วันนี้เราจะทำความเข้าใจกับขั้วกระแสไฟในกระบวนการเชื่อมอาร์ก (Arc Welding) กันนะครับ

บางคนบอกลวดตัวนี้ใช้ขั้วบวก บ้างก็ขั้วลบ เปลี่ยนขั้วแล้วมันเชื่อมไม่นิ่มเหมือนกัน แล้วมันมีอะไร มีแบบไหนบ้างล่ะ เราไปดูกันเลย

ขออนุญาตลงลึงเรื่องกระแสไฟฟ้าซักเล็กน้อยนะครับ

กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน (Electron) โดยอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสไฟฟ้าเสมอ และจะเคลื่อนที่ได้ก็ต้องมีแรงดันไฟฟ้า

แรงดันไฟฟ้า (Voltage) ที่มีหน่วยวัดเป็น โวลท์ (Volt) หรือสัญลักษณ์เป็น V เป็นหน่วยวัดที่ใช้ในการวัดแรงดันที่ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลไปตามตัวนำไฟฟ้า

ปกติแล้วกระแสไฟฟ้าจะแบ่งออกได้ 2 ประเภท คือ

1. ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current) หรือเรียกกันว่า ไฟฟ้ากระแส DC (ดีซี)
2. ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current) หรือเรียกกันว่า ไฟฟ้ากระแส AC (เอซี)

ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะมีหน่วยวัดเป็น แอมแปร์ (Ampere) หรือสัญลักษณ์เป็น A นั่นเอง

แล้วมันต่างกันอย่างไรล่ะ?

ไฟฟ้ากระแสตรง คือ ไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าในทิศทางเดียว โดยไฟฟ้ากระแสตรงจะมีขั้วอยู่ 2 ขั้ว คือ ขั้วบวก และ ขั้วลบ การไหลของกระแสไฟฟ้าจะไหลจากขั้วลบของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า แล้วไหลผ่านอุปกรณ์ไฟฟ้า แล้วกลับเข้าไปยังขั้วบวกของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าอีกครั้ง ตัวอย่างไฟฟ้ากระแสตรง เช่น แบตเตอรี่ เป็นต้น

ส่วนไฟฟ้ากระแสสลับ คือ ไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าไหลสลับกัน โดยที่ไฟฟ้ากระแสสลับนั้นจะไม่มีขั้วเหมือนไฟฟ้ากระแสตรง การไหลของกระแสไฟฟ้าและจะมีทิศทางการไหลที่กลับไปกลับมาอยู่ตลอดเวลา โดยอัตราการเปลี่ยนทิศทางนี้เราเรียกว่าความถี่ของไฟกระแสสลับ มีหน่วยวัดเป็นเฮิร์ท(Hz) ซึ่งก็คือจำนวนรอบคลื่นต่อ หนึ่งวินาที ตัวอย่างไฟฟ้ากระแสสลับ เช่น ไฟบ้าน เป็นต้น

แล้วมันเกี่ยวกับการเชื่อมตรงไหนล่ะ?

ในกระบวนการเชื่อมอาร์ก (Arc Welding) จะมีการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านช่องว่างระหว่างขั้วกระแสไฟฟ้าของลวดเชื่อมและชิ้นงาน โดยกระแสไฟฟ้าไหลจากขั้วบวกไปขั้วลบ และอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากขั้วลบไปขั้วบวก และลวดเชื่อมจะหลอมละลาย

ฟลักซ์ที่หุ้มลวดเชื่อมจะหลอมละลายและสลายตัวเป็นแก๊ส อิเล็กตรอนจากกระแสไฟเชื่อมจะชนกับอะตอมของแก๊ส และแก๊สแตกตัว (Ionization)

เป็นการเปลี่ยนพลังงานจลน์ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ชนกันของอิเล็กตรอนและอะตอมของแก๊สให้เป็นพลังงานความร้อน หรือ อาร์ก (Arc) หรือพลาสม่า (Plasma) เมื่อเกิดการอาร์กจะทำให้เกิดความร้อนสูงประมาณ 6,000 องศาเซลเซียส

จะรู้ได้อย่างไรว่าควรจะใช้ขั้วกระแสไฟเชื่อมแบบไหนดี?

