♦ แนวทางในการเลือกลวดเชื่อม สำหรับเชื่อมเหล็กกล้าผสมต่ำ เกรด 4140

Filler Metals Selection Guide for Welding 4140 Low–Alloy Steels

โดย ชัชชัย  อินนุมาตร

ผู้จัดการผลิตภัณฑ์ บจก. เทอร์มอล แมคคานิคส์

 

“…การเลือกลวดเชื่อมให้ตรงกับความแข็งแรงที่ต้องการในสภาวะกำหนดเป็นเรื่องที่ยาก บทความนี้จะให้แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด สำหรับการเลือกลวดเชื่อมที่เหมาะสมสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าผสมต่ำ เกรด  4140…”

 

โลหะเหล็กกล้าผสมต่ำ เกรด 4140 (Low Alloy Steel 4140)  รู้จักกันดีในตลาดค้าขายเหล็กในประเทศไทย ในนาม “เหล็กหัวฟ้า” เหล็กชนิดนี้หากอ้างอิงตามมาตรฐานสากลแล้ว จัดอยู่ในกลุ่มมาตรฐาน AISI 4140 ซึ่งจะเทียบเท่าตามมาตรฐาน ASTM A29/A29M หรือมาตรฐานญี่ปุ่นคือ JIS G4053:SCM440  จัดอยู่ในกลุ่มเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง ในกลุ่มโลหะผสมต่ำที่มีความแข็งแรงสูง ( High Strength Low Alloy; HSLA) มีปริมาณคาร์บอนประมาณร้อยละ 0.38 – 0.43  ทำให้สามารถชุบแข็งและอบคืนตัว (Quenched and Tempered) ได้ด้วยกระบวนการทางความร้อน เพื่อให้ได้ความแข็งแรงและคุณสมบัติตามต้องการได้  เหล็กเกรด 4140  เป็นหนึ่งในเหล็กกล้าผสมต่ำที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมเป็นจำนวนมาก เช่น  ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่ต้องการความแข็งแรงสูง เพลาข้อเหวี่ยง ข้อต่อก้านพวงมาลัย เพลาล้อ ก้านสูบ ดอกเจาะบ่อน้ำมัน เฟืองหรือเพลาเครื่องจักร แกนกลางเครื่องอัดแรงของแม่แรงไฮโดรลิค สกรูและน็อตของอุตสาหกรรมน้ำมัน รวมทั้งชิ้นส่วนเครื่องจักรที่ต้องการความแข็งแรง  และเมื่อจำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อประสานชิ้นส่วนเหล่านี้ บ่อยครั้งที่ผู้ใช้งานมักเกิดความยุ่งยากในการตัดสินใจออกแบบกระบวนการเชื่อม เนื่องจากต้องคำนึงถึงการเลือกใช้ลวดเชื่อม  การให้ความร้อนทั้งก่อนและหลังการเชื่อม  ความแข็ง และความแข็งแรงของรอยต่อที่จะได้รับ เป็นต้น

ความสามารถในการทำให้เกิดความแข็ง เป็นหัวใจของเหล็กกล้าผสมต่ำกลุ่ม 4140 ที่ได้รับจากการอบชุบด้วยความร้อน อย่างไรก็ตาม ด้วยคุณสมบัติทางกลที่แตกต่างกันของเหล็กกลุ่มนี้ตามรูปแบบการอบชุบ อาจทำให้การเลือกลวดเชื่อมให้ตรงกับความแข็งแรงที่ต้องการในสภาวะกำหนดเป็นเรื่องที่ยาก ด้วยเหตุผลดังกล่าว จึงมีหลายวิธีในการเชื่อมเหล็กกล้าผสมต่ำเกรด 4140 ซึ่งขึ้นอยู่กับการใช้งานและผลที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น การเชื่อมท่อผนังบางสำหรับโครงสร้างรถแข่งด้วยเหล็กเกรด 4140  ย่อมมีข้อกำหนดทางการเชื่อมแตกต่างไปจากการใช้เหล็กกลุ่มนี้เพื่อทำวาล์วขนาดใหญ่ สำหรับใช้งานหนักในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี หรือชิ้นส่วนทางกลของอุตสาหกรรมขุดเจาะน้ำมัน

