กระบวนการ
การอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อม คือการให้ความร้อนแก่ชิ้นงานที่จะเชื่อมจนมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิห้องก่อนหรือระหว่างการเชื่อม การอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมเป็นข้อกำหนดที่ระบุไว้ในมาตรฐานการเชื่อม ทั้งก่อนและหลังการเชื่อม อย่างไรก็ตาม อาจใช้วิธีอื่นได้ในบางกรณี ไม่ว่าการอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมจะเป็นข้อกำหนดหรือไม่ การอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมก็มีข้อดีหลายประการ:
• ลดความเค้นจากการหดตัวในรอยเชื่อมและโลหะฐานที่อยู่ติดกัน ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับรอยเชื่อมที่มีค่าความเค้นสูง
• ลดอัตราการเย็นตัวลงในช่วงอุณหภูมิวิกฤตขณะเย็นตัวของรอยเชื่อม เพื่อป้องกันการแข็งตัวมากเกินไปและลดความยืดหยุ่นของรอยเชื่อมและบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ)
• การลดอัตราการเย็นตัวในช่วงอุณหภูมิ 400 องศาฟาเรนไฮต์ จะช่วยให้ไฮโดรเจนมีเวลาระเหยออกจากรอยเชื่อมและโลหะข้างเคียงมากขึ้น ซึ่งจะช่วยป้องกันการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจน
• กำจัดสิ่งปนเปื้อน
• ปริมาณการอุ่นล่วงหน้าไม่ได้กำหนดโดยมาตรฐานขั้นต่ำของข้อกำหนด แต่กำหนดโดยวิธีการอย่างใดอย่างหนึ่งหรือมากกว่านั้นดังต่อไปนี้:
ตารางคำนวณ
มีตารางคำนวณการอุ่นก่อนการหลอมโลหะหลากหลายรูปแบบที่ใช้กันมาในประวัติศาสตร์ หลายตารางอยู่ในรูปของไม้บรรทัดคำนวณแบบเส้นตรงหรือแบบวงกลม และทำนายอุณหภูมิการอุ่นก่อนการหลอมโดยการระบุวัสดุและความหนาของโลหะต้นแบบ
เทียบเท่าคาร์บอน
ค่าเทียบเท่าคาร์บอน (CE) เป็นวิธีหนึ่งในการพิจารณาว่าจำเป็นต้องมีการอุ่นล่วงหน้าหรือไม่ และในระดับใด
หาก CE ≤ 0.45% สามารถเลือกการอุ่นล่วงหน้าได้ตามต้องการ
ถ้า 0.45 ≤ CE ≤ 0.60% ช่วงอุณหภูมิการอุ่นล่วงหน้าจะอยู่ที่ 200°F ถึง 400°F (100°–200°C)
ถ้า CE > 0.60% ช่วงอุณหภูมิการอุ่นล่วงหน้าจะอยู่ที่ 400 ถึง 700 องศาฟาเรนไฮต์ (200–350 องศาเซลเซียส)
เมื่อค่า CE > 0.5 ให้พิจารณาเลื่อนการตรวจสอบแบบไม่ทำลายขั้นสุดท้าย (NDE) ออกไปอย่างน้อย 24 ชั่วโมง เพื่อตรวจสอบว่าเกิดการแตกร้าวล่าช้าหรือไม่
พารามิเตอร์การแตก
เมื่อค่าเทียบเท่าคาร์บอนเท่ากับหรือน้อยกว่า 0.17 wt-% หรือเมื่อใช้เหล็กกล้าความแข็งแรงสูง สามารถใช้การตรวจจับรอยแตกตามพารามิเตอร์ของ Ito & Bessyo (Pcm) ได้ วิธีนี้สามารถทำนายได้อย่างแม่นยำว่าควรให้ความร้อนล่วงหน้าเมื่อใด ควรบังคับให้ความร้อนล่วงหน้าเมื่อใด และที่อุณหภูมิเท่าใด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง
ถ้า Pcm ≤ 0.15% ให้ทำการอุ่นเครื่องที่อุณหภูมิใดก็ได้
ถ้า 0.15% < Pcm < 0.26–0.28% ให้ตั้งอุณหภูมิไว้ที่ 200°– 400°F (100°–200°C)
ถ้า Pcm > 0.26–0.28% ให้ตั้งอุณหภูมิไว้ที่ 400°–700°F (200°–350°C)
