00000. การเชื่อมไม่เติมน้ำตาล ตอนที่ 2
ข้อควรพิจารณาการใช้งานเหล็กกล้าเพื่องานก่อสร้างและงานเชื่อม
ข้อควรพิจารณาเหล็กกล้าเพื่องานก่อสร้างและงานเชื่อม
เหล็กกล้าที่ใช้ในงานก่อสร้างมีหลายประเภท มีมาตรฐานที่กำหนดสมบัติและการใช้งานแตกต่างกันไป มาตรฐานกำหนดโดยองค์กรทั้งในประเทศและต่างประเทศ เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพและความปลอดภัยของวัสดุที่ใช้ในงานก่อสร้าง
มาตรฐานเหล็กกล้าสำหรับงานก่อสร้างในประเทศไทย
ในประเทศไทย มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม (มอก.) เป็นมาตรฐานที่กำหนดสมบัติของเหล็กกล้าสำหรับงานก่อสร้าง เช่น
- มอก. 1228-25XX เหล็กโครงสร้างรูปพรรณขึ้นรูปเย็นสำหรับงานโครงสร้างทั่วไป
- มอก. 1499-2563 เหล็กกล้าทรงแบนรีดร้อนสำหรับงานโครงสร้างเชื่อมประกอบ
- มอก. 20-2559 เหล็กเส้นกลม สำหรับงานก่อสร้างทั่วไป
- มอก. 24-2559 เหล็กเสริมคอนกรีตชนิดข้ออ้อย
มาตรฐานเหล็กกล้าสำหรับงานก่อสร้างในระดับสากล
มาตรฐานสากลที่นิยมใช้ในงานก่อสร้าง เช่น
- ASTM (American Society for Testing and Materials) กำหนดมาตรฐานสมบัติของวัสดุในสหรัฐอเมริกา เช่น ASTM A36 - สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนที่ใช้ในงานโครงสร้าง, ASTM A615 - Grade 40, Grade 60, และ Grade 75 เป็นเหล็กข้ออ้อยที่กำหนดค่าความต้านแรงดึงสูงกว่าเหล็กเส้นกลม
- JIS (Japanese Industrial Standards) มาตรฐานอุตสาหกรรมของญี่ปุ่น เช่น JIS G3101 - สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนโครงสร้างทั่วไป, JIS G3112 - SD295A, SD390, SD490 เป็นเกรดที่ใช้สำหรับเหล็กเสริมคอนกรีต มีค่าความต้านแรงดึงและความยืดตัวใกล้เคียงกับมาตรฐาน มอก.
- EN (European Standards) มาตรฐานยุโรป เช่น EN 10025 - สำหรับเหล็กโครงสร้างรีดร้อน, EN 10080 - B500B และ B500C ใช้ในงานก่อสร้างที่ต้องการคุณสมบัติทนทานต่อแรงดึงและความยืดตัวสูง
ตารางเปรียบเทียบมาตรฐานเหล็กเส้นกลมและเหล็กข้ออ้อยในงานก่อสร้าง
ธาตุผสมที่สำคัญและบทบาทของธาตุผสมในเหล็กกล้า
บทบาทโดยรวมของธาตุผสมในงานโครงสร้างเหล็กกล้า
- เพิ่มความแข็งแรง - คาร์บอน, แมงกานีส, ซิลิกอน และวานาเดียม ช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับเหล็กกล้า โดยเฉพาะในงานโครงสร้างที่ต้องรับน้ำหนักมาก
- ปรับปรุงความเหนียวและความต้านทาน - นิกเกิล, โมลิบดีนัม และโครเมียม ช่วยเพิ่มความเหนียวและความทนทานต่อการกัดกร่อนและการสึกหรอ
- ปรับปรุงสมบัติที่อุณหภูมิสูงและต่ำ – โมลิบดีนัมและทังสเตน ช่วยให้เหล็กกล้าทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
- ลดข้อบกพร่องในการผลิต - ซิลิกอน, แมงกานีส และไทเทเนียม ช่วยกำจัดสิ่งเจือปน เช่น ออกซิเจนและกำมะถัน เพื่อปรับปรุงคุณภาพ
หากเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีปริมาณคาร์บอนสูงเกินค่ามาตรฐาน
ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อกระบวนการเชื่อมและสมบัติของแนวเชื่อม ดังนี้
- เพิ่มความแข็งและลดความเหนียวกระแทก ปริมาณคาร์บอนสูงส่งผลให้โครงสร้างในบริเวณแนวเชื่อมและบริเวณ HAZ มีความแข็งมากขึ้น เนื่องจากมีแนวโน้มเกิดมาร์เทนไซต์ ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีความแข็งแรงสูงแต่เปราะมาก ทำให้โลหะไม่ทนต่อแรงกระแทกหรือแรงดึงได้ดีเท่าที่ควร
