มาตรฐานการทดสอบใดที่ใช้กับชิ้นส่วนโลหะเชื่อมคุณภาพสูง?

รหัสการเชื่อมหลักที่ควบคุมชิ้นส่วนโลหะที่ต้องเชื่อม

ASME Section IX เทียบกับ AWS D1.1: วัตถุประสงค์ ขอบเขต และการประยุกต์ใช้กับชิ้นส่วนโลหะที่ต้องเชื่อม

มาตรา 9 ของรหัส ASME ได้กำหนดกฎพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการรับรองกระบวนการเชื่อมและบุคคลที่ดำเนินการ เช่น นี้ช่วยให้มั่นใจถึงคุณภาพที่สม่ำเสมอในระบบต่างๆ ที่ความปลอดภัยมีความสำคัญสูงสุด เช่น ท่อส่งก๊าซ หรือหม้อต้มไอน้ำ มาตรฐาน AWS D1.1 ใช้แนวทางที่แตกต่างกัน โดยเน้นไปที่การประกันว่าโครงสร้างจะคงความแข็งแรงเมื่อเผชิญกับแรงกระทำ มันครอบคลุมประเด็นต่างๆ เช่น การออกแบบรอยต่อ ประเภทของการตรวจสอบที่จำเป็น และข้อบกพร่องของรอยเชื่อมสามารถยอมรับได้ในทางปฏิบัติเมื่อนำไปใช้จริง เช่น ในการรองรับสะพานหรือโครงสร้างอาคาร เมื่อพิจารณาชิ้นส่วนโลหะที่ต้องผ่านกระบวนการเชื่อม มาตรา 9 จะบอกเราเกี่ยวกับวิธีการทดสอบเพื่อยืนยันว่ารอยเชื่อมเป็นไปตามมาตรฐาน ในขณะที่ D1.1 จะระบุว่าอะไรถือว่าเพียงพอเมื่อชิ้นส่วนเหล่านั้นถูกนำไปใช้งานจริง มาตรฐานทั้งสองนี้ทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิด มาตรฐานหนึ่งรับประกันว่าทุกคนปฏิบัติตามขั้นตอนอย่างถูกต้องตามลำดับ อีกมาตรฐานหนึ่งประเมินว่ารอยเชื่อมเหล่านั้นจะสามารถทนต่อแรงและน้ำหนักในโลกแห่งความเป็นจริงได้หรือไม่

มาตรฐานเฉพาะภาค: API RP 2X (นอกชายฝั่ง), CSA W47.1 (แคนาดา), และ ISO 5817 (การผลิตทั่วโลก)

การใช้งานที่สำคัญต้องอาศัยมาตรฐานที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อตอบสนองต่อสภาวะแวดล้อมและการใช้งานที่มีความเฉพาะตัว:

• API RP 2X : กำหนดให้มีการทดสอบความเหนียว – รวมถึงการประเมินแบบ drop-weight และ Charpy V-notch – สำหรับชิ้นส่วนโลหะที่เชื่อมสำหรับงานนอกชายฝั่งซึ่งต้องเผชิญกับแรงดันใต้ทะเล แรงกระทำแบบวงจร และสภาวะอุณหภูมิต่ำ
• CSA W47.1 : กำหนดให้บริษัทต้องได้รับการรับรองอย่างเป็นทางการสำหรับโครงการโครงสร้างในแคนาดา โดยเน้นการตรวจสอบขั้นตอนการเชื่อมที่มีเอกสารรับรอง และการตรวจสอบผู้เชื่อมในการผลิตโดยหน่วยงานภายนอก
• ISO 5817 : ให้การจัดประเภทข้อบกพร่องที่สอดคล้องกันในระดับสากล – เพื่อมาตรฐานการประเมินปริมาณรูอากาศ (porosity), การเจาะลึกเกิน (undercut), การจัดแนวไม่ตรง (misalignment), และการหลอมรวมไม่สมบูรณ์ (Incomplete fusion) ตลอดห่วงโซ่อุปทานการผลิตระหว่างประเทศ

การมาตรฐานแบบชั้นนี้ช่วยให้ชิ้นส่วนโลหะที่เชื่อมมีความน่าเชื่อถือภายใต้สภาวะที่ก่อให้เกิดความเครียดต่างๆ ตั้งแต่สภาวะแวดล้อมทางทะเลที่ก่อให้เกิดการกัดกร่อน ไปจนถึงเหตุการณ์แผ่นดินไหวและสภาวะอุณหภูมิต่ำจัด โดยไม่ต้องระบุข้อกำหนดที่เกินความจำเป็นสำหรับการใช้งานที่มีความเสี่ยงต่ำกว่า

วิธีการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) สำหรับชิ้นส่วนโลหะที่เชื่อม

การตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) ช่วยให้สามารถตรวจจับข้อบกพร่องที่สำคัญในชิ้นส่วนโลหะที่เชื่อมได้ โดยไม่ทำลายความสมบูรณ์ของโครงสร้าง วิธีการเหล่านี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งในการตรวจสอบคุณภาพของการเชื่อมในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ โครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงาน และอุตสาหกรรมหนัก ซึ่งผลลัพธ์จากความล้มเหลวอาจก่อให้เกิดความเสียหายทั้งในด้านค่าใช้จ่ายจากการหยุดทำงาน ไปจนถึงอุบัติเหตุที่คุกคามชีวิต

การตรวจสอบด้วยรังสี (RT) และการตรวจสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิก (UT): ความสามารถในการตรวจจับและข้อกำหนดตาม ASTM E94/E164

การตรวจสอบด้วยรังสี หรือเรียกย่อๆ ว่า RT ทำงานโดยการยิงรังสีเอกซ์หรือรังสีแกมมาผ่านวัสดุ เพื่อตรวจหาปัญหาภายใน เช่น โพรงอากาศเล็กๆ กากตะกรันที่ติดค้างอยู่ภายใน หรือบริเวณที่โลหะไม่ได้เชื่อมต่อกันอย่างเหมาะสม วิธีนี้มีประสิทธิภาพสูงในการค้นหาปัญหาลักษณะดังกล่าว แต่ต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่เข้มงวดเกี่ยวกับการสัมผัสรังสี และนอกจากนี้ บางครั้งอาจไม่ให้ภาพที่ชัดเจนนักเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นในชั้นลึกของวัสดุ ในทางตรงกันข้าม การตรวจสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิก (UT) จะส่งคลื่นเสียงความถี่สูง ซึ่งสามารถตรวจจับข้อบกพร่องเล็กๆ ได้ลึกลงไปประมาณครึ่งมิลลิเมตร ทำให้วิธีนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อตรวจสอบรอยเชื่อมที่มีความหนา ทั้งสองเทคนิคมีอัตราความแม่นยำเกิน 95 เปอร์เซ็นต์ เมื่อดำเนินการตามมาตรฐาน เช่น ASTM E164 สำหรับการตรวจสอบด้วย UT และ ASTM E94 สำหรับขั้นตอน RT สิ่งที่ทำให้ทั้งสองวิธีทำงานร่วมกันได้ดีคือจุดแข็งที่ต่างกัน RT สร้างภาพถ่ายที่คงอยู่ ซึ่งผู้ตรวจสอบสามารถกลับไปพิจารณาได้ในภายหลัง ในขณะที่ UT ให้ผลตอบสนองทันทีเกี่ยวกับความหนาของชิ้นส่วนและตำแหน่งที่แน่นอนของข้อบกพร่อง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมหลายคนจึงชอบใช้ UT สำหรับการตรวจสอบบำรุงรักษาอย่างต่อเนื่องและระบบตรวจสอบแบบอัตโนมัติ

การตรวจสอบพื้นผิว: วิธีการตรวจสอบด้วยสายตา (VT), วิธีการตรวจด้วยของเหลวซึม (PT), และวิธีการตรวจด้วยอนุภาคแม่เหล็ก (MT)

วิธีการทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) ที่มุ่งเน้นพื้นผิว มีเป้าหมายเพื่อตรวจหาข้อบกพร่องที่เข้าถึงได้จากภายนอก โดยใช้หลักการทางฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน

การตรวจสอบด้วยสายตาหรือ VT ยังคงถือเป็นวิธีหลักสำหรับการตรวจสอบคุณภาพในทุกอุตสาหกรรม สิ่งอำนวยความสะดวกส่วนใหญ่ปฏิบัติตามมาตรฐานแสงสว่างอย่างน้อย 500 ลักซ์ ตามแนวทางของ AWS B1.11 และหลายแห่งรวมข้อกำหนดนี้ไว้ในการทำงานประจำกะการผลิต เมื่อพูดถึงการตรวจหารอยแตกผิวเล็กๆ วิธีการทดสอบด้วยของเหลวซึมจะให้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างดี กระบวนการนี้อาศัยแรงดูดซึมแบบแคปิลลารี ซึ่งของเหลวจะซึมเข้าไปในข้อบกพร่อง แต่ทุกอย่างจำเป็นต้องทำความสะอาดอย่างละเอียดก่อน ตามที่ระบุไว้ในมาตรฐาน AMS 2647 สำหรับวัสดุแม่เหล็ก การทดสอบ MT จะสร้างสนามแม่เหล็กรอบชิ้นส่วน จากนั้นจึงใช้อนุภาคเรืองแสงที่จะเปล่งแสงเมื่อมีการหยุดชะงักของการไหลของสนามแม่เหล็ก เทคนิคการตรวจสอบทั้งสามวิธีนี้ไม่ใช่เพียงแค่คำแนะนำเท่านั้น แต่ต้องได้รับการรับรองจากผู้ตรวจสอบ ASNT Level II ซึ่งได้รับการฝึกอบรมมาเพื่อตรวจพบปัญหาอย่างสม่ำเสมอและลดข้อผิดพลาดในการตีความ