การทดสอบประกายไฟ
การทดสอบประกายไฟถูกนำมาใช้เป็นเวลาหลายทศวรรษเพื่อประเมินปริมาณคาร์บอนในเหล็กกล้าคาร์บอน ยิ่งปริมาณคาร์บอนสูง ประกายไฟก็จะยิ่งดี และยิ่งต้องใช้ความร้อนก่อนการหลอมมากขึ้น วิธีนี้แม้จะไม่แม่นยำมากนัก แต่ก็เป็นวิธีที่ง่าย สามารถใช้กำหนดอุณหภูมิความร้อนก่อนการหลอมที่สูงหรือต่ำได้
หลักการโดยทั่วไป
อีกวิธีหนึ่งที่แม่นยำน้อยกว่าแต่ได้ผลในการเลือกอุณหภูมิการอุ่นก่อนเชื่อม คือ การคำนวณอุณหภูมิการอุ่นก่อนเชื่อมที่เพิ่มขึ้น 100°F (50°C) สำหรับทุกๆ 10 จุดของปริมาณคาร์บอน (0.10 wt-%) ตัวอย่างเช่น หากปริมาณคาร์บอนคือ 0.25 wt-% อุณหภูมิการอุ่นก่อนเชื่อมจะเป็น 250°F (125°C) หรืออย่างน้อยก็เริ่มต้นที่ 250°F (125°C) หากมีสารเคลือบหรือส่วนประกอบอื่นๆ อยู่ใกล้รอยเชื่อม อุณหภูมิการอุ่นก่อนเชื่อมที่กำหนดโดยข้อกำหนดการผลิตเดิมจะไม่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม หากความร้อนที่ป้อนเข้าเชื่อมอยู่ใกล้เคียงกับช่วงสูงสุดที่อนุญาตโดยกระบวนการมาตรฐาน ความร้อนที่ถ่ายเทไปยังชิ้นส่วนที่เชื่อมอาจสมดุลกับความร้อนที่ป้อนเข้าเชื่อม ทำให้โลหะที่ได้รับผลกระทบร้อนขึ้นถึงหรือสูงกว่าข้อกำหนดการอุ่นก่อนเชื่อมขั้นต่ำ เพื่อให้สามารถใช้การอุ่นก่อนเชื่อมที่ผ่อนคลายมากขึ้นโดยวิธีการภายนอกได้ สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่ามีการใช้ช่วงและการแปลงที่ไม่แม่นยำ (°F เป็น °C) ในที่นี้ ซึ่งเป็นไปโดยเจตนา การอุ่นก่อนเชื่อมไม่ใช่เรื่องที่แม่นยำตายตัว ในหลายกรณี การเพิ่มอุณหภูมิการอุ่นล่วงหน้าอย่างต่อเนื่องจนกว่าปัญหาจะได้รับการแก้ไข (เช่น รอยแตกหายไป) ถือเป็นเรื่องปกติ ในทางกลับกัน ในการใช้งานเฉพาะบางอย่าง อุณหภูมิการอุ่นล่วงหน้าที่ต่ำกว่าที่แนะนำหรือกำหนดไว้ในข้อกำหนดก็อาจให้ผลลัพธ์ที่ต้องการได้เช่นกัน
การประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ
ทักษะเชิงปฏิบัติก็เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องใส่ใจเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการอ่อนตัวของวัสดุเนื่องจากการอุ่นก่อนเชื่อม ควรเลือกกระบวนการเชื่อมและอิเล็กโทรดที่ปล่อยไฮโดรเจนน้อยลง เทคนิคบางอย่างสามารถลดหรือทำให้ความเค้นตกค้างน้อยที่สุดได้ ตรวจสอบอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าใช้วิธีอุ่นก่อนเชื่อมอย่างถูกต้อง คำอธิบายต่อไปนี้มีความสำคัญต่อการใช้เทคนิคเหล่านี้ให้ประสบความสำเร็จ
ขนาดร่องเชื่อมและเทคนิคการเชื่อม
เทคนิคที่ใช้ในกระบวนการเชื่อมมีผลกระทบอย่างมากต่อการหดตัวของรอยเชื่อมของชิ้นงาน ความเครียดตกค้าง การควบคุมปริมาณความร้อน และการป้องกันการแตกร้าว
รอยเชื่อมสั้นจะหดตัวตามแนวยาวน้อยกว่ารอยเชื่อมยาว นอกจากนี้ยังสามารถลดความเค้นตกค้างได้โดยใช้การเชื่อมแบบย้อนกลับหรือลำดับการเชื่อมแบบพิเศษ
ควบคุมหรือลดปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าไป การเชื่อมแบบเส้นตรงที่มีการสั่นสะเทือนเล็กน้อยสามารถใช้แทนการเชื่อมแบบสั่นสะเทือนขนาดใหญ่ได้
