “การเชื่อมซ่อม”  นั้น ช่างเป็นคำพูดที่ฟังดูเรียบง่ายเสียกระไร  แต่ในความเป็นจริงนั้น “การเชื่อมซ่อม” นั้นมีเทคนิคหรือกรรมวิธีที่ซับซ้อนมากมาย และเป็นคำถามที่ไม่สามารถตอบได้ในทันที โดยปราศจากการสอบถามถึงลักษณะงานและสภาวะการใช้งานของงานนั้นๆ เสียก่อน  บางครั้ง ถึงกับมีความจำเป็นที่จะต้องไปดูลักษณะการทำงานที่แท้จริงเลยทีเดียว จึงจะสามารถวิเคราะห์ปัญหาและวิธีการเชื่อมซ่อมบำรุงที่ถูกต้องได้

                ยกตัวอย่างคำถามที่ว่า “เมื่อช่างซ่อมต้องการเชื่อมซ่อมบำรุงเพลาที่ทำจากเหล็กกล้า 4140” หรือ “ ผมต้องการเชื่อมเหล็กกล้า  4140 ติดกับท่อเหล็ก SS400”  หรือ “ผมต้องการเชื่อมซ่อมรอยแตกร้าวที่อยู่บนแผ่นเหล็ก 4140”  ผมจะใช้ลวดเชื่อมอะไรดี  นี่เป็นตัวอย่างคำถามที่พบได้เสมอ

จากที่ได้กล่าวมาแล้วนั้น  คำว่าการเชื่อมซ่อม “เป็นคำถามที่ไม่สามารถตอบได้ในทันที โดยปราศจากการสอบถามถึงลักษณะงานและสภาวะการใช้งานของงานนั้นๆ เสียก่อน”   จากตัวอย่างคำถาม  เราจะทำการ “เชื่อมซ่อม” มันหมายความว่าอย่างไรหรือ??    เพลามันสึกหรอ และต้องการเชื่อมเสริมเนื้อของเพลาในบริเวณที่มันสึก  หรือ  มันหักกลาง แล้วต้องการเชื่อมชิ้นส่วนที่หักนั้นเข้าด้วยกัน  คำถามเหล่านี้ เป็นเรื่องสำคัญที่ต้องพิจารณาสำหรับการเชื่อมซ่อมบำรุงและการเลือกใช้ลวดเชื่อม

บทความนี้ จะกล่าวถึงประเด็นที่ต้องพิจารณาและคำตอบทั่วๆ ไปที่ช่างเชื่อมส่วนมากจะสามารถปฏิบัติตามได้  โดยจะเริ่มจากความเข้าใจเกี่ยวกับกลุ่มของเหล็กกล้าความแข็งแรงสูง (High strength Steels) และต่อด้วยการเชื่อมซ่อมบำรุง

เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ ความแข็งแรงสูง (High Strength Low Alloy Steels ;  HSLA)  ชนิดปริมาณคาร์บอนปานกลาง (Medium Carbon)  เช่น เหล็กกล้ากลุ่ม AISI 4140 (JIS SCM4, SCM440) , 4130 และ AISI 4340   เหล็กกล้ากลุ่มนี้ เป็นเหล็กกล้าผสมโครเมี่ยมและโมลิบดีนั่ม    เป็นเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงเมื่อเทียบกับน้ำหนัก   มีความเหนียวและความแข็งสูง   ชิ้นส่วนเครื่องจักรที่ทำจากเหล็กกล้าชนิดนี้ จะมีอัตราการสึกหรอช้ากว่าเหล็กกล้าธรรมดา เช่น AISI 1020 (ASTM A36 หรือ JIS SS400)   และไม่แตกหักง่ายเหมือนกับเหล็กกล้าคาร์บอนสูง เช่น  AISI 1045 / AISI 1050  (JIS S45C / S50C) ทั่วไป  อีกทั้งเหล็กกล้า HSLA ยังมีความคงทน  ไม่สูญเสียความแข็งแรงที่ระดับอุณหภูมิสูงอีกด้วย  จึงเป็นเหล็กกล้าที่เหมาะสำหรับการทำเพลา หรือ เฟือง และชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่างๆ ที่ต้องการความแข็งแรงทนทานสูง