การทดสอบแบบทำลายและการตรวจสอบเชิงกลของชิ้นส่วนเชื่อมโลหะ

การทดสอบโค้งตามแนวและทดสอบหักเปราะ: การประเมินความสมบูรณ์ของเขตเชื่อมแบบฟิวชั่นตามมาตรฐาน AWS B4.0

การทดสอบการดัดแบบมีแนวทางตรวจสอบความสามารถของวัสดุในการยืดตัวก่อนที่จะขาด และยืนยันว่ารอยเชื่อมมีความต่อเนื่องที่ดีตลอดบริเวณโซนที่หลอมรวมกัน ตามมาตรฐาน AWS B4.0 เมื่อพิจารณาการดัดผิวหน้า การดัดราก และการดัดด้านข้าง รอยแตก พื้นที่ที่ไม่เกิดการหลอมรวม หรือฟองอากาศในบริเวณที่ได้รับความร้อนจะมองเห็นได้อย่างชัดเจน สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าโลหะผสมต่ำ ซึ่งข้อบกพร่องเล็กๆ อาจก่อปัญหาใหญ่ในภายหลัง หากมีรอยแตกใดๆ ที่มีขนาดใหญ่กว่า 3.2 มม. ในตัวอย่างที่มีความหนา 19 มม. หมายความว่าวัสดุนั้นเปราะเกินไปและไม่ปลอดภัย การทดสอบแบบตอกหัก (Nick-break testing) ทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิดกับวิธีนี้ โดยการสร้างรอยบากตรงกลางรอยเชื่อมแล้วใช้ค้อนตอก ผู้ตรวจสอบจะสามารถมองเห็นปัญหาที่ซ่อนอยู่ เช่น ตะกรันที่ถูกกักอยู่ภายใน หรือช่องว่างเล็กๆ ของอากาศที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการเชื่อม ตามข้อกำหนดของรหัส AWS B4.0 ข้อบกพร่องทั้งหมดบนพื้นผิวที่หักไม่ควรเกิน 1.6 มม. สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องรับแรง การทดสอบแบบทำลายเหล่านี้มีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าเทคนิคที่ไม่ทำลายประมาณ 40% แต่ยังคงสามารถยืนยันการหลอมรวมที่เหมาะสมได้มากกว่า 90% ของรอยเชื่อมโครงสร้างทั้งหมด แม้จะมีเทคโนโลยีใหม่ๆ เข้ามา วิธีการดั้งเดิมเหล่านี้ยังคงเป็นมาตรฐานในการรับรองขั้นตอนการเชื่อมทั่วทั้งอุตสาหกรรม

การทดสอบแรงดึง แรงกระแทก และความแข็ง: การเชื่อมโยงข้อมูลกับสมรรถนะการใช้งานและความปลอดภัย

การทดสอบแรงดึงจะบอกเราเกี่ยวกับความต้านทานสูงสุดและจุดครากของวัสดุ ซึ่งมีความสำคัญมากเมื่อตรวจสอบว่ารอยเชื่อมท่อสอดคล้องกับมาตรฐาน API 1104 หรือไม่ ตามข้อกำหนดเหล่านี้ ความต้านทานไม่ควรลดลงเกินกว่า 20% เมื่อเทียบกับโลหะฐาน จากนั้นคือการทดสอบแบบชาร์ปปีวีน็อต (Charpy V-notch) ที่ใช้ประเมินความเหนียวของวัสดุในการต้านทานการแตกร้าวภายใต้อุณหภูมิที่แตกต่างกัน สำหรับชิ้นส่วนที่ใช้งานในสภาพนอกชายฝั่ง จะต้องสามารถรองรับพลังงานได้อย่างน้อย 27 จูล ที่อุณหภูมิลบ 40 องศาเซลเซียส เพื่อป้องกันการแตกหักอย่างฉับพลันในสภาพทะเลที่รุนแรง เมื่อเราตรวจสอบระดับความแข็งบริเวณรอยเชื่อมโดยใช้การวัด HV10 เราจะมองหาตำแหน่งที่โลหะมีความแข็งเกินไปในระดับท้องถิ่น หากมาร์เทนไซต์ (martensite) เกิดขึ้นในบริเวณที่มีค่าความแข็งเกิน 350 HV จะเพิ่มโอกาสการเกิดรอยแตกร้าว โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีแก๊สเปรี้ยว ตามข้อกำหนด NACE MR0175 การนำตัวเลขทั้งหมดเหล่านี้มารวมกันจะช่วยให้วิศวกรเห็นภาพชัดเจนขึ้นว่าข้อต่อเชื่อมจะทำงานได้ดีเพียงใดในสถานการณ์จริง

