เครื่องเชื่อมไฟฟ้ากระแสตรง

 Arc Welding เครื่องเชื่อมไฟฟ้า

Arc Welding เชื่อมไฟฟ้า คือ ชนิดของเครื่องเชื่อม ที่ได้กำลังจากการอาร์คของไฟฟ้าระหว่างแท่งอิเล็กโทรดกับชิ้นงานโลหะเพื่อหลอมละลายโลหะ ณ จุดเชื่อม สามารถเชื่อมได้ทั้งไฟฟ้ากระแสตรง DC และไฟฟ้ากระแสสลับ AC พื้นที่แนวเชื่อมทั่วไปจะต้องถูกปกคลุมด้วย แก้สหรือสแล็ก ถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกในศตวรรษที่ 19 และถูกใช้ในเชิงพาณิชย์ที่สำคัญ คือการประกอบเรือในช่วงสงครามโลกครั้งที่2 ปัจจุบันยังการเชื่อมไฟฟ้ายังคงสำคัญในกระบวนการเชื่อมประกอบโลหะ โครงสร้างเหล็ก และยานพาหนะ

Power supplies แหล่งจ่ายไฟฟ้า

เพื่อให้พลังงานสำหรับการเชื่อมไฟฟ้าการจำแนกระดับของเครื่องโดยทั่วไปมักดูที่การให้กระแสเชื่อม และแรงดันที่คงที่,แรงดันยังคงที่เมื่อเชื่อมงานแนวยาว และกระแสที่สัมพันธ์กับความร้อน, 

กระแสเชื่อมที่คงที่มักจะใช้กับการเชื่อมด้วยมือเช่นเดียวกับการเชื่อมเชื่อมไฟฟ้าด้วยแก้สทังสเตน (TIG) เครื่องเชื่อมอาร์กอน เพราะกระแสเชื่อมยังคงที่ถึงแม้แรงดันไฟเชื่อมจะเปลี่ยนไป ซึ่งเป็นเรื่องที่สำคัญเพราะโดยความเป็นจริงเราไม่สามารถรักษาระยะแท่งอิเล็กโทรดได้มั่นคงอยู่ตลอด และแนวเชื่อมที่ยาวทำให้แรงดันมีการแกว่งได้

แรงดันที่คงที่โดยเปลี่ยนค่ากระแสแทน ใช้สำหรับการเชื่อมออโต้ เช่นการเชื่อมแก้สCo2 MIG  flux core เชื่อม submerge คือถ้าระยะห่างระหว่างปืนเชื่อมกับชิ้นงานใกล้กระแสเชื่อมจะเพิ่มขึ้น แต่จะทำให้หัวทิปร้อนขึ้นและหลอมละลาย

การเชื่อมไฟฟ้าสามารถเชื่อมได้ด้วย ขั้วบวก และ ขั้วลบ, ขั้วบวกสามารถให้ความร้อนได้ดีกว่า ทำให้หลอมละลายได้ดีกว่าทำให้เชื่อมได้เร็วกว่า, ขั้วลบทำให้แนวเชื่อมบวมกว่า 

Duty Cycle คือค่าสปกของเครื่องเชื่อมเพื่อหาจำนวนนาทีของช่วง 10 นาทีช่วงที่สามรถใช้งานได้อย่างปลอดภัย ตัวอย่างเช่น Duty Cycle 60% ที่กระแสเชื่อม 80 ควรพักเครื่อง 4 นาที หลังจากใช้งานต่อเนื่องไปแล้ว 6 นาที หากใช้งานเกินค่า Duty Cycle เครื่องเชื่อมอาจเสียหายได้ หรือควรเลือกใช้เครื่องเชื่อมที่ให้กระแสเชื่อมที่ใช้งานใน Duty Cycle 100%

แท่งอิเล็กโทรดชนิดเชื่อมแล้วหมดไป (เชื่อมธูป)

