จำนวนเฟอไรต์ในรอยเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพลกซ์และออสเทนิติก: การวัดและการควบคุม

ตัวเลขเฟอร์ไรต์ หรือ FN ใช้วัดปริมาณเฟอร์ไรต์ที่มีอยู่ในรอยเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม และช่างเชื่อมควบคุมค่านี้เพราะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของรอยเชื่อม สำหรับรอยเชื่อมแบบดูเพลกซ์และซูเปอร์ดูเพลกซ์ ค่าเป้าหมายของเฟอร์ไรต์มักอยู่ที่ประมาณ 30 ถึง 70 FN ซึ่งสอดคล้องกับโครงสร้างสองเฟสที่สมดุล ขณะที่รอยเชื่อมแบบออสเทนิติกมักมุ่งหวังให้มีเฟอร์ไรต์ในปริมาณเล็กน้อยแต่ไม่เป็นศูนย์ คือประมาณ 3 ถึง 10 FN เพื่อป้องกันการแตกร้าวขณะร้อน ค่า FN มักวัดด้วยเครื่องวัดเฟอร์ไรต์ที่สอบเทียบแล้ว และทำนายได้จากแผนผัง WRC-1992 จึงถือเป็นพารามิเตอร์ควบคุมที่ใช้งานได้จริง ซึ่งเชื่อมโยงขั้นตอนการเชื่อมเข้ากับความต้านทานการกัดกร่อนและความเหนียว

ตัวเลขเฟอร์ไรต์หมายถึงอะไร
เลขจำนวนเฟอไรต์เป็นดัชนีแม่เหล็กที่ได้รับการมาตรฐาน ไม่ใช่เปอร์เซ็นต์ปริมาตรโดยตรง แนวคิดนี้เกิดขึ้นเพราะการวัดค่า "เปอร์เซ็นต์เฟอไรต์" ในช่วงแรกมีความแปรผันสูงมากในแต่ละห้องปฏิบัติการ จึงทำให้อุตสาหกรรมยอมรับมาตรวัดที่สามารถทำซ้ำได้ ซึ่งกำหนดจากปฏิกิริยาแม่เหล็กและสามารถเชื่อมโยงย้อนกลับไปยังมาตรฐานรองได้ ที่ระดับต่ำ เลขจำนวนเฟอไรต์ (FN) กับเปอร์เซ็นต์ปริมาตรเฟอไรต์มีค่าใกล้เคียงกัน แต่จะเริ่มเบี่ยงเบนออกจากกันเมื่อปริมาณเฟอไรต์เพิ่มขึ้น จึงเป็นเหตุผลที่ข้อกำหนดสำหรับโลหะผสมดูเพล็กซ์ระบุเงื่อนไขการยอมรับทั้งในรูปของ FN หรือในรูปของเปอร์เซ็นต์ที่แปลงค่ามาแล้วด้วยวิธีการที่ระบุไว้อย่างชัดเจน ตัวเลขนี้มีความสำคัญเนื่องจากเฟอไรต์กับออสเทนไนต์มีพฤติกรรมที่ต่างกัน: เฟอไรต์ให้ความแข็งแรงและความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบเครียดจากคลอไรด์ ในขณะที่ออสเทนไนต์ให้ความเหนียวและความสามารถในการดัดโค้งได้ดี การเชื่อมที่แข็งตัวด้วยสมดุลที่ไม่เหมาะสมจะสูญเสียคุณสมบัติหนึ่งไปเพื่อแลกกับอีกคุณสมบัติหนึ่ง

เหตุใดการเชื่อมโลหะผสมออสเทนไนต์กับดูเพล็กซ์จึงแตกต่างกัน
ในเกรดออสเทนิติก เช่น 304L และ 316L โลหะฐานมีโครงสร้างออสเทนิติกเกือบเต็มรูปแบบ แต่โลหะเชื่อมถูกออกแบบให้แข็งตัวพร้อมเฟอไรต์เดลตาในสัดส่วนเล็กน้อย (ไม่กี่เปอร์เซ็นต์) โดยจงใจ เพื่อทำลายขอบเขตเม็ดออสเทนิติกที่ต่อเนื่องกัน และละลายสิ่งเจือปน เช่น กำมะถันและฟอสฟอรัส ซึ่งช่วยป้องกันการแตกร้าวขณะแข็งตัวจากความร้อน หากมีเฟอไรต์น้อยเกินไป (ต่ำกว่าประมาณ 3 FN) จะเสี่ยงต่อการแตกร้าว แต่หากมีมากเกินไป (สูงกว่าประมาณ 10–12 FN) จะลดความเหนียวลง และหลังใช้งานจริงอาจทำให้วัสดุเปราะขึ้น เกรดดูเพล็กซ์ทำงานในทางกลับกัน คือ โลหะฐานมีสัดส่วนเฟอไรต์กับออสเทนิติกที่สมดุลอยู่แล้ว และเป้าหมายของการเชื่อมคือการรักษาสมดุลนั้นไว้ หากมีเฟอไรต์เกินในรอยเชื่อมดูเพล็กซ์ (ซึ่งมักเกิดเมื่อรอยเชื่อมเย็นตัวเร็วเกินไปจนออสเทนิติกไม่สามารถกลับมาเกิดใหม่ได้) จะลดทั้งความเหนียวและความต้านทานการกัดกร่อนลง ในขณะที่การมีออสเทนิติกเกินจะลดความแข็งแรงลง และอาจลดความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบพิตติ้งในบริเวณท้องถิ่น