- เพิ่มโอกาสเกิดรอยแตกร้าว ปริมาณคาร์บอนที่สูงเกินไปเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิด Cold Cracking หรือ Hydrogen-Induced Cracking, HIC โดยเฉพาะในบริเวณ HAZ เนื่องจากความแข็งแรงและความเปราะของมาร์เทนไซต์ในโครงสร้างจุลภาค
- ลดความสามารถในการเชื่อม เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนสูงมักมีค่าคาร์บอนสมมูล (Carbon Equivalent, CE) สูง ซึ่งทำให้โลหะมีความไวต่อการแตกร้าว ความเค้นตกค้างและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคในบริเวณ HAZ
- ผลต่ออัตราการเย็นตัว ปริมาณคาร์บอนสูงทำให้อัตราการเย็นตัวเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดโครงสร้างที่ไม่พึงประสงค์ เช่น มาร์เทนไซต์หรือเบนไนต์ ซึ่งส่งผลเสียต่อสมบัติทางกล
แนวทางแก้ไข
- ควบคุมปริมาณคาร์บอนในโลหะงาน เลือกเหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนอยู่ในระดับที่เหมาะสมสำหรับการเชื่อม โดยค่าคาร์บอนสมมูลไม่ควรเกิน 0.40–0.45%
- การ Preheating ที่อุณหภูมิ 150–300°C ก่อนการเชื่อม เพื่อลดอัตราการเย็นตัวและลดความเค้นในแนวเชื่อม
- การใช้โลหะเติม ใช้ลวดเชื่อมที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำและมีส่วนผสมของธาตุที่ช่วยลดการเกิดมาร์เทนไซต์ เช่น นิกเกิล หรือธาตุที่ช่วยเพิ่มความเหนียว
- การควบคุมกระบวนการเชื่อม ใช้กระแสไฟฟ้าต่ำถึงปานกลางและเชื่อม Short Passes เพื่อควบคุมการสะสมความร้อนและลดความเค้นตกค้าง
- การคลายความเค้น Post-Weld Heat Treatment, PWHT การทำ PWHT เพื่อปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคในบริเวณ HAZ และลดความเปราะของโลหะ
หากเหล็กกล้าคาร์บอนมีปริมาณฟอสฟอรัสสูงเกินค่ามาตรฐาน
จะส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อกระบวนการเชื่อมและคุณสมบัติของแนวเชื่อม ดังนี้
- เพิ่มความเปราะในโครงสร้างโลหะ ฟอสฟอรัสเป็นธาตุที่มีแนวโน้มทำให้โลหะเกิดความเปราะ โดยเฉพาะในบริเวณที่เย็นตัวเร็ว เช่น แนวเชื่อมและ HAZ ซึ่งส่งผลต่อความเหนียวกระแทกและความสามารถในการทนต่อแรงกระแทก
- เพิ่มความไวต่อ Cold Cracking ฟอสฟอรัสที่สูงเกินไปทำให้เกิดโครงสร้างที่เปราะ เช่น มาร์เทนไซต์ ในบริเวณ HAZ ซึ่งเพิ่มโอกาสการแตกร้าวเย็น Cold Cracking โดยเฉพาะเมื่อมีความเค้นตกค้างในแนวเชื่อม
- การลด Weld Toughness ฟอสฟอรัสส่งผลต่อการลดความเหนียวในแนวเชื่อม ซึ่งอาจทำให้แนวเชื่อมไม่สามารถทนต่อสภาวะโหลดหนักหรือแรงกระแทกได้อย่างเหมาะสม
- การเกิดการแยกชั้น (Segregation) ฟอสฟอรัสที่สะสมตัวในแนวเชื่อมทำให้เกิดการแยกชั้นและจุดอ่อนในโครงสร้างจุลภาคของโลหะ ซึ่งเป็นแหล่งที่อาจเกิดรอยแตกร้าวหรือความเสียหายได้ง่าย
แนวทางการป้องกันและแก้ไข
- ควบคุมปริมาณฟอสฟอรัสในโลหะงาน ค่าฟอสฟอรัสในเหล็กกล้าคาร์บอนควรต่ำกว่า 0.04% เพื่อป้องกันผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ต่อกระบวนการเชื่อมและสมบัติของแนวเชื่อม
- เลือก Filler Metal ที่เหมาะสม ใช้ลวดเชื่อมที่มีฟอสฟอรัสต่ำเพื่อลดผลกระทบในแนวเชื่อม เช่น ลวดเชื่อมที่ออกแบบมาสำหรับงานที่ต้องการความเหนียวสูง
- การ Preheating การอุ่นล่วงหน้าที่อุณหภูมิ 150–300°C ช่วยลดความเค้นตกค้างและความเสี่ยงต่อการแตกร้าวในบริเวณ HAZ การเชื่อมแบบ Multi-Pass Welding