เหล็กกล้ากลุ่ม AISI 4140 (JIS SCM4, SCM440) , 4130 และ AISI 4340  นี้ ได้ความแข็งแรงและคุณสมบัติทางเชิงกลสูง เนื่องจากผ่านกระบวนการอบชุบและการอบคืนไฟ (Quenching and Tempering)  โดยผู้ผลิตจะทำการให้ความร้อนแก่เหล็กที่ระดับอุณหภูมิมากกว่า 850^oC  ซึ่งเป็นระดับที่สูงกว่าอุณหภูมิวิกฤติของเหล็กกลุ่มนี้  หลังจากนั้นจึงทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว (Quenching) เพื่อให้โครงสร้างของเหล็กเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซด์ ซึ่งเป็นโครงสร้างเหล็กที่มีความแข็งแรง แต่แข็งและเปราะ  ต่อจากนั้นจึงให้ความร้อนใหม่อีกครั้ง เรียกว่าการอบคืนไฟ (Tempering) เพื่อให้เหล็กอ่อนลง (ลดความแข็งและความแข็งแรง) และทำให้เหล็กมีความเหนียวและความยืดตัวเพิ่มขึ้น  การปรับปรุงคุณสมบัติของเหล็กเช่นนี้ สามารถเขียนเป็นแผนภาพอุณหภูมิได้

ประเด็นสำคัญที่ต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับกระบวนการ Quenching และ Tempering คือ

• อัตราการเย็นตัวจะต้องเร็ว เพื่อให้ได้โครงสร้างมาร์เทนไซด์ 100 เปอร์เซนต์
• ความแข็งที่ได้จากการอบชุบ จะขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอน (ปริมาณคาร์บอนสูง – ความแข็งจะสูง)

เมื่อพิจารณา  จะเกิดอะไรขึ้นหากต้องการเชื่อมเหล็กกล้ากลุ่มนี้   หากดูในรูปที่ 2 จะพบว่า บริเวณสีแดงใต้แนวเชื่อมคือบริเวณกระทบร้อน (Heat Affected Zone ; HAZ)  ที่ได้รับความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤติในขณะเชื่อม (สูงมากกว่า 850^oC )  และมีการถ่ายเทความร้อนไปยังโลหะชิ้นงาน ทำให้เกิดการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว  ซึ่งจากที่ได้กล่าวไปแล้วนั้นการเย็นตัวอย่างรวดเร็วก็เหมือนกับการทำ Quenching นั่นเอง  กระบวนการทำ Quenching จะทำให้โครงสร้างของเหล็กกลายเป็นมาร์เทนไซด์ เป็นโครงสร้างที่แข็งและเปราะและพร้อมที่จะเกิดการแตกร้าวได้เสมอ   ด้วยเหตุนี้ การเชื่อมเหล็กกล้ากลุ่ม 4140, 4130 และ 4340  จึงจำเป็นต้องมีการให้ความร้อนก่อนการเชื่อม (Preheat) เสมอ  ไม่ว่าจะเชื่อมโดยเติมลวดเชื่อมหรือไม่ก็ตาม  ซึ่งการ Preheat จะทำให้ลดอัตราการเย็นตัวลงของชิ้นงานเชื่อมและช่วยป้องกันการเกิดกระบวนการ Quenching ที่บริเวณ HAZ. จึงช่วยป้องกันการเกิดโครงสร้างมาร์เทนไซด์ในชิ้นงานเชื่อม   อย่างไรก็ตามอุณหภูมิสำหรับการทำ Preheat จะขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นงานและชนิดของเหล็กกล้าแต่ละชนิด ประเด็นสำคัญที่ต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับการ Preheat  คือ

