♦ เพราะเหตุใด มุมทังสเตนจึงมีผลต่อการเชื่อม?

เขียนโดย ชัชชัย  อินนุมาตร  บจก. เทอร์มอล แมคคานิคส์

***สามารถดูข้อมูลทังสเตน เพิ่มเติมได้ที่  https://thermal-mech.com/product/laser-filler-wires/

“….มุมของปลายทังสเตน มีผลต่อลักษณะของอาร์คและการกระจายความหนาแน่นของพลังงานอีกทั้งส่งผลต่อลักษณะการหลอมลึกของแนวเชื่อม  มุมทังสเตนที่แหลม จะทำให้อาร์คกว้างและมีการหลอมลึกที่ตื้น….”

ในการเชื่อมแบบก๊าซทังสเตนอาร์ค หรือ ทิก ( Gas Tungsten Arc Welding or Tungsten Inert Gas; TIG) หรือตามภาษาช่างเชื่อมทั่วไปรู้จักกันว่า “การเชื่อมอาร์กอน” นั้น เป็นที่ทราบกันดีว่า การเชื่อมลักษณะนี้จะเป็นการเชื่อมโดยอาศัยการอาร์คระหว่างแท่งอิเล็คโทรดที่ทำจากทังสเตนกับชิ้นงานที่นำมาเชื่อม จนกระทั่งเกิดบ่อหลอมละลายและเกิดการประสานกันระหว่างชิ้นงาน โดยที่อาจจะใช้ลวดเชื่อมร่วมด้วยหรือไม่ก็ได้

ดังนั้น ชิ้นส่วนสำคัญชิ้นหนึ่งที่จำเป็นและขาดเสียมิได้ สำหรับกระบวนการเชื่อมแบบนี้คือ แท่งทังสเตนที่ทำหน้าที่เป็นอิเล็คโทรดนั่นเองและเป็นที่ทราบกันดี ในหมู่ช่างเชื่อมว่าทังสเตนที่นำมาใช้นั้นมีหลากหลายชนิด และต้องมีการเตรียมหรือทำการลับปลายทังเสตนให้ถูกต้องตามลักษณะของงานที่ทำการเชื่อม

โดยทั่วไป กรณีการเชื่อมอลูมิเนียม ที่ใช้ทังสเตนบริสุทธิ์ที่มีรหัสสีเขียว จะมีการเตรียมปลายทังสเตนให้เป็นรูปทรงมน แต่การเชื่อมโลหะอื่น เช่นสแตนเลส หรือเหล็กกล้านั้น จะใช้ทังสเตนอิเล็คโทรดที่มีการผสมอ๊อกไซด์ของธาตุอื่นๆ เจือลงไป เพื่อเพิ่มความคงทนต่อกระแสเชื่อมและเกิดความเสถียรของอาร์ค ทังสเตนกลุ่มหลังนี้ จะมีรหัสสีแตกต่างออกไป เช่น สีแดง สีเทา หรือสีทอง เป็นต้น และการเตรียมลักษณะของปลายทังสเตนเหล่านี้ จะลับปลายเป็นมุมแหลม เพื่อให้เปลวอาร์คฟอร์มตัวทำให้เกิดความร้อนที่มีความเข้มสูงในบริเวณจุดเล็กๆ  ซึ่งจะทำให้ช่างเชื่อมสามารถควบคุมแนวเชื่อมได้ดี

ในบทความนี้จะกล่าวถึงผลกระทบที่เกิดขึ้นกับแนวเชื่อมอันเนื่องมาจากการลับปลายทังสเตนที่มุมต่างๆกัน โดยจะอ้างอิงทฤษฎีทางอาร์คฟิสิกส์เล็กน้อย เพื่อให้ผู้อ่านมีความเข้าใจและสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานแต่ละแบบได้

ลับปลายทังเสตนแหลมขนาดไหนดี ?   เป็นคำถามที่เรียกได้ว่าเป็น “คำถามที่ถามบ่อย – Frequency Ask Question; FAQ) เลยทีเดียว  ช่างเชื่อมหลายคนอาจมีความสงสัยว่าการลับปลายทังสเตนให้มุมแหลมมากหรือน้อยนั้นจะส่งผลอย่างไรกับแนวเชื่อมบ้าง และท้ายที่สุดแล้วควรจะลับเป็นมุมกี่องศา ?

