• English

♦ ลดเม็ดเชื่อม ด้วยการปรับอินดักแต๊นซ์

♦ ลดเม็ดเชื่อม ด้วยการปรับอินดักแต๊นซ์

ผู้เขียน ชัชชัย อินนุมาตร

……“เม็ดเชื่อม” หรือ “สะเก็ดเชื่อม” ชื่อเรียกง่ายๆ ตามนิยมของช่างเชื่อม มีชื่ออย่างเป็นทางการว่า Spatter (สแปตเตอร์)  ผิวหน้างานที่อุดมด้วยเม็ดเชื่อม ไม่ต่างอะไรกับใบหน้าที่เต็มไปด้วยเม็ดสิว มองยังไงก็ไม่เป็นที่ชื่นชม”  

ในบทความนี้ จะกล่าวถึง Spatter ที่เกิดขึ้นในกระบวนการเชื่อมแบบ MIG/MAG  และการใช้ฟังก์ชั่นการทำงานของเครื่องเชื่อมช่วยลดอัตราการเกิด spatter………

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

……..แจ๊ดดดดดดดดด……หลังจากสิ้นสุดเสียงเชื่อมและแสงไฟเชื่อมดับลง  ผมสะดุ้งตกใจเล็กน้อยกับเสียงอันดุดันที่อยู่ด้านหลังผม

“เอ็งเชื่อมยังไงเนี่ย  ทำไมเม็ดเชื่อมเต็มไปหมด  ยังงี้เด็กก็เก็บงานกันตายสิ”  เสียงพี่หมู หัวหน้าฝ่ายผลิต ตะเบ็งเสียงแข่งกับเสียงเครื่องจักรที่อยู่ใกล้ๆ

“ผมปรับไฟดีแล้วนะพี่  ดูสิ แนวเชื่อมก็สวยนะ แต่ทำไมเม็ดเชื่อมมันเยอะก็ไม่รู้”  ผมไม่วายที่จะเถียงเล็กน้อย

“แล้วทำไมเอ็งไม่ปรับอินดักแต๊นซ์  เนี่ย! ปุ่มนี้”  พี่หมูชี้ไปที่เครื่องแล้วเอื้อมมือไปปรับปุ่มที่หน้าเครื่องให้   “เอ๊า ! ลองเชื่อมดูใหม่” 

“เออ…. จริงด้วยพี่  เม็ดเชื่อมหายไปเยอะเลย.  ทำไมล่ะครับ ?”  ผมอุทานถามอย่างแปลกใจ หลังจากเชื่อมใหม่อีกครั้ง

“ถ้าอยากรู้ ว่าทำไมปรับอินดักแต๊นซ์  แล้วเม็ดเชื่อมหายไป เดี๋ยวกินข้าวเที่ยงเสร็จ ไปหาพี่ที่โต๊ะ แล้วจะอธิบายให้ฟัง”  

“ครับผม ขอบคุณครับพี่”  ผมกล่าวขอบคุณพี่หมู  หัวหน้าผมใจดีแบบนี้เสมอ แกมักจะสอนอะไรดีๆ ให้ลูกน้องประจำ แกจึงเป็นที่รักของเด็กๆ ในไลน์ผลิตทุกคน……………..

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

“เม็ดเชื่อม” หรือ “สะเก็ดเชื่อม” ชื่อเรียกง่ายๆ ตามนิยมของช่างเชื่อม มีชื่ออย่างเป็นทางการว่า Spatter (สแปตเตอร์)  ตามความหมายอ้างอิงจากสาราณุกรมงานเชื่อม (Welding Encyclopedia) หมายถึง “อนุภาคของโลหะที่หลุดออกมาระหว่างการเชื่อมแบบหลอมละลายซึ่งไม่รวมตัวเป็นส่วนของแนวเชื่อม”   นั่นหมายความว่า Spatter นั้นสามารถพบได้บนแนวเชื่อมที่เป็นกระบวนการเชื่อมแบบหลอมละลาย เช่น การเชื่อมแบบไฟฟ้าอาร์ค  การเชื่อมมิก/แม็ก (MIG/MAG) การเชื่อมแบบฟลักซ์คอร์ไวร์ เป็นต้น