ลดรอยแตก
รอยบุ๋มจากการเชื่อมและรอยแตกจากการเชื่อมสามารถลดหรือกำจัดได้โดยใช้กระบวนการผลิตที่เหมาะสม
1) รอยเชื่อมที่มีหน้าตัดกลมจะมีโอกาสแตกร้าวน้อยที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับรอยเชื่อมที่มีหน้าตัดบางและกว้าง
2) หลีกเลี่ยงการเริ่มหรือหยุดการเชื่อมอย่างกระทันหัน การเชื่อมและการขึ้นรูปแนวเชื่อมจะถูกควบคุมโดยใช้เทคนิคการเชื่อมแบบลาดขึ้น/ลาดลง หรือโดยวิธีการทางไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อม
3) ควรมีการเชื่อมประสานวัสดุให้เพียงพอเพื่อป้องกันการแตกร้าวที่เกิดจากการหดตัวของรอยเชื่อมหรือการเชื่อมตามปกติ หลักการทั่วไปในการป้องกันการแตกร้าวเนื่องจากการเชื่อมประสานไม่เพียงพอ (และเป็นข้อกำหนดในข้อกำหนดการผลิตหลายฉบับ) คือการเชื่อมประสานอย่างน้อย 3/8 นิ้ว (10 มม.) หรือ 25% ของความหนาของร่องเชื่อม
วิธีการอุ่นล่วงหน้า
การอุ่นก่อนเชื่อมสามารถทำได้ในโรงงานหรือในพื้นที่ปฏิบัติงานโดยใช้ความร้อนจากเปลวไฟ (เชื้อเพลิงอากาศหรืออะเซทิลีน) ความร้อนจากความต้านทาน หรือความร้อนจากการเหนี่ยวนำไฟฟ้า ไม่ว่าจะใช้วิธีใด การอุ่นก่อนเชื่อมจะต้องสม่ำเสมอ และเว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น จะต้องอุ่นให้ทั่วความหนาของรอยเชื่อมทั้งหมด รูปที่ 1 แสดงอุปกรณ์ที่ใช้ความร้อนจากความต้านทาน (แบบไม่หุ้มฉนวน ดังที่จะนำไปใช้ในภายหลัง) และความร้อนจากการเหนี่ยวนำ
การตรวจสอบการอุ่นล่วงหน้า
สามารถใช้อุปกรณ์หลากหลายชนิดในการวัดและตรวจสอบอุณหภูมิได้ ควรให้ความร้อนแก่ชิ้นงานหรือรอยเชื่อมก่อนเพื่อให้ความร้อนแทรกซึมเข้าไปในวัสดุอย่างทั่วถึง หากเป็นไปได้ ควรทดสอบหรือประเมินระดับการแทรกซึมของความร้อน โดยทั่วไปแล้ว สำหรับงานเชื่อมส่วนใหญ่ การตรวจสอบอุณหภูมิในระยะห่างจากขอบรอยเชื่อมก็เพียงพอแล้ว การตรวจสอบหรืออ่านค่าอุณหภูมิจะต้องไม่ทำให้ร่องเชื่อมปนเปื้อน
ตัวบ่งชี้อุณหภูมิ
ปากกาหรือเครื่องมือคล้ายดินสอเหล่านี้จะหลอมเหลวที่อุณหภูมิหนึ่ง และสามารถใช้เพื่อกำหนดอุณหภูมิต่ำสุดที่ต้องถึงระหว่างการอุ่นชิ้นงานได้อย่างง่ายดายและประหยัด นั่นคืออุณหภูมิที่ปากกาหลอมเหลว ข้อเสียคือจะไม่สามารถใช้งานได้หากอุณหภูมิของชิ้นงานสูงกว่าอุณหภูมิหลอมเหลวของปากกา เมื่ออุณหภูมิของชิ้นงานสูงเกินไป จะต้องใช้ปากกาหลายแท่งที่มีอุณหภูมิหลอมเหลวต่างกัน
การตรวจสอบอุณหภูมิทางอิเล็กทรอนิกส์
สำหรับการอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมและการเชื่อม สามารถใช้เครื่องมือวัดโดยตรง เช่น เครื่องวัดอุณหภูมิแบบสัมผัส หรือเทอร์โมคัปเปิลแบบอ่านค่าโดยตรง (ที่มีการแสดงผลแบบอนาล็อกหรือดิจิทัล) ได้เช่นกัน อุปกรณ์วัดทั้งหมดควรได้รับการสอบเทียบหรือมีวิธีการตรวจสอบความสามารถในการวัดช่วงอุณหภูมิที่ต้องการ เนื่องจากเทอร์โมคัปเปิลสามารถตรวจสอบและจัดเก็บข้อมูลได้อย่างต่อเนื่อง จึงสามารถใช้ร่วมกับเครื่องบันทึกกราฟหรือระบบเก็บข้อมูลสำหรับการอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมหรือการอบชุบหลังเชื่อม (PWHT) ได้ มาตรฐาน AWS D10.10 มีแผนผังและตัวอย่างการวางตำแหน่งเทอร์โมคัปเปิลที่หลากหลาย
