ความหมายของการเชื่อมไฟฟ้า

                การเชื่อม (อังกฤษ: Welding)  เป็นกระบวนการที่ใช้สำหรับต่อวัสดุ ส่วนใหญ่เป็นโลหะและเทอร์โมพลาสติก โดยให้รวมตัวเข้าด้วยกัน ปกติใช้วิธีทำให้ชิ้นงานหลอมละลาย และการเพิ่มเนื้อโลหะเติมลงในบ่อหลอมละลายของวัสดุที่หลอมเหลว เมื่อเย็นตัวรอยต่อจะมีความแข็งแรง บางครั้งใช้แรงดันร่วมกับความร้อน หรืออย่างเดียว เพื่อให้เกิดรอยเชื่อม ซึ่งแตกต่างกับการบัดกรีอ่อน และการบัดกรีแข็ง ซึ่งไม่มีการหลอมละลายของชิ้นงาน มีแหล่งพลังงานหลายอย่างสำหรับนำมาใช้ในการเชื่อม เช่น การใช้เปลวไฟแก๊สอ็อกซิเจน, การอาร์กโดยใช้กระแสไฟฟ้า, ลำแสงเลเซอร์, การใช้อิเล็คตรอนบีม, การเสียดสี, การใช้คลื่นเสียง เป็นต้น ในอุตสาหกรรมมีการเชื่อมในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน เช่นการเชื่อมในพื้นที่โล่ง, พื้นที่อับอากาศ, การเชื่อมใต้น้ำ, การเชื่อมในพื้นที่อันตราย เช่น ถังเก็บน้ำมันขนาดใหญ่, ภายในโรงงานผลิตสารเคมี และวัตถุไวไฟ การเชื่อมมีอันตรายเกิดขึ้นได้ง่าย จึงควรมีความระมัดระวังเพื่อป้องกันอันตราย เช่น เกิดจากกระแสไฟฟ้า, ความร้อน, สะเก็ดไฟ, ควันเชื่อม, แก๊สพิษ, รังสีอาร์ค, ชิ้นงานร้อน, ฝุ่นละออง

                ในยุคเริ่มแรกจนถึงศตวรรษที่ 19 มีการใช้งานเฉพาะการเชื่อมทุบ (Forge welding) เพื่อใช้ในการเชื่อมต่อโลหะ เช่นการทำดาบในสมัยโบราณ วิธีนี้การเชื่อมที่ได้มีความแข็งแรงสูง และโครงสร้างของเหล็กมีคุณภาพอยู่ในระดับสูง แต่มีความล่าช้าในการนำมาใช้งานในเชิงอุตสาหกรรม หลังจากนั้นได้มีการพัฒนามาสู่การเชื่อมอาร์ค และการเชื่อมโดยใช้เปลวไฟแก๊สอ็อกซิเจน และหลังจากนั้นมีการ เชื่อมแบบความต้านทานตามมา

                เทคโนโลยีการเชื่อมได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในศตวรรษที่ 20 ซึ่งอยู่ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 และสงครามโลกครั้งที่ 2 เทคโนโลยีการเชื่อมแบบใหม่ ได้มีการเร่งพัฒนาเพื่อรองรับต่อการสู้รบในช่วงเวลานั้น เพื่อทดแทนการต่อโลหะแบบเดิม เช่นการใช้หมุดย้ำซึ่งมีความล่าช้าอย่างมาก กระบวนการเชื่อมด้วยลวดเชื่อมหุ้มฟลั๊กซ์ (SMAW) เป็นกระบวนการหนึ่งที่พัฒนาขึ้นมาในช่วงนั้นและกระทั่งปัจจุบัน ยังคงเป็นกรรมวิธีที่ใช้งานกันมากที่สุดในประเทศไทย และประเทศกำลังพัฒนาทั้งหลาย

