แผ่นเหล็กกล้าอ่อนเหมาะสำหรับการเชื่อมในงานอุตสาหกรรมหรือไม่

แผ่นเหล็กกล้าอ่อนคืออะไร และเหตุใดปริมาณคาร์บอนจึงมีความสำคัญ

แผ่นเหล็กกล้าอ่อน หมายถึงแผ่นเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนต่ำ ซึ่งโดยทั่วไปมีปริมาณคาร์บอนอยู่ระหว่างร้อยละ 0.05 ถึงร้อยละ 0.25 ระดับคาร์บอนที่ต่ำนี้เป็นเหตุผลหลักที่ทำให้แผ่นเหล็กกล้าอ่อนจัดว่าเป็นวัสดุเหล็กที่เชื่อมได้ดีที่สุดชนิดหนึ่งสำหรับการผลิตในอุตสาหกรรม ขณะที่เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนสูงจำเป็นต้องผ่านการให้ความร้อนล่วงหน้า การอบหลังการเชื่อม และใช้วัสดุเติมพิเศษเพื่อป้องกันการแตกร้าวบริเวณรอยเชื่อม แต่แผ่นเหล็กกล้าอ่อนสามารถเชื่อมได้ด้วยกระบวนการเชื่อมแบบอาร์คมาตรฐานโดยไม่จำเป็นต้องเตรียมความร้อนอย่างเข้มข้น จึงทำให้เป็นวัสดุที่เลือกใช้โดยทั่วไปสำหรับโครงสร้างอาคาร กรอบโครงสร้างเครื่องจักร ฐานรองรับเครื่องจักร และชิ้นส่วนประกอบทั่วไปในอุตสาหกรรม กลุ่มบริษัท Gaosteel จัดจำหน่ายแผ่นเหล็กกล้าอ่อนในเกรด Q195 และ Q235 ซึ่งสอดคล้องกับเกรดเทียบเท่าระดับสากลที่เป็นที่รู้จักดี และมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในภาคก่อสร้างและอุตสาหกรรมการผลิต

คุณสมบัติการเชื่อมของเกรด Q195 และ Q235

ในระบบมาตรฐาน GB ของจีน คุณภาพแผ่นเหล็กกล้าอ่อน Q195 และ Q235 เป็นสองเกรดที่พบได้บ่อยที่สุด Q195 มีปริมาณคาร์บอนประมาณ 0.06 ถึง 0.12 เปอร์เซ็นต์ และมีความสามารถในการขึ้นรูปได้ดีเยี่ยม รวมทั้งเชื่อมได้ง่าย จึงเหมาะสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างเบา โครงยึด และฝาครอบ ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ความแข็งแรงดึงสูงเป็นหลัก ส่วน Q235 มีปริมาณคาร์บอนประมาณ 0.12 ถึง 0.22 เปอร์เซ็นต์ และให้ความแข็งแรงดึงสูงกว่าอยู่ที่ประมาณ 375 ถึง 500 เมกะพาสคาล แต่ยังคงรักษาความสามารถในการเชื่อมได้ดีสำหรับวิธีการเชื่อมแบบอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ ทั้งสองเกรดนี้สามารถเชื่อมด้วยวิธีการเชื่อมแบบไฟฟ้าหุ้มฟลักซ์ (SMAW) วิธีการเชื่อมแบบอาร์คโลหะก๊าซ (GMAW) และวิธีการเชื่อมแบบอาร์คแกนใจกลางฟลักซ์ (FCAW) ได้โดยไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนล่วงหน้า หากอุณหภูมิแวดล้อมสูงกว่าจุดเยือกแข็ง สำหรับผู้ซื้อที่เปรียบเทียบเกรดแผ่นเหล็กกล้าอ่อน การเลือกระหว่าง Q195 กับ Q235 มักขึ้นอยู่กับสมดุลระหว่างความสะดวกในการผลิตและการรับน้ำหนักที่ต้องการในงานใช้งานจริง

