♦ 6 กรณีศึกษา การเลือกใช้ลวดเชื่อม สำหรับการเชื่อมอลูมิเนียม
สองสามสัปดาห์ที่ผ่านมา ผู้เขียนได้รับคำถามเกี่ยวกับการเลือกใช้ลวดเชื่อมอลูมิเนียมพอสมควร ความจริงแล้วคำถามที่ได้รับนั้นถือว่าไม่ได้ซับซ้อนยุ่งยากมากนักในทางปฏิบัติงานเชื่อม เพียงแต่ปัญหาที่เกิดขึ้นคือ การที่ผู้ใช้ไม่สามารถเลือกใช้หรือสรรหาลวดเชื่อมที่เหมาะสมที่สุดกับงานของผู้ใช้ได้จากตัวแทนจำหน่ายหรือผู้ขายลวดเชื่อมอลูมิเนียมในประเทศ
เป็นที่ทราบกันดีว่าอลูมิเนียมที่ใช้งานในอุตสาหกรรมปัจจุบัน มีทั้งอลูมิเนียมหล่อและอลูมิเนียมรูปพรรณ โดยมีการแบ่งกลุ่มหลักๆ ไม่ต่ำกว่า 7 กลุ่ม อีกทั้งยังมีการแบ่งเป็นกลุ่มย่อยๆ ออกไปอีกมากมาย ซึ่งการแบ่งกลุ่มของอลูมิเนียมเหล่านี้ จะแบ่งตามโลหะที่ผสมลงไปในอลูมิเนียมและการปรับปรุงธาตุผสมหรือการกำหนดปริมาณสิ่งเจือปน รวมถึงการระบุประเภทของส่วนผสมและความบริสุทธิ์ของส่วนผสมด้วย
จากข้อกำหนดของการปรับปรุงธาตุผสมหรือการกำหนดปริมาณสิ่งเจือปน ในอลูมิเนียมนั้น เมื่อถึงคราวจำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อประสาน จึงต้องใช้ลวดเชื่อมที่มีส่วนผสมทางเคมีใกล้เคียงที่สุดกับชิ้นงานที่ต้องการเชื่อม เพื่อให้สมบัติของแนวเชื่อมที่ได้นั้นเท่ากับหรือดีกว่าชิ้นงานที่นำมาเชื่อม
การที่มีการแบ่งกลุ่มของอลูมิเนียมออกไปมากมายนั้น จึงมีความจำเป็นต้องมีการผลิตลวดเชื่อมหลากหลายชนิดตามมา เพื่อให้ผู้ใช้สามารถเลือกใช้ลวดเชื่อมที่ให้สมบัติของแนวเชื่อมเท่ากับหรือดีกว่าชิ้นงานที่นำมาเชื่อมตามที่กล่าวมาแล้ว
สมาคมการเชื่อมของสหรัฐอเมริกา (American Welding Society; AWS) ได้จัดแบ่งลวดเชื่อมที่สามารถใช้เชื่อมอลูมิเนียมในปัจจุบันได้ประมาณ 20 เบอร์ ตามข้อกำหนดใน AWS A5.10 (ตารางที่ 1 ) แต่โชคร้ายของผู้ใช้งานเชื่อมอลูมิเนียมในบ้านเราคือ การที่ตัวแทนจำหน่ายหรือผู้ขายลวดเชื่อมอลูมิเนียมในประเทศ มักจำหน่ายลวดเชื่อมอลูมิเนียมเพียง 4 เบอร์ หลักๆ ที่มีการใช้ประจำคือเบอร์ 1100, 4043, 4047 และ 5356 ในขณะที่ลวดเชื่อมเบอร์อื่นๆ ที่มีการใช้งานน้อย ผู้ขายมักจะไม่นำเข้า ทำให้ผู้ใช้เกิดความยากลำบากในการสรรหาลวดเชื่อม และต้องหันไปใช้ลวดเชื่อมเบอร์อื่นทดแทนส่งผลให้งานมีสมบัติแนวเชื่อมไม่ได้ตามที่กำหนดไว้