• การ Preheat จะช่วยลดอัตราการเย็นตัวลงของชิ้นงานเชื่อมและช่วยป้องกันการเกิดกระบวนการ Quenching และการเกิดมาร์เทนไซด์ ที่บริเวณ HAZ
• อุณหภูมิการ Preheat  พิจารณาจากปริมาณคาร์บอน และส่วนผสมทางเคมีอื่นๆ ที่อยู่ในเหล็กแต่ละชนิด โดยหากมีปริมาณคาร์บอนและธาตุอื่นๆ มาก ก็จะต้องใช้อุณหภูมิการ Preheat   มากขึ้น

การเชื่อม ทำให้ชิ้นงานเกิดการขยายตัวเนื่องจากความร้อนและหดตัวในระหว่างที่เย็นตัวลง  กระบวนการนี้จะก่อให้เกิดความเค้นแรงดึงตกค้างภายในชิ้นงานบริเวณรอบจุดเชื่อม ซึ่งทำให้เกิดการแตกร้าวหรือทำให้อายุการใช้งานของชิ้นส่วนนั้นลดลง โดยทั่วๆไป การเชื่อมเหล็กกล้ากลุ่ม 4140, 4130 และ 4340  จึงจำเป็นต้องมีการลดความเค้น (Stress Relief) หลังจากเชื่อมเพื่อลดความเค้นแรงดึงตกค้างภายในชิ้นงาน โดยให้ความร้อนหลังจากการเชื่อม (Post-Weld) ที่ระดับอุณหภูมิประมาณ 650^oC  และรักษาไว้ที่อุณหภูมินี้ประมาณ 1 ชั่วโมงต่อความหนา 1 นิ้ว และทำให้เย็นตัวลงที่ระดับการเย็นตัวไม่เกิน 10 ^oC ต่อชั่วโมง

ประเด็นสำคัญที่ต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับการลดความเค้น (Stress Relief )หลังจากเชื่อม คือ

•  แนะนำให้ทำการ Stress Relief   หลังการเชื่อม  เมื่อต้องเชื่อมเหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนเกิน 40% เช่น AISI 4140, หรือ 4340
•  การทำ Stress Relief  ทันทีหลังจากการเชื่อม จะทำให้ไฮโดรเจนแพร่ตัวออกจากเนื้อเชื่อมและบริเวณกระทบร้อน (HAZ)  จึงช่วยป้องกันการเกิดการแตกร้าวเนื่องจากไฮโดรเจน (Hydrogen Cracking)
•  สำหรับเหล็กกล้า  4130  หากมีการให้ความร้อนก่อนการเชื่อมที่เหมาะสม อาจจะสามารถปล่อยให้เย็นในอากาศนิ่งได้ หลังจากผ่านกระบวนการเชื่อมและ Stress Relief แล้ว (ใช้ผ้าฉนวนสำหรับงานเชื่อมหุ้ม  หรือฝังกลบในทรายหรือฉนวนกันความร้อน)
•  สำหรับ 4140 และ 4340 ให้ควบคุมอัตราการเย็นตัวในเตา หรือใช้ผ้าฉนวนสำหรับงานเชื่อมหุ้มหรือฝังกลบในทรายหรือฉนวนกันความร้อน เพื่อให้อัตราการเย็นตัวต่ำกว่า 65^oC  ต่อชั่วโมง ให้ใช้ชอล์ควัดอุณหภูมิอย่างสม่ำเสมอ
• การเย็นตัวในอากาศนิ่งสามารถยอมรับได้ เมื่ออุณหภูมิแนวเชื่อมต่ำกว่า 93^oC