วิธีการเชื่อมที่นิยมใช้กับแผ่นเหล็กกล้าอ่อน

แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำตอบสนองได้ดีต่อกระบวนการเชื่อมอุตสาหกรรมทั่วไปทั้งหมด การเชื่อมแบบ SMAW โดยใช้ลวดเชื่อมชนิด E6013 หรือ E7018 ให้การเจาะลึกที่เชื่อถือได้และมีสแลกคลุมผิวอย่างมีประสิทธิภาพ เหมาะสำหรับการผลิตในสนามซึ่งความสะดวกในการเคลื่อนย้ายอุปกรณ์มีความสำคัญ การเชื่อมแบบ GMAW โดยใช้ลวดเชื่อม ER70S-6 ร่วมกับก๊าซช่วยเชื่อมแบบ CO2 หรือก๊าซผสม จะให้อัตราการสะสมโลหะเชื่อมสูงและผิวรอยเชื่อมเรียบสะอาด เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนจากแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำในโรงงาน การเชื่อมแบบ FCAW โดยใช้ลวดเชื่อมชนิด E71T-1 ที่มีสารฟลักซ์ภายในให้สมดุลที่ดีระหว่างการเจาะลึกและการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงกว่าการเชื่อมแบบ SMAW การเชื่อมแบบจุดโดยอาศัยความต้านทาน (Resistance spot welding) และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ก็สามารถใช้งานได้เช่นกันสำหรับแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่มีความหนาไม่เกิน 3 มม. เมื่อต้องการการเชื่อมที่รวดเร็ว ความหลากหลายของแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำในการใช้งานร่วมกับกระบวนการเชื่อมทั้งหลายนี้ หมายความว่าวัสดุเกรดเดียวสามารถใช้งานได้กับสายการผลิตหลายสายโดยไม่จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนการตั้งค่าเครื่องเชื่อม ซึ่งช่วยให้การจัดซื้อวัสดุเป็นไปอย่างง่ายดายและลดต้นทุนด้านแม่พิมพ์และอุปกรณ์

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการเชื่อมแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำในสภาพแวดล้อมเชิงอุตสาหกรรม

แม้ว่าแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำจะเชื่อมได้ง่ายโดยธรรมชาติ แต่การปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดที่มีอยู่แล้วจะช่วยให้ได้คุณภาพของรอยต่อที่สม่ำเสมอในสภาพแวดล้อมการผลิต การเตรียมผิวเป็นขั้นตอนแรก ได้แก่ การกำจัดคราบสนิมจากกระบวนการผลิต (mill scale) น้ำมัน และสนิมออกจากพื้นผิวแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำด้วยการขัดหรือการทำความสะอาดด้วยสารเคมีก่อนการเชื่อม การออกแบบรอยต่อควรให้การเข้าถึงที่เพียงพอสำหรับกระบวนการที่เลือกใช้ โดยทั่วไปนิยมใช้รอยเชื่อมแบบฟิลเล็ต (fillet welds) สำหรับรอยต่อแบบซ้อน (lap joints) และรอยต่อแบบตัวที (T-joints) ส่วนรอยเชื่อมแบบบัตต์ (butt welds) ควรเตรียมร่องให้เหมาะสมสำหรับการเชื่อมแบบเจาะทะลุทั้งชิ้นงาน (full-penetration connections) การควบคุมอุณหภูมิระหว่างการเชื่อมแต่ละชั้น (interpass temperature) ให้อยู่ระหว่าง 50 ถึง 250 องศาเซลเซียส จะช่วยป้องกันไม่ให้มีความร้อนสะสมมากเกินไปซึ่งอาจทำให้แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่มีความหนาน้อยเกิดการบิดเบี้ยว สำหรับแผ่นเกรด Q235 ที่มีความหนาเกิน 20 มิลลิเมตร ควรมีการให้ความร้อนล่วงหน้า (preheat) อย่างเบาๆ ที่อุณหภูมิ 50 ถึง 100 องศาเซลเซียส เพื่อลดความเสี่ยงของการเกิดรอยแตกจากไฮโดรเจน (hydrogen-induced cracking) ในกรณีที่รอยต่อมีการยึดตรึงอย่างแน่นหนา (constrained joint configurations) การตรวจสอบหลังการเชื่อมด้วยการตรวจด้วยตาเปล่าและวิธีการทดสอบด้วยอนุภาคแม่เหล็ก (magnetic particle testing) จะยืนยันระดับข้อบกพร่องบนผิวและบริเวณใกล้ผิวตามข้อกำหนดคุณภาพของมาตรฐาน ISO 5817 หรือมาตรฐานที่เทียบเท่า

แผ่นเหล็กกล้าอ่อนเทียบกับทางเลือกที่มีคาร์บอนสูงกว่าสำหรับโครงสร้างที่เชื่อมต่อ

เมื่อเลือกเหล็กสำหรับโครงสร้างอุตสาหกรรมที่เชื่อมแล้ว การเปรียบเทียบระหว่างแผ่นเหล็กอ่อน (mild steel plate) กับเหล็กกล้าชนิดกลางหรือสูงคาร์บอนนั้นค่อนข้างชัดเจนจากมุมมองด้านความสามารถในการเชื่อม แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางที่มีปริมาณคาร์บอนระหว่างร้อยละ 0.25 ถึง 0.60 จำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิเริ่มต้นก่อนการเชื่อม ใช้วัสดุเชื่อมที่มีไฮโดรเจนต่ำ และมักต้องผ่านกระบวนการอบความร้อนหลังการเชื่อมเพื่อป้องกันการเกิดมาร์เทนไซต์ในโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน ขณะที่แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนสูงที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่าร้อยละ 0.60 โดยทั่วไปถือว่าไม่สามารถเชื่อมได้สำหรับงานโครงสร้างโดยไม่ใช้กระบวนการโลหะวิทยาพิเศษ แผ่นเหล็กอ่อนหลีกเลี่ยงปัญหาทั้งหมดเหล่านี้ จึงเป็นเหตุผลที่มาตรฐานโครงสร้าง เช่น AWS D1.1 และ EN 1090-2 อนุญาตให้ใช้เกรดเหล็กที่เทียบเท่า Q195 และ Q235 สำหรับการต่อเชื่อมโครงสร้างโดยไม่จำเป็นต้องผ่านการทดสอบคุณสมบัติเพิ่มเติม สำหรับโรงงานผลิตอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ แผ่นเหล็กอ่อนยังคงเป็นวัสดุที่มีต้นทุนต่ำที่สุดและเหมาะกับกระบวนการผลิตมากที่สุดสำหรับชิ้นส่วนที่ประกอบด้วยการเชื่อม