ถึงแม้ว่าลวดเชื่อมอลูมิเนียมเบอร์ 4043 และ 5356 เป็นลวดเชื่อมอลูมิเนียมที่อาจจะครอบคลุมงานเชื่อมอลูมิเนียมได้มากมาย แต่อย่างไรก็ตาม ลวดเชื่อมทั้งสองเบอร์นี้ยังไม่ใช่ลวดเชื่อมที่เป็นคำตอบสุดท้ายสำหรับงานที่ต้องการคุณภาพและความสมบูรณ์ของแนวเชื่อมสูง
กรณีศึกษาต่อไปนี้ เป็นคำถามที่ผู้เขียนได้รับจากผู้ที่ปฏิบัติงานเชื่อมอลูมิเนียม นับว่าเป็นกรณีศึกษาที่น่าสนใจ เหมาะที่จะเป็นตัวอย่างให้แก่ผู้ใช้งานอื่นๆ และตัวแทนจำหน่ายหรือผู้ขายลวดเชื่อมอลูมิเนียมในประเทศ ที่จะลองนำเข้าลวดเชื่อมเบอร์อื่นๆ เพื่อเป็นตัวเลือกให้กับลูกค้าในประเทศบ้าง
กรณีศึกษาที่ 1 ลวดเชื่อมอลูมิเนียมเบอร์ใดที่เหมาะกับการเชื่อมท่ออลูมิเนียม 6061-T6โดยมีข้อกำหนดให้ทำการชุบอโนไดซ์หลังจากเชื่อม แล้วให้สีของแนวเชื่อมหลังจากการชุบใกล้เคียงกับเนื้อชิ้นงานมากที่สุด
หากพิจารณาโดยเบื้องต้น อลูมิเนียมกลุ่ม 6xxx นี้ สามารถใช้ลวดเชื่อมได้สองกลุ่มคือลวดเชื่อมกลุ่ม 4xxx และ กลุ่ม 5xxx แต่ในความเป็นจริงของบ้านเรามักจะพบเห็นการเชื่อมอลูมิเนียมเบอร์ 6061 ด้วยลวดเชื่อมเบอร์ 4043 และ 5356 เป็นหลัก เนื่องจากเป็นลวดเชื่อมที่นิยมใช้ และผู้จำหน่ายมักจะมีสินค้าเตรียมไว้เพื่อจำหน่ายเสมอ แต่คำถามที่เกิดขึ้นคือ ระหว่างเบอร์ 4043 และ 5356 ลวดเบอร์ใดเป็นเบอร์ที่เหมาะที่สุด ??
การที่มีข้อกำหนดว่า ชิ้นงานที่ได้หลังจากการเชื่อมนั้น จะต้องนำไปทำการชุบอโนไดซ์ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นต้องพิจารณาในเรื่องของธาตุเคมีที่อยู่ในลวดเชื่อม โดยธาตุที่มีอิทธิพลต่อสีที่ได้หลังจากการชุบสำหรับงานอลูมิเนียมคือซิลิกอนและโครเมี่ยม โดยที่ซิลิกอนจะทำให้เกิดสีเทาดำ โดยขึ้นอยู่กับปริมาณที่มีอยู่ ส่วนโครเมี่ยมจะให้สีเหลืองหรือทองเมื่อนำอลูมิเนียมไปทำการชุบอโนไดซ์
เมื่อพิจารณาลวดเชื่อมเบอร์ 4043 ซึ่งเป็นลวดเชื่อมที่มีปริมาณซิลิกอนประมาณ 5% ในขณะที่ลวดเชื่อมเบอร์ 5356 มีปริมาณซิลิกอนเพียง 0.25% แต่เพิ่มแมกนีเซียมประมาณ 5% แทน ดังนั้น เมื่อนำลวดเชื่อมทั้งสองเบอร์นี้ไปเชื่อมอลูมิเนียมเบอร์ 6061 แล้วนำไปชุบอโนไดซ์ จะพบว่าสีของแนวเชื่อมที่ได้จากลวดเชื่อมเบอร์ 4043 จะมีความเข้มกว่าชิ้นงานที่นำมาเชื่อม ตามรูปที่ 1