บทความนี้จะให้แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด ในการเลือกลวดเชื่อมที่เหมาะสม พร้อมคำแนะนำเพิ่มเติม และอุณหภูมิการให้ความร้อนก่อนการเชื่อม สำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าผสมต่ำ เกรด  4140 ดังต่อไปนี้

 

หลักพิจารณาในการเชื่อมเหล็กกล้าผสมต่ำ เกรด 4140

เหล็กกล้าผสมต่ำ เกรด 4140 อาศัยการเพิ่มปริมาณคาร์บอน รวมถึงโมลิบดีนัมและโครเมียม ที่เป็นธาตุช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง ทำให้สามารถเพิ่มความแข็งและความแข็งแรงทางกลโดยใช้การอบชุบความร้อน ความแข็งแรงของวัสดุสามารถเปลี่ยนแปลงได้มาก ขึ้นอยู่กับลักษณะการอบชุบความร้อน  ได้แก่ การอบอ่อน (Annealing) การอบปกติเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติ (Normalizing)  การชุบแข็งและอบคืนตัว (Quenched and Tempered)  ตัวอย่างเช่น ความแข็งแรงโดยประมาณของเหล็กกล้าผสมต่ำ 4140 เมื่อผ่านการอบอ่อนคือ 90 ksi ในขณะที่สภาพการอบปกติจะอยู่ที่ประมาณ 100 ksi  ส่วนเหล็กกล้าผสมต่ำ 4140 ที่ผ่านการชุบแข็งและอบคืนตัวด้วยความร้อนนั้นจะมีความแข็งแรงเชิงกลมากที่สุด  โดยให้ความแข็งแรงสูงสุดถึง 200 ksi

ด้วยเหตุนี้ เราจึงสามารถใช้ลวดเชื่อมหรือลวดเชื่อมได้หลายประเภท ในการเชื่อมเหล็ก 4140 โดยประสบผลสำเร็จ แม้ว่าผู้ทำการเชื่อมอาจจะต้องการลวดเชื่อมที่มีคุณสมบัติดีกว่า (Overmatching) หรือแค่เพียงเทียบเท่าตรงกัน (Matching) กับคุณสมบัติทางเชิงกลของเหล็กกล้า 4140 เท่านั้น

มีแนวทาง 3 ประการ สำหรับการเลือกลวดเชื่อมที่เหมาะสมตามสภาพของเหล็กหรือความต้องการตามลักษณะการใช้งาน ดังนี้

 

ลวดเชื่อมที่ให้ความแข็งแรงต่ำกว่าโลหะหลัก (Strength Undermatch) : เมื่อการออกแบบชิ้นส่วนและ/หรือมีข้อจำกัดในการเชื่อม เช่น เป็นชิ้นงานที่ผ่านการชุบแข็งมาก่อน ไม่สามารถทำการให้ความร้อนก่อนหรือหลังการเชื่อมได้ เช่นงานเชื่อมซ่อมบำรุง  กรณีเช่นนี้ หากยอมรับได้ว่าเนื้อแนวเชื่อมอาจไม่จำเป็นต้องมีความแข็งแรงเทียบเท่ากับเนื้อโลหะชิ้นงานแล้ว ก็สามารถใช้ลวดเชื่อมที่มีความแข็งแรงต่ำกว่าได้ เช่น ลวดเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอน ที่ให้ความแข็งแรงดึงประมาณ 70 ksi เช่น ลวดเชื่อม Thermatech TM-76 หรือ Bohler Fox S EV 50 สำหรับการเชื่อมด้วยเครื่องเชื่อมอาร์คไฟฟ้าด้วยมือ     หรือลวดเชื่อม Thermatech TM-70  สำหรับกระบวนการเชื่อมแบบ MIG/MAG หรือลวดเชื่อมสแตนเลสกลุ่ม 309 เช่น TM-309L หรือ 310, 312 หรือลวดเชื่อมกลุ่มนิคเกิล เช่น ENiCrFe-2 and ENiCrFe-3