หนึ่งในคำแนะนำที่เรียกได้ว่า “จากประสบการณ์” หรือ Rule of Thumb ที่อาจจะหาอ่านได้จาก Internet หรือคู่มือการใช้เครื่องเชื่อมต่างๆ  ได้แนะนำว่า  การลับปลายทังสเตนที่เหมาะสมนั้นควรจะลับปลายให้มีความยาวประมาณ 2 เท่าครึ่งของขนาดทังสเตนที่ใช้  แต่คำแนะนำเหล่านี้ไม่ได้บอกว่าการลับปลายที่ความยาว 2 เท่าครึ่งของขนาดทังสเตนนี้ เป็นมุมกี่องศา และหากเราลับให้ยาวขึ้นหรือสั้นลงกว่านี้ จะส่งผลอย่างไรต่อแนวเชื่อม ด้วยเพราะเหตุว่า คำแนะนำเหล่านี้ เป็นเพียง Guideline หรือคำแนะนำเบื้องต้นสำหรับใช้งานทั่วๆ ไปเท่านั้น

รูปที่ 1 การลับปลายทังสเตนระยะ 2 เท่าครึ่งของขนาดความโต

การลับปลายทังสเตนให้มีความยาวเท่ากับ 2 และ 2 เท่าครึ่งของขนาดทังสเตนนั้น ถ้าคำนวณตามหลักการทางคณิตศาสตร์แล้ว จะพบว่ามุมของปลายทังสเตนที่ได้จะมีค่าประมาณ 28 และ 22 องศาตามลำดับ นั่นหมายความว่าถ้าลับปลายให้มีความยาวเพิ่มขึ้น มุมของทังสเตนจะน้อยลง หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือปลายทังสเตนจะแหลมมากขึ้นนั่นเอง

มุมของปลายทังสเตนมีผลต่อลักษณะของแนวเชื่อมอย่างไร ?

จากงานวิจัยพบว่า มุมของปลายทังสเตนมีผลต่อลักษณะอาร์ค และส่งผลต่อลักษณะการหลอมลึกของแนวเชื่อม  หากมุมทังสเตนมีความแหลมมาก  จะทำให้อาร์คกว้างและมีการหลอมลึกที่ตื้น ในทางตรงข้าม มุมทังสเตนที่ทู่หรือมุมแหลมน้อยกว่า จะทำให้เปลวอาร์คนั้นแคบและมีการหลอมลึกมาก ดังแสดงในรูปที่ 2.

รูปที่ 2 ความกว้างอาร์คและการซึมลึก จากการลับปลายทังสเตนที่มุมมต่างๆ (2)

รูปที่ 3 การกระจายความหนาแน่นของพลังงานระหว่างทังสเตนที่ลับปลายแหลมกับไม่ลับปลายแหลม (1)

มุมทังสเตนมีผลต่อการกระจายความหนาแน่นของพลังงาน (Power Density Distribution)  เมื่อพิจารณาจากรูปที่ 3  จะพบว่า ความหนาแน่นของพลังงานอาร์ค จะมีค่ามากที่สุดบริเวณกึ่งกลางของแท่งทังสเตน ดังนั้นเมื่อลับทังสเตนเป็นปลายแหลม การกระจายความหนาแน่นของพลังงานจะมีบริเวณกว้าง (อาร์คกว้าง) และระดับความหนาแน่นของพลังงานบริเวณกึ่งกลางจะน้อยกว่าเมื่อเทียบกับทังสเตนที่ไม่มีการลับปลาย  เมื่อระดับความหนาแน่นของพลังงานน้อยกว่าจึงส่งผลให้แนวเชื่อมมีการหลอมลึกน้อยกว่านั่นเอง

การกระจายความหนาแน่นของพลังงานของแหล่งความร้อน (Heat Source) มีผลโดยตรงต่อการหลอมลึกของแนวเชื่อม  ภายใต้ความเร็วในการเชื่อมที่เท่ากันและแหล่งความร้อนที่เหมือนกัน  ระยะหลอมลึกของแนวเชื่อมจะเพิ่มขึ้นเมื่อระดับความหนาแน่นของพลังงานของแหล่งความร้อนนั้นเพิ่มขึ้น  เมื่อพิจารณาความหนาแน่นของพลังงาน ตามหลักการกระจายของความน่าจะเป็นที่มีการแจกแจงแบบปกติ ความหนาแน่นของพลังงาน สามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้ (1)

โดยที่

q   คือ ความหนาแน่นของพลังงาน (Power density)

คือ  ประสิทธิภาพของการเชื่อม

V   คือ  แรงดันเชื่อม

I    คือ  กระแสเชื่อม

a   คือ รัศมีประสิทธิผลของแหล่งความร้อน (Effective radius of heat source)

r    คือ  ระยะรัศมีจากจุดอาร์ค

จากสมการ หากคำนวณเปรียบเทียบระหว่างการลับปลายทังสเตนที่มุมแหลมน้อยกับการลับปลายที่มีมุมแหลมมาก จึงต้องกำหนดให้ตัวแปรทุกตัวในสมการเป็นค่าเดียวกัน ยกเว้นค่า r ที่เป็นค่ารัศมีจากจุดอาร์ค  ซึ่งจะเปลี่ยนไปตามความกว้างของเปลวอาร์ค  โดยที่มุมของปลายทังสเตนที่มีค่าน้อย (แหลมมาก) ความกว้างของเปลวอาร์คจะมากขึ้น (ค่า r มากขึ้น)  จะทำให้ค่าความหนาแน่นของพลังงาน (q) มีค่าน้อยลงตามสมการ จึงมีผลทำให้การหลอมลึกของแนวเชื่อมน้อยลง ในทางกลับกัน หากมุมของปลายทังสเตนที่มีค่ามาก ความกว้างของเปลวอาร์คจะน้อยลง (ค่า r น้อยลง)  จะทำให้ค่าความหนาแน่นของพลังงาน (q) มีค่าเพิ่มขึ้น จึงทำให้การหลอมลึกของแนวเชื่อมเพิ่มขึ้นนั่นเอง

