♦ การเชื่อมอาร์คโดยใช้อิเลคโตรดหุ้มฟลักซ์ (SMAW)

SMAW เป็นกระบวนการเชื่อมโดยการอาร์ค ซึ่งจะหลอมโลหะเข้าด้วยกันโดยใช้ความร้อนที่เกิดจากการอาร์คทางไฟฟ้าระหว่างปลายของอิเลคโตรดกับผิวหน้าของชิ้นงาน

หลักการทำงาน

SMAW นิยมใช้กันมากในงานเชื่อมโลหะ ซึ่งจะใช้ความร้อนที่เกิดจากการอาร์คระหว่างปลายอิเลคโตรดกับชิ้นงานในการหลอมเหลวโลหะ โดยที่วงจรไฟฟ้าประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟ, สายไฟ, ตัวจับอิเลคโตรด จุดต่อกับชิ้นงาน, ชิ้นงานและอิเลคโตรด โดยที่ปลายของสายไฟด้านหนึ่งต่อกับชิ้นงาน อีกด้านหนึ่งต่อกับหัวจับอิเลคโตรด      ดังแสดงในรูปที่  1

รูปที่ 1. วงจรไฟฟ้าของ  SMAW

(source: http://deltaschooloftrades.com/stick%20welding.htm)

ในขณะที่มีการอาร์คเกิดขึ้นจะมีความร้อนสูงเกิดที่ปลายของอิเลคโตรคและผิวของชิ้นงาน ซึ่งโลหะเม็ดเล็กๆ ที่ปลายของอิเลคโตรค จะหลอมเหลวและไหลไปยังบ่อหลอมโลหะ (weld pool) ที่หลอมเหลวในชิ้นงานซึ่งอุณหภูมิที่สูงที่สุดของการอาร์คดังกล่าวมีค่าประมาณ 5000 ^oC   นอกจากกระบวนการจะต้องการกระแสไฟฟ้าที่มีค่าสูงเพียงพอที่จะทำการหลอมเหลวอิเลคโตรดและชิ้นงานเข้าด้วยกันแล้วยังต้องมีระยะห่างระหว่างปลายอิเลคโตรดกับบ่อหลอมโลหะที่เหมาะสมด้วย   ซึ่งขนาดของอิเลคโตรคจะถูกกำหนดด้วยแรงดันไฟฟ้าสำหรับการอาร์ค โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 16-40 V และค่ากระแสไฟฟ้า 20-550 A  ซึ่งอาจใช้กระแสตรง (DC)) หรือกระแสสลับ (AC) ก็ได้ขึ้นอยู่กับชนิดของอิเลคโตรดที่ใช้

อิเลคโตรคที่มีการเคลือบ (Covered electrode)

หน้าที่ของสารที่เคลือบอิเลคโตรคมีดังนี้

1. เพื่อทำให้เกิดแก๊สปกคลุมบริเวณที่เกิดการอาร์ค เพื่อป้องกันการทำปฏิกิริยาของโลหะที่เติมเข้าไปกับบรรยากาศ
2. เพื่อทำความสะอาดบริเวณที่หลอมเหลวเพื่อป้องกันไม่ให้เม็ดของโลหะมีขนาดใหญ่เกินไป
3. เพื่อช่วยให้อิเลคโตรดนำไฟฟ้าได้ดีขึ้น
4. เพื่อห่อ slag ไม่ให้รวมตัวกับโลหะที่หลอมเหลว
5. เพื่อเติมโลหะบางชนิดเข้าไปช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกายภายของโลหะ

หน้าที่ข้อที่ 1-4 เพื่อให้โลหะที่เติมเข้าไปทำหน้าที่ป้องกันการรวมตัวกับโลหะที่หลอมเหลวกับออกซิเจนและไนโตรเจนในอากาศ ในการเคลือบผิวนั้นจะใช้วิธีการจุ่มเคลือบหรืออัดออกมาเป็นแท่ง  แต่จะนิยมใช้การอัดออกมาเป็นแท่งมากกว่า โดยส่วนใหญ่แกนของอิเลคโตรคจะผลิตจากผงโลหะหลายชนิด

การปกคลุมบริเวณที่เกิดการอาร์ค

การปกคลุมบริเวณที่เกิดการอาร์ค แสดงในรูปที่ 2 กระบวนการนี้จะทำให้สารที่เคลือบผิวเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊ส โดยใช้ความร้อนที่เกิดจากการอาร์ค และจะมี slag เกิดขึ้นซึ่งจะขึ้นกับชนิดของอิเลคโตรดที่ใช้  โดยถ้าหากมีการเคลือบผิวที่หนาจะใช้กระแสไฟฟ้ามากและมีอัตราการสิ้นเปลืองสูงกว่าแบบเคลือบผิวบาง  แต่จะให้อุณหภูมิในการอาร์คสูงกว่าแบบเคลือบผิวบาง

ความสามารถและข้อจำกัดของกระบวนการ

ข้อดีของกระบวนการ SMAW  ได้แก่

1. อุปกรณ์มีราคาถูก, โครงสร้างไม่ซับซ้อนและเคลื่อนย้ายง่าย
2. สามารถใช้อิเลคโตรค ชนิดที่มีการเคลือบในการเติมเนื้อโลหะและป้องกันการเกิดออกซิไดซ์ ในระหว่างการเชื่อม
3. ไม่จำเป็นต้องใช้แก๊สช่วยและ flux
4. ลมที่พัดผ่านบริเวณที่ทำการเชื่อมมีผลไม่มากเมื่อเทียบกับ GSAW
5. สามารถใช้ได้ในพื้นที่จำกัด
6. ใช้ได้กับโลหะหลายชนิด

• อิเลคโตรคชนิด SMAW สามารถใช้กับงานเชื่อมโลหะผสมต่ำ, เหล็กหล่อ, ทองแดง, นิกเกิ้ลและอลูมิเนียมบางประเภท
• โลหะที่มีการหลอมเหลวต่ำ เช่น ตะกั่ว , ดีบุก, และสังกะสี ไม่เหมาะกับการใช้งาน SMAW เนื่องจากค่าความร้อนที่เกิดจากการอาร์คมีค่าสูง
• SMAW ไม่เหมาะกับโลหะประเภท Titanium, Zirconiom, Tantalum, และ Columbinum เนื่องจากสารที่เคลือบผิวของมีปริมาณไม่เพียงพอที่จะป้องกันออกซิเจนทำปฏิกิริยากับโลหะได้