สำหรับการเลือกลวดเชื่อมนั้น จำเป็นต้องพิจารณาว่าจุดประสงค์ของการซ่อมนั้นคืออะไร  เช่น ต้องการเนื้อเชื่อมหรือแนวเชื่อมให้มีความแข็งเพื่อต้านทานต่อการสึกหรอหรือการเสียดสี เหมือนกับเนื้อชิ้นงานเดิมหรือไม่ ?  ต้องการเนื้อเชื่อมหรือแนวเชื่อมให้มีความเหนียวหรือยืดตัวดีเพื่อไม่ให้แตกหักหรือร้าวได้ง่ายหรือไม่ ?   หรือต้องการความแข็งแรงเท่ากับโลหะเดิมหรือไม่ ?   แต่สิ่งที่พึงพิจารณาเสมอคือ กระบวนการเชื่อมและ/หรือลวดเชื่อมที่ใช้จะต้องไม่เพิ่มปริมาณไฮโดรเจนลงไปในเนื้อเชื่อมและ HAZ   ลวดเชื่อมจะต้องมีการเก็บรักษาที่ดี  ลวดเชื่อมที่ใช้จะต้องมีการระบุระดับปริมาณไฮโดรเจนอย่างน้อย  H4   ทั้งกระบวนการเชื่อมไฟฟ้าอาร์ค  กระบวนการเชื่อม MIG  TIG  SAW และฟลักซ์ที่ใช้ในการเชื่อมแบบ SAW

อย่างไรก็ตาม การเลือกใช้ลวดเชื่อมสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้ากลุ่มนี้นั้น สามารถเลือกได้หลายประเภท ตั้งแต่การเลือกใช้ลวดเชื่อมที่เหมือนกับชิ้นงาน  และลวดเชื่อมที่ไม่เหมือนกับชิ้นงาน โดยมีข้อพึงพิจารณา ดังนี้

ลวดเชื่อมที่เหมือนกับชิ้นงาน    –  ใช้เมื่อต้องการให้แนวเชื่อมมีส่วนผสมทางเคมีหรือคุณสมบัติทางกลเหมือนหรือใกล้กับโลหะงาน โดยสามารถเลือกใช้ลวดเชื่อมได้ตามตารางที่  2  ซึ่งเป็นลวดเชื่อมที่ใช้ทั่วไปสำหรับกระบวนการเชื่อมไฟฟ้าอาร์ค  กระบวนการเชื่อม MIG  TIG  SAW และฟลักซ์ที่ใช้ในการเชื่อมแบบ SAW   ซึ่งลวดเชื่อมประเภทนี้ มักจะมีปริมาณคาร์บอนต่ำ เพื่อป้องกันการเกิดมาร์เทนไซด์ที่เปราะและแข็งในเนื้อเชื่อม

ลวดเชื่อมที่ไม่เหมือนกับชิ้นงาน     –  ในบางกรณีที่เราไม่จำเป็นต้องให้เนื้อเชื่อมมีคุณสมบัติหรือส่วนผสมทางเคมีเหมือนกับโลหะงาน  ในกรณีนี้ โดยทั่วไปจะใช้ลวดเชื่อมที่มีค่าความแข็งแรงต่ำกว่าโลหะงานมาทำการเชื่อม เพื่อให้ได้เนื้อเชื่อมที่มีความเหนียวและยืดตัวได้ดี แต่ทั้งนี้จะขึ้นอยู่กับการเจือจางของส่วนผสมทางเคมีระหว่างโลหะงานกับเนื้อเชื่อมด้วย (การเจือจางสูง หมายความว่าส่วนผสมทางเคมีของโลหะงาน จะละลายเข้าไปรวมกับเนื้อเชื่อม)  มีผลทำให้เนื้อเชื่อมมีความแข็งแรงสูงขึ้น เนื่องจากได้รับปริมาณคาร์บอนกับธาตุอื่นๆ จากโลหะงานเข้ามารวมตัวกับเนื้อเชื่อม ตัวอย่างต่อไปนี้ คือการเลือกใช้ลวดเชื่อมที่ไม่เหมือนกับโลหะชิ้นงาน