- เทคนิคการเชื่อมแบบหลายชั้นช่วยลดอัตราการเย็นตัวของโลหะ ทำให้โครงสร้างจุลภาคมีความเสถียรมากขึ้น การคลายความเค้นหลังเชื่อม (Post-Weld Heat Treatment, PWHT)
- ทำ PWHT เพื่อปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคและลดความเปราะในแนวเชื่อม รวมถึงลดความเค้นตกค้าง
หากเหล็กกล้าคาร์บอนมีปริมาณกำมะถันสูงเกินค่ามาตรฐาน
ส่งผลกระทบต่อกระบวนการเชื่อมและ Weld Properties ในหลายประการดังนี้
- เกิด Hot Cracking กำมะถันเป็นธาตุที่ส่งเสริมการเกิดรอยร้าวร้อนในแนวเชื่อมและบริเวณที่ได้รับความร้อน HAZ โดยเฉพาะในโลหะหลอมละลาย เนื่องจากกำมะถันทำให้เกิดจุดหลอมเหลวต่ำในบางส่วน ซึ่งจะนำไปสู่การแตกร้าวในระหว่างการเย็นตัว
- ลดความสามารถในการเชื่อม เหล็กกล้าที่มีกำมะถันสูงจะมีสมบัติการไหลของโลหะ Poor Fluidity ส่งผลให้เกิดปัญหาในการเติมแนวเชื่อมและทำให้การเชื่อมยากขึ้น
- เพิ่มความเปราะในแนวเชื่อม
- กำมะถันสูงทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่เปราะ เช่น Delta Ferrite หรือ Sulfide Inclusions ซึ่งส่งผลให้แนวเชื่อมขาดความเหนียวและไม่สามารถทนต่อแรงกระแทกได้ดี
- การเกิดสารประกอบซัลไฟด์ สารประกอบซัลไฟด์ที่สะสมในแนวเชื่อมจะทำให้เกิดจุดอ่อนในโครงสร้างของโลหะ ซึ่งเพิ่มโอกาสการเกิดรอยร้าวในสภาวะใช้งานที่มีแรงดึงสูง
- ผลกระทบต่อสมบัติทางกล การมีกำมะถันสูงอาจลดความแข็งแรงและความเหนียวของแนวเชื่อม ทำให้โลหะไม่สามารถรับแรงดึงหรือแรงกระแทกได้ดีเท่าที่ควร
แนวทางการป้องกันและแก้ไข
- ควบคุมปริมาณกำมะถันในโลหะงาน
- ควรเลือกเหล็กกล้าที่มีปริมาณกำมะถันต่ำกว่า 0.03% ตามมาตรฐานอุตสาหกรรม เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาที่อาจเกิดขึ้นจากการเชื่อม
- การเลือกวัสดุเติม (Filler Metal) ใช้วัสดุเติมที่มีปริมาณกำมะถันต่ำ เพื่อป้องกันการเพิ่มความเปราะในแนวเชื่อม
- Preheating การอุ่นโลหะงานก่อนเชื่อมที่อุณหภูมิ 150–300°C ลดอัตราการเย็นตัวและลดความเสี่ยงต่อการเกิดรอยร้าวร้อน
- การใช้เทคนิคการเชื่อมที่เหมาะสม เลือกกระบวนการเชื่อมที่ควบคุมความร้อนได้ดี เช่น GTAW (TIG) หรือ SMAW และใช้กระแสไฟฟ้าที่เหมาะสมเพื่อลดการสะสมความร้อน
- การคลายความเค้นหลังเชื่อม ทำ PWHT เพื่อช่วยปรับปรุงโครงสร้างจุลภาค ลดความเปราะ และลดความเค้นตกค้างในแนวเชื่อม
หากเหล็กกล้าคาร์บอนมีปริมาณโบรอนสูงเกินค่ามาตรฐาน
ส่งผลกระทบต่อการเชื่อมในหลายด้าน เนื่องจากโบรอนมีผลสำคัญต่อโครงสร้างจุลภาคและสมบัติทางกลของโลหะ
- เพิ่มความแข็งแรงและความเปราะ โบรอนในปริมาณที่สูงจะเพิ่มความแข็งแรงของเหล็กกล้าคาร์บอนโดยช่วยลดขนาดเกรน (Grain Refinement) และเพิ่ม Ferrite ที่ละเอียดขึ้นในโครงสร้าง การเพิ่มความแข็งแรงมากเกินไปจะทำให้วัสดุเปราะ (Brittle) เพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลเสียต่อแนวเชื่อมและ HAZ
- เกิดรอยแตกร้าวในแนวเชื่อม ปริมาณโบรอนสูงจะทำให้มีแนวโน้มเกิด Hot Cracking และ Cold Cracking ในระหว่างหรือหลังการเชื่อม เนื่องจากโบรอนทำให้โลหะเหลวมีจุดหลอมเหลวต่ำลงในบางส่วนและสร้างความเค้นตกค้าง
- ลดความเหนียวของแนวเชื่อม ปริมาณโบรอนสูงอาจลดความเหนียวกระแทก ของแนวเชื่อมและ HAZ ทำให้ไม่สามารถทนต่อแรงกระแทกหรือแรงดึงในสภาวะการใช้งานที่หนักหน่วงได้