การตรวจสอบที่พัฒนาขึ้นเองภายในประเทศ
มีการใช้หลายวิธีที่คิดค้นขึ้นเองมานานหลายทศวรรษเพื่อตรวจสอบว่าอุณหภูมิการอุ่นก่อนใช้งานนั้นเหมาะสมหรือไม่ วิธีหนึ่งก็คือการพ่นน้ำลายหรือของเหลวสำหรับรมควันลงบนชิ้นงานโดยตรง เสียง "แตก" ของน้ำลายจะเป็นตัวบ่งชี้อุณหภูมิ แม้ว่าจะไม่แม่นยำมากนัก แต่ผู้ที่มีประสบการณ์หลายคนก็ยังใช้วิธีนี้อยู่
อีกวิธีหนึ่งที่แม่นยำกว่าในการกำหนดอุณหภูมิการอุ่นล่วงหน้าคือการใช้หัวเผาอะเซทิลีน ปรับเปลวไฟให้มีการเผาไหม้สูง ซึ่งจะทำให้เกิดชั้นเขม่าสะสมในบริเวณที่จะอุ่น จากนั้นปรับหัวเผาให้มีควันปานกลาง เพื่อให้ความร้อนแก่บริเวณเขม่า เมื่อเขม่าหายไป อุณหภูมิพื้นผิวอาจสูงถึง 400°F (200°C)
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุณหภูมิการอุ่นล่วงหน้าถึงระดับที่ต้องการตลอดความหนาของชิ้นงานและบริเวณรอยเชื่อม การตรวจสอบส่วนใหญ่จะทำเฉพาะที่พื้นผิวด้านนอกของชิ้นงานเท่านั้น มาตรฐาน AWS D10.10 แนะนำแนวทางปฏิบัติที่เป็นประโยชน์สำหรับโซนการแช่ความร้อน และกำหนดให้ต้องให้ความร้อนตลอดความหนาของชิ้นงานเมื่อทำการเชื่อมท่อกับท่อ
ต้องสังเกตอย่างระมัดระวังในระหว่างการอุ่นชิ้นงานเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้โลหะฐานร้อนเกินไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้วิธีการอุ่นด้วยความต้านทานหรือการอุ่นด้วยการเหนี่ยวนำ ปัจจุบันผู้ขนส่งหลายรายกำหนดให้ติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลไว้ใต้แผ่นทำความร้อนแบบต้านทานหรือชุดขดลวดเหนี่ยวนำแต่ละชุดเพื่อตรวจสอบและป้องกันความร้อนสูงเกินไป
สรุป
ไม่ว่าการอุ่นก่อนเชื่อมจะจำเป็นหรือไม่ และไม่ว่าวิธีการอุ่นก่อนเชื่อมที่ใช้จะเป็นอย่างไร การอุ่นก่อนเชื่อมก็มีประโยชน์ดังต่อไปนี้: ลดความเค้นจากการหดตัวในรอยเชื่อมและโลหะฐานที่อยู่ติดกัน ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับรอยเชื่อมที่มีข้อจำกัดสูง; ชะลออัตราการเย็นตัวของชิ้นงานในช่วงอุณหภูมิวิกฤต ป้องกันการแข็งตัวมากเกินไปของชิ้นงาน และลดการอ่อนตัวของรอยเชื่อมและบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ); ชะลออัตราการเย็นตัวของชิ้นงานเมื่อผ่านช่วงอุณหภูมิ 400°F (200°C) ทำให้ไฮโดรเจนมีเวลามากขึ้นในการแพร่กระจายจากรอยเชื่อมและโลหะฐานที่อยู่ติดกัน ป้องกันการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจน; กำจัดสิ่งปนเปื้อน; เมื่อทำการอุ่นก่อนเชื่อม ควรให้ความร้อนทั่วความหนาของรอยเชื่อมอย่างสม่ำเสมอที่อุณหภูมิอุ่นก่อนเชื่อมที่กำหนด การให้ความร้อนเฉพาะจุดมากเกินไปอาจทำให้วัสดุเสียหายได้ ดังนั้นควรหลีกเลี่ยง
เวลาโพสต์: 4 พ.ย. 2567