จากระบบมาตรฐานลวดเชื่อมของสมาคมการเชื่อมประเทศสหรัฐอเมริกา หรือ AWS (American Welding Society) ได้กำหนดมาตรฐานของลวดเชื่อมแต่ละชนิดว่าควรจะมีค่าส่วนผสมทางเคมี คุณสมบัติทางกล และการใช้งาน เป็นอย่างไรอย่าง

เช่น AWS รหัส A5.1 คือ มาตรฐานของลวดเชื่อมหุ้มฟลักซ์สำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนด้วยการเชื่อมไฟฟ้า (Shielded Metal Arc Welding for Carbon Steel)

โดยการกำหนดรหัสตัวสุดท้ายจะบ่งบอกถึงขั้วกระแสไฟในการเชื่อมและชนิดของสารหุ้มฟลักซ์

ขั้วกระแสไฟเชื่อม (Welding Polarity) จะแบ่งออกได้เป็น 3 แบบ คือ

1. กระแสไฟตรงขั้วบวกต่อกับลวดเชื่อม(DCEP) หรือเรียกย่อๆ ว่า DC+

2. กระแสไฟตรงขั้วลบต่อกับลวดเชื่อม(DCEN) หรือเรียกย่อๆ ว่า DC-

3. กระแสไฟสลับ เรียกย่อๆ ว่า AC

ตัวอย่างเช่นลวดเชื่อมไฟฟ้าสำหรับเชื่อมเหล็กเหนียวทั่วไป E6013 ซึ่งลงท้ายด้วย 3 หมายถึง สามารถใช้ขั้วกระแสไฟเชื่อมได้ทั้ง กระแสไฟสลับ (AC) และ กระแสไฟตรงทั้งขั้วบวกและขั้วลบ (DCEP/DC+ และ DCEN/DC-)

แล้วขั้วกระแสไฟเชื่อม AC กับ DC อันไหนดีกว่ากัน?

ถ้าพิจารณาจากการไหลของกระแสไฟตรง จะเป็นการไหลในทิศทางเดียว ทำให้มีความสม่ำเสมอของการอาร์กสูงกว่ากระแสไฟสลับ และสามารถควบคุมการเชื่อมได้ง่ายกว่า คนที่เชื่อมจะรู้สึกได้ว่าอาร์กนิ่มกว่า เสียงจากการอาร์กราบเรียบสม่ำเสมอ

การต่อขั้วไฟเชื่อมแบบกระแสไฟตรงขั้วบวกต่อกับลวดเชื่อม (DCEP/DC+) อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากชิ้นงานไปลวดเชื่อม ทำให้เกิดการชนของอิเล็กตรอนที่ปลายลวดเชื่อม จะเกิดความร้อนที่ลวดเชื่อมมากกว่าชิ้นงาน อุณหภูมิที่ลวดเชื่อมประมาณ 2/3 ของความร้อนทั้งหมด และอุณหภูมิที่ชิ้นงานประมาณ 1/3 ของความร้อนทั้งหมด ผลคือลวดเชื่อมจะมีอัตราการหลอมละลายสูงกว่าชิ้นงาน รูปร่างของแนวเชื่อมจะกว้างและตื้น

หากเป็นการต่อขั้วไฟเชื่อมแบบกระแสไฟตรงขั้วลบต่อกับลวดเชื่อม (DCEN/DC-) อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากลวดเชื่อมไปชิ้นงาน ทำให้เกิดการชนของอิเล็กตรอนที่ชิ้นงาน จะเกิดความร้อนที่ชิ้นงานมากกว่าลวดเชื่อม อุณหภูมิที่ชิ้นงานประมาณ 2/3 ของความร้อนทั้งหมด และอุณหภูมิที่ลวดเชื่อมประมาณ 1/3 ของความร้อนทั้งหมด ผลคือรูปร่างของแนวเชื่อมจะแคบและลึก

ในส่วนของกระไฟสลับ (AC) อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่สลับไปมาระหว่างลวดเชื่อมและชิ้นงาน อุณหภูมิของความร้อนทั้งหมดจะแบ่งไปที่ลวดเชื่อมและชิ้นงาน อย่างละประมาณ 1/2 รูปร่างของแนวเชื่อมจะสมดุลอยู่ระหว่างขั้วกระแสไฟเชื่อมแบบ DCEP และ DCEN และความนุ่มนวลในการอาร์กจะด้อยกว่าการใช้ขั้วกระแสไฟเชื่อมตรง

ดังนั้นการเลือกใช้งานขั้วกระแสไฟเชื่อมควรจะพิจารณาจากประเภทลวดเชื่อมที่ใช้งาน ส่วนมากทางผู้ผลิตและผู้จำหน่ายลวดเชื่อมจะบอกมาให้อยู่แล้วที่ข้างกล่องหรือในใบสเปคลวดเชื่อม และควรจะเลือกกระบวนการเชื่อมให้เหมาะสมกับประเภทงานและวัสดุที่จะเชื่อมครับ

ขอขอบพระคุณความรู้ดีๆ จาก

ผศ.ดร.ปริยสุทธิ์ วัฒนธรรม

ภาควิชาเทคโนโลยีวิศวกรรมการเชื่อม

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