การตรวจสอบคุณภาพและการคัดเลือกผู้จัดจำหน่าย

การจัดซื้อแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำสำหรับการใช้งานเชิงอุตสาหกรรมที่ต้องเชื่อมนั้นจำเป็นต้องมีการตรวจสอบผู้จำหน่ายอย่างเป็นระบบ ผู้ซื้อควรยืนยันว่าผู้จัดจำหน่ายเหล็กสามารถให้ใบรับรองการทดสอบจากโรงงาน (Mill Test Certificate) ซึ่งระบุองค์ประกอบทางเคมี ความแข็งแรงดึง และค่าการยืดตัวตามเกรดที่ประกาศไว้ได้ กลุ่มบริษัท Gaosteel ซึ่งได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO 9001 และมีประสบการณ์การผลิตมากว่า 15 ปี ออกใบรับรองที่สามารถติดตามที่มาได้สำหรับทุกการจัดส่งแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำในเกรด Q195 หรือ Q235 นอกจากนี้ ควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าความคลาดเคลื่อนของมิติ ทั้งความหนา ความกว้าง และความเรียบ ตรงตามมาตรฐานแผ่นเหล็ก ASTM, JIS หรือ EN ที่เกี่ยวข้องกับเขตอำนาจในการดำเนินโครงการของคุณ ขอตัวอย่างตัวแทนเพื่อดำเนินการทดสอบการดัดและประเมินขั้นตอนการเชื่อมสำหรับชุดแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำเฉพาะนั้นก่อนตัดสินใจสั่งซื้อจำนวนมาก ขั้นตอนเหล่านี้จะช่วยป้องกันไม่ให้ได้รับวัสดุที่ไม่เป็นไปตามข้อกำหนด ซึ่งอาจก่อให้เกิดข้อบกพร่องจากการเชื่อม ค่าใช้จ่ายในการแก้ไขงาน และความล่าช้าในการดำเนินโครงการ

คำถาม: แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำเกรด Q235 สามารถเชื่อมได้ง่ายโดยไม่ต้องให้ความร้อนล่วงหน้าหรือไม่?

ก: ใช่ แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำเกรด Q235 ที่มีปริมาณคาร์บอนระหว่าง 0.12 ถึง 0.22 เปอร์เซ็นต์ สามารถเชื่อมได้โดยไม่ต้องให้ความร้อนล่วงหน้าที่อุณหภูมิแวดล้อมสูงกว่าศูนย์องศาเซลเซียส โดยใช้กระบวนการเชื่อมแบบ SMAW, GMAW หรือ FCAW มาตรฐาน อย่างไรก็ตาม สำหรับชิ้นส่วนที่มีความหนาเกิน 20 มม. ในข้อต่อที่มีการจำกัดการขยายตัว แนะนำให้ให้ความร้อนล่วงหน้าระดับเบาที่ 50 ถึง 100 องศาเซลเซียส

ข: ควรใช้ลวดเชื่อมชนิดใดสำหรับแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ

ก: ลวดเชื่อมชนิด E7018 แบบโลว์ไฮโดรเจนสำหรับกระบวนการ SMAW และลวดแข็ง ER70S-6 สำหรับกระบวนการ GMAW เป็นตัวเลือกที่นิยมมากที่สุดสำหรับแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำเกรด Q195 และ Q235 ทั้งสองชนิดให้ค่าความต้านแรงดึงที่สอดคล้องกันและมีความเหนียวดีเพียงพอสำหรับรอยเชื่อมโครงสร้าง

ข: จะทดสอบความสามารถในการเชื่อมของแบตช์แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำก่อนซื้อได้อย่างไร

ก: ขอตัวอย่างแผ่นเหล็กจากผู้จัดจำหน่ายแล้วดำเนินการทดสอบคุณสมบัติขั้นตอนการเชื่อมตามมาตรฐาน AWS D1.1 หรือ ISO 15614 ทั้งนี้ต้องทำการตรวจสอบด้วยตาเปล่า การทดสอบการดัด และหากจำเป็น ต้องทำการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาค (macro examination) ของหน้าตัดรอยเชื่อม เพื่อยืนยันว่าโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ไม่มีรอยแตกร้าว