ช่างเชื่อมหลายๆ ท่านเคยสังเกตกันมั้ยครับว่าเวลาเราเชื่อมไปแล้ว บริเวณรอยเชื่อมมันมีอะไรบ้าง มีชื่อเรียกว่าอะไร หรือบางทีทำไมเชื่อมไปแล้วเหล็กมันเปลี่ยนสีได้ เดี๋ยวเรามารู้จักบริเวณต่างๆ ของรอยเชื่อมและหาคำตอบกันครับ

ก่อนจะเข้าเนื้อหาหลัก เดี๋ยวพามาทำความเข้าใจพื้นฐานเบื้องต้นซักเล็กน้อยก่อนนะครับ

เกรน (Grain) คืออะไร?

คือผลึกโครงสร้างของโลหะ หากเอากล้องจุลทัศน์ส่องลงไปดูในเนื้อโลหะก็จะเห็นผลึกโครงสร้างของโลหะ ผลึกมีขนาดแตกต่างกันไปตามกระบวนการที่กระทำต่อโลหะ สามารถขยายตัวหรือหดตัวตามระยะเวลาการเย็นตัวของโลหะที่หลอมเหลวหรือตามกระบวนการทางกลได้ และการรวมตัวของผลึกแต่ละผลึกนั้นเป็นบริเวณที่แบ่งความแตกต่างของแต่ละผลึก เรียกว่า ขอบเกรน (Grain Boundary)

แล้วเกรนส่งผลอย่างไรต่อโลหะล่ะ? ขนาดของเกรนนั้นส่งผลต่อความแข็ง ความแข็งแรง ความเหนียว ความเปราะของโลหะ โลหะที่มีเกรนขนาดเล็กหรือมีจำนวนมาก หรือเรียกว่า เกรนละเอียด จะส่งผลให้โลหะนั้นมีความแข็งแรงมากกว่าโลหะที่มีเกรนขนาดใหญ่หรือมีจำนวนน้อย หรือเรียกว่า เกรนหยาบ นั่นเอง

1. บริเวณเนื้อโลหะเดิม (Base Metal/Parent Metal)

คือวัสดุงานเป็นบริเวณที่ไม่ได้รับผลกระทบทางความร้อนจากการเชื่อม คุณสมบัติทางการและโครงสร้างยังเหมือนเดิม โดยส่วนมาจะเป็นผลิตภัณฑ์จากการกระบวนการรีด (Wrought Product) เช่นเหล็กแผ่นรีดร้อนและรีดเย็น

โดยความแข็งแรงของวัสดุจะขึ้นอยู่กับส่วนผสมทางเคมี และกระบวนการขึ้นรูปที่ทำให้ขนาดของเกรน (Grain Size) มีความละเอียดเพิ่มขึ้น และเมื่อทำการเชื่อม ความร้อนจากการเชื่อมจะเกิดการถ่ายเท (Heat Transfer) และส่งผลกระทบต่อขนาดของเกรนบริเวณที่ถัดออกมาจากรอยเชื่อม ทำให้ความแข็งแรงลดลง

2. บริเวณเนื้อโลหะเชื่อม (Weld Metal Zone)

เป็นเนื้อรอยเชื่อมที่เกิดจากการเติมเนื้อวัสดุเชื่อม (Filler Metal) ลงไปในรอยต่อ เกิดการหลอมละลายกับโลหะชิ้นงาน กลายเป็น เนื้อเชื่อม สมบัติทางกลจะขึ้นกับส่วนผสมทางเคมีของรอยเชื่อมและสัดส่วนการละลายระหว่างลวดเชื่อมกับชิ้นงาน (Dilution) โครงสร้างทางโลหะวิทยาของรอยเชื่อมมีการเปลี่ยนแปลงจากผลกระทบของการเชื่อมซ้อนแนว หรือที่เรียกว่า Temper Bead ความร้อนจากการเชื่อมจะส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัสดุงานตามช่วงของอุณหภูมิที่เกิดการถ่ายเทความร้อน

ตัวรอยเชื่อมเองก็มีทั้งแบบแนวเดียว (Single Pass) และการเชื่อมแบบซ้อนแนว (Multi Pass) ผลจากความร้อนของแนวเชื่อมซ้อนจะเปลี่ยนโครงสร้างของรอยเชื่อมที่เชื่อมไว้ก่อนหน้า ค่าความแข็งของบริเวณที่ซ้อนทับกันจะหายไปกว่าครึ่ง แต่จะได้ความเหนียวมาแทนที่ อย่างไรก็ตามวัสดุเชื่อมที่ถูกเลือกใช้มักจะมีส่วนผสมทางเคมีใกล้เคียงกับวัสดุงาน ความแข็งแรง (Strength) จะสูงกว่าวัสดุงานเล็กน้อย

3. บริเวณกระทบร้อน (Heat Affected Zone/HAZ)

บริเวณกระทบร้อน ผลจากความร้อนที่เกิดจากการเชื่อมแบบอาร์ก (Arc Welding) ซึ่งมีอุณหภูมิสูง (6000-10,000 องศาเซลเซียส) ภายในเนื้อโลหะชิ้นงานจะมีการถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer) แบบการนำความร้อน (Conduction)

ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเกรน และส่งผลโดยตรงต่อสมบัติทางกลของวัสดุงาน บางส่วนก็มีความแข็งเพิ่มขึ้นความเหนียวลดลง บางส่วนก็ความแข็งลดลงความเหนียวเพิ่มขึ้น ซึ่งการเปลี่ยนแปลงนี้เป็นผลมาจากปริมาณความร้อนที่เข้าสู่ชิ้นงาน (Heat Input) นั่นเอง และบริเวณนี้ยังสามารถแบ่งเป็นโซนย่อยๆ ตามอุณหภูมิที่เกิดขึ้นได้อีก

4. บริเวณหลอมละลายบางส่วน (Partially Melted Zone)

จะเกิดกับวัสดุผสม โดยจุดหลอมเหลวของวัสดุผสมกับวัสดุหลักมีอุณหภูมิแตกต่างกัน เช่น ในการเชื่อม อลูมิเนียมผสมทองแดง อลูมิเนียมและทองแดงบางส่วนที่บริเวณกระทบร้อนที่ติดกับเส้นหลอมละลาย จะเกิดการหลอมละลายบางส่วน และเมื่อแข็งตัวโลหะทั้งสองชนิดมีจุดแข็งตัวไม่เท่ากัน ผลคือจะเกิดความเค้นเฉพาะบริเวณสูงมากจนนำไปสู่การแตกร้าวได้

5. เส้นหลอมละลาย (Fusion Line)

สำหรับวัสดุที่มีความเป็นเนื้อเดียวกันสูง (Homogenious) จะมีเส้นหลอมละลายที่เห็นได้ชัดเจน

ขอขอบพระคุณความรู้ดีๆ จาก

ผศ.ดร.ปริยสุทธิ์ วัฒนธรรม

ภาควิชาเทคโนโลยีวิศวกรรมการเชื่อม

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