- ส่งผลต่อการหลอมละลายและการเย็นตัว การเย็นตัวอย่างรวดเร็วในแนวเชื่อมที่มีโบรอนสูงจะเพิ่มโอกาสเกิดมาร์เทนไซต์ ซึ่งเป็นโครงสร้างที่แข็งแต่เปราะมากใน HAZ
แนวทางแก้ไข
- ควบคุมปริมาณโบรอนในโลหะงาน ตรวจสอบส่วนผสมของเหล็กกล้าคาร์บอนก่อนการใช้งาน เพื่อหลีกเลี่ยงปริมาณโบรอนที่สูงเกินมาตรฐาน
- เลือกกระบวนการเชื่อมที่เหมาะสม ใช้กระบวนการเชื่อมที่ให้ความร้อนต่ำ เช่น GTAW (TIG) หรือ SMAW เพื่อควบคุมการเย็นตัวของแนวเชื่อม
- ปรับเปลี่ยนโลหะเติม เลือกวัสดุเติมที่ช่วยลดการเกิดรอยแตกร้าว เช่น ลวดเชื่อมที่มีปริมาณนิกเกิลหรือธาตุที่ช่วยปรับปรุงสมบัติทางโลหะวิทยาในแนวเชื่อม
- การเตรียมชิ้นงานและการอุ่นชิ้นงาน ที่อุณหภูมิที่เหมาะสมและควบคุมการเย็นตัวอย่างช้า ๆ เพื่อป้องกันการเกิดรอยร้าว
เอกสารอ้างอิง
(1) American Welding Society (AWS). Welding Handbook, Ninth Edition, Volume 1: Welding Science and Technology. Miami, FL: American Welding Society, 2001. ISBN: 0-87171-657-7.
(2) American Welding Society (AWS). Welding Handbook, Ninth Edition, Volume 2: Welding Processes, Part 1. Miami, FL: American Welding Society, 2004. ISBN: 0-87171-729-8.
(3) American Welding Society (AWS). Welding Handbook, Ninth Edition, Volume 3: Welding Processes, Part 2. Miami, FL: American Welding Society, 2007. ISBN: 978-0-87171-053-6.
(4) American Welding Society (AWS). Welding Handbook, Ninth Edition, Volume 4: Materials and Applications, Part 1. Miami, FL: American Welding Society, 2011. ISBN: 978-0-87171-759-7.
(5) American Welding Society (AWS). Welding Handbook, Ninth Edition, Volume 5: Materials and Applications, Part 2. Miami, FL: American Welding Society, 2015. ISBN: 978-0-87171-856-3.
(6) ASM International. (1993). Metals Handbook, Volume 1: Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. 10th Edition. Materials Park, Ohio: ASM International.
(7) Callister, W.D. Jr., & Rethwisch, D.G. (2021). Materials Science and Engineering: An Introduction. 10th Edition. Hoboken, NJ: Wiley.
(8) American Society for Testing and Materials (ASTM). (2020). ASTM A615/A615M-20: Standard Specification for Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinforcement. ASTM International.
(9) Japanese Industrial Standards (JIS). (2018). JIS G3112: Steel Bars for Concrete Reinforcement. Tokyo: Japanese Standards Association.
(10) Thai Industrial Standards Institute (TISI). (2016). มอก. 20-2559: เหล็กเส้นกลม. Bangkok: TISI.
(11) Thai Industrial Standards Institute (TISI). (2016). มอก. 24-2559: เหล็กเส้นเสริมคอนกรีตชนิดข้ออ้อย. Bangkok: TISI.
(12) European Committee for Standardization (CEN). (2005). EN 10080: Steel for the Reinforcement of Concrete - Weldable Reinforcing Steel. Brussels: CEN.
(13) World Steel Association. (2020). World Steel in Figures 2020. Brussels: World Steel Association.
(14) Totten, G.E., & MacKenzie, D.S. (2003). Handbook of Aluminum and Aluminum Alloys. 2nd Edition. Boca Raton, FL: CRC Press.