ค่าความยาวของอิเลคโตรคที่เคลือบจะอยู่ที่ 9-18 นิ้ว ในขณะที่การอาร์คเริ่มเกิดขึ้นจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านอิเลคโตรด ดังนั้นถ้าหากกระแสมีค่ามากเกินไปจะทำให้อิเลคโตรดร้อนจัดและสารเคลือบผิวเกิดการแตกเสียหาย

รูปที่ 2.  บริเวณที่เกิดการเชื่อม SMAW  (source: Wikimedia)

อุปกรณ์ที่ใช้แหล่งจ่ายไฟ

ชนิดของกระแสที่ใช้สามารถใช้ได้ทั้ง DC และ AC แต่จะมีผลต่อประสิทธิภาพของอิเลคโตรค โดยการใช้กระแสแต่ละชนิดจะมีทั้งข้อดีและข้อเสีย  ซึ่งจะต้องพิจารณาเลือกใช้ให้ถูกต้อง โดยมีปัจจัยที่ต้องพิจารณาดังนี้

• แรงดันตก    AC จะมีแรงดันตกน้อยกว่า DC  ดังนั้นเหมาะกับงานเชื่อมชิ้นงานที่อยู่ห่างจากแหล่งจ่าย ไฟมาก
• กระแส   อิเลคโตรคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยจะใช้กระแสต่ำกว่า นอกจากนั้นยังทำให้การอาร์คสม่ำเสมอกว่า
• การอาร์คเริ่มต้น  DC จะให้การอาร์คเริ่มต้นง่ายกว่า โดยเฉพาะถ้าใช้อิเลคโตรคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก  ในขณะที่ AC จะมีค่ากระแสเป็นศูนย์ทุก ๆ ครึ่งรอบ ซึ่งจะเกิดปัญหาในการเริ่มต้นอาร์ค
• ความยาวในการอาร์ค การเชื่อมด้วยการอาร์คที่สั้น(แรงดันในการอาร์คต่ำ) จะเกิดเมื่อใช้ DC ง่ายกว่าแบบ AC ยกเว้นแต่ว่าจะใช้อิเลคโตรดที่มีเหล็กผสมอยู่มาก
• Arc Blow AC จะเกิดปัญหาน้อยกว่าแบบ DC เนื่องจากสนามแม่เหล็กมีค่าคงที่กว่า
• ตำแหน่งในการเชื่อม  DC ดีกว่า AC เนื่องจากกระแสต่ำกว่าเหมาะสมกว่าจะใช้เชื่อมในแนวดิ่ง

ความหนาของโลหะ

จะใช้  DC ในการเชื่อมโลหะที่หนา  มากกว่าที่จะใช้ AC เนื่องจากกระแสของ DC  สูงกว่าแหล่งจ่ายไฟสำหรับ SMAW  จะเป็นแบบชนิดกระแสคงที่มากกว่าแบบแรงดันคงที่ เนื่องจากผู้ใช้สามารถรักษาระยะความยาวในการอาร์คได้ดีกว่า

ลักษณะของเส้นโค้ง กระแสแรงดัน

สำหรับแหล่งจ่ายไฟทั้งชนิด DC และ AC  แหล่งจ่ายไฟแยกออกได้เป็น 2  ประเภท คือชนิดกระแสคงที่และชนิดแรงดันคงที่    แหล่งจ่ายไฟแรงดันคงที่ไม่เหมาะสมกับ SMAW  เนื่องจากสามารถเปลี่ยนแปลงค่าความยาวในการอาร์คได้น้อยเมื่อค่ากระแสมีค่าเปลี่ยนไป   เรานิยมใช้แบบกระแสคงที่มากกว่าเนื่องจากค่าความชันมีค่ามากกว่า   นั่นคือ เมื่อแรงดันเปลี่ยนแปลงมากแต่กระแสจะเปลี่ยนแปลงไม่มากนัก  ในรูปที่  3  แสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าแรงดัน-กระแส ทั้ง 2 ประเภท

รูปที่  3  แสดงค่าแรงดัน-กระแส (แรงดันคงที่ , กระแสคงที่ )

(source : www.thefabricator.com)

                สำหรับการใช้งานอิเลคโตรคที่มี Diameter ใหญ่ และใช้กระแสในการเชื่อมมาก จะนิยมใช้กราฟที่มีความชันมากกว่า  งานที่ต้องการความแม่นยำสูง ๆ จะนิยมใช้กราฟที่ความชันต่ำ

แรงดันเปิดวงจร (Open Circuit Voltage) คือค่าแรงดันที่สามารถผลิตได้เมื่อไม่มีการเชื่อม ซึ่งโดยทั่วไปจะมีค่าอยู่ระหว่าง 50–100 V  และในขณะที่แรงดันในขณะทำการอาร์คจะอยู่ระหว่าง 17–40 V  ค่าความยาวในการอาร์คและชนิดของอิเลคโตรดจะเป็นตัวกำหนดขนาดของแรงดันในการอาร์ค  กล่าวคือ ถ้าความยาวในการอาร์คมากขึ้น จะทำให้แรงดันในการอาร์คสูงขึ้นและกระแสในการอาร์คลดลง

การเลือกชนิดของแหล่งจ่ายไฟ มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารราสำหรับ SMAW ดังนี้

1. ชนิดของกระแสที่ใช้
2. ช่วงกระแสที่ต้องการ
3. ตำแหน่งในการเชื่อม
4. ชนิดของแหล่งจ่ายที่มีอยู่ในพื้นที่ใช้งาน