กรณีศึกษาที่ 2 ลวดเชื่อมอลูมิเนียมเบอร์ใดที่เหมาะกับการเชื่อมท่ออลูมิเนียม 6063โดยมีข้อกำหนดให้ทำการชุบอโนไดซ์หลังจากเชื่อม แล้วให้สีของแนวเชื่อมหลังจากการชุบใกล้เคียงกับเนื้อชิ้นงานมากที่สุด และต้องนำไปใช้งานที่อุณหภูมิ ประมาณ 100oC
กรณีศึกษาข้อนี้คล้ายๆ กับข้อแรกแต่มีข้อกำหนดเรื่องการใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่าปกติ ซึ่งลวดเชื่อม 4043 ที่เหมาะกับการใช้งานอลูมิเนียมที่อุณหภูมิสูงนั้นจะไม่เหมาะกับงานตามกรณีนี้เนื่องจากปัญหาเรื่องความแตกต่างของสีแนวเชื่อมหลังจากการชุบอโนไดซ์ ดังนั้นจึงต้องพิจารณาลวดเชื่อมกลุ่ม 5xxx ทดแทน
ลวดเชื่อมกลุ่ม 5xxx เป็นลวดเชื่อมที่มีแมกนีเซียมเป็นส่วนผสม แต่จากการศึกษาพบว่า การใช้งานอลูมิเนียมที่มีปริมาณแมกนีเซียมเกินกว่า 3 % ที่ระดับอุณหภูมิเกินกว่า 65oC ถึง 175oC เป็นเวลานาน จะทำให้เกิดการแตกหักเนื่องจาก เกิดการกัดกร่อนร่วมกับความเค้น (Stress Corrosion Cracking) ดังนั้นการเลือกใช้ลวดเชื่อมเบอร์ 5356, 5183, 5654 และ 5556 ที่มีปริมาณแมกนีเซียมประมาณ 4-5% จึงไม่เหมาะสมกับการใช้งานตามกรณีศึกษานี้เนื่องจากจะทำให้เกิดการเสียหายของแนวเชื่อมในที่สุด
ลวดเชื่อมเบอร์ 5356 ที่หาซื้อง่ายในบ้านเรา จะให้สีของแนวเชื่อมใกล้เคียงกับชิ้นงานมากที่สุด แต่ปัญหาคือลวดเชื่อมเบอร์นี้มีปริมาณแมกนีเซียมถึง 5% ดังนั้นจึงไม่สามารถนำมาใช้กับงานนี้ได้เช่นกัน สำหรับกรณีศึกษานี้การเลือกใช้ลวดเชื่อมเบอร์ 5554 ที่มีปริมาณแมกนีเซียมประมาณ 2.4 – 3.0% จึงเป็นทางเลือกที่ดีที่สุด
กรณีศึกษาที่ 3 หากต้องการเชื่อมโครงสร้างอลูมิเนียม 6061-T6 ที่มีความหนาระหว่าง 1 ถึง 2 นิ้ว มีทั้งแนวเชื่อมต่อชนและต่อฉาก และโครงสร้างนี้จะต้องผ่านกระบวนการทางความร้อนหลังเชื่อม รวมทั้งทำการบ่มเทียม (Artificial aging) เพื่อให้โครงสร้างสมบูรณ์ โดยแนวเชื่อมทั้งหมดจะต้องได้ความแข็งแรงที่ดีหลังจากผ่านกระบวนการทางความร้อน
กรณีศึกษานี้ก็เช่นเดียวกัน โดยที่เป็นการเชื่อมอลูมิเนียมกลุ่ม 6xxx ซึ่ง สามารถใช้ลวดเชื่อมได้สองกลุ่มคือลวดเชื่อมกลุ่ม 4xxx และ กลุ่ม 5xxx แต่ประเด็นที่ต้องพิจารณาคือ การที่งานชิ้นนี้ต้องผ่านกระบวนการทางความร้อนหลังจากการเชื่อม (Postweld Heat Treatment) ซึ่งจะไม่สามารถใช้ลวดเชื่อมเบอร์ยอดนิยมอย่าง 5356 ได้ เนื่องจากเป็นลวดเชื่อมที่ไม่เหมาะสำหรับการผ่านกระบวนการทางความร้อนหลังจากการเชื่อม จึงต้องพิจารณาลวดเชื่อมกลุ่ม 4xxx ทดแทน