1.ในชนิดทั่วไปที่รู้จักกันของการเชื่อมไฟฟ้า คือ Shielded Metal Arc Welding (SMAW) หรือที่รู้จักกันโดยทั่วไปในชื่อ Metal Metal Arc Welding (MMAW) หรือเชื่อมธูป กระแสเชื่อมไฟฟ้าที่ใช้อาร์คระหว่างชิ้นงาน และ แท่งธูปเชื่อม ชิ้นงานที่เชื่อมแล้วจะถูกปกคลุมด้วยฟลักส์ สารถเชื่อม เหล็ก นิกเกิล อะลูมิเนียม ทองแดง ใช้สำหรับงานซ่อมและงานโครงสร้าง

2.Gas Metal Arc Welding (GMAW) หรือที่รู้จักกันว่าเครื่องเชื่อม MIG (Metal Inert Gas) คือเครื่องเชื่อมอัตโนมัติ หรือ แบบกึ่งอัตโนมัติ โดยวิธีป้อนลวดออกมาอย่างต่อเนื่อง แก้สไหลโดยเชื่อมกระแสตรง สัมพันธ์กับความเร็วของลวดที่ไหลออกมา  

3.Flux-cored arc welding (FCAW) เปลี่ยนมาจากเทคนิคของ GMAW ลวดเหมือนกันแต่เพิ่มแป้งเนื้อฟลักซ์เพื่อช่วยการทำงานของแก้สป้องกันแผลเชื่อมสัมผัสอากาศ วิธีนี้ใช้ในงานเชื่อมที่ใช้ความเร็วสูง และ เคลื่อนที่ได้ดี

4.Submerged Arc Welding (SAW) การเชื่อมขั้นสูงเป็นการเชื่อมออโต้

การเชื่อมที่แท่งอิเล็คโทรดไม่หมดไป

Gas Tungsten Arc Welding (GTAW), or tungsten/inert-gas(TIG) การเชื่อมด้วยมือจากทังสเตนกับแก้สเฉื่อย เชื่อมเสถียรและแนวเชื่อมคุณภาพสูง แต่ความเร็วในการเชื่อมช้า แผลเชื่อมแคบ ส่วนใหญ่ใช้เชื่อมกับสเตนเลสและโลหะเบา  เช่น จักรยาน เครื่องบิน เรือรบ 

กระแสไฟเชื่อมเลือกใช้อย่างไรให้ถูกต้อง

ฟังดูเป็นเรื่องง่ายๆ คนส่วนมากจะตอบว่าดูที่ข้างกล่อง

ตัวนี้คือ AWS A5.1 E6013

AWS คือ Standard A5.1 คือ Specification ของลวดเชื่อมหุ้มฟลั๊กซ์สำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอน E6013 คือ Classification หรือประเภทของลวดเชื่อมหนึ่งในกลุ่มของ A5.1

ลงท้ายด้วย 13 มีความหมายคือ เป็นฟลั๊กซ์รูไทล์ เชื่อมได้ทุกท่า ใช้กระแสไฟเชื่อม AC DCEN DCEP

ทีนี้จะเลือกใช้ขั้วไฟเชื่อมแบบไหนดี

ในการเชื่อมด้วยกระบวนการเชื่อมด้วยลวดเชื่อมหุ้มฟลั๊กซ์จะเลือกใช้ขั้วกระแสไฟเชื่อมตามชนิดของลวดเชื่อมที่ใช้งาน โดยทั่วไปจะประกอบด้วยขั้วไฟเชื่อม 3 ประเภทคือ

1.ไฟกระแสตรงขั้วลบต่อกับลวดเชื่อม (DCEN : Direct Current Electrode Negative)

2.กระแสไฟตรงขั้วบวกต่อกับลวดเชื่อม (DCEP : Direct Current Electrode Positive)

3.ไฟกระแสสลับ (Alternative)

DCRP กับ DCSP เค้าเลิกใช้กันไปโดนแล้วนะครับ

การต่อหรือเลือกใช้กระแสไฟเชื่อมจะเป็นไปตามข้อกำหนดของลวดเชื่อมเท่านั้น ตัวอย่างเช่นลวดเชื่อม E7016 ลงท้ายด้วย 6 คือสามารถใช้ไฟกระแสสลับ (A.C.) และไฟกระแสตรงขั้วบวกต่อกับลวดเชื่อม (DCEP) เนื่องจากส่วนผสมทางเคมีของลวดเชื่อมจะทำงานสัมพันธ์กับความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเลือกใช้งานขั้วไฟเชื่อมที่กำหนดตามข้อกำหนดของลวดเชื่อมเบอร์นั้นๆ

ความร้อนที่เกิดขึ้นจะเป็นไปตามกฎทางฟิสิกส์ของไฟฟ้า กล่าวคือ กระแสไฟจะไหลจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ ในขณะที่อิเล็คตรอนจะวิ่งจากขั้วลบไปยังขั้วบวก

เมื่อจุดอาร์กลวดเชื่อมจะหลอมละลาย ฟลั๊กซ์ที่หุ้มลวดเชื่อมจะละลายและสลายตัวเป็นแก็ส อิเล็คตรอนจากกระแสไฟเชื่อมจะชนกับอะตอมของแก็ส และแก็สแตกตัวอิออน และโปรตอน

คลิปประกอบ https://youtu.be/MAVPabtSvAA

กระบวนการดังกล่าวคือการทำให้แก็สแตกตัว (Ionization) เป็นการเปลี่ยนพลังงานจลน์ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ชนกันของอิเล็คตรอนและอะตอมของแก็สให้เป็นพลังงานความร้อน หรืออาร์ก (Arc) หรือพลาสมา (Plasma)

ไฟ AC กับไฟ DC อะไรดีกว่ากัน

ถ้าพิจารณาการไหลของกระแสไฟ DC จะเป็นการไหลในทิศทางเดียว ผลคือมีความสม่ำเสมอของอาร์กสูงกว่า AC การควบคุมการเชื่อมทำได้ง่ายกว่า ผู้ทำการเชื่อมจะรู้สึกได้ว่าอาร์กนิ่มกว่า เสียงจากการอาร์กราบเรียบสม่ำเสมอ ต่างจากการเชื่อมด้วยเครื่องเชื่อมไฟกระแสสลับอย่างเห็นได้ชัด

ไฟกระแสสลับ จะมีจุดเปลี่ยนจากบวกเป็นลบ สลับกัน 50 ครั้ง ทุกวินาที หรือมีความถี่ 50 Hz

ส่งผลให้อาร์กมีเสียงดังจากการสลับขั้ว ความนุ่มนวล การถ่ายโอนน้ำโลหะจะด้อยกว่าการเชื่อมด้วยไฟ DC

การต่อขั้วไฟเชื่อมแบบกระแสไฟตรงขั้วบวกต่อกับลวดเชื่อม (DCEP) อิเล็คตรอนจะวิ่งจากชิ้นงานไปลวดเชื่อม เกิดการบอมบาร์ทที่ลวดเชื่อม ผลคือเกิดความร้อนที่ลวดเชื่อมมากกว่าที่ชิ้นงาน ถ้าอุณหภูมิของอาร์กที่เกิดขึ้นจากการเชื่อมเป็น 6,000 องศาเซลเซียส อุณหภูมิที่เกิดขึ้นที่ลวดเชื่อมจะประมาณ 2/3 ของความร้อนทั้งหมด หรือ ประมาณ 4,000 องศาเซลเซียส อุณหภูมิชิ้นงานจะอยู่ที่ 1/3 หรือ ประมาณ 2,000 องศาเซลเซียส ผลคือลวดเชื่อมจะมีอัตราการการหลอมละลายสูงกว่าชิ้นงาน รูปร่างของรอยเชื่อมจะกว้างและตื้น