เหตุผลอีกประการหนึ่งคือ  ในขณะที่ทำการเชื่อมแบบทิกนั้น กระแสไฟฟ้าจะวิ่งจากขั้วบวก ซึ่งก็คือชิ้นงานเชื่อมที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ ไปยังขั้วลบคือปลายทังสเตนที่มีขนาดเล็กมาก เมื่อเทียบกับชิ้นงานที่เป็นขั้วบวก กระแสไฟฟ้าจะวิ่งเข้าหาปลายทังสเตนในลักษณะตั้งฉากกับผิวของแท่งทังสเตน ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4  กระแสไฟฟ้าวิ่งเข้าหาปลายทังสเตนในลักษณะตั้งฉากกับผิวของแท่งทังสเตน  ซ้าย:  มุมทังสเตน 45 องศา     ขวา:  มุมทังสเตน 90 องศา

รูปที่ 5  แรงที่เกิดขึ้นบริเวณปลายทังสเตน ขณะทำการเชื่อม (1)

กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในระหว่างการเชื่อม จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กหมุนวนรอบๆ แท่งทังสเตน หากพิจารณาตามรูปที่ 5  สนามแม่เหล็กจะมีทิศทางพุ่งขึ้นจากหน้าหนังสือ (สัญลักษณ์จุดด้านซ้าย) และหมุนวนกลับเข้าไปในหน้าหนังสือ (สัญลักษณ์กากบาท ด้านขวา)   การรวมกันของแรงจากสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าทำให้เกิดแรงลัพธ์ (F) ในทิศทางเข้าด้านในอาร์ค และผลักเอาไอออนแก๊สไปตามมุมแหลมของปลายทังสเตน   โมเมนตัมในทิศทางพุ่งลงนี้มากพอที่จะทำให้เกิดไออนของแก๊สที่มีอุณหภูมิสูงกระทบบนชิ้นงานและหมุนวนออกไปตามผิวของชิ้นงานเชื่อม จึงทำให้เกิดลักษณะอาร์คที่เป็นรูปทรงระฆัง (Bell shape)

ด้วยปรากฏการณ์ทางอาร์คฟิสิกส์นี้จึงสามารถตอบได้ว่าเหตุใด ทังสเตนปลายแหลมจึงมีเปลวอาร์คที่กว้างและมีการซึมลึกของแนวเชื่อมน้อยกว่าทังสเตนปลายทู่ และการเลือกลับปลายทังสเตนนั้นก็ขึ้นอยู่กับลักษณะงานแต่ละประเภท ไม่มีกฏเกณฑ์ตายตัว

รูปที่ 6  ลักษณะสัมพัทธ์ของปลายทังสเตนกับร่องงานเชื่อม (3)

อย่างไรก็ตาม  ในการเชื่อมด้วยทิก กับชิ้นงานที่มีรอยต่อเป็นร่อง (Groove) อาจจะต้องพิจารณาลักษณะสัมพัทธ์ของปลายทังสเตนกับร่องงานเชื่อมด้วย เนื่องจากการอาร์คระหว่างแท่งทังสเตน กับชิ้นงานเชื่อมนั้น  กระแสไฟฟ้าจะพยายามหาเส้นทางที่มีความต้านทานไฟฟ้าต่ำที่สุด เพื่อให้ได้การอาร์คที่สเถียร และดีที่สุด  และจุดที่ดีที่สุดจะอยู่กลางร่องรอยต่อ เพราะเป็นเส้นทางที่สั้นที่สุด ระหว่างปลายทังสเตนกับชิ้นงาน (รูปที่ 6) ดังนั้น การเชื่อมที่ได้ผลดีจึงควรลับมุมของปลายทังสเตนให้น้อยกว่ามุมรวมของร่องและ/หรือให้รอยต่อมีมุมกว้างเพียงพอ เพื่อให้แน่ใจว่าเส้นทางที่สั้นที่สุดระหว่างทังสเตนกับชิ้นงาน นั่นก็คือระยะจากปลายทังสเตนไปยังกึ่งกลางร่องเชื่อม  ไม่ใช่จากด้านข้างของทังสเตนไปยังด้านข้างของขอบรอยต่อ

อ้างอิง

1. Welding Metallurgy, 2^nd Edition, Sindo Kou.
2. Welding Handbook, 9^th Edition, Vol 2. American Welding Society
3. ASM Handbook Vol.6 , 1993 ASM International