ลวดเชื่อมประเภทนี้มีข้อได้เปรียบที่ดีในด้านการต้านทานต่อการแตกร้าวเนื่องจากมีความเหนียว ทำให้ทนต่อความเค้นที่เกิดขึ้นจากการขยายและหดตัวจากการเชื่อม รอยเชื่อมจะสามารถรับแรงได้ในสภาวะพลาสติคโดยไม่ทำให้ชิ้นงานหลักเกิดการแตกเสียหาย อย่างไรก็ตาม การใช้ลวดเชื่อมกลุ่มนี้ จะได้รอยเชื่อมที่มีความแข็งแรงน้อยกว่าโลหะชิ้นงาน  แต่ตราบใดที่การออกแบบชิ้นส่วนสามารถรับต่อสภาวะ undermatch นี้ได้ การได้แนวเชื่อมที่มีความแข็งแรงต่ำกว่าเนื้อชิ้นงานก็ไม่ทำให้เกิดปัญหา ดูรูปที่ 2 สำหรับ ลวดเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอน ที่สามารถใช้เชื่อมเหล็กกล้า 4140  โดยให้ความแข็งแรงต่ำกว่า (Undermatch) เนื้อโลหะชิ้นงาน

ลวดเชื่อมที่ให้ความแข็งแรงในสภาวะอบอ่อนเท่ากันกับโลหะชิ้นงาน (Matching annealed strength) : หากเหล็ก 4140 อยู่ในสภาพอบอ่อน (เป็นสภาวะที่แนะนำสำหรับการเชื่อม เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าว) โดยหลังจากการเชื่อมจะไม่มีการปรับปรุงคุณสมบัติด้วยความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ การใช้ลวดเชื่อมที่มีคุณสมบัติความแข็งแรงเทียบเท่ากันเป็นเรื่องปกติและเป็นที่ยอมรับ  ลวดเชื่อมที่ให้ความแข็งแรงดึงประมาณ 80 – 90 ksi  ตามตารางที่ 1.  จะเป็นลวดเชื่อมที่เหมาะสมกับเหล็กกล้า 4140 ในสภาวะอบอ่อน ลวดเชื่อมประเภทนี้มีข้อได้เปรียบในด้านความแข็งแรงของรอยต่อที่เทียบเท่ากันโดยไม่มีความไวต่อการแตกร้าวอันเนื่องจากความแตกต่างของส่วนผสมทางเคมี

ลวดเชื่อมที่ให้ส่วนผสมทางเคมีเข้ากันได้กับโลหะชิ้นงาน (Chemistry Match) : สำหรับเหล็กกล้า 4140 ที่ต้องผ่านการชุบแข็งและอบคืนตัวหลังการเชื่อม กรณีนี้จำเป็นต้องใช้ลวดเชื่อมที่สามารถรองรับต่อการปรับปรุงคุณสมบัติทางความร้อนในลักษณะเดียวกับโลหะชิ้นงาน กล่าวให้เข้าใจง่ายคือ ต้องจับคู่เหล็กกล้า 4140 กับลวดเชื่อม 4140 ที่ให้ความแข็งแรงทางเชิงกลและมีส่วนผสมทางเคมีเหมือนกัน

สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ เหล็กกล้า 4140 มีปริมาณคาร์บอนสูง จึงทำให้สามารถอบชุบด้วยความร้อนได้  ส่งผลให้มีความไวต่อการแตกร้าวมากขึ้น ดังนั้นหากการใช้งานไม่จำเป็นต้องมีการอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อม ก็ไม่มีประโยชน์ใด ๆ กับการเลือกใช้ลวดเชื่อมที่มีส่วนผสมทางเคมีที่เข้ากันได้กับโลหะชิ้นงาน

มีลวดเชื่อมอื่น ๆ ที่สามารถใช้เชื่อมเหล็ก 4140 ได้ผลสำเร็จ เช่น ลวดเชื่อมสแตนเลสกลุ่ม  309  (Thermtech TM-309L)  หรือ 310, 312 หรือลวดเชื่อมกลุ่มนิคเกิล เช่น ENiCrFe-2 and ENiCrFe-3  ลวดเชื่อมประเภทนี้ให้ความแข็งแรงดี มีความเหนียวจึงให้ความต้านทานต่อการแตกร้าวได้ดี ใช้เชื่อมโลหะต่างชนิดกันได้ แต่อย่างไรก็ตาม ลวดเชื่อมประเภทนี้จะมีราคาที่สูงกว่าลวดเชื่อมทั่วไป แต่ทำให้การเชื่อมเหล็กกลุ่ม 4140 ได้อย่างประสบผลสำเร็จโดยง่าย