รูปที่ 1 การเชื่อมไฟฟ้า

1. หลักการเชื่อมอาร์กลวดหุ้มฟลักซ์

                การเชื่อมอาร์กลวดหุ้มฟลักซ์ (Shielded Metal Arc Welding: SMAW) คือการเชื่อมด้วยไฟฟ้า ในลักษณะที่ทำให้เกิดการอาร์กและได้รับความร้อนจากการอาร์กระหว่างลวดเชื่อมชนิดมีสารพอกหุ้มกับชิ้นงาน สารพอกหุ้มบนลวดเชื่อมเมื่อละลายจะทำหน้าที่เป็นเกาะป้องกันบรรยากาศลวดเชื่อมทาหน้าที่เป็นโลหะเติมด้วย สารพอกหุ้มเมื่อแข็งตัวแล้วจะกลายเป็น สแลก (Slag) หรือขี้เชื่อม ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงหลักการเชื่อมอาร์กลวดเชื่อมหุ้มฟลักซ์

(ที่มา : Jefferson’s, 1997, p. 453)

2. เครื่องมือและอุปกรณ์ในการเชื่อมอาร์กลวดหุ้มฟลักซ์

                การเชื่อมอาร์ก ลวดหุ้มฟลักซ์ เป็นการด้วยไฟฟ้าที่ อาศัยเครื่องเชื่อมเป็นต้นกำลังในการผลิตกระแสเชื่อม โดยเครื่องเชื่อมนี้จะทำหน้าที่จ่ายกระแส ไฟจากสายเชื่อมแล้วไหลต่อไปยังลวดเชื่อมและชิ้นงานเพื่อให้เกิด การอาร์กขึ้นขณะเชื่อม เครื่องมือและอุปกรณ์เบื้องต้นในการเชื่อมอาร์กลวดหุ้มฟลักซ์แสดงดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงเครื่องมือและอุปกรณ์ในการเชื่อม อาร์กด้วยลวดหุ้มฟลักซ์

(ที่มา : Jefferson’s, 1997, p. 452)

เครื่องกระแสตรงแบบเรกติไฟเออร์ แบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ

1. เครื่องเชื่อมกระแสตรงต่อขั้วตรง	2. เครื่องเชื่อมกระแสตรงต่อกลับขั้ว
( Direct  Current  Straight  Polarity )	( Direct  Current  Reverse  Polarity )
หรืออิเล็คโทรดเป็นขั้วลบ	หรืออิเล็คโทรดเป็นขั้วบวก
( Direct Electrode  Negative )	( Direct Current Electrode  Positive )

 รูปที่ 4 : แสดงเครื่องเชื่อมกระแสตรงแบบอิเล็คโทรดเป็นลบ ( DCEN , (DC-))

และแบบกลับขั้วอิเล็คโทรดเป็นบวก ( DCEP , (DC+))

     จากรูปที่ 4  ก. อิเล็คโทรดเป็นลบกระแสไฟจะไหลจากขั้วลบไปยังขั้วบวก นั่นคือ กระแสไฟจะไหลออกจากเครื่องเชื่อม เป็นกระแสตรงผ่านลวดเชื่อมไปยังชิ้นงาน ดังนั้น ปริมาณ 2 ใน 3 ส่วนจะอยู่ที่ ชิ้นงานอีก 1  ส่วน จะอยู่ที่ลวดเชื่อม ( Electrode )  จะทาชิ้นงานมีความซึมลึกดี เหมาะสาหรับการเชื่อมชิ้นงานหนา

                ส่วนรูปที่ 4 ข. อิเล็กโทรดเป็นบวกกระแสไฟจะไหลผ่านชิ้นงานซึ่งเป็นขั้วลบไปยังลวดเชื่อม

( Electrode )  ซึ่งเป็นขั้วบวก ดังนั้น ความร้อน 2 ใน 3  ส่วน อยู่ที่ ลวดเชื่อม ส่วนความร้อนอีก 1 ส่วน อยู่ที่ ชิ้นงาน การซึมลึกจะน้อย  เหมาะสาหรับการเชื่อมชิ้นงานบาง ๆ

