เครื่องคำนวณความร้อนเข้าในการเชื่อม

ทำไมความร้อนจากการเชื่อมจึงสำคัญ?

ความร้อนเข้า (heat input) คือพลังงานที่ส่งให้ต่อหน่วยความยาวของแนวเชื่อม และควบคุมอัตราการเย็นตัว โครงสร้างจุลภาค และสมบัติเชิงกลของแนวเชื่อมและบริเวณกระทบร้อน (HAZ) โดยตรง ความร้อนเข้ามากเกินทำให้เกรนหยาบ ความเหนียวลดลง และบิดเบี้ยวมาก ส่วนน้อยเกินทำให้หลอมไม่สมบูรณ์และ HAZ มีความแข็งสูง

ค่าคาร์บอนสมมูล (CE) ทำนายความสามารถชุบแข็งและความไวต่อการแตกร้าวของโลหะฐาน สูตร IIW (CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15) ใช้กับเหล็กกล้าที่ C > 0.18% ส่วนสูตร Pcm ใช้กับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (C < 0.18%) โดยทั่วไป CE > 0.45 ต้องอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมเพื่อป้องกันการแตกร้าวจากไฮโดรเจน

อุณหภูมิอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมกำหนดจากผลร่วมของ CE ความหนาวัสดุ ระดับไฮโดรเจน และความร้อนเข้า โดย EN 1011-2 ให้วิธีคำนวณ การอุ่นก่อนเชื่อมชะลออัตราการเย็นตัว ทำให้ไฮโดรเจนแพร่ออกได้ก่อนแนวเชื่อมเย็นลงต่ำกว่า 150°C (ซึ่งไฮโดรเจนจะถูกกักไว้และก่อให้เกิดการแตกร้าวเย็น)

Formula: ความร้อนเข้า (kJ/mm) = (η × V × I × 60) / (ความเร็วเดินแนว × 1000) CE(IIW) = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 Pcm = C + Si/30 + (Mn+Cu+Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B

ตัวอย่างการคำนวณ

เชื่อม GMAW ที่ 28V, 250A, ความเร็วเดินแนว 300 mm/min, ประสิทธิภาพอาร์ก 0.85: ความร้อนเข้า = (0.85 × 28 × 250 × 60)/(300 × 1000) = 1.19 kJ/mm สำหรับเหล็กกล้าที่ C=0.18%, Mn=1.2%: CE(IIW) = 0.18 + 1.2/6 = 0.38 ไม่ต้องอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อม (CE < 0.45)

เมื่อใดควรใช้เครื่องคำนวณนี้

• จัดทำข้อกำหนดวิธีการเชื่อม (WPS) และต้องหาอุณหภูมิอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมจากค่าคาร์บอนสมมูลและความหนาวัสดุ
• ทบทวนปัญหาคุณภาพแนวเชื่อม — ตรวจสอบว่าความร้อนเข้าอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้เพื่อป้องกันการเสื่อมสมบัติของ HAZ หรือไม่
• ทำคุณสมบัติโลหะฐานชนิดใหม่สำหรับงานเชื่อม — คำนวณ CE เพื่อประเมินความไวต่อการแตกร้าวก่อนทดลองขั้นตอนเชื่อม
• ตรวจประเมินความสอดคล้องของช่างเชื่อมกับข้อกำหนดมาตรฐาน — ตรวจสอบว่าพารามิเตอร์ที่บันทึกให้ความร้อนเข้าภายในช่วงที่ผ่านการรับรองตาม WPS

ข้อผิดพลาดที่ควรหลีกเลี่ยง

• ใช้สูตร CE ผิด — สูตร IIW ใช้กับเหล็กกล้าที่ C>0.18% ส่วน Pcm ใช้กับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ การใช้สูตรผิดให้คำแนะนำการอุ่นชิ้นงานที่ไม่ถูกต้อง
• ลืมประสิทธิภาพอาร์ก — GMAW ~0.85, SMAW ~0.80, GTAW ~0.65 การละค่าประสิทธิภาพทำให้ประเมินความร้อนที่ส่งถึงแนวเชื่อมจริงสูงเกินจริง
• นำการคำนวณความร้อนเข้าแบบแนวเดียวไปใช้กับงานเชื่อมหลายแนวโดยไม่พิจารณาอุณหภูมิระหว่างแนว — ความร้อนสะสมเปลี่ยนอัตราการเย็นตัวและสมบัติของ HAZ
• ละเลยการควบคุมไฮโดรเจน — แม้อุ่นชิ้นงานถูกต้อง การใช้ลวดเชื่อมที่ไม่ใช่ชนิดไฮโดรเจนต่ำหรืออิเล็กโทรดชื้นก็ยังก่อให้เกิดการแตกร้าวเย็นได้