การทำนาย FN ด้วยแผนภาพ WRC-1992
แผนผัง WRC-1992 เป็นเครื่องมือทันสมัยสำหรับทำนายค่าเฟอร์ไรต์จากการเชื่อมตามองค์ประกอบทางเคมี โดยแผนผังนี้จะพล็อตค่าเทียบเคียงโครเมียม ซึ่งเป็นผลรวมของธาตุที่ก่อให้เกิดเฟอร์ไรต์ เทียบกับค่าเทียบเคียงนิกเกิล ซึ่งเป็นผลรวมของธาตุที่ก่อให้เกิดออสเทนไนต์ และอ่านค่า FN ที่คาดการณ์ได้จากจุดตัดบนแผนผัง ค่าเทียบเคียงโครเมียมคำนวณได้จาก Cr + Mo + 0.7 × Nb ส่วนค่าเทียบเคียงนิกเกิลคำนวณได้จาก Ni + 35 × C + 20 × N + 0.25 × Cu ค่าสัมประสิทธิ์ที่สูงมากของไนโตรเจนแสดงให้เห็นว่าทำไมการเติมไนโตรเจนจึงผลักดันโครงสร้างการเชื่อมไปทางออสเทนไนต์ และเหตุใดจึงมีการใช้ไนโตรเจนอย่างตั้งใจในลวดเชื่อมชนิดดูเพล็กซ์และก๊าซป้องกัน การเปรียบเทียบค่า FN ที่คาดการณ์ไว้ของโลหะฐาน ลวดเชื่อม และระดับการผสมผสาน (dilution) ระหว่างสองวัสดุนี้ จะช่วยให้วิศวกรด้านการเชื่อมเลือกใช้ลวดเชื่อมและควบคุมระดับการผสมผสานให้อยู่ภายในช่วงเป้าหมายก่อนทำการทดสอบจริงแม้แต่ชิ้นเดียว

ตาราง: ค่าเฟอร์ไรต์เป้าหมายโดยทั่วไป

การวัดปริมาณเฟอร์ไรต์ในทางปฏิบัติ
เฟอร์ไรท์สโคปเป็นอุปกรณ์หลักในการใช้งานจริงบนพื้นโรงงาน มันสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นที่รอยเชื่อม แล้ววัดการตอบสนองซึ่งสัมพันธ์โดยตรงกับปริมาณเฟอร์ไรต์ ทำให้ได้ค่า FN โดยตรงภายในไม่กี่วินาที หลังจากทำการสอบเทียบกับมาตรฐานที่รับรองแล้ว วิธีนี้ไม่ทำลายตัวอย่าง สามารถพกพาได้ และเหมาะสมยิ่งสำหรับการตรวจสอบในกระบวนการผลิตทั้งบริเวณรอยเชื่อมชั้นรากและชั้นผิว สำหรับการตัดสินข้อพิพาทหรืองานวิจัย วิธีการนับจุดด้วยกล้องจุลทรรศน์บนหน้าตัดที่ผ่านการกัดด้วยสารเคมีจะให้ค่าร้อยละของปริมาตร ทั้งสองวิธีนี้มีการระบุไว้ในมาตรฐานที่ยอมรับทั่วไป ควรทำการวัดหลายจุดทั่วทั้งรอยเชื่อมและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน แทนที่จะวัดเพียงจุดเดียว เพราะอัตราการเจือจางและการระบายความร้อนมีความแปรผันตามแนวและข้ามแนวของรอยต่อ นอกจากนี้ ควรทราบด้วยว่าเฟอร์ไรท์สโคปวัดเฉพาะบริเวณผิวที่สัมผัสโดยตรงเท่านั้น ดังนั้น การขัดผิว การทำงานเย็น (cold work) และสิ่งสกปรกบนผิวอาจทำให้ผลการวัดคลาดเคลื่อน และการวัดบนท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กและโค้งอาจจำเป็นต้องปรับค่าตามรูปทรงเรขาคณิต ในห้องปฏิบัติการที่มีอุปกรณ์ครบครัน การวัดปริมาณเฟอร์ไรต์มักดำเนินควบคู่ไปกับการทดสอบแรงกระแทกและการทดสอบการกัดกร่อน เพื่อยืนยันว่าค่าที่ได้เป็นไปตามเกณฑ์ประสิทธิภาพเชิงกลและด้านการต้านทานการกัดกร่อนที่ยอมรับได้

การควบคุมเฟอไรต์ผ่านขั้นตอนการผลิต
คันโยกสองตัวควบคุมโครงสร้างเฟอร์ไรต์เป็นหลัก ได้แก่ ปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าและไนโตรเจน ปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้ากำหนดอัตราการเย็นตัว ซึ่งอัตราการเย็นตัวนั้นจะกำหนดว่าออสเทนไนต์จะกลับมาเกิดใหม่จากเฟอร์ไรต์ที่แข็งตัวก่อนหน้านี้ได้มากน้อยเพียงใด ในการเชื่อมดูเพล็กซ์ หากป้อนความร้อนน้อยเกินไป จะทำให้เย็นตัวเร็วเกินไป ส่งผลให้เฟอร์ไรต์คงอยู่มากเกินไป และออสเทนไนต์ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เพียงพอ จึงลดความเหนียวลง; แต่หากป้อนความร้อนมากเกินไป ก็จะทำให้อัตราการเย็นตัวช้าลงจนเกิดเฟสอินเตอร์เมทัลลิกได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องควบคุมปริมาณความร้อนในช่วงที่เหมาะสม โดยมักกำหนดอุณหภูมิระหว่างผ่าน (interpass temperature) สูงสุดไว้ที่ประมาณ ๑๕๐ องศาเซลเซียส เพื่อรักษาสมดุลของโครงสร้าง ไนโตรเจนทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมทางเคมี: การเติมไนโตรเจนเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ลงในก๊าซอาร์กอนที่ใช้ป้องกัน และการเลือกโลหะเชื่อมที่มีนิกเกิลและไนโตรเจนสูงกว่าสัดส่วนปกติ จะช่วยส่งเสริมการเกิดออสเทนไนต์ขึ้นใหม่ และเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของรอยเชื่อม กรณีการเชื่อมแบบออโตเจนัส (autogenous) ต้องระมัดระวังเป็นพิเศษ เพราะรอยเชื่อมที่ไม่ใช้โลหะเชื่อมและไม่มีไนโตรเจนในก๊าซป้องกันนั้น พึ่งพาองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุพื้นฐานเพียงอย่างเดียว จึงมีแนวโน้มให้เกิดเฟอร์ไรต์เกิน นี่คือเหตุผลที่รอยเชื่อมชั้นราก (root pass) แบบดูเพล็กซ์มักทำด้วยก๊าซรองรับที่มีไนโตรเจนเสมอ หากควบคุมผิดพลาด ผลที่ตามมาจะชัดเจน: รอยเชื่อมดูเพล็กซ์ที่มีเฟอร์ไรต์มากเกินไปจะมีค่าความเหนียวแบบชาร์ปี (Charpy toughness) ต่ำ และอาจแตกร้าวภายใต้แรงเครียดจากคลอไรด์; รอยเชื่อมที่มีเฟอร์ไรต์น้อยเกินไปจะสูญเสียความแข็งแรงและความต้านทานการกัดกร่อนแบบพิตติ้ง (pitting resistance); และรอยเชื่อมออสเทนิติกที่มีเฟอร์ไรต์น้อยเกินไปอาจแตกร้าวขณะแข็งตัว ดังนั้น ควรระบุช่วงค่า FN ทำนายค่าด้วยสูตร WRC-๑๙๙๒ ควบคุมปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าและปริมาณไนโตรเจน แล้วตรวจสอบยืนยันด้วยเครื่องวัดเฟอร์ไรต์สโคป (ferritescope) เพื่อให้คุณภาพของการเชื่อมกลายเป็นผลลัพธ์ที่ควบคุมได้และบันทึกไว้ได้อย่างชัดเจน แทนที่จะเป็นเพียงความหวัง

คำถามที่พบบ่อย
คำถาม: รอยเชื่อมแบบดูเพล็กซ์เกรด 2205 ควรจะมีค่าตัวเลขเฟอร์ไรต์ (FN) เท่าใด?
คำตอบ: รอยเชื่อมแบบดูเพล็กซ์เกรด 2205 ที่สมดุลมักมีเป้าหมายที่ค่า FN ประมาณ 30 ถึง 60; หากมีเฟอร์ไรต์มากเกินไป จะทำให้ความเหนียวและความต้านทานการกัดกร่อนลดลง แต่หากมีน้อยเกินไป ก็จะส่งผลให้ความแข็งแรงลดลง
คำถาม: วัดค่าตัวเลขเฟอร์ไรต์ (FN) บนรอยเชื่อมที่เสร็จสมบูรณ์อย่างไร?
คำตอบ: โดยทั่วไปใช้เครื่องวัดเฟอร์ไรต์สโคปที่ผ่านการสอบเทียบแล้ว ซึ่งสามารถอ่านค่า FN ได้แบบไม่ทำลายตัวอย่างภายในไม่กี่วินาที ส่วนวิธีการนับจุดภายใต้กล้องจุลทรรศน์ (metallographic point counting) ใช้สำหรับการตัดสินข้อพิพาท และให้ผลเป็นร้อยละของปริมาตร

สำหรับท่อแบบดูเพล็กซ์และออสเทนิติกที่ผ่านการเชื่อมและทดสอบตามเป้าหมายค่าเฟอร์ไรต์ที่ควบคุมไว้ กรุณาติดต่อ Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. โทรศัพท์ +86 577 8922 2595 \ https://www.chinawqsteel.com/