อุปกรณ์ประกอบ

• ด้ามจับอิเลคโตรค   จะทำหน้าที่ยึดอิเลคโตรค เพื่อให้ผู้ใช้งานถือและควบคุมอิเลคโตรค และเป็นตัว นำกระแสจากสายไฟเข้าสู่อิเลคโตรค  ปลายของตัวจับอิเลคโตรคต้องสามารถยึดอิเลคโตรคได้อย่างแน่นหนาเพื่อให้สามารถนำไฟฟ้าได้ดี    ในขณะที่บริเวณที่ใช้มือจับต้องถูกหุ้มด้วยฉนวนไฟฟ้า  เพื่อป้องกันการลัดวงจรเข้าสู่ชิ้นงาน ขนาดของตัวจับจะถูกผลิตตามพิกัดของค่าเส้นผ่านศูนย์กลางของอิเลคโตรค

การเชื่อมต่อของชิ้นงาน

อุปกรณ์ที่ใช้เชื่อมต่อกับชิ้นงานต้องสามารถยึดชิ้นงานได้อย่างแน่นหนา  สำหรับงานเบาจะใช้ Clamp ที่ภายในใช้สปริงดัน แต่ถ้าเป็นงานหนักที่มีกระแสสูงจะใช้ Clamp แบบสกรู ขันยึดกับตัวชิ้นงาน เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความร้อนสูงที่จุดต่อเชื่อม

• สายไฟ สายไฟจะประกอบด้วยลวดทองแดงเส้นเล็กหรืออลูมิเนียมพันเข้าด้วยกันและหุ้มด้วยฉนวนที่มียึดหยุ่นได้ และฉนวนต้องมีค่าความต้านทานสูง  ทนความร้อนได้ดี ขนาดของสายไฟถูกออกแบบเพื่อรองรับค่ากระแสที่ขนาดต่าง ๆ ดังตารางที่  1

ตารางที่  1        (source : www.delcowire.com)

Total circuit length includes both welding and ground leads (based on 4 Volt drop) 60% duty cycle.

 

ในการเลือกขนาดสายไฟจะมีตัวแปรที่ต้องนำมาใช้เลือกได้แก่ กระแสสูงสุดที่จะใช้ในการเชื่อม, ความยาวสายไฟทั้งหมดของวงจรและค่า Duty Cycle

• หมวก  มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ในการป้องกันสายตา, ใบหน้า, คอ จากรังสีในขณะทำการเชื่อมและจากการกระเด็นของโลหะ หมวกบางประเภทสามารถพับแว่นตากันแสงได้เพื่อสะดวกในการตรวจสอบชิ้นงาน วัสดุที่ใช้ส่วนใหญ่ทำจากไฟเบอร์กลาส ซึ่งมีน้ำหนักเบาสะดวกต่อการใช้งาน

อุปกรณ์ประกอบอื่นๆ

สิ่งสำคัญสำหรับงานเชื่อมคือ ความสะอาด ดังนั้นควรมีการทำความสะอาดให้เรียบร้อยก่อนการเชื่อมโดยใช้ แปรงลวด , ฆ้อน, สิ่ว  ในกรณีที่ทำการเชื่อมควรมีการเสริมแผ่นด้านหลังเพื่อช่วยให้แนวเชื่อมได้ Alignment

วัสดุ (materials)

• โลหะที่ใช้เชื่อม  (Base Metals) ในงานเชื่อมเราควรจะทราบชนิดของโลหะที่จะเชื่อมและเลือกอิเลคโตรคที่มีส่วนผสมพื้นฐานตรงกับโลหะที่จะเชื่อม โดยอิเลคโตรคจะมีโลหะพื้นฐาน ดังนี้

1. โลหะคาร์บอน(Carbon Steel)
2. โลหะผสมต่ำ (Low Alley Steel)
3. โลหะที่ต้านทานการกัดกร่อน
4. เหล็กหล่อ
5. อลูมิเนียมและอลูมิเนียมอัลลอยด์
6. Copper และ Copper Alley
7. Nikel และ Nikel alloy

อิเลคโตรทที่มีการเคลือบผิว

มีการระบุคุณสมบัติโดย AWS โดยใช้รหัสดังตารางที่ 2   ซึ่งชนิดของอิเลคโตรคจะถูกกำหนดโดยส่วนส่วนผสมและคุณสมบัติทางกายภาพ

ตารางที่ 2 ชนิดของอิเลคโตรด

(source : www.angelfire.com/ar/bismaka/electrode.html)

การเก็บรักษาอิเลคโตรค

อิเลคโตรคที่ใช้ในกระบวนการ SMAW มีคุณสมบัติง่ายต่อการดูดซับและกักเก็บความชื้นซึ่งจะทำให้ออกซิเจนและไฮโดรเจนเกิดการแยกตัวออกจากกันในระหว่างการเชื่อม โดยที่อะตอมของไฮโดรเจนจะละลายในบริเวณ Heat Affect  Zone และจะทำให้เกิดการแตกร้าวในขณะเย็นตัว นอกจากนั้นความชื้นที่เกิดที่ผิวของสารเคลือบจะทำให้เกิดโพรงอากาศในเนื้อเหล็กที่เชื่อม  เพื่อที่จะลดปัญหาด้านความชื้นควรมีการเก็บรักษาอิเลคโตรคโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอิเลคโตรคที่มีไฮโดรเจนต่ำ ควรมีการเก็บรักษาในเตาที่มีอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 65 – 150 ^oC   เพื่อไล่ความชื้นออก  นอกจากนั้นควรปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิต  นอกจากนั้นถ้าหากเก็บไว้ในที่ที่มีความร้อนสูงเกินไปอาจทำให้สารเคลือบผิวเสียหายได้

การใช้งาน

• วัสดุที่ใช้งานได้  SMAW สามารถใช้ในการเชื่อมโลหะโดยทั่วไปและโลหะผสม ยกเว้นโลหะดังต่อไปนี้  Ti , Zr, Cb,Ta, Mo
• ความหนา   SMAW จะถูกใช้ตัดที่ความหนาอยู่ระหว่าง 3 – 38 MM ยกเว้นที่มีรูปร่างพิเศษที่จำเป็นต้องใช้เครื่องจักรเชื่อมซึ่งจะสามารถเชื่อมวัสดุได้หนาถึง 250 mm