วิธีตีความผลลัพธ์

• CE (IIW) < 0.40: ความสามารถชุบแข็งต่ำ — โดยทั่วไปไม่ต้องอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อม เว้นแต่ความหนาเกิน 25 mm หรืออุณหภูมิแวดล้อมต่ำกว่า 5°C
• CE (IIW) 0.40-0.60: ความสามารถชุบแข็งปานกลาง — มักต้องอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อม อุณหภูมิขึ้นกับความหนาและระดับไฮโดรเจน
• CE (IIW) > 0.60: ความสามารถชุบแข็งสูง — บังคับอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อม (มัก 150-250°C) ควบคุมไฮโดรเจนอย่างเข้มงวด และมีแนวโน้มต้องอบคลายความเค้นหลังเชื่อม
• ความเสี่ยงการแตกร้าวระดับ 'สูง' หรือ 'สูงมาก' — หยุดและทบทวนขั้นตอน ต้องมีมาตรการเพิ่มเติม (อุ่นชิ้นงานสูงขึ้น ใช้ลวดเชื่อมไฮโดรเจนต่ำกว่า PWHT) ก่อนเริ่มเชื่อม

มาตรฐานและเอกสารอ้างอิง

• EN 1011-2 — งานเชื่อม — ข้อแนะนำการเชื่อมวัสดุโลหะ — การเชื่อมอาร์กเหล็กกล้าเฟอร์ริติก
• AWS D1.1 — มาตรฐานงานเชื่อมโครงสร้าง — เหล็กกล้า (Section 5: ข้อกำหนด prequalification และการอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อม)
• ISO/TR 17671-2 — แนวทางการประยุกต์ใช้ EN 1011-2
• ASME BPVC Section IX — การรับรองคุณสมบัติงานเชื่อม การแล่นประสาน และการหลอมประสาน

คำถามที่พบบ่อย

ผลที่ตามมาจากการใช้ความร้อนเข้า (heat input) เกินค่าสูงสุดคืออะไร?

ความร้อนเข้าที่มากเกินไปทำให้เกิด: (1) เกรนหยาบในบริเวณ HAZ ลดความทนทานต่อแรงกระแทก (ค่า Charpy impact ลดลงอย่างมาก) (2) การบิดตัวและความเค้นตกค้างเพิ่มขึ้น (3) HAZ กว้างขึ้นพร้อมสมบัติที่ด้อยลง (4) เสี่ยงต่อการแตกร้าวร้อนในโลหะผสมที่อ่อนไหว (5) อาจละเมิดข้อกำหนดของมาตรฐาน (AWS D1.1 จำกัดความร้อนเข้าสำหรับ WPS ที่ผ่านการรับรองล่วงหน้า) สำหรับเหล็กชุบแข็งและอบคืนตัว ความร้อนที่มากเกินไปอาจทำให้ HAZ อ่อนลงต่ำกว่าความแข็งขั้นต่ำที่กำหนด

ต้องอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อม (preheat) เมื่อใด และกำหนดอุณหภูมิอย่างไร?

ต้องอุ่นชิ้นงานก่อนเมื่อ CE > 0.45 (สูตร IIW) ความหนาวัสดุ > 25 mm หรืออุณหภูมิแวดล้อมต่ำกว่า 5°C อุณหภูมิอุ่นขั้นต่ำคำนวณตามแนวทาง EN 1011-2 หรือ AWS D1.1 โดยอิงจาก CE ความหนา ระดับไฮโดรเจน และความร้อนเข้า ค่าทั่วไป: 75°C สำหรับ CE=0.45 ในแผ่นหนา 25 mm จนถึง 200°C สำหรับเหล็กที่มี CE สูง ต้องอุ่นให้สม่ำเสมอครอบคลุมอย่างน้อย 75 mm จากแนวรอยต่อทั้งสองด้าน

เวลาเย็นตัว t8/5 คืออะไรและมีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างไร?

t8/5 (เวลาที่ใช้เย็นตัวจาก 800°C ลงมา 500°C) เป็นตัวกำหนดโครงสร้างจุลภาคของ HAZ การเย็นตัวเร็ว (t8/5 สั้น < 5s) ทำให้เกิดมาร์เทนไซต์ — แข็ง เปราะ และเสี่ยงแตกร้าว การเย็นตัวช้า (t8/5 ยาว > 25s) ทำให้เกิดเฟอร์ไรต์/เพิร์ลไลต์ — อ่อนแต่ความทนทานต่อแรงกระแทกลดลงจากเกรนที่หยาบขึ้น ช่วงที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับเกรดเหล็ก โดยทั่วไปคือ 8-15s สำหรับเหล็กโครงสร้าง