♦ 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
- Welding Metallurgy, 2nd Edition, Sindo Kou.
- Welding Handbook, 9th Edition, Vol 2. American Welding Society
- ASM Handbook Vol.6 , 1993 ASM International