ในที่สุด ลวดเชื่อมยอดฮิตอย่างเบอร์ 4043 ดูเหมือนจะเป็นคำตอบ แต่อย่างไรก็ตาม ลวดเชื่อมเบอร์ 4043 นี้ก็ยังไม่ใช่ลวดเชื่อมที่เหมาะกับการผ่านกระบวนการทางความร้อนหลังจากเชื่อม เนื่องจากว่าแนวเชื่อมที่ได้จากลวดเชื่อม 4043 จะไม่สามารถให้ความแข็งแรงเทียบเท่าชิ้นงาน 6061 ที่เป็นโลหะงาน ยกเว้นเสียแต่ว่าปริมาณแมกนีเซียมจากโลหะงานจะถูกดึงออกมาผสมในเนื้อเชื่อมได้มากเพียงพอในระหว่างทำการเชื่อม แต่ที่ความหนาระดับนี้ จะเป็นการยากมากที่จะทำให้แมกนีเซียมในเนื้อโลหะงานถูกดึงมาผสมกับเนื้อเชื่อมได้ทั่วถึง ดังนั้นจึงมีโอกาสน้อยมากที่แนวเชื่อมจะมีความแข็งแรงเทียบเท่าโลหะงานในสภาวะ T6
ลวดเชื่อมที่เหมาะกับงานนี้คือลวดเชื่อมที่สามารถตอบสนองต่อการทำกระบวนการทางความร้อนหลังจากเชื่อมโดยที่ไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงการดึงปริมาณแมกนีเซียมจากชิ้นงานเชื่อม นั่นคือลวดเชื่อมเบอร์ 4643 ซึ่งเป็นลวดที่ถูกผลิตขึ้นมาเพื่อการนี้โดยเฉพาะ โดยที่ลวดเชื่อมเบอร์ 4643 นี้ จะมีส่วนผสมคล้ายกับลวดเชื่อมเบอร์ 4043 แต่ว่าเพิ่มปริมาณแมกนีเซียมประมาณ 0.1 – 0.3% เพื่อให้ตอบสนองต่อการทำกระบวนการทางความร้อนหลังจากการเชื่อม การเชื่อมอลูมิเนียมกลุ่ม 6xxx ด้วยลวดเชื่อม 4643 โดยทั่วไปจะให้ความแข็งแรงของแนวเชื่อมได้เกือบ 90% ของชิ้นงานอลูมิเนียมในสภาพ T6 ภายหลังจากการผ่านกระบวนการทางความร้อน
ปัจจุบันได้มีการพัฒนาลวดเชื่อมเบอร์ 4943 ขึ้นมาใช้ ซึ่งแต่เดิมลวดเชื่อมเบอร์ 4943 ถูกออกแบบให้มีความแข็งแรงมากกว่าลวดเชื่อมเบอร์ 4043 ในสภาพหลังจากเชื่อม(As-welded) แต่ลวดเชื่อมเบอร์ 4943 ก็สามารถเพิ่มความแข็งแรงได้มากกว่าลวดเชื่อมเบอร์ 4643 เมื่อผ่านกระบวนการทางความร้อน และจากการทดสอบพบว่า ลวดเชื่อมเบอร์ 4943 จะให้ความแข็งแรงของแนวเชื่อมได้ 100% ของชิ้นงานอลูมิเนียม 6061- T6 ภายหลังจากการผ่านกระบวนการทางความร้อน
กรณีศึกษาที่ 4 หากต้องการเชื่อมอลูมิเนียมเบอร์ 6061-T6 กับอลูมิเนียมหล่อเกรด A356