ตำแหน่งของชิ้นงานในการเชื่อม

หนึ่งในข้อดีของ SMAW คือสามารถเชื่อมได้หลายทิศทางในวัสดุหลายประเภท  โดยวัสดุที่ถูกเชื่อมไม่จำเป็นต้องถูกวางในแนวราบ  ซึ่งงานลักษณะนี้ไม่จำเป็นต้องใช้คนที่มีทักษะมากนักและอิเลคโตรคที่มีขนาดใหญ่      สำหรับการเชื่อมในแนวดิ่งและการเชื่อมแบบเหนือศรีษะ(Overhead) จำเป็นจะต้องใช้คนที่มีทักษะสูงขึ้นและใช้อิเลคโตรคที่มีขนาดเล็กลง  นอกจากนั้นรูปแบบของรอยเชื่อมอาจมีลักษณะที่แตกต่างจากการเชื่อมในแนบราบ

สถานที่ในการเชื่อม

อุปกรณ์สำหรับ SMAW ถูกออกแบบมาให้สามารถนำไปใช้ในสถานที่ทำงานได้หลายลักษณะ เช่น ภายในอาคาร,ถูกออกแบบมาให้สามารถนำไปใช้ในสถานที่ทำงานได้หลายลักษณะ เช่น ภายในอาคาร,ภายนอกอาคาร,บนเรือ และอื่นๆ  เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้แก๊สหรือสายน้ำ  จะใช้ก็เพียงแต่สายไฟเท่านั้น แต่ในกรณีที่ไม่มีแหล่งจ่ายไฟอาจจะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อจ่ายไฟให้อุปกรณ์

การออกแบบและเตรียมรอยเชื่อม

ชนิดของรอยเชื่อม  ในการเลือกออกแบบรอยเชื่อมจะต้องคำนึงถึงเรื่องความแข็งแรงเป็นหลัก  นอกจากนั้นยังต้องคำนึงถึงสภาพการใช้งานและอุณหภูมิที่ใช้งานของชิ้นงานด้วย  ซึ่งถ้าหากภาระที่ชิ้นงานได้รับเป็น Dynamic Load จะทำให้ลักษณะของรอยเชื่อมที่ใช้มีค่าแตกต่างจาก Satic Load มากทีเดียว

ในกรณีที่เป็น Dynamic Load จำเป็นจะต้องพิจารณาถึงความล้าและต้องมีความสามารถทนต่อการแตกหักได้  ซึ่งรอยต่อที่ใช้จะต้องถูกออกแบบให้เกิดชุมนุมความเค้นน้อยที่สุด นอกจากนั้นยังต้องออกแบบให้สามารถลดความเค้นตกค้างให้เหลือน้อยที่สุด และยังต้องคำนึงถึงค่าใช้จ่ายในการเชื่อมและความยากในการปฏิบัติงานด้วยในการออกแบบรอยต่อในลักษณะต่าง ๆ จะมีผลต่อความแข็งแรงดังจะกล่าวต่อไปดังนี้

1. การต่อเชื่อมที่มีร่อง(Groove Welds)
2. การต่อเชื่อมที่มีร่องมีหลายลักษณะซึ่งในการจะเลือกใช้แบบใดนั้นจะมีข้อควรคำนึงถึงดังต่อไปนี้

• ความเหมาะสมต่อโครงสร้างที่ใช้งาน
• ความยากง่ายในการเข้าไปเชื่อม
• ค่าใช้จ่าย
• ตำแหน่งที่จะใช้งาน

การต่อเชื่อมแบบร่องสี่เหลี่ยม(Square Groove) จะมีค่าใช้จ่ายในการสร้างน้อยที่สุด แต่จะมีข้อจำกัดที่ความหนาของโลหะและความแข็งแรงที่จะสามารถรองรับได้    สำหรับกระบวนการ SMAW จะใช้การต่อเชื่อมแบบนี้ที่ความหนา ไม่เกิน 6 MM  นอกจากนั้นยังขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุที่ต่อด้วย    ในกรณีที่ต้องการต่อกับแผ่นโลหะที่มีความหนามากขึ้น ควรมีการปรับสภาพของขอบของแผ่นโลหะเพื่อให้สามารถเพิ่มเนื้อที่ให้กับโลหะที่ได้ถูกเติมเข้าไปในการเชื่อม

เพื่อที่จะให้เกิดความประหยัดละยังสามารถลดการบิดตัวและความดันตกค้างสามารถออกแบบโดยให้ผิวของโลหะส่วนที่จะเชื่อมกันมีลักษณะเป็นร่องตัว V ซึ่งจะทำให้มีความแข็งแรงมากขึ้นโดยที่ใช้โลหะที่เติมเข้าไปน้อยที่สุด ปัจจัยที่จะทำให้รอยต่อมีความแข็งแรงนั่นคือความสามารถในการแทรกเข้าไปในบริเวณผิวหน้าของโลหะที่สองด้านนั่นเอง                                                                                                                      สำหรับแผ่นโลหะที่มีความหนามากๆจะใช้การต่อเชื่อมรูปตัว “J”  และรูปตัว “U” ซึ่งจะช่วยลดปริมาณของเนื้อโลหะที่จะเติมเข้าไป  แต่มุมของช่องว่างระหว่างแผ่นต้องมากเพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้สะเก็ดไปสะสมอยู่ภายในร่อง

การต่อชนพิลเลท (Fillet Welds)  การต่อลักษณะนี้แทบจะไม่ต้องมีการเตรียมพื้นผ้าในบริเวณที่จะต่อเชื่อมเลย และยังนิยมใช้ต่อรวมกับรอยต่อที่มีร่องเพื่อที่จะเพิ่มความแข็งแรงและลดจุดที่จะเกิดความดันสูง ๆ ในรอยต่อ

การเสริมด้านหลังรอยต่อ (Weld Backing) เนื่องจากช่องว่างระหว่างแผ่นโลหะที่จะทำการต่ออาจทำให้มีการสูญเสียเนื้อโลหะที่จะเติมเข้าไป ดังนั้นจำเป็นต้องมีการใช้วัสดุปิดที่ด้านหลังเพื่อป้องกันการสูญเสียเนื้อโลหะที่ถูกเติมเข้าไปซึ่งโดยทั่วไปนิยมใช้