• ความแข็งแรงด้านแรงดึงที่เท่ากันหรือสูงกว่าวัสดุหลัก ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการป้องกันภาระเกิน
• พลังงานกระแทก >40 J สนับสนุนการหยุดการแตกร้าวในสถานการณ์ที่มีการเหนื่อยล้าจากจำนวนรอบสูง
• เกรเดียนต์ความแข็ง <100 HV/mm ช่วยลดการแตกร้าวจากไฮโดรเจนในโลหะผสมที่เสี่ยงต่อปัญหานี้

คุณสมบัติเชิงกลที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว ทำให้มีขอบเขตความปลอดภัยที่วัดได้ – ลดความล้มเหลวในสนามจริงลง 63% ในแอปพลิเคชันที่มีความเครียดสูง เช่น ภาชนะความดัน อุปกรณ์ยก และโครงรองรับเครื่องจักรหมุน

เกณฑ์การยอมรับข้อบกพร่องในการเชื่อมตามมาตรฐานหลักสำหรับชิ้นส่วนโลหะที่เชื่อม

มาตรฐานสากลต่างๆ ได้กำหนดกฎเฉพาะเกี่ยวกับสิ่งที่ถือว่ายอมรับได้ในเรื่องข้อบกพร่องของชิ้นส่วนโลหะที่ผ่านการเชื่อม ตัวอย่างเช่น มาตรฐาน ISO 5817 ซึ่งจัดระดับคุณภาพออกเป็นสามระดับหลัก ได้แก่ ระดับ B ซึ่งเป็นระดับสูงสุด ตามด้วยระดับ C ที่ถือว่าปานกลาง และสุดท้ายคือระดับ D ซึ่งผ่อนปรนที่สุด แต่ละระดับมีกฎเกณฑ์ที่แตกต่างกันเกี่ยวกับสิ่งต่างๆ เช่น รูพรุนเล็กๆ บนโลหะ (porosity) ร่องเล็กๆ ตามขอบ (undercut) และการที่ชิ้นส่วนไม่เรียงตัวกันอย่างเหมาะสม (misalignment) เมื่อพูดถึงระดับ B แล้ว ระดับนี้จะสงวนไว้สำหรับงานที่มีความสำคัญมาก เช่น ภาชนะรับแรงดัน หรือชิ้นส่วนที่ใช้ในสถานที่เกี่ยวกับนิวเคลียร์ ซึ่งงานประเภทนี้สามารถยอมรับรูพรุนที่มีขนาดเล็กมากจนแทบมองไม่เห็นได้เท่านั้น และส่วนที่เกิด undercut จะต้องไม่ลึกเกินครึ่งมิลลิเมตรในบริเวณที่มีแรงเครียดสูงสุด ระดับ C อนุญาตให้มีกลุ่มของรูพรุนที่ใหญ่ขึ้นได้ ขนาดประมาณหนึ่งมิลลิเมตร และส่วน undercut อาจลึกขึ้นเล็กน้อยสำหรับโครงสร้างทั่วไป แล้วก็ยังมีมาตรฐาน AWS D1.1 อีกหนึ่งมาตรฐานที่มีรายละเอียดเฉพาะเจาะจงมากขึ้น ขึ้นอยู่กับสิ่งที่ต้องสร้าง เช่น คานรองรับสะพานจะต้องมีข้อกำหนดที่เข้มงวดกว่าเกี่ยวกับรอยแตก เมื่อเทียบกับอาคารทั่วไปที่ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อต้านทานแผ่นดินไหว แนวทางที่ได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบเหล่านี้ช่วยป้องกันภัยพิบัติไม่ให้เกิดขึ้น ขณะเดียวกันก็ทำให้มั่นใจได้ว่าชิ้นส่วนที่ดีจะไม่ถูกทิ้งทิ้งไปเพียงเพราะมีข้อบกพร่องเล็กน้อย ผู้ผลิตจึงสามารถปรับการตรวจสอบคุณภาพให้สอดคล้องกับสิ่งที่สำคัญต่อความปลอดภัย สิ่งที่กฎหมายกำหนด และอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ก่อนที่จะต้องเปลี่ยนใหม่