กรณีศึกษานี้น่าสนใจที่ว่าเป็นการเชื่อมอลูมิเนียมต่างชนิดกัน ซึ่งเป็นการเชื่อมที่อาจเรียกได้ว่าไม่ธรรมดานัก โดยหลักแล้วการเชื่อมอลูมิเนียมต่างชนิดกันนั้น ต้องคำนึงถึงธาตุเคมีที่ผสมในอลูมิเนียม อลูมิเนียมที่มีซิลิกอนสูงต้องไม่เชื่อมกับอลูมิเนียมที่มีแมกนีเซียมสูง และ อลูมิเนียมที่มีทองแดงสูงต้องไม่เชื่อมกับอลูมิเนียมที่มีแมกนีเซียมสูง นอกจากนั้น เช่น A356 กับ 6061 จะไม่เป็นปัญหาแต่อย่างใด
อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ต้องคำนึงถึงเป็นอย่างมากคือลวดเชื่อมที่เหมาะสมที่สุด เมื่อพิจารณาตัวอลูมิเนียม 6061 (อยู่ในกลุ่ม 6xxx) จะสามารถใช้ลวดเชื่อมได้สองกลุ่มคือลวดเชื่อมกลุ่ม 4xxx และ กลุ่ม 5xxx ตามที่กล่าวมาแล้ว ดังนั้นสามารถพิจารณาลวดเชื่อมที่หาง่ายก่อนนั่นคือ 4043 และ 5356
และเมื่อพิจารณาตัวอลูมิเนียมหล่อ A356 ซึ่งมีปริมาณซิลิกอนสูง จึงไม่เหมาะกับการเชื่อมด้วยลวดเชื่อมกลุ่ม 5xxx ที่มีปริมาณแมกนีเซียมสูง ดังนั้นสำหรับงานตามกรณีศึกษานี้ จึงเหมาะที่จะใช้ลวดเชื่อม 4043 เป็นทางออกที่ดีที่สุด
กรณีศึกษาที่ 5 หากต้องการเชื่อมเฟรมอลูมิเนียมสำหรับงานขนถ่ายวัสดุ โครงสร้างนี้ต้องใช้งานในสภาวะที่รุนแรงและมีแรงกระแทกสูง เฟรมที่ออกแบบไว้คือเฟรมอลูมิเนียมแบบเอ็กทรูดรูปทรงต่างๆ ซึ่งเป็นอลูมิเนียมเกรด 6xxx โครงสร้างนี้ใช้งานที่อุณหภูมิห้องปกติในสภาพหลังจากเชื่อม ไม่ต้องทำอโนไดซ์
กรณีศึกษานี้ต้องพิจารณาประเด็นสมบัติของแนวเชื่อมที่ต้องมีความเหนียวและอัตราการยืดตัวของรอยต่อที่ดีเป็นหลัก เนื่องจากเป็นโครงสร้างที่ต้องการรับแรงกระแทก และตามที่กล่าวมาแล้ว ตัวอลูมิเนียม 6061 (อยู่ในกลุ่ม 6xxx) จะสามารถใช้ลวดเชื่อมได้สองกลุ่มคือลวดเชื่อมกลุ่ม 4xxx และ กลุ่ม 5xxx
โดยปกติซิลิกอนที่ผสมในลวดเชื่อมกลุ่ม 4xxx เป็นธาตุที่ช่วยให้มีอุณหภูมิการหลอมตัวต่ำ อัตราการหดตัวต่ำ มีการไหลตัวของน้ำโลหะได้ดี และต้านทานต่อการแตกร้าวในขณะแข็งตัวได้ดี แต่อย่างไรก็ตาม ซิลิกอนจะส่งผลลบต่อความเหนียวและอัตราการยืดตัว ดังนั้นเมื่อพิจารณาระหว่างลวดเชื่อมกลุ่ม 4xxx และกลุ่ม 5xxx แล้วพบว่าลวดเชื่อมกลุ่ม 4xxx จะให้ความเหนียวและอัตราการยืดตัวต่ำกว่าลวดเชื่อมกลุ่ม 5xxx ดังนั้นสำหรับงานตามกรณีศึกษานี้ จึงเหมาะที่จะใช้ลวดเชื่อม 5356 มากกว่าลวดเชื่อมเบอร์ 4043