ในบทความนี้ จะกล่าวถึง Spatter ที่เกิดขึ้นในกระบวนการเชื่อมแบบ MIG/MAG เท่านั้น โดยจะอธิบายปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าอาร์ค และการควบคุมการเกิด Spatter โดยใช้ฟังก์ชั่นที่มีในเครื่องเชื่อม เพื่อให้ผู้ใช้งานสามารถนำไปปรับใช้กับเครื่องที่ใช้อยู่ในปัจจุบันได้

ในกระบวนการเชื่อมแบบ MIG/MAG  โดยหลักการพื้นฐานของระบบ เมื่อลวดเชื่อมจะถูกป้อนเข้าสู่ชิ้นงานและเกิดการอาร์คภายใต้กระแสเชื่อมที่สูง ลวดเชื่อมจะถูกหลอมละลายเป็นน้ำโลหะเหลวและจะมีการถ่ายเทน้ำโลหะ (Metal Transfer) ลงสู่แนวเชื่อม โดยมีรูปแบบหลักอยู่ 3 แบบคือ

  1. การถ่ายเทแบบลัดวงจร หรือ ช็อตอาร์ค (Short Circuit or Short Arc Transfer)
  2. การถ่ายเทแบบก้อนกลม ( Globular Arc Transfer)
  3. การถ่ายเทแบบสเปรย์ (Spray Arc Transfer)

ในการถ่ายเทน้ำโลหะทั้ง 3 แบบหลักนี้ สามารถก่อให้เกิดเม็ด Spatter ได้ทั้งสิ้น  โดยเฉพาะอย่างยิ่งกรณีของการถ่ายเทแบบลัดวงจรและการถ่ายเทแบบก้อนกลม จะมีโอกาสเกิดเม็ด Spatter ได้มากกว่าการถ่ายเทแบบสเปรย์

ในการปฏิบัติงานในโรงงานอุตสาหกรรม มักพบเสมอว่าจะนิยมใช้รูปแบบการถ่ายเทน้ำโลหะแบบการถ่ายเทแบบลัดวงจรและการถ่ายเทแบบก้อนกลม  และหนีไม่พ้นกับปัญหาเรื่อง Spatter  ที่จะต้องขจัดออกก่อนที่จะนำชิ้นงานไปพ่นสีหรือเคลือบผิว

Spatter เกิดขึ้นได้อย่างไร

การถ่ายเทแบบลัดวงจร (Short Circuit) และการถ่ายเทแบบก้อนกลม ( Globular Arc Transfer) ลวดเชื่อมจะถูกป้อนออกจากปืนเชื่อมจนปลายลวดเชื่อมสัมผัสกับบ่อหลอมละลาย (จุด C รูปที่ 1)   ในขณะที่ลวดเชื่อมสัมผัสกับบ่อหลอมละลาย กระแสเชื่อมจะเริ่มมีค่าสูงขึ้น (จุด D ถึง G) จนกระทั่งกระแสเชื่อมมีค่าสูงสุดที่จุด H  ในรูปที่ 1  ณ. จุดนี้ ปลายลวดเชื่อมจะถูกกัดจนขาดด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Force หรือ Pinch Effect, รูปที่ 2)   ในขณะที่ลวดขาดออกจากกันจะเกิดการกระเด็นของน้ำโลหะเหลวออกไปรอบๆจุดขาด น้ำโลหะเหลวที่กระเด็นออกมาในจังหวะที่ลวดขาด จะไปเกาะติดบริเวณผิวงานโดยรอบและเย็นตัวลงเป็นเม็ดโลหะ ซึ่งก็คือเม็ดเชื่อมหรือ Spatter นั่นเอง

รูปที่ 1 วงรอบของการถ่ายเทน้ำโลหะแบบลัดวงจร

โดยปกติ การถ่ายเทน้ำโลหะในแบบลัดวงจร จะเกิดขั้นตอนการสัมผัสของปลายลวดเชื่อมกับบ่อหลอมละลายอย่างต่อเนื่องสม่ำเสมอ ซึ่งอาจจะสูงถึง 20 – 200 ครั้งต่อวินาที หากเครื่องเชื่อมที่มีอัตราการลัดวงจรสูงกว่านี้ ก็จะทำให้เพิ่มอัตราการเกิด Spatter มากขึ้นไปอีก นอกจากนั้น การใช้กระแสเชื่อมที่สูงหรือลวดเชื่อมขนาดใหญ่ ก็จะเพิ่มอัตราการเกิด Spatter มากขึ้นเช่นกัน