1.  Backing Strip  เป็นแผ่นโลหะบางๆ เชื่อมเข้ากับแผ่นโลหะที่จะทำการเชื่อมทั้ง 2 ด้าน โดยแผ่นดังกล่าวสามารถจะเอาออกหรือไม่ก็ได้ภายหลังจากที่เชื่อมเสร็จแล้ว  ซึ่งจะขึ้นกับลักษณะการใช้งานของชิ้นงานที่ได้รับการเชื่อม  แผ่นโลหะที่ใช้นี้ต้องเลือกใช้วัสดุที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกันกับโลหะที่จะเชื่อมและอิเลคโตรคที่ใช้
2. แท่งทองแดง (Copper Backing Bar)   เนื่องจากคุณสมบัติของทองแดงที่มีค่าการนำความร้อนสูง ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้โลหะที่เติมเข้าไปรวมตัวกับแท่งทองแดง แต่แท่งทองแดงที่ใช้ควรมีความหนาเพียงพอที่จะไม่ทำให้เกิดการละลายระหว่างการเชื่อม
3. วัสดุที่ไม่ใช่โลหะ (Nonmetallic Backing)   จะใช้พวกวัสดุทนไฟ  ซึ่งจะยึดติดกับชิ้นงานชิ้นงานโดยใช้ตัวหนีบ(Clamp) ซึ่งจะสะดวกต่อการใช้งาน
4. การเชื่อมด้านหลัง (Backing Weld) วิธีนี้จะทำการเชื่อมที่บริเวณด้านล่างของช่องว่างที่จะเชื่อม  จากนั้นจึงทำการเชื่อมด้านบนตามปกติ แต่มีข้อควรระวังคือ ขนาดของรอยเชื่อมด้านล่างต้องมีขนาดใหญ่เพียงพอที่สามารถรับแรงที่จะทำต่อชิ้นงานก่อนการเชื่อมได้

การวางแนวของชิ้นงาน (Alignment of Metal)

ในระหว่างเชื่อมควรมีการจับยึดชิ้นงานให้แน่นซึ่งอาจใช้ตัวหนีบเพื่อให้มีช่องว่างระหว่างแผ่นสม่ำเสมอ  และมีขนาดได้ตามพิกัดที่ได้ออกแบบไว้หลังจากการเชื่อม

ลักษณะรูปร่างของรอยต่อเชื่อม

ขนาดรอยต่อเชื่อมประเภทต่าง ๆ ได้มีการแนะนำไว้ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4. รอยเชื่อมชนิดต่างๆ  (source : www.me.metu.edu.tr)

Runoff Tabs

ในการต่อเชื่อมที่มีร่องบางครั้งอาจมีการต่อแผ่นโลหะเสริมที่ปลายของชิ้นงานทั้ง 2 ด้าน ดังรูปที่ 5  ซึ่งจะมีข้อดีคือสามารถใช้แผ่นโลหะส่วนนี้เป็นจุดเริ่มต้นและสิ้นสุดการเชื่อม   เนื่องจากโดยมากจะเกิดการชำรุดที่รอยเชื่อมในบริเวณดังกล่าวซึ่งจะทำให้สามารถตัดช่วงดังกล่าวทิ้งไปได้

รูปที่ 5   Runoff Tabs  (source : www.odysseyyachts.com)

การให้ความร้อนแก่ชิ้นงานช่วงเริ่มต้น(Preheating)

การให้ความร้อนแก่ชิ้นงานในช่วงเริ่มต้น(Preheating)  ถูกใช้เพื่อปรับสภาพของชิ้นงานในบริเวณที่ทำการเชื่อมให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ  ซึ่งผู้ใช้งานควรปฎิบัติตามข้อแนะนำที่ได้แนะนำไว้อย่างเคร่งครัด เนื่องจากการให้ความร้อนที่มากเกินไปจะก่อให้เกิดการสิ้นเปลืองพลังงานแล้วยังทำให้คุณสมบัติของโลหะและรอยเชื่อมแย่ลง  โดยทั่วไปแล้วจะใช้วิธีการให้ความร้อนแก่ชิ้นงานในช่วงเริ่มต้นกับวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูง เช่น ทองแดง , อลูมิเนียมอัลลอยด์, เพื่อช่วยลดกระแสในการเชื่อม , ปรับปรุงคุณสมบัติในการแทรกตัวของโลหะที่เติมเข้าไป และช่วยในการรวมตัวของโลหะเข้ากันได้ดีขึ้น

ตัวแปรต่างๆ  ที่เกี่ยวข้องในการเชื่อม

• ขนาดของอิเลคโตรค  การเลือกขนาดของอิเลคโตรคจะขึ้นอยู่กับความหนาของโลหะ, ตำแหน่งที่ทำการเชื่อม, และชนิดของรอยต่อเชื่อม  โดยทั่วๆ ไปมักจะเลือกให้มีขนาดใหญ่เมื่อจะใช้เชื่อมโลหะที่มีขนาดความหนามากขึ้น เนื่องจากจะมีอัตราการเติมของโลหะเข้าสู่ชิ้นงานที่สูงกว่า   ในการเชื่อมนั้นจะทำให้โลหะที่หลอมเหลวไหลออกมาทางช่องว่างระหว่างชิ้นงานด้านล่าง ตามแรงโน้มถ่วงของโลกซึ่งเราสามารถจะลดปัญหาดังกล่าวได้โดยการใช้อิเลคโตรคที่มีขนาดเล็กลงและเพิ่มความเร็วในการเชื่อมให้มากขึ้น สำหรับการเชื่อมที่มีร่องนั้นจะใช้อิเลคโตรคที่มีขนาดเล็กเพื่อทำการเชื่อมในรอบแรกเพื่อให้โลหะที่หลอมสามารถไหลเข้าไปในช่องว่างได้สะดวก  และลดการสูญเสียเนื้อโลหะที่เติมเข้าไป จากนั้นจะใช้อิเลคโตรคที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อเชื่อมในรอบถัดมา  แต่ในการเลือกใช้ขนาดของอิเลคโตรคไม่ควรเลือกขนาดใหญ่เกินกว่าพิกัดกระแสของเครื่องที่จะจ่ายให้ได้ ซึ่งจะทำให้สิ้นเปลืองเนื้อโลหะมากขึ้นด้วย
• กระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการเชื่อม  ปริมาณของพลังงานที่ใช้จ่ายสำหรับการอาร์คจะมีตัวแปรที่เกี่ยวข้องคือ ชนิดของกระแสที่ใช้ ,ขั้วไฟฟ้าที่ต่อ(Polarity) , ส่วนผสมของสารเคลือบอิเลคโตรด  ซึ่งพลังงานส่วนหนึ่งใช้ในการหลอมเหลวชิ้นงานและอีกส่วนหนึ่งใช้ในการหลอมเหลวอิเลคโตรด
• กระแสตรง โดยทั่วไปการใช้กระแสตรงจะทำให้การอาร์คที่สม่ำเสมอกว่าการใช้กระแสสลับ  เนื่องจากไม่มีการสลับขั้วทางไฟฟ้า  อิเลคโตรดส่วนใหญ่จะทำงานได้ดีกว่าเมื่อเราให้อิเลคโตรคเป็นขั้วบวก(Reverse Polarity)  แม้ว่าอิเลคโตรดบางชนิดจะทำงานได้ดีเมื่อใช้อิเลคโตรคเป็นขั้วลบ(Straight Polarity)   ข้อแตกต่างของการต่ออิเลคโตรดทั้ง 2 แบบคือ จะให้การแทรกซึมที่ดีกว่ากรณี Reverse Polarity  แต่แบบ Straight Polarity จะให้อัตราการหลอมเหลวของอิเลคโตรดดีกว่า
• กระแสสลับ สำหรับกระบวนการ SMAW นั้น การใช้กระแสสลับมีข้อดี 2 ประการคือ

1. ไม่เกิด Arc Blow ทำให้สามารถใช้อิเลคโตรคที่มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีกระแสที่มากขึ้นได้

2. ค่าพลังงานต่ำกว่า เนื่องจากหม้อแปลงแบบ AC มีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าแบบ DC นอกจากนั้นยังไม่ต้องแก้ไขอุปกรณ์อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องเพื่อให้สามารถใช้ DCได้อีก

กระแส

การเลือกใช้ขนาดของอิเลคโตรคจะขึ้นอยู่กับพิกัดกระแสที่ใช้ โดยตัวแปรที่มีความสำคัญได้แก่ ความหนาและชนิดของสารที่ใช้เคลือบอิเลคโตรด  โดยทั่วไปอัตราการสิ้นเปลืองอิเลคโตรดจะเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสมีค่ามากขึ้น  ดังนั้นควรมีการเลือกใช้ค่ากระแสในการเชื่อมให้เหมาะสมซึ่งจะขึ้นอยู่กับตัวแปรหลายตัว เช่น ตำแหน่งในการเชื่อมและชนิดของรอยต่อ

รูปที่  6  ความสัมพันธ์ระหว่าง Deposit rates vs. Ampere (www.diggiemoon.com)

ความยาวในการอาร์ค (Arc Length)

ความยาวในการอาร์ค (Arc Length)  คือระยะห่างจากปลายของอิเลคโตรคในขณะหลอมเหลวกับพื้นผิวของบ่อหลอมเหลว (Molten Weld Peal)  ค่าของความยาวในการอาร์คที่เหมาะสมจะขึ้นอยู่กับชนิดของอิเลคโตรด, ความโตและชนิดของสารเคลือบ, กระแสและตำแหน่งในการเชื่อม  ค่าความยาวในการอาร์ค จะเพิ่มขึ้นเมื่อความโตและกระแสมีค่ามากขึ้น โดยทั่วๆ ไปค่าของความยาวในการอาร์คไม่ควรมีค่ามากกว่าขนาดความโตของแกนอิเลคโตรด   การใช้ความยาวที่น้อยไปจะทำให้เกิดการลัดวงจร แต่ถ้าความยาวมากเกินไปจะทำให้โลหะที่วิ่งออกจากอิเลคโตรคไปสู่ชิ้นงานมีลักษณะกระจัดกระจายและเกิดโพรงอากาศและการปนเปื้อนของออกซิเจนหรือไนโตรเจนทำให้รอยเชื่อมรับแรงได้ไม่ดี

ความเร็วในการเชื่อม

ความเร็วในการเชื่อมจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลายอย่างดังนี้

1. ชนิดและขนาดของกระแสและการต่อขั้วกับอิเลคโตรค
2. ตำแหน่งในการเชื่อม
3. อัตราการหลอมเหลวของอิเลคโตรค
4. ความหนาของแผ่นโลหะ
5. สภาพพื้นผิวของแผ่นโลหะ
6. ชนิดของรอยต่อเชื่อม
7. ความแน่นของรอยต่อเชื่อม
8. การถ่ายเทโลหะจากอิเลคโตรดไปยังชิ้นงาน

ค่าความเร็วในการเชื่อมจะมีผลต่อความร้อนที่เข้าสู่ชิ้นงาน  ซึ่งจะมีผลต่อโครงสร้างของโลหะที่ได้รับการเชื่อมและ Heat Affact Zone   ถ้าความเร็วต่ำจะทำให้ Heat Affect Zone กว้างและชิ้นงานมีการเย็นตัวที่ลงช้า

ทิศทางของอิเลคโตรคกับชิ้นงาน

มีผลต่อคุณภาพของรอยเชื่อม ถ้าทิศทางไม่เหมาะสมจะทำให้เกิดสะเก็ดในรอยเชื่อม, โพรงอากาศ,และเกิดการ Undercut ขึ้น  ดังรูปที่  7.

