การเชื่อมเหล็กโครงสร้างรูปพรรณรีดร้อนที่ควรรู้

โดย saweang | มี.ค. 6, 2020 | บทความเกี่ยวกับเหล็ก

งานก่อสร้างอาคารโครงสร้างเหล็กรูปพรรณรีดร้อน ย่อมมาพร้อมกับวิธีการก่อสร้างที่จะขาดไปไม่ได้คือ “การเชื่อม” ในแง่หนึ่ง การเชื่อมเป็นเทคนิคด้านงานก่อสร้างที่ทำกันอยู่ทั่วไป เหมือนเป็นทักษะพื้นฐานที่ต้องติดตัวช่างก่อสร้าง การเชื่อมก็เป็นทักษะที่มีระดับความชำนาญหลายระดับ และต้องได้รับการฝึกฝนในระยะเวลาหนึ่ง เพราะในงานก่อสร้างอาคารโครงสร้างเหล็กใดๆ เรามักจะพบปัญหาจากการเชื่อมอยู่เสมอ ไม่มากก็น้อย

โดยหลักการทั่วไป คุณภาพการเชื่อมเหล็กที่ดี จะขึ้นอยู่กับปัจจัย 2 อย่างด้วยกัน คือการควบคุมความสมดุลระหว่างกำลังไฟ และความเร็วในการลากผ่านการเชื่อม โดยทั้งหมดจะต้องคำนึงถึงความหนาของเหล็กที่ใช้ และวัตถุประสงค์ของการใช้งานต่อไป

เมื่อเป็นฝีมือคน จึงเป็นเรื่องท้าทายในการควบคุมปัจจัยทั้งสองให้สอดคล้องกันเพื่อให้ได้งานเชื่อมที่มีคุณภาพในตอนท้าย เพราะหากไม่แล้ว งานเชื่อมที่ด้อยคุณภาพก็อาจนำมาซึ่งความไม่สม่ำเสมอของรอยต่อ มีส่วนเว้าแหว่งที่เชื่อมไม่ติด ความเปราะของรอยเชื่อม อันจะทำให้ความสามารถในการรับน้ำหนักของงานโครงสร้าง ไม่ตรงตามที่วิศวกรคำนวณ และอาจนำมาซึ่งการพังทลายของโครงสร้างได้

รอยเชื่อมที่มีคุณภาพนั้น จะเป็นที่เข้าใจกันว่าตะเข็บต้องมีลักษณะสม่ำเสมอ ลากยาว และเป็นเนื้อเดียว (ภาษาช่างเรียกเหมือนเป็นเกล็ดปลา) แต่นอกจากนั้นก็จะขึ้นอยู่กับการใช้งาน และหน้าที่การรับน้ำหนักของแต่ละจุด ที่จะต้องผ่านการออกแบบการเชื่อม ที่สัมพันธ์กับการคำนวณจากวิศวกร

โดยจะมีจุดบกพร่องและปัญหาที่จะเกิดอยู่บ้างในระหว่างการเชื่อม ที่จะก่อให้เกิดงานที่ไม่ได้คุณภาพ ยกตัวอย่างเช่นอย่างแรกคือฟองอากาศ (Porosity)ที่อาจเกิดจากการเชื่อมที่ไม่ชำนาญ และความไม่สมดุลของกำลังไฟและกระบวนการเชื่อม ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาเรื่องความเปราะฟองอากาศเพียงเล็กน้อยอาจไม่ส่งผลกระทบต่อโครงสร้างมาก แต่นั่นย่อมขึ้นอยู่กับขนาดและลักษณะของฟองอากาศในแต่ละชิ้นงาน โดยป้องกันได้ด้วยหลายเทคนิควิธี คืออาจรักษาระยะอาร์คให้สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อป้องกันเปลวดับ และรักษาโลหะไม่ให้เย็นตัว รวมถึงเป็นการรักษาอัตราความเร็วของแก๊สให้สม่ำเสมอที่สุด

ข้อบกพร่องที่อาจเป็นปัญหาต่อมาคือ Slag หรือโลหะแปลกปลอมที่ฝังในรอยเชื่อม ซึ่งอาจเกิดจากทั้งความสกปรกของชิ้นงาน ความไม่เรียบร้อย รวมไปถึงสนิมในบริเวณรอยต่อที่อาจจะเกิดขึ้นหลังการทาสีกันสนิม หาก Slag เปราะและหลุดจากรอยต่อนั้นๆ