รูปที่ 2 แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Pinch Effect) ที่ทำให้ลวดขาดออกจากปลายลวด

ลดการเกิด Spatter ด้วยการออกแบบเครื่องเชื่อม

การลด Spatter  สามารถทำได้ด้วยการเปลี่ยนชนิดของแก๊สปกคลุมแนวเชื่อมจากแก๊ส CO2 เป็นแก๊สผสมระหว่างอาร์กอนและ CO2 แล้ว ยังสามารถใช้วิธีการเพิ่มการเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้า โดยวิธีเพิ่มขดลวดเหนี่ยวนำ (Inductance; อินดักแต๊นซ์) ที่ขั้วลบของเครื่องเชื่อม  ซึ่งโดยปกติโรงงานจะเป็นผู้เพิ่มขดลวด Inductance เป็นทางเลือกให้ผู้ใช้สำหรับในเครื่องเชื่อมบางรุ่นอยู่แล้ว  เครื่องที่มีการเพิ่มขดลวด Inductance นี้ จะสังเกตได้จากที่ขั้วลบของเครื่องเชื่อม จะมีจุดต่อสายกราวน์มากกว่า 1 จุด ตามรูปที่ 3

รูปที่ 3  จุดต่อสายกราวน์เพื่อให้ผู้ใช้เลือกใช้ค่าการเหนี่ยวนำไฟฟ้า (Inductance) ของเครื่องเชื่อม

อย่างไรก็ดี ในเครื่องเชื่อมรุ่นใหม่  ผู้ใช้เครื่องเชื่อมสามารถเลือกระดับค่าการเหนี่ยวนำไฟฟ้า (Inductance) ได้ง่ายขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องถอดเปลี่ยนขั้วสายกราวน์  ผู้ใช้เครื่องเชื่อมสามารถปรับเปลี่ยนค่า Inductance โดยปรับจากปุ่มปรับหน้าเครื่อง (รูปที่ 4) โดยเครื่องเชื่อมบางค่ายอาจจะใช้สัญลักษณ์แทนอักษร หรือใช้คำว่า Arc Control  หรืออาจจะใช้คำว่า Inductance ตรงความหมายเลยก็ได้  การที่ผู้ใช้ปรับค่า Inductance ให้มีค่ามากขึ้น จะทำให้ความรุนแรงของการอาร์คลดลง และจะสามารถลดจำนวนของ Spatter ลงได้

รูปที่ 4  ปุ่มปรับค่าการเหนี่ยวนำไฟฟ้า (Inductance)หน้าเครื่องเชื่อม

จากลักษณะทางไฟฟ้าของการเชื่อม แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Pinch Effect) จะทำให้ปลายลวดเชื่อมขาดออกและเกิด Spatter ขึ้น ตามที่กล่าวมาแล้ว  ค่าของ Pinch Effect ที่ทำให้ลวดขาดออกจากกันนั้น จะกำหนดโดยระดับของกระแสเชื่อมที่เกิดการลัดวงจร ดังนั้นความเร็วในการเพิ่มขึ้นของ Pinch Effect ก็จะเป็นไปตามความเร็วในการเพิ่มขึ้นของกระแสเชื่อม  หากมีการเพิ่มค่าอินดักแต๊นซ์หรือค่าการเหนี่ยวนำไฟฟ้าเข้าไปในวงจรเชื่อม จะทำให้ความเร็วในการเพิ่มขึ้นของกระแสเชื่อมไปยังค่าสูงสุด (จุดที่ลวดขาด) นั้นช้าลงและทำให้การเพิ่มขึ้นของแรง Pinch Effect ช้าลงด้วย  อีกประการหนึ่ง เมื่อความเร็วในการเพิ่มขึ้นของกระแสเชื่อมไปยังค่าสูงสุดช้าลง ก็จะทำให้ระยะเวลาการสัมผัสระหว่างปลายลวดเชื่อมกับบ่อหลอมละลายนั้นนานขึ้นด้วย (จุด D ถึง G ในรูปที่ 1)  ส่งผลทำให้น้ำโลหะจากปลายลวดจะถูกถ่ายเทไปยังบ่อหลอมละลายด้วยแรงตึงผิว (Surface Tension) ลดความรุนแรงในการถ่ายเทน้ำโลหะและการขาดออกจากกันด้วยแรงจาก Pinch Effect   นอกจากนั้น จำนวนการสัมผัสต่อวินาทีระหว่างปลายลวดเชื่อมกับบ่อหลอมละลายจะลดลง  มีช่วงเวลาของการอาร์ค (Arc-on) นานขึ้น ทำให้บ่อหลอมละลายเป็นของเหลวนานขึ้น จึงได้แนวเชื่อมที่มีลักษณะแบนเรียบ  สม่ำเสมอ และลดจำนวนการเกิด Spatter  ลงได้