รูปที่ 7 UNDERCUT (source : www. raignheather.com   , www.lyricsdog.eu)

                 การใช้ทิศทางที่เหมาะสมจะขึ้นกับขนาดและชนิดอิเลคโตรค, ตำแหน่งในการเชื่อมและลักษณะของรอยเชื่อม ในการระบุทิศทางของอิเลคโตรดจะขึ้นอยู่กับมุมที่ใช้ในการเคลื่อนที่ (Travel Angle) และมุมกับชิ้นงาน (Work Angle)  ดังรูปที่  8

รูปที่  8  Travel angle vs. work angle

(source : http://deltaschooloftrades.com/stick%20essentials.htm )

                Travel Angle  คือมุมที่น้อยกว่า 90 ^o ระหว่างแกนของอิเลคโตรคกับเส้นที่ตั้งฉากกับแนวเชื่อม (บนระนาบที่ถูกกำหนดโดยแกนของอิเลคโตรคและแนวเชื่อม )

Work Angle  คือมุมที่น้อยกว่า 90 ^o ระหว่างเส้นที่ตั้งฉากกับผิวของชิ้นงานและระบบที่ถูกกำหนดโดยแกนของอิเลคโตรดและแนวเชื่อม

ในการทำการเชื่อมจะมี 2 เทคนิคที่ใช้คือ Push Angle และ  Drag angle ดังรูปที่ 9   ซึ่งถ้าหากชิ้นงานที่เชื่อมจากการวางแนวชองอิเลคโตรคถูกต้องจะทำให้มีการแทรกตัวเข้าชิ้นงานที่ดีและมีการรวมตัวกับโลหะชิ้นงานได้สมบูรณ์                                                                                                                                                 ค่า Travel Angle ที่มากเกินไปจะทำให้รอยเชื่อมมีรูปร่างไม่ดี, การแทรกตัวไม่ดี ในขณะที่ค่า Travel Angle ที่น้อยเกินไปจะทำให้เกิด slag ในรอยเชื่อม ค่า Work Angle ที่มากเกินไปจะทำให้เกิดการ Undercut ในขณะที่ work angle ที่น้อยเกินไปจะทำให้การรวมตัวกันที่ไม่สมบูรณ์

รูปที่  9  Push angle vs. Drag Angle (source : www.millerwelds.com )

การเชื่อมต่อชิ้นงาน

การเชื่อมต่อชิ้นงานอย่างถูกต้องมีความสำคัญต่อการเชื่อม SMAW โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้กระแสตรง  ถ้าหากปลายของชิ้นงานต่อเชื่อมกันไม่เหมาะสมจะทำให้เกิด Arc Blow มากขึ้น ซึ่งจะทำให้ควบคุมการอาร์คได้ยากขึ้น นอกจากนั้นวิธีในการทำให้ปลายของชิ้นงานสัมผัสกันก็มีความสำคัญถ้าการสัมผัสกันไม่ดีจะเกิดความร้อนสูงที่จุดสัมผัส ซึ่งจะทำให้มีการลัดวงจรไฟฟ้าขึ้น   ดังนั้นได้มีการแนะนำให้ใช้แผ่นทองแดงกดชิ้นงานโดยใช้ C-Clamp จะเหมาะสมที่สุด

ความสม่ำเสมอในการอาร์ค(Arc Stability)  

ความสม่ำเสมอในการอาร์ค(Arc Stability)จะทำให้คุณภาพของรอยเชื่อมมีคุณภาพที่ดี การอาร์คไม่สม่ำเสมอจะก่อให้เกิดการรวมตัวกันของโลหะที่ไม่ดี, เกิดสะเก็ดในรอยเชื่อม, เกิดโพรงอากาศในรอยเชื่อม

ปัจจัยที่จะมีผลต่อความสม่ำเสมอในการอาร์คมีดังนี้

1. แรงดันเปิดวงจร
2. ลักษณะ Transient   Voltage Recovery  ของแหล่งจ่ายไฟ
3. ขนาดของเม็ดโลหะที่เติมเข้าไปในการเชื่อมและ slag จากการอาร์ค
4. การแตกตัวในการอาร์คจากอิเลคโตรดไปยังชิ้นงาน
5. การจัดการกับตัวอิเลคโตรคให้เหมาะสม

จากปัจจัยดังกล่าวจะเห็นว่า 2 ข้อแรกจะเกี่ยวกับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟ และสองข้อถัดมาจะเกี่ยวข้องกับการทำงานของอิเลคโตรค  ส่วนข้อสุดท้ายจะเกี่ยวกับทักษะของผู้ทำการเชื่อม

Arcblow

Arcblow  จะเกิดขึ้นเมื่อทำการเชื่อมวัสดุที่เป็นเม่เหล็ก(เหล็กและนิกเกิ้ล) โดยใช้กระแสตรงและอาจจะพบได้สำหรับการเชื่อมโดยการใช้กระแสสลับในบางกรณี  แต่จะเกิดได้ยากในกรณีที่เราเชื่อมโดยใช้กระแสตรงจะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอิเลคโตรดและชิ้นงาน  ซึ่งจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบ ๆ อิเลคโตรด ซึ่งจะทำให้การอาร์ควิ่งออกไปตามแนวด้านข้างของรอยเชื่อมทำให้รอยเชื่อมมีลักษณะไม่เป็นแนวตรงและเกิดการรวมตัวที่ไม่ดี

รูปที่  10 การเกิด Arcblow  (www.deltaschooloftrades.com)

        ในการเชื่อมโลหะจะมีฟลักซ์แม่เหล็ก เกิดขึ้นทั้งบนแผ่นโลหะและช่องว่างบริเวณรอยเชื่อม ซึ่งจะทำให้สนามแม่เหล็กมีความเข้มไม่สม่ำเสมอในบริเวณดังกล่าวและทำให้การอาร์คมีการวิ่งเอียงออกไปจากแนวเชื่อมตรงบริเวณที่สนามแม่เหล็กมีความเข้มสูง  ซึ่งปรากฎการณ์ที่จะเกิดบริเวณปลายของแผ่นโลหะที่เป็นแนวเชื่อม  จากรูปที่ 11  Forward blow จะเกิดในตอนเริ่มต้นเชื่อม  จากนั้นจะลดลงบริเวณภายในแผ่นโลหะเนื่องจากสนามแม่เหล็กมีลักษณะสม่ำเสมอและจะไปเกิด Back blow ที่อีกด้านหนึ่งของแผ่นโลหะ