 

คำแนะนำเพิ่มเติมสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าผสมต่ำ เกรด 4140

การให้ความร้อนก่อนการเชื่อม การเย็นตัวอย่างช้าๆ หลังจากการเชื่อม รวมถึงการคลายความเค้น  ปัจจัยเหล่านี้ ไม่ว่าจะสาเหตุเดียวหรือหลายสาเหตุรวมกัน ล้วนเป็นสาเหตุต่อความเสี่ยงที่จะเกิดการแตกร้าว เป็นข้อควรระวังสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้า 4140 ที่ต้องคำนึงถึง

เราสามารถให้ความร้อนก่อนการเชื่อม เพื่อชะลออัตราการเย็นตัว และลดความเสี่ยงต่อการเกิดรอยแตกร้าวในในแนวเชื่อม  ยิ่งให้ความร้อนก่อนการเชื่อมมากเท่าใด ก็จะเย็นตัวช้าลงเท่านั้น การควบคุมอัตราการเย็นตัวของแนวเชื่อม สามารถทำได้โดยใช้ผ้าห่มทนไฟ  เตาอบ หรือวิธีการอื่นๆ วิธีปฏิบัตินี้มีข้อดีเช่นเดียวกันกับให้ความร้อนก่อนเชื่อม  เพื่อลดโอกาสการเกิดโครงสร้างทางโลหะวิทยาที่ไม่ต้องการ ซึ่งจะช่วยให้ชิ้นงานต้านทานต่อการแตกร้าวได้  ตารางที่ 2. เป็นข้อแนะนำในการให้ความร้อนก่อนการเชื่อม

การคลายความเค้นหลังการเชื่อม เป็นอีกวิธีหนึ่งที่ช่วยป้องกันการแตกร้าวและข้อบกพร่องในรอยเชื่อม  งานเชื่อมที่บาง (ความหนาน้อยกว่า 3 มม.) มักไม่จำเป็นต้องคลายความเค้นหลังการเชื่อม เนื่องจากการแตกร้าวเป็นเรื่องที่ไม่ค่อยน่ากังวล โดยทั่วไป วัสดุที่มีความหนาจะอบคลายความเค้นหลังการเชื่อม ที่ 590 – 670 ^oC เป็นเวลาประมาณหนึ่งชั่วโมงต่อนิ้วของความหนาชิ้นงานเชื่อม

 

กุญแจสู่ความสำเร็จ

การเชื่อมเหล็กกล้า 4140 ก็เหมือนกับการเชื่อมโลหะอื่นๆ  ความรู้เกี่ยวกับการเลือกลวดเชื่อม คุณสมบัติลวดเชื่อมและของวัสดุชิ้นงาน สามารถช่วยทำให้การเชื่อมเหล็ก 4140 ประสบความสำเร็จได้ง่ายยิ่งขึ้น  สิ่งสำคัญคือการทราบว่าชิ้นงานที่นำมาเชื่อมนั้นอยู่ในสภาพใดและมีข้อกำหนดใดที่จำเป็นสำหรับงานเมื่อทำการเชื่อมแล้วเสร็จ  ในหลายกรณี มีสิ่งซับซ้อนหรือข้อควรพิจารณาสำหรับงานนั้นๆ ไม่เหมือนกับที่คิดไว้ในตอนแรก ดังนั้นเมื่อท่านมีคำถามเกี่ยวกับแนวทางในการใช้ลวดเชื่อม ให้ปรึกษากับผู้ผลิตหรือผู้จำหน่ายลวดเชื่อมที่เชื่อถือได้ เพื่อขอความช่วยเหลือ   บริษัทเทอร์มอล แมคคานิคส์ จำกัด มีวิศวกรงานเชื่อมที่คอยให้คำปรึกษาท่าน ยามเมื่อท่านต้องการ  หากท่านต้องการความช่วยเหลือ กรุณาโทรติดต่อ 02 – 759 4795 หรือ Email: Sales@thermal-mech.com