• การเชื่อมเหล็กกล้ากลุ่ม HSLA ติดกับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ   เช่น การเชื่อมเหล็ก 4140 ติดกับเหล็ก SS400   กรณีนี้ เราต้องการแค่ให้เนื้อเชื่อมมีค่าความแข็งแรงดึงเทียบเท่ากับค่าความแข็งแรงดึงของเหล็ก SS400 เท่านั้น  ดังนั้น กรณีนี้ สามารถใช้ลวดเชื่อมเพียงเกรด E7018-A1 หรือ ER70S-6 ก็เพียงพอ
• การเชื่อมแนวตัวที หรือ แนวเชื่อม  Fillet    ในกรณีเช่นนี้ เราสามารถใช้ลวดที่มีค่าความแข็งแรงต่ำกว่าได้ หากเราสามารถเชื่อมแนวเชื่อมได้โตกว่าปกติ  ตัวอย่างเช่น การเชื่อมแนวตัวที ของเหล็ก 4340   หากใช้ลวดเชื่อมที่มีคุณสมบัติทางกลเหมือนกับโลหะงาน  จำเป็นต้องให้มีแนวเชื่อมขนาด 6 มม.  แต่เราสามารถเลือกใช้ลวดเชื่อมที่มีค่าคุณสมบัติทางกลต่ำกว่าได้ หากสามารถเดินแนวเชื่อมให้ใหญ่กว่าเดิมจาก 6 มม. เป็น  7.8 หรือ  9 มม. เพื่อให้ได้ค่าความแข็งแรงที่เพียงพอ
• การเชื่อมเสริมเนื้องานประเภทเพลา    งานประเภทนี้ส่วนมากเกิดจากการสึกหรอ และต้องการเชื่อมเสริมเนื้อบริเวณที่สึกหรอและปรับแต่งด้วยเครื่องมือกลใหม่อีกครั้ง (Re-machining)   ในกรณีเช่นนี้ ตัวเพลาสามารถที่จะกลึงลดขนาดลงไปจากเดิมและทำการเชื่อมสร้างเนื้อใหม่ด้วยลวดเชื่อมที่มีค่าความแข็งแรงต่ำกว่าตัวเพลาได้ หลังจากนั้นจึงเชื่อมเสริมผิวหน้างานด้วยลวดเชื่อมพอกผิวแข็ง (Hard-facing Electrode)  การใช้ลวดเชื่อมที่มีค่าความแข็งแรงต่ำกว่าทำการเสริมเนื้อเพลา จะทำให้ลดการแตกร้าวของเพลาและการแตกร้าวบริเวณรอยต่อของลวดพอกผิวแข็ง

ประเด็นสำคัญที่ต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับการเลือกลวดเชื่อม  คือ

• ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบว่ามีความจำเป็นต้องให้เนื้อเชื่อมมีความเหมือนหรือเข้ากันได้กับโลหะงานเพียงใด  การใช้ลวดเชื่อมที่มีค่าความแข็งแรงต่ำกว่าโลหะงาน อาจจะให้ผลดีและลดความเสี่ยงต่อการแตกร้าวของแนวเชื่อม
• ไม่ว่าจะใช้ลวดเชื่อมอย่างไร  ต้องมีการจัดการเรื่องอุณหภูมิการให้ความร้อนก่อนเชื่อม  ระหว่างเชื่อม หลังเชื่อม และการควบคุมอัตราเร็วในการเย็นตัว

หวังว่าบทความฉบับนี้ จะเป็นประโยชน์ต่อผู้อ่านและผู้ปฏิบัติงานเชื่อมในวงการอุตสาหกรรม  อย่างไรก็ตาม การนำข้อมูลไปใช้นั้นขึ้นอยู่กับลักษณะงาน รวมถึงวิจารณญาณของท่าน ผู้เขียนและบริษัทฯ มิอาจรับผิดชอบต่อความเสียหายใดๆ ที่เกิดขึ้นกับงานของท่าน โดยการอ้างอิงจากข้อมูลในบทความนี้

เครดิต: แหล่งที่มาของข้อมูล www.welding design.com

แปลและเรียบเรียงโดย  รณกร ทนุธรรมภิญโญ