รูปที่ 11  (source : www.weldreality.com)

        เพื่อที่จะช่วยลดปัญหาการเกิด Arcblow สามารถทำได้ดังนี้

1. ลดปริมาณกระแสที่ใช้
2. ใช้ Runoff Tab ช่วยบริเวณปลายทั้ง 2
3. เปลี่ยนไปใช้  AC ในกรณีกระแสสูงกว่า 250 A
4. รักษาระยะระหว่างอิเลคโตรคกับชิ้นงานให้น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้
5. หุ้มสายไฟบริเวณรอบ ๆ ชิ้นงานเพื่อที่จะปรับทิศทางของสนามแม่เหล็ก
6. ปรับทิศทางอิเลคโตรคช่วย
7. เคลื่อนที่อิเลคโตรคเข้าสู่รอยต่อเพื่อลด Forward Blow  เคลื่อนที่ออกจากรอยต่อเพื่อลด Back Blow

คุณภาพของรอยเชื่อม

คุณภาพของรอยเชื่อมจะเป็นตัวกำหนดความสามารถในการรองรับการใช้งานเช่น ความแข็งแรง, ความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อน, ขนาดและรูปร่างที่ต้องการ ซึ่งคุณสมบัติเหล่านี้จะขึ้นอยู่กับ วัสดุที่ใช้เชื่อมและสภาวะที่เกิดในระหว่างการเชื่อม  นอกจากนั้นยังขึ้นกับความชำนาญของผู้ปฏิบัติงานด้วยโดยปกติแล้วรอยต่อของโลหะจะมีขนาดและชนิดที่แตกต่างกันไปในชิ้นงานซึ่งจะทำให้เกิดปัญหาดังต่อไปนี้ในการเชื่อม

• โพรงอากาศ  คือโพรงอากาศที่เกิดขึ้นในรอยเชื่อม  ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีในขณะทำการเชื่อม   ในการป้องกันการเกิดโพรงอากาศสามารถทำได้โดยใช้กระแสให้เหมาะสม รักษาระยะความยาวในการอาร์คให้ถูกต้องนอกจากนั้นควรใช้อิเลคโตรคที่แห้ง
• สารมลทินฝังใน (Slag Inclusion)   Slag คือออกไซด์และของแข็งที่ไม่ใช่โลหะที่เกิดขึ้นในเนื้อโลหะตรงบริเวณรอยต่อของรอยเชื่อมกับชิ้นงาน , ผิวหน้าของรอยเชื่อม ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อรอยเชื่อมมีการแข็งตัวและเย็นตัวลง   แต่ออกไซด์เหล่านี้มีค่าความถ่วงจำเพาะต่ำจึงลอยตัวอยู่ที่ผิวของรอยเชื่อมและภายในรอยเชื่อม  โดยปกติ Slag จะเกิดจากสารเคลือบที่ใช้เคลือบอิเลคโตรด   ในการป้องกันจะทำได้โดยทำการกำจัดสารมลทินที่เกิดขึ้นในแต่ละรอบของรอยเชื่อมออกก่อนที่จะทำการเชื่อมในรอบถัดไปและการเตรียมรอยต่อที่ดี
• การหลอมละลายที่ไม่สมบูรณ์ (Incomplete Fusion) คือการที่รอยเชื่อมแต่ละแนวไม่หลอมละลายเป็นเนื้อเดียวกันหรือรอยเชื่อมกับชิ้นงานไม่เป็นเนื้อเดียวกัน สาเหตุที่เกิดเนื่องจากการให้ความร้อนไม่สม่ำเสมอในขณะเชื่อมหรือมีออกไซด์เกิดขึ้นในขณะที่หลอมละลายในการป้องกันการเกิด    จะทำได้โดย

1. ใช้ความเร็วในการเชื่อมไม่สูงเกินไป
2. ใช้กระแสไม่ต่ำเกินไป
3. ไม่ใช้อิเลคโตรคที่มีขนาดใหญ่เกินไป
4. ออกแบบ root surface ไม่ใหญ่เกินไป
5. ช่องว่างระหว่างแผ่นโลหะที่รอยต่อไม่เล็กเกินไป

รอยกัดแหว่ง(Undercut)

เกิดจากการใช้กระแสไฟที่มากเกินไป รอยกัดแหว่งจะเกิดบริเวณรอยต่อของแนวเชื่อมกับชิ้นงาน ทั้งบริเวณด้านหน้าและด้านราก

รอยแตก(Cracks)  

รอยแตกสามารถเกิดขึ้นในรอยเชื่อม, วัสดุ หรือ ทั้งสองตำแหน่ง  ซึ่งรอยแตกแยกได้เป็น 2 ประเภทคือ

1. รอยแตกร้อน(Hot Crack) เกิดจากการเย็นตัวลงที่ไม่สม่ำเสมอเนื่องจากจุดแข็งตัวของธาตุต่าง ๆ มีค่าแตกต่างกัน
2. รอยแตกเย็น(Cold Crack)   เกิดจากการที่ไฮโดรเจนที่เป็นส่วนผสมของสารเคลือบอิเลคโตรดสะสมอยู่ในเนื้อโลหะ  ซึ่งจะทำให้ความเหนียวลดลงจนเปราะและเกิดรอยร้าวขึ้น  รอยแตกเย็นจะเกิดหลังจากที่โลหะเย็นตัวแล้ว  ในการป้องกันจะทำได้โดยใช้ลวดเชื่อมที่มีโฮโดรเจนต่ำและควรทำการ preheat ชิ้นงานก่อนทำการเชื่อม

การป้องกันการเกิด Hot Craching ทำได้โดย

1. เปลี่ยนประเภทของชิ้นงาน
2. เปลี่ยนประเภทของโลหะที่เติมในอิเลคโตรค
3. ปรับปรุงการ preheat ชิ้นงานและลดกระแสในการเชื่อมลง

Source : weldind handbook  eighth  edition vol2  AWS