Ref: https://www.twi-global.com/

รูปที่ 5 ลักษณะของกระแสเชื่อมระหว่างการไม่ใช้ค่าอินดักแต๊นซ์ (แดง) และการใช้ค่าอินดักแต๊นซ์ (น้ำเงิน)

อย่างไรก็ตาม การปรับค่าอินดักแต๊นซ์ที่มากเกินไปอาจจะทำให้กระแสเชื่อมเพิ่มขึ้นไม่ทันและไม่เพียงพอต่อการหลอมละลายลวดเชื่อม จะทำให้ลวดเชื่อมพุ่งชนกับชิ้นงานเร็วและหลอมละลายได้ช้า แต่ปัญหานี้อาจจะพบได้ไม่บ่อยนัก เนื่องจากผู้ผลิตเครื่องเชื่อมจะปรับค่าอินดักแต๊นซ์ให้เหมาะสมกับเครื่องเชื่อมดีแล้ว

จากการทดสอบการเชื่อมด้วยลวดเชื่อม ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.9 มม.  ด้วยกระแสเชื่อม 120 แอมป์ 20 โวลต์ โดยใช้แก๊สคาร์บอนไดอ๊อกไซด์เป็นแก๊สปกคลุมแนวเชื่อม พบว่า เมื่อทำการเชื่อมเปรียบเทียบระหว่างการไม่เพิ่มค่าอินดักแต๊นซ์กับการเพิ่มค่าอินดักแต๊นซ์ไปค่าสูงสุด พบว่าผลที่ได้เป็นไปตามหลักการตามที่กล่าวมาแล้ว  การเชื่อมโดยไม่เพิ่มค่าอินดักแต๊นซ์ จะได้แนวเชื่อมที่หยาบ  บ่อหลอมละลายไหลตัวได้ช้า  การอาร์คจะรุนแรง เสียงอาร์คดังและกระด้าง และแน่นอนที่สุดคือจำนวน Spatter มหาศาลหลังจากเสร็จสิ้นการเชื่อม  (รูปที่ 6)

รูปที่ 6  การเชื่อมแบบไม่เพิ่มค่าอินดักแต๊นซ์ (บน) และเพิ่มค่าอินดักแต๊นซ์ (ล่าง)

บทสรุป

  1. จำนวนเม็ดเชื่อมหรือ Spatter เกิดขึ้นจากการที่ลวดเชื่อมสัมผัสกับบ่อหลอมละลายแล้วขาดออกจากกันด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าหรือ Pinch Effect การใช้กระแสเชื่อมที่สูงหรือลวดเชื่อมขนาดใหญ่ จะเพิ่มอัตราการเกิด Spatter มากขึ้น
  2. จำนวน Spatter นั้น สามารถลดได้ด้วยการปรับเพิ่มค่าอินดักแต๊นซ์หรือค่าการเหนี่ยวนำไฟฟ้าที่เครื่องเชื่อม จะทำให้ความเร็วในการเพิ่มขึ้นของกระแสเชื่อมไปยังค่าสูงสุดนั้นช้าลง ส่งผลให้น้ำโลหะจากปลายลวดถูกถ่ายเทไปยังบ่อหลอมละลายด้วยแรงตึงผิว (Surface Tension) ทำให้ลดความรุนแรงของการอาร์คและลดอัตราการเกิด Spatter ลงได้