                จากอิทธิ พลของความร้อน ดังที่กล่าวมาข้างต้น จึงมีผลต่อการละลายซึมลึก ( Penetration )  ของ ชิ้นงาน ดังนั้นรูปร่างของแนวเชื่อมจึงมีลักษณะแตกต่างกัน นั่น คือการเชื่อมกระแสไฟตรง ถ้าให้อิเ ล็คโทรดเป็นลบ DCEN (DC-) งานจะหลอมละลายลึกมากกว่าให้อิเล็คโทรดเป็นบวก CDEP (DC+) ดังแสดงใน

รูปที่5

รูปที่ 5 : แสดงลักษณะการซึมลึกของแนวเชื่อมแบบ DCEN (DC-)  และ CDEP (DC+)

                เครื่องเชื่อมชนิดกระแสสลับ ( Alternating  Current  Welding )

                เครื่องเชื่อมกระแสสลับจะมีทรานส์ฟอร์เมอร์ ( Transformers )  เป็นส่วนประกอบที่สำคัญหรือ โดยทั่วไปเรียกว่าหม้อแปลงไฟ โดยหม้อแปลงไฟฟ้า จะแปลงแรงเคลื่อนไฟฟ้าจากภายนอกให้เป็นแรง

เคลื่อนสาหรับใช้เชื่อม ( Welding  Voltage )  หม้อแปลงนี้จะประกอบด้วย

                ขดลวดปฐมภูมิ ( Primary  Winding ) เป็นขดลวดขนาดเล็กพันรอบแกนเหล็ก จานวนมากปลายทั้ง สองข้างจะต่อเข้า กับกระแสไฟจากภายนอก เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ขดลวดเชื่อมจะทำให้เกิดเส้น แรงแม่เหล็กไหลวนในแกนเหล็กนั้น

                ขดลวดทุติยภูมิ ( Secondary  Winding ) เป็นขดลวดที่มีขนาดใหญ่ และจานวนรอบที่พันอยู่ แกนเหล็กน้อย กว่า ขดลวดปฐมภูมิ ที่ขดลวดทุติยภูมิจะมีเส้นแรงแม่เหล็ก ซึ่งเกิดจากการเหนี่ยวนาของขดลวด

ปฐมภูมิไหลผ่านตัด กับ ขดลวดทุติยภูมิทำให้เกิดความต้านทานต่ำ และมีกระแสสูง ซึ่งเรานากระแสไฟสูงที่ได้

นี้ไปใช้ในการเชื่อม ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 6 : แสดงลักษณะภายในของเครื่องเชื่อมกระแสสลับ

                แรงดนัของขดลวดปฐมภูมิ และทุติยภูมิ เป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนของขดลวดกระแสไฟของขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ จะเป็นสัดส่วนผกผัน (กลับกัน ) กับจำนวนรอบขดลวด

                ขดลวดปฐมภูมิ ของหม้อแปลงจะสร้างเส้นแรงแม่เหล็กขึ้นในแกนเหล็ก และกำลังไฟฟ้าจะถูกส่งไป

ยังด้านทุติยภูมิโดยเส้นแรงแม่เหล็ก ดังนั้น แม้ว่า ไม่มีการใช้กำลังไฟฟ้าเลยที่ขดลวดทุติยภูมิ ก็ยังต้องมีกระแส

ที่จ่ายให้ เพื่อการสร้างสนามแม่เหล็กให้ไหลอยู่เสมอ จึงมีกาลังไฟฟ้าเล็กน้อย เสียไปตลอดเวลา ซึ่งเรียก

กระแสสูญเสียเล็กน้อย นี้ว่ากำลังไฟฟ้าที่สูญเสียเมื่อไม่มี โหลด ( No – Load  Loss )

ลวดเชื่อมและมาตรฐานของลวดหุ้มฟลักซ์

นิยามของลวดเชื่อม

                สมาคมการเชื่อม อเมริกา (American Welding Society : AWS) ได้ให้นิยามของลวดเชื่อมไว้ว่า  “ลวดเชื่อมที่ใช้สำหรับเติมลงในแนวเชื่อม และเป็นตัวทำหน้าที่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน จากขั้วจ่ายไฟฟ้าผ่านตัวมันเองไปยัง การอาร์ก ซึ่งจะผลิตออกมาเป็นเส้นลวดหรือเป็นแท่ง มีทั้งลวดเปลือยและลวดมีสารพอกหุ้ม”  ลวดหุ้มฟลักซ์เป็นลวดเชื่อมที่ผ่านกระบวนการผลิตโดยใช้สารพอกหุ้มแกนลวดเชื่อมไว้ โดยที่แกนลวดเชื่อมมีหน้าที่สำคัญ คือเป็นขั้วไฟฟ้าและในขณะเดียวกันก็เป็นตัวเติมเนื้อโลหะลงในแนวเชื่อมอีกด้วย

รูปที่ 7 แสดงลักษณะของลวดหุ้มฟลักซ์

(ที่มา : ปราโมทย์  อุทัยวัฒน์, 2558)

ส่วนประกอบของลวดหุ้มฟลักซ์

                ลวดหุ้มฟลักซ์มีส่วนประกอบที่สำคัญ ได้แก่ แกนลวดเชื่อมและฟลักซ์หรือสารพอกหุ้มบนผิวนอกของฟลักซ์ด้านที่ใช้จับเข้ากับหัวจับลวดเชื่อมจะระบุรหัสของลวดเชื่อม เช่น E6013 เป็นต้น

รูปที่ 8 แสดงส่วนประกอของลวดหุ้มฟลักซ์

(ที่มา : ปราโมทย์  อุทัยวัฒน์, 2558)

หน้าที่ของฟลักซ์หรือสารพอกหุ้ม

                ขณะเชื่อม ฟลักซ์หรือสารพอกหุ้มหลอมละลายพร้อมกับแกนลวดเชื่อมและทาหน้า ที่ต่างๆ ดังนี้

                                1. ช่วยให้เกิดการอาร์กที่ดี เช่น การเริ่มต้นอาร์กทำได้ง่ายการอาร์กเรียบสม่ำเสมอ

การจุดประกายของการอาร์กทำได้ง่ายขึ้น และควบคุมการอาร์กให้สม่ำเสมอ เป็นต้น

                                2. เติมธาตุผสมให้กับเนื้อโลหะเชื่อม

                                3. ช่วยในการสร้างแก๊สป้องกันบ่อหลอมเหลวและกลายเป็นสแลกเมื่อ แนวเชื่อม เย็นตัว

                                4. ช่วยดึงสิ่ง สกปรกในบ่อหลอมขึ้นมารวมตัวกันเป็นสแลก

                                5. รักษาสมบัติของธาตุที่ผสมอยู่และช่วยเพิ่มสมบัติของแนวเชื่อมตามที่ต้องการ

                                6. ป้องกันการรวมตัวของออกซิเจน และไนโตรเจนในบรรยากาศทาปฏิกิริยากับโลหะ

งานที่กาลังหลอม

                                7. ช่วยควบคุมให้แนวเชื่อมเย็นตัวอย่างช้าๆ

                                8. เป็น ฉนวนป้องกันไฟฟ้า

                                9. ขจัดออกไซด์และสารมลทินต่างๆ ทำให้โลหะเชื่อมบริสุทธิ์ขึ้น

สมบัติของฟลักซ์หรือสารพอกหุ้ม

                สมบัติของสารพอกหุ้มที่ดีควรมีสมบัติ ดังนี้

                                1. มีความถ่วงจาเพาะต่ำสามารถลอยตัว ขึ้นจากน้าโลหะที่กำลังหลอมเหลวได้

                                2. มีอุณหภูมิหลอมละลายขณะเกิดการอาร์ก

                                3. ขณะหลอมละลายจะเกิดควัน ซึ่งเป็นแก๊สที่ป้องกันและขับไล่แก๊สจากภายนอก ไม่ให้

รวมตัวกับเนื้อโลหะที่กำลังหลอม

                                4. ไม่แตกหรือหลุดออกจากแกนลวดได้ง่าย

มาตรฐานของลวดหุ้มฟลักซ์

                ลวดหุ้มฟลักซ์ที่ผลิตออกมาจาหน่ายในปัจจุบันมีหลายมาตรฐาน ได้แก่ AWS, ISO, DIN, JIS

และมาตรฐาน มอก. (TIS) เป็นต้น ในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะลวดหุ้มฟลักซ์ตามมาตรฐานของสมาคม

การเชื่อมอเมริกา (AWS A5.1-1991) ซึ่งเป็นลวดเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนหุ้มฟลักซ์ (Carbon Steel Electrode for Shielded Metal Arc Welding) โดยมีการกาหนดรหัสของลวดเชื่อมไว้ดังรูปที่ 9

รูปที่ 9 แสดงการกาหนดรหัสของลวดเชื่อมหุ้มฟลักซ์ตามมาตรฐาน AWS (A5.1-1991)

(ที่มา : ปราโมทย์  อุทัยวัฒน์, 2558)

                จากรูปที่ 9 ลวดหุ้มฟลักซ์ตามมาตรฐานของ AWS (A5.1-1991) ได้กาหนดรหัสโดยใช้

ตัวอักษรและตัวเลข 4 หลัก ดังนี้

                1. หลักที่ 1 ใช้อักษรภาษาอังกฤษ คือ E หมายถึง ลวดหุ้มฟลักซ์ (Electrode) 2. หลักที่

                2 ใช้หมายเลข 2-5 หมายถึงค่าความเค้นแรงดึงสูง สุด มีหน่วยเป็นกิโลปอนด์

ต่อตารางนิ้ว (ksi) และถ้าคูณด้วย 1,000 มีหน่วยเป็นปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) 3. หลักที่ 

                3 ใช้หมายเลขหมายถึง ตาแหน่งการเชื่อม หรือท่า เชื่อม ประกอบด้วย

                                1) หมายเลข 0 หรือ 1 หมายถึงเชื่อม ได้ทุกตาแหน่งหรือ ท่าเชื่อม เช่น ท่าราบ ท่าระดับท่าตั้ง และท่าเหนือศีรษะ

                                2) หมายเลข 2 หมายถึงเชื่อมได้ตาแหน่งท่าราบและท่า ระดับ

                                3) หมายเลข 3 หมายถึงเชื่อมได้ตาแหน่งท่าราบ

                                4) หมายเลข 4 หมายถึงเชื่อมได้ตาแหน่งท่าราบ ท่าระดับ และท่าเหนือศีรษะ

                4. หลักที่ 4 ใช้หมายเลข 0-9 เพื่อระบุรายละเอียดที่เกี่ยวกับกระแ สไฟฟ้าที่เหมาะสม

กับลวดเชื่อมและระบุสมบัติของสารพอกหุ้ม ดังนี้

                                1) หมายเลข 0 หมายถึงเซลลูโลสสูง โซเดียม (High Cellulose Sodium)

                                2) หมายเลข 1 หมายถึงเหล็กออกไซด์สูง (High Iron Oxide)

                                3) หมายเลข 2 หมายถึงไททาเนียมสูง โซเดียม (High Titanium Sodium)

                                4) หมายเลข 3 หมายถึงไททาเนียมสูง โพแตสเซียม (High Titanium Potassium)

                                5) หมายเลข 4 หมายถึงผงเหล็ก ไททาเนีย ม (Iron Powder Titanium)