การรับรองขั้นตอนการเชื่อม (WPQ/PQR) เป็นพื้นฐานของคุณภาพชิ้นส่วนโลหะที่เชื่อมอย่างต่อเนื่อง

จากขั้นตอนการรับรองสู่การผลิต: ขั้นตอนที่ได้รับการตรวจสอบแล้วช่วยป้องกันความล้มเหลวในสนามได้อย่างไร

บันทึกการรับรองขั้นตอน (PQR) และข้อกำหนดขั้นตอนการเชื่อม (WPS) เป็นระบบที่แท้จริงแล้วทำให้กระบวนการผลิตชิ้นส่วนโลหะจากการเชื่อมไม่ล้มเหลว เมื่อเตรียมความพร้อมสำหรับการผลิตจริง ช่างเชื่อมจำเป็นต้องทำการทดสอบแผ่นตัวอย่างภายใต้เงื่อนไขที่เข้มงวด พร้อมทั้งบันทึกพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ระดับความร้อนที่ป้อนเข้าไป ประเภทของลวดเชื่อมที่ใช้ อุณหภูมิก่อนเริ่มเชื่อม (preheat) และรูปร่างจริงของรอยต่อที่จะทำการเชื่อม รายละเอียดทั้งหมดนี้จะถูกจัดเก็บไว้ในเอกสาร PQR จากนั้นจะเข้าสู่ขั้นตอนการทดสอบแบบทำลาย (destructive testing) โดยการดัด ยืด และกัดกร่อนตัวอย่างตามมาตรฐาน AWS เพื่อตรวจสอบว่าทุกอย่างสอดคล้องกับข้อกำหนดในการออกแบบหรือไม่ เมื่ออนุมัติแล้ว WPS จะนำค่าตั้งค่าที่ประสบความสำเร็จเหล่านี้มาเปลี่ยนเป็นคำแนะนำขั้นตอนอย่างละเอียดสำหรับงานผลิตปกติ ตามการวิจัยจาก ASM International เมื่อปีที่แล้ว การปฏิบัติตามกระบวนการนี้สามารถลดปัญหาการเชื่อมทั่วไปได้ประมาณ 72% ซึ่งรวมถึงจุดที่การเจาะลึกไม่เพียงพอ การเกิดรอยแตกจากไฮโดรเจนในภายหลัง หรือเมื่อชิ้นส่วนบิดงอระหว่างการเย็นตัว โรงงานผลิตที่ยึดมั่นในอุณหภูมิก่อนเริ่มเชื่อมและอัตราความเร็วในการเคลื่อนที่ที่ได้รับการรับรองแล้ว พบว่าสามารถลดปัญหาฟองอากาศในแนวเชื่อมที่ต้องแก้ไขใหม่ได้เกือบ 91% ซึ่งส่งผลต้นทุนโดยรวมอย่างมาก งานเชื่อมทุกชิ้นควรสามารถย้อนกลับไปยังข้อมูลการตั้งค่าที่ผ่านการทดสอบเฉพาะเจาะจงได้ สิ่งนี้สร้างความสามารถในการตรวจสอบย้อนกลับได้ทั้งระบบ และป้องกันไม่ให้ผู้ปฏิบัติงานทำงานโดยไม่มีขั้นตอนที่ชัดเจน หากบริษัทละเลยโครงสร้างพื้นฐานนี้ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างฉับพลัน หรือการใช้วัสดุลวดเชื่อมที่ผิดพลาด อาจนำไปสู่จุดอ่อนที่แฝงอยู่ภายในโลหะ ข้อบกพร่องเหล่านี้อาจไม่ปรากฏจนกว่าจะมีการชำรุดขณะใช้งานจริง ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยอย่างร้ายแรง และอาจส่งผลให้ต้องเรียกคืนผลิตภัณฑ์ ด้วยค่าใช้จ่ายหลายแสนดอลลาร์ ตามที่พบเห็นได้จากผลการศึกษาล่าสุดของ Ponemon Institute ดังนั้นขอให้เข้าใจตรงกันว่า PQR/WPS ไม่ใช่เพียงแค่ภาระงานเอกสาร แต่เป็นแนวป้องกันแรกที่วิศวกรตั้งขึ้นเพื่อป้องกันความล้มเหลวเมื่อผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาด