จุดประสงค์ของการอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมคืออะไร?

โดยทั่วไปแล้ว โลหะพื้นฐานจะถูกให้ความร้อนก่อนทำการเชื่อม เหตุผลเฉพาะสำหรับการทำเช่นนี้คืออะไร?

มาเริ่มกันที่ข้อสรุปก่อนเลย: มีเหตุผลหลักสองประการ:

ประการแรกคือการลดความเค้นตกค้างในรอยเชื่อม ประการที่สองคือการลดการก่อตัวของโครงสร้างแข็งตัวในรอยเชื่อม ซึ่งจะช่วยลดการเกิดรอยแตกร้าวเย็นในระหว่างการเชื่อม

เราจะเข้าใจข้อสรุปนี้ได้อย่างไร?

ขอผมยกตัวอย่างให้ฟัง: ก่อนออกกำลังกาย เรามักจะวอร์มร่างกายก่อน โดยส่วนใหญ่เพื่อยืดกล้ามเนื้อและข้อต่อ เพื่อลดโอกาสการบาดเจ็บกล้ามเนื้อระหว่างออกกำลังกาย

อันที่จริงแล้ว เหล็กของเราก็ต้องการการอุ่นเครื่องก่อนการเชื่อมเช่นกัน การอุ่นเหล็กก่อนเชื่อมถือเป็นการอุ่นเครื่องที่ดีอย่างหนึ่ง

โดยปกติแล้วเหล็กจะผ่านกระบวนการอบชุบความร้อนที่เหมาะสมก่อนออกจากโรงงาน อย่างไรก็ตาม แม้จะผ่านการอบชุบความร้อนแล้ว ก็ยังคงมีแรงเค้นตกค้างอยู่ในเหล็ก ดังนั้น การอุ่นเหล็กก่อนการเชื่อมจึงสามารถลดแรงเค้นตกค้างนี้ได้

ความเค้นตกค้างนี้ในทางวิศวกรรมเรียกว่า ความเค้นจำกัด ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วก็คือสิ่งเดียวกัน

สำหรับการแตกร้าวจากการเชื่อมในสภาวะเย็น มีปัจจัยหลักสามประการ ได้แก่ ความเค้นที่จำกัด โครงสร้างที่แข็งตัว และปริมาณไฮโดรเจนที่สามารถแพร่กระจายได้

ความเครียดจากข้อจำกัดเป็นหนึ่งในปัจจัยที่มีอิทธิพล

ประเด็นที่สอง ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว คือการลดการก่อตัวของโครงสร้างที่แข็งตัว

มาร์เทนไซต์เป็นโครงสร้างแข็งตัวทั่วไปชนิดหนึ่ง เป็นสารละลายของแข็งอิ่มตัวยิ่งยวดของคาร์บอนในเหล็กอัลฟา มาร์เทนไซต์ยังแบ่งออกเป็นมาร์เทนไซต์แบบแผ่นและมาร์เทนไซต์แบบเข็มอีกด้วย

โดยทั่วไปแล้ว มาร์เทนไซต์แบบแผ่นจะมีคุณสมบัติที่ดีกว่า ในขณะที่มาร์เทนไซต์แบบเข็มจะมีคุณสมบัติที่ด้อยกว่า แต่ผมจะไม่ลงรายละเอียดในที่นี้ เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับหัวข้อมาร์เทนไซต์ได้ในภายหลังหากมีโอกาส

อย่างไรก็ตาม สำหรับงานเชื่อม เราควรพยายามหลีกเลี่ยงการเกิดมาร์เทนไซต์ในรอยเชื่อม

คุณสามารถดูภาพด้านบนได้ ภาพนี้เป็นแผนภาพเส้นโค้งการเปลี่ยนแปลงแบบไอโซเทอร์มอลทั่วไปสำหรับเหล็กกล้าชนิดยูเทคทอยด์

ในความเป็นจริง เส้นโค้ง ซีซีที สำหรับการเชื่อมนั้นซับซ้อนกว่ามาก เพื่อให้เข้าใจง่าย เราจะใช้แผนภาพนี้เพื่ออธิบายการก่อตัวของมาร์เทนไซต์เป็นการชั่วคราว

ในแผนภาพด้านบน เส้นทั้งห้าเส้นจาก V1 ถึง V5 แสดงถึงอัตราการเย็นตัวที่แตกต่างกัน V1 มีความชันน้อยที่สุด ดังนั้นอัตราการเย็นตัวจึงช้าที่สุด ส่วน V5 มีอัตราการเย็นตัวเร็วที่สุด ในส่วนล่างของแผนภาพนี้ มีเส้นโค้งสองเส้น คือ นางสาว และ เอ็มเอฟ โดย นางสาว แสดงถึงเส้นโค้งอุณหภูมิที่การเปลี่ยนแปลงแบบมาร์เทนไซต์เริ่มต้นขึ้น ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 230 องศาเซลเซียส และ เอ็มเอฟ แสดงถึงเส้นโค้งอุณหภูมิที่การเปลี่ยนแปลงแบบมาร์เทนไซต์สิ้นสุดลง

ความน่าจะเป็นของการเกิดมาร์เทนไซต์จะแตกต่างกันไปตามอัตราการเย็นตัวที่แตกต่างกัน โดย V5 เป็นอัตราการเย็นตัวที่เร็วที่สุด และมีโอกาสเกิดมาร์เทนไซต์มากที่สุด

ดังนั้น การอุ่นเหล็กก่อนการเชื่อมจะทำให้อุณหภูมิในการเชื่อมสูงขึ้น ซึ่งจะทำให้ระยะเวลาการเย็นตัวของรอยเชื่อมยาวนานขึ้น ส่งผลให้ลดอัตราการเย็นตัวและลดโอกาสการเกิดมาร์เทนไซต์ลง

นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่การอุ่นชิ้นงานก่อนเชื่อมมีความจำเป็น

ดังนั้น อุณหภูมิการอุ่นล่วงหน้าที่สูงขึ้นจึงดีกว่าเสมอไปหรือไม่? แน่นอนว่าไม่!

หากอุณหภูมิการอุ่นก่อนเชื่อมสูงเกินไป เวลาในการเย็นตัวของรอยเชื่อมจะนานขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงอุณหภูมิ 800 ถึง 500 องศาเซลเซียส หากเวลาในการเย็นตัวนานเกินไป การเจริญเติบโตของเกรนจะเด่นชัดมากขึ้น

ความแข็งแรงและความแข็งของรอยเชื่อมจะลดลงอย่างมาก ดังนั้นอุณหภูมิในการอุ่นก่อนเชื่อมจึงไม่ควรสูงเกินไป