การออกแบบรอยต่องานเชื่อม แบบบากร่อง Groove Weld (PJP & CJP)
สำหรับเนื้อหาในโพสต์นี้ จะคุยกันเรื่อง การออกแบบรอยต่องานเชื่อม หรือจริงๆ ก็คือ การคำนวณกำลังรับน้ำหนักของ groove weld หรือการเชื่อมแบบบากร่อง กันหน่อยนะครับ
ซึ่งจริงๆ บางท่านที่คุ้นเคยกับ การออกแบบรอยต่องานเชื่อม แบบนี้อยู่แล้ว และอาจจะบอกว่า ไม่ต้องคำนวณหรอก ยังไงก็ผ่าน เพราะกำลังรับน้ำหนัก (กำลังรับแรง) ที่ได้จากการเชื่อมรูปแบบนี้เยอะมากๆ อยู่แล้ว
ในความเป็นจริง ก็อาจจะใช่ครับ แต่ในบางครั้งวิศวกรต้องการกำลังรับน้ำหนักและความเหนียวที่มากบริเวณจุดที่ทำการเชื่อม เช่น จุดที่ต้องรับแรงดัดกลับไปกลับมา หรือต้องการให้จุดเชื่อมมีกำลังสูงเสมือนเป็นวัสดุหลัก
ก็อาจต้องพิจารณา groove weld เพื่ออำนวยสมรรถนะการใช้งานและความปลอดภัยที่ต้องการไว้ก่อนความประหยัด
และอีกประเด็น คือ อยากให้ทราบถึงการพิจารณา ขนาดของพื้นที่ประสิทธิผล (effective throat are) ที่ใช้ในการคำนวณกำลังรับน้ำหนักของการเชื่อมแบบ groove weld
ทั้งแบบ Partial Joint Penetration และ Complete Joint Penetration สักหน่อย ว่ามันแตกต่างจากการพิจารณา ขนาดของพื้นที่ประสิทธิผล ในการเชื่อมพอก หรือ fillet weld อย่างไรครับ
การเชื่อมบากร่อง (Groove Weld)
สำหรับการเชื่อมแบบ groove weld นี้ โดยปกติแล้ว เราจะเลือกใช้ก็ต่อเมื่อ ต้องทำการเชื่อมต่อแผ่นเหล็กที่อยู่ในระนาบเดียวกัน มาชนติดกัน ซึ่งสามารถแบ่งลักษณะการเชื่อมออกมาได้เป็นอีก 2 รูปแบบย่อย คือ
(1.) Partial Joint Penetration (PJP) การเชื่อมลึกเพียงบางส่วนของความหนาของชิ้นงาน
(2.) Complete Joint Penetration (CJP) รอยเชื่อมลึกตลอดความหนาของชิ้นงาน หรือ
Complete Joint Penetration (CJP) อย่างที่ได้กล่าวไปข้างต้นนะครับ เป็นลักษณะการเชื่อมที่ให้กำลังรับน้ำหนักสูงมากๆ เสมือนกับว่าเป็นวัสดุหลัก อีกทั้ง ยังให้ความสามารถในการถ่ายแรงระหว่างชิ้นงานที่นำมาเชื่อมติดกันได้ดีมากๆ อีกด้วย
ส่วน Partial Joint Penetration (PJP) ตามชื่อเลยครับ ก็คือ การบากร่องเพียงบางส่วน (ไม่ลึกเท่ากับความหนาของชิ้นงาน) ซึ่งในบางครับ ก็จะใช้เชื่อมชิ้นงานบริเวณที่เกิด stress ต่ำๆ และไม่จำเป็นที่จะต้องให้ชิ้นงาน (base material) นั้น develop ไปจนเต็มประสิทธิภาพ
จากรูป ก็จะเห็นได้ว่า การเชื่อมแบบบากร่องนี้ สามารถทำได้ทั้งแบบที่ เป็นการเชื่อมจากทั้ง 2 ฝั่ง (double sided weld) และจากฝั่งเดียว (single sided weld) ของตัวชิ้นงาน
ซึ่ง double sided weld ในทางปฏิบัติแล้ว จะให้ความประหยัดมากกว่าในด้านของปริมาณการใช้ธูปเชื่อม อีกทั้งยังทำให้เกิด distortion ในชิ้นงานที่น้อยกว่า เพราะความร้อนจากการเชื่อม ไม่ได้กระจุกตัวอยู่ฝั่งเดียวปริมาณมากๆ