วิธีการป้องกันปัญหาหรือข้อบกพร่องที่จะเกิดจากการเชื่อม รวมถึงการเพิ่มคุณภาพการเชื่อมเหล็กที่ได้ประสิทธิภาพที่สุด หนีไม่พ้นการทำความสะอาดชิ้นงานให้ปราศจากน้ำมัน และเศษสิ่งสกปรกก่อนทำงานเชื่อม ก็จะทำให้ได้คุณภาพงานเชื่อมเหล็กโครงสร้างรูปพรรณรีดร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

ขอขอบคุณข้อมูลจากhttps://www.hbeamconnect.com/th/community/blog/

กรรมวิธีการอบชุบความร้อนโลหะ

โดย saweang | มี.ค. 3, 2020 | บทความบ้านๆๆ, บทความเกี่ยวกับเหล็ก

  การอบชุบโลหะด้วยความร้อน มีกรรมวิธีอยู่มากมาย ไม่ว่าจะเป็น การอบอุ่น การชุบแข็ง การทำเทมเพอร์ การชุบแข็งผิว หรือการชุบแข็งโดยการตกตะกอน เป็นต้น แต่ละวิธีจะมีประโยชน์และการใช้งานที่แตกต่างกัน จะเลือกใช้วิธีใดขึ้นอยู่กับสมบัติสุดท้ายของโลหะที่เราต้องการ

      เหล็กกล้าคาร์บอนมีสมบัติเด่นอย่างหนึ่งคือ สามารถเปลี่ยนแปลงระบบผลึกของตนเองได้เมื่อได้รับความร้อนหรือทำให้เย็นลง ซึ่งเราเรียกว่า สภาพอัญรูป (allotropy) จากสมบัติที่ดีในข้อนี้ทำให้เหล็กกล้าสามารถปรับปรุงสมบัติทางกลโดยกระบวนการทางความร้อน (heat treatment) ได้อย่างกว้างขวาง

Ø  กรรมวิธีการอบชุบเหล็กกล้าที่สำคัญๆ อาจจำแนกได้ดังต่อไปนี้

Ø  การอบอ่อน (annealing)

Ø  การอบปรกปกติ (normalizing)

Ø  การชุบแข็ง (hardening หรือ quenching)

Ø  การทำเทมเพอร์ (tempering)

Ø  การชุบแข็งออสเทมเพอริง (austempering)

Ø  การชุบแข็งมาร์เทมเพอริง (martempering)

Ø  การชุบแข็งที่ผิว (surface hardening หรือ case hardening)

Ø  การอบอ่อน (Annealing)

      กระบวนการการอบอ่อน (annealing) เป็นการให้ความร้อนกับเหล็กกล้าจนถึงอุณหภูมิออสเทไนไทซิงแล้วปล่อยให้เย็นตัวอัตราการเย็นที่ช้าๆ วัตถุประสงค์ของการอบอ่อนทำเพื่อปรับปรุงสมบัติของเหล็กกล้าที่ผ่านการขึ้นรูปต่างๆ เช่น ชิ้นงานหล่อ การขึ้นรูปเย็น การขึ้นรูปร้อน ฯลฯ

v การอบปรกติ (Normalizing)

      การอบปรกติ (normalizing) เป็นการให้ความร้อนกับเหล็กกล้าจนถึงอุณหภูมิออสเทไนไทซิงแล้วอบแช่ทิ้งไว้ จากนั้นปล่อยให้เย็นตัวในอากาศจนถึงอุณหภูมิห้อง ความแตกต่างระหว่างการอบปรกติกับการอบอ่อนจะอยู่ที่อุณหภูมิออสเทไนไทซิง และอัตราการเย็นตัว

      การทำการอบปรกติจึงเหมาะกับการปรับปรุงโครงสร้างและการกระจายตัวของเกรนก่อนการชุบแข็ง ปรกติแล้วกระบวนการนี้จะทำกับเหล็กกล้าที่ผ่านการหล่อขึ้นรูปมาและเหล็กที่ผ่านการขึ้นรูปร้อน ซึ่งเกรนที่ได้จะหยาบและไม่สม่ำเสมอ โครงสร้างไม่เป็นเนื้อเดียวกันสำหรับชิ้นงานหล่อ

v การอบชุบแข็ง (Quenching)

      การชุบแข็ง (quenching or hardening) เป็นการทำให้เหล็กล้าเย็นตัวอย่างรวดเร็ว (rapid cooling) เพื่อเปลี่ยนสภาพไปเป็นโครงสร้างที่เราต้องการ กระบวนการชุบแข็งนี้จะทำให้เหล็กมีความแข็งเพิ่มขึ้นขณะเดียวกันความเหนียวจะลดลง ดังนั้น ตัวแปรที่มีส่วนอย่างมากในการควบคุมอัตราการเย็นตัว คือ สารชุบ (quenching media) ซึ่งต้องเลือกให้เหมาะกับชนิดของเหล็ก

      สารชุบเป็นตัวกลางผ่านความร้อนจากชิ้นงานให้หมดไปอย่างรวดเร็ว ดังนั้น สมบัติของสารชุบต้องให้อัตราการเย็นตัวที่สูงกว่าอัตราการเย็นตัววิกฤต เพื่อป้องกันกันการเปลี่ยนเฟสจากออสเทไนต์ไปเป็นโครงสร้างอื่นที่ไม่ใช่มาร์เทนไซต์

v การทำเทมเพอร์ (Tempering)

      โครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่ได้จากชุบแข็งมานั้น จะมีสมบัติที่แข็งและเปราะ อีกทั้งอัตราเย็นตัวที่รวดเร็วจะทำให้เกิดความเครียดขึ้นภายใน ส่งผลให้เหล็กขาดความเหนียวไม่ทนต่อแรงกระแทก อาจแตกร้าวภายหลังการใช้งานได้ ดังนั้น จึงต้องมีการนำเหล็กที่ผ่านการชุบแข็งมาทำเทมเพอร์เพื่อคลายความเครียดให้หมดไป

      การเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกลขณะทำเทมเพอร์ จะสัมพันธ์กับอุณหภูมิและเวลา ความเค้นตกค้าง (residual stress) เกิดขึ้นจากการชุบแข็งเนื่องจากอัตราการเย็นตัวที่สูง เมื่อนำชิ้นงานมาทำเทมเพอร์ความเค้นดังกล่าวจะลดลงยิ่งอุณหภูมิในการทำเทมเพอร์สูงขึ้นเปอร์เซ็นความเค้นตกค้างก็จะลดลงมากขึ้นด้วย

v การชุบแข็งออสเทมเพอริง

      การชุบแข็งแบบออสเทมเพอริง (austempering) เป็นวิธีการหนึ่งในการชุบแข็งแบบเป็นชั้น (step quenching) ทั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวหรือบิดงอของชิ้นงานที่มีความหนาบางแตกต่างกันมากๆ ดังนั้น จึงมีการหาวิธีที่ทำให้เหล็กเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์หรือเบไนต์ที่อุณหภูมิสูงโดยไม่ต้องเย็นตัวลงมาถึงอุณหภูมิห้องในทันที วิธีที่นิยมมี 2 วิธี คือออสเทมเพอริงและมาร์เทมเพอริง

v การชุบแข็งมาร์เทมเพอริง

      การชุบแข็งมาร์เทมเพอริง (martempering) เป็นการชุบแข็งแบบเป็นขั้นอีกวิธีหนึ่งที่มีวัตถุประสงค์เช่นเดียวกับออสเทมเพอริง คือ ป้องกันปัญหาการแตกร้าวและบิดงอจากอัตรการเย็นตัวอย่างรวดเร็วโครงสร้างที่ได้จากการทำมาร์เทมเพอริงจะป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์

v การชุบแข็งที่ผิว (surface hardening)

      การชุบแข็งที่ผิว มีวัตถุประสงค์เพื่อทำให้บริเวณของชิ้นงานเกิดความแข็งขึ้น ส่วนเนื้อเหล็กบริเวณภายในยังคงอ่อนและเหนียวดังเดิม การชุบแข็งที่ผิวทำเพื่อให้เหล็กทนการสึกหรอที่บริเวณผิวดีขึ้น ขณะเดียวกันแกนกลางยังคงอ่อนเหนียว ซึ่งจะช่วยให้เหล็กรับแรงบิดหรือแรงกระแทกได้ดีขึ้น งานที่เหมาะกับการชุบแข็งที่ผิวได้แก่ เพลาข้อเหวี่ยง เฟืองเกียร์ต่างๆ และชิ้นส่วนที่ต้องการความทนทานการเสียดสี

v การอบชุบแข็งโดยวิธีการบ่มแข็งหรือการตกตะกอน

      การชุบแข็งโดยการบ่มแข็งหรือการชุบโดยการตกตะกอน (age or precipitation hardening) เป็นกระบวนการที่อาศัยการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดขึ้นในสภาวะของแข็งโดยมีการเกิดเฟสของแข็งที่เป็นอนุภาคขนาดเล็กระดับนาโนเมตรที่เกิดขึ้นจากการตกตะกอนและมีแรงยึดเหนี่ยวกับเมทริกซ์ที่มีความอ่อนเหนียว ทำให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น

อ้างอิง
ณรงค์ศักดิ์ ธรรมโชติ.  (2556).  โลหวิทยา.   กรุงเทพมหานคร : จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.