กรณีศึกษาที่ 6 ได้ทำการเชื่อมอลูมิเนียม 2036 ด้วยลวดเชื่อม 4043 แล้วพบว่าแนวเชื่อมแตกร้าว ต้องการทราบวิธีการแก้ปัญหาหรือหาลวดเชื่อมที่เหมาะสม
กรณีศึกษานี้ เป็นหนึ่งในกรณีศึกษาที่น่าสนใจ เนื่องจากเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางโลหะวิทยาในเรื่องของความไวต่อการแตกร้าวของแนวเชื่อม ความไวต่อการแตกร้าวของแนวเชื่อมมักมีสาเหตุจากส่วนผสมของลวดเชื่อมกับส่วนผสมของชิ้นงานที่นำมาเชื่อมทั้งสองชิ้นนั้นไม่สามารถเข้ากันได้ ร่วมกับความเค้นที่เกิดขึ้นจากการหดตัวของชิ้นงานขณะเย็นตัวในทิศทางตั้งฉากกับแนวเชื่อม การแตกของแนวเชื่อมลักษณะเช่นนี้เรียกว่า การแตกร้าวขณะร้อนหรือการแตกร้าวขณะแข็งตัว (Hot cracking or Solidification cracking)
การลดความเค้นที่เกิดขึ้นในแนวเชื่อมสามารถทำได้โดยเลือกลวดเชื่อมที่มีอุณหภูมิการแข็งตัวที่ต่ำกว่าอุณหภูมิการแข็งตัวของชิ้นงานเชื่อม กล่าวให้เข้าใจโดยง่ายคือ เลือกใช้ลวดเชื่อมที่แข็งตัวช้ากว่าชิ้นงานเชื่อมนั่นเอง ดังนั้นในกรณีการเชื่อมอลูมิเนียมเบอร์ 2036 ซึ่งเป็นอลูมิเนียมกลุ่มที่มีความเสี่ยงต่อการแตกร้าวขณะร้อนสูง มีระดับอุณหภูมิหลอมละลายและการแข็งตัวประมาณ 1030oF กรณีเช่นนี้ การเลือกใช้ลวดเชื่อมกลุ่ม 4xxx จึงเป็นทางเลือกที่ดี
เมื่อพิจารณาระหว่างลวดเชื่อมเบอร์ 4043 และ 4145 จะพบว่าลวดเชื่อมเบอร์ 4043 มีอุณหภูมิแข็งตัวประมาณ 1065 oF ขณะที่ ลวดเชื่อมเบอร์ 4145 จะมีอุณหภูมิแข็งตัวที่ 970oF ดังนั้นเมื่อนำลวดเชื่อมเบอร์ 4043 ไปทำการเชื่อมอลูมิเนียม 2036 จึงมีโอกาสเกิดการแตกร้าวได้มากกว่า เนื่องจากเนื้อเชื่อมจะแข็งตัวเร็วกว่าชิ้นงาน แต่หากเลือกใช้ลวดเชื่อมเบอร์ 4145 จะทำให้ชิ้นงานบริเวณแนวเชื่อมแข็งตัวโดยสมบูรณ์ก่อนการแข็งตัวของเนื้อเชื่อม ดังนั้น เมื่อเกิดความเค้นเนื่องจากการหดตัวของแนวเชื่อมในขณะเย็นตัว เนื้อชิ้นงานบริเวณแนวเชื่อมก็จะมีความสามารถในการรับแรงได้เต็มที่ ทำให้สามารถลดการแตกร้าวขณะร้อนลงได้
จากตัวอย่างกรณีศึกษาทั้งหมด จะพบว่าลวดเชื่อมอลูมิเนียมเพียงแค่เบอร์ 1100, 4043, 4047 และ 5356 ที่หาซื้อง่ายในบ้านเราจึงไม่ใช่คำตอบสุดท้ายของงานเชื่อมอลูมิเนียมทั้งหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง “งานที่ต้องการคุณภาพ”
เรียบเรียงโดย ชัชชัย อินนุมาตร