รูปแบบของการเชื่อมบากร่อง (Types of Groove Weld)
การแบ่งลักษณะหรือรูปแบบการเชื่อมในลักษณะนี้ (groove weld) จะเรียกตามการเตรียมผิวหน้าของชิ้นงาน ซึ่งการบากร่องนี้ สามารถทำได้หลายรูปแบบด้วยกัน ดังนี้
- Square
- Single – V
- Double – V
- Single – Bevel
- Double – Bevel
- Single – U
- Double – U
- Single – J
- Double – J
ลักษณะการบากร่องทั้งหมดนี้ ยกเว้นแบบ square เราจะเรียกบริเวณที่ทำการบากว่า root opening นะครับ โดยยิ่งขนาดของ root opening ยิ่งเล็กมากเท่าไหร่ ยิ่งต้องบากร่องให้มีมุมที่กว้างขึ้นเท่านั้นครับ
การเลือกลักษณะของการเชื่อมที่เหมาะสม โดยปกติจะขึ้นอยู่กับทางผู้แปรรูป หรือ fabricator เป็นคนเลือกนะครับ บวกกับการพิจารณาค่าใช้จ่าย / ต้นทุน (cost) ของ
(1.) การเตรียมผิวชิ้นงาน
(2.) ขั้นตอนในการเชื่อมที่เลือกใช้
(3.) ค่าใช้จ่ายในการเชื่อม หรือแรงงาน
พื้นที่ประสิทธิผล (Effective Area)
มาถึงเรื่องของการพิจารณาพื้นที่ประสิทธิผลของการเชื่อมแบบบากร่องกันสักทีนะครับ หลังจากที่พูดถึงเรื่องอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องมายาวพอสมควร
สำหรับกำลังรับน้ำหนักของรอยเชื่อมแล้ว หลักๆ ก็จะขึ้นอยู่กับพื้นที่ประสิทธิผล (effective area) อย่างที่เราทราบกันดี โดยพื้นที่ประสิทธิผล นี้ ก็มาจากการเอา ความยาวประสิทธิผล (effective length) คูณกับ ขนาดความหนาของรอยเชื่อมประสิทธิผล (effective throat)
โดย ขนาดความหนาของรอยเชื่อมประสิทธิผล (effective throat) นี้ มันก็คือ ระยะที่น้อยที่สุดวัดจาก joint root หรือส่วนที่ลึกที่สุดของร้อง ไปจนถึง ผิวของรอยเชื่อม หรือถ้าพูดให้ง่ายก็คือ เอาระยะความลึกที่น้อยที่สุดของรอยเชื่อมมาใช้นั่นเอง
คำนิยามแล้ว effective throat ของการเชื่อมแบบ CJP นั้น จะมีค่าเท่ากับความหนาของชิ้นงานที่บางกว่า และจะต้องมีการทำ backing หรือนำแผ่นเหล็กมาปิดที่ด้านที่ ไม่ได้ทำการเชื่อม เพื่อป้องกันไม่ให้วัสดุเชื่อมไหลออกจากชิ้นงาน เนื่องจากเป็นการเชื่อมแบบ CJP (สำหรับกรณี one-sided weld)
ส่วน PJP นั้น การพิจารณา effective throat จะขึ้นอยู่กับความลึกที่เป็นไปได้ที่จะเกิดการหลอมรวมกันของวัสดุ ซึ่งจะขึ้นอยู่กับวิธีการเชื่อมและตำแหน่งของการเชื่อมด้วย ในทางปฏิบัติเราจะบอกว่าขนาดของ effective throat
สำหรับการเชื่อมแบบ PJP นั้น ให้ลบออกจากความลึกร่องเท่ากับ 1/8 นิ้ว หรือประมาณ 3 มิลลิเมตร ซึ่งเป็นการตั้งสมมติฐานว่า ระยะที่ลบออกเท่ากับ 1/8 นิ้วนี้ มันไม่เกิดการหลอมรวมกันของเนื้อวัสดุนั่นเองครับ
แต่ทั้งนี้ ในบางกรณีก็สามารุใช้ effective throat เต็มๆ ได้เลยนะครับ โดยที่ไม่ต้องลบออกด้วย 1/8 นิ้ว หากมุมของการบากร่องนั้นมีมุมมากกว่าหรือเท่ากับ 60 องศา