ในทางกลับกัน หากการต่อขั้วไฟเชื่อมแบบกระแสไฟตรงขั้วลบต่อกับลวดเชื่อม (DCEN) อิเล็คตรอนจะวิ่งจากลวดเชื่อมไปชิ้นงาน เกิดการบอมบาร์ทที่ชิ้นงาน ผลคือเกิดความร้อนที่ชิ้นงานมากกว่าที่ลวดเชื่อม ดังนั้นอุณหภูมิที่เกิดขึ้นที่ลวดเชื่อมจะประมาณ 1/3 ของความร้อนทั้งหมด หรือ ประมาณ 2,000 องศาเซลเซียส อุณหภูมิชิ้นงานจะอยู่ที่ 2/3 หรือ ประมาณ 4,000 องศาเซลเซียส ผลคือรูปร่างของรอยเชื่อมจะมีการหลอมลึกสูงและแคบ

ในกรณีที่ต่อขั้วไฟเชื่อมแบบกระแสสลับ (Alternating) ลักษณะของไฟกระแสสลับจะเป็นการไหลสลับขั้วจากบวกไปลบ เป็นคลื่น SIN Wave จะถือว่าไฟกระแสสลับไม่มีขั้ว ความร้อนจะเกิดแบบสมดุลย์ คือเกิดที่ชิ้นงาน 1/2 เกิดที่ลวดเชื่อม 1/2 ความกว้างและการหลอมลึกของรอยเชื่อมจะอยู่สมดุลระหว่าง การเชื่อมด้วยขั้วไฟเชื่อมทั้งสองแบบที่กล่าวมาข้างต้น

เรื่องตัวเลขอุณหภูมิเป็นตัวเลขประมาณการ เพื่อใช้อธิบายความสัมพันธ์กับการเลือกใช้ขั้วเชื่อมที่ต่างกัน

ถ้าใช้กระแสไฟสูงขึ้น อุณหภูมิของอาร์กจะเพิ่มขึ้นด้วย

แต่ละกระบวนการก็ไม่เท่ากัน

อันนี้เป็น Simulator อุณหภูมิของอาร์กที่เกิดจากการเชื่อม TIG แบบ Stationary (ไม่เคลื่อนที่) ที่กระแสไฟ 150 A.

หากพิจารณาในมุมมองของการละลายเข้ากันระหว่างลวดเชื่อมกับชิ้นงานหรือที่เรียกว่า การเจือ (Dilute) การเลือกใช้ขั้วกระแสไฟเชื่อมที่แตกต่างกันจะส่งผลต่อการเจือของลวดเชื่อมและโลหะงาน

กรณีการเชื่อมพอกผิวแข็งที่ต้องการความแข็งของรอยเชื่อมสูงๆ ซึ่งจำเป็นต้องควบคุมการเจือระหว่างลวดเชื่อมและชิ้นงานให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้ การเลือกใช้ขั้วไฟเชื่อมแบบกระแสไฟตรงขั้วบวกต่อกับลวดเชื่อม (DCEP) จะเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด

ต้องดูแยกตาม Specification ด้วยนะครับ อันนี้ของ A5.1

จบเรื่องขั้วไฟเชื่อม แล้วนะครับ

อันนี้อ้างอิงจากการเชื่อมทิกนะครับ

Cr. ผศ.ดร.ปริยสุทธิ์ วัฒนธรรม

ภาควิชาเทคโนโลยีวิศวกรรมการเชื่อม

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ

วิทยาทานในครั้งนี้ข้าพเจ้าขออุทิศผลบุญให้คุณพ่อประสงค์ คุณแม่รัตนาพร วัฒนธรรม และคณาจารย์ที่ประสิทธิ์ประสาทวิชาความรู้ให้ข้าพเจ้าจนสามารถต่อยอดองค์ความรู้เกิดประโยชน์เป็นวงกว้างผ่านสื่อโซเชียลเทอญ....