การควบคุมปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าขณะเชื่อมท่อน้ำมันแบบดูเพล็กซ์: การป้องกันการเกิดเฟสซิกมา (Sigma Phase) ซึ่งทำให้วัสดุเปราะในโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ)

หากคุณเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์หรือซูเปอร์ดูเพล็กซ์ (DSS/SDSS) คุณจะต้องเดินบนเส้นลวดอย่างระมัดระวัง หากใช้อุณหภูมิต่ำเกินไป จะทำให้เกิดเฟอร์ไรต์มากเกินไปและสูญเสียความเหนียว หากใช้อุณหภูมิสูงเกินไป จะนำไปสู่ 'ผู้ฆ่าเงียบ' ของรอยเชื่อมแบบดูเพล็กซ์: การเปราะตัวจากเฟสซิกมา (Sigma (σ) Phase embrittlement) ในโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (Heat Affected Zone: HAZ)

เฟสซิกมา (Sigma phase) คือ สารประกอบอินเทอร์เมทัลลิกที่ทำให้รอยเชื่อมเปราะและทำลายความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อน แม้ว่าเฟสซิกมาจะเกิดขึ้นในวัสดุพื้นฐาน (base metal) ระหว่างการอบร้อนที่ไม่เหมาะสม แต่ในการเชื่อมนั้น เกิดขึ้นโดยตรงจากการควบคุมความร้อนที่ไม่ดี การควบคุมความร้อนที่ป้อนเข้า .

บทความนี้ให้การวิเคราะห์เชิงเทคนิคอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับวิธีปรับค่าความร้อนที่ป้อนเข้าในระหว่างการเชื่อมท่อแบบดูเพล็กซ์ เพื่อป้องกันการเกิดเฟสซิกมา (sigma phase) ซึ่งจะช่วยรักษาความสมบูรณ์เชิงกลและความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบจุด (pitting resistance)

ปัญหา: เหตุใดจึงเกิดเฟสซิกมาในโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ)

การตกตะกอนของเฟสซิกมาเกิดขึ้นเมื่อโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนจากการเชื่อม (weld HAZ) ถูกทำให้ร้อนอยู่ในช่วงอุณหภูมิประมาณ 600°C ถึง 950°C เป็นเวลานานเกินไป ในโครงสร้างจุลภาคแบบดูเพล็กซ์ เฟสซิกมาจะเริ่มก่อตัวหลักๆ ที่บริเวณรอยต่อระหว่างเฟสเฟอร์ไรต์และออสเทนไนต์ มันเติบโตขึ้นโดยการดูดซับเฟสเฟอร์ไรต์ (δ) ซึ่งอุดมไปด้วยโครเมียมและโมลิบดีนัม — ธาตุสำคัญที่ให้คุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนแก่โลหะผสมแบบดูเพล็กซ์ .

กลไกการเกิดนี้เป็นแบบยูเทคทอยด์ (eutectoid): δ → σ + γ₂ (ออสเทนไนต์รอง) เมื่อเฟสซิกมาเกิดขึ้น มันจะดึงโครเมียมและโมลิบดีนัมออกจากแมทริกซ์รอบข้าง ครั้นเมื่อเฟสซิกมาตกตะกอนแล้ว การกำจัดออกจำเป็นต้องใช้กระบวนการอบร้อนแบบละลายสมบูรณ์ (solution annealing) ที่อุณหภูมิ 1050–1100°C ซึ่งไม่สามารถปฏิบัติได้จริงสำหรับท่อขนาดใหญ่ที่ประกอบเป็นส่วนย่อย (pipe spools) ในสภาพที่ผ่านการเชื่อมแล้ว (as-welded condition) เฟสซิกมาเป็นเฟสที่แข็งและเปราะมาก ซึ่งลดค่าความเหนียวต่อแรงกระแทก (impact toughness) และความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบจุดลงอย่างมาก

ตัวแปรหลัก: ความร้อนที่ป้อนเข้าและอัตราการระบายความร้อน (t12/8)

แม้ว่าองค์ประกอบทางเคมีจะมีความสำคัญอย่างยิ่ง แต่วัฏจักรความร้อนคือปัจจัยกระตุ้น ซึ่งมาตรฐานอุตสาหกรรมในการวัดค่านี้คือช่วงเวลาที่ใช้ในการระบายความร้อนจาก 1200°C ถึง 800°C (t12/8) ช่วงอุณหภูมินี้ครอบคลุมหน้าต่างที่สำคัญทั้งสำหรับการเกิดออสเทนไนต์และการตกตะกอนของเฟสซิกมา

เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดเฟสซิกมาในขณะที่ยังคงสมดุลของเฟสไว้ คุณมักจำเป็นต้องควบคุมค่า t12/8 ให้อยู่ที่ 8 ถึง 15 วินาที หากค่า t12/8 เกินประมาณ 15 วินาที (ซึ่งมักเกิดขึ้นเมื่อมีการป้อนความร้อนสูง) คุณจะมีความเสี่ยงต่อการเกิดเฟสซิกมา .

สำหรับเหล็กกล้าดูเพล็กซ์ชนิดโครเมียม 22% (เช่น 2205) ค่าความร้อนที่แนะนำสำหรับการเชื่อมท่อโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 0.5 กิโลจูล/มิลลิเมตร ถึง 2.5 กิโลจูล/มิลลิเมตร สำหรับความหนาของผนังท่อ 10–15 มิลลิเมตร อย่างไรก็ตาม งานวิจัยล่าสุดชี้ว่าขีดจำกัดเหล่านี้ไม่คงที่ แต่เปลี่ยนแปลงไปตามความหนาของผนังและรูปทรงของรอยต่อ

มุมมองใหม่: ความหนาของแผ่นโลหะเปลี่ยนกฎเกณฑ์

งานวิจัยล่าสุดท้าทายสมมุติฐานที่ว่า "การป้อนความร้อนสูงนั้นแย่เสมอ" โดยงานศึกษาในปี ค.ศ. 2025 เกี่ยวกับการเชื่อมแบบดูเพล็กซ์บนแผ่นโลหะหนา แสดงให้เห็นว่าสำหรับแผ่นโลหะที่มีความหนาเกิน 10 มม. ขีดจำกัดสูงสุดของการป้อนความร้อนจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ .

• สำหรับท่อผนังบาง (<10 มม.): การถ่ายเทความร้อนช้าทำให้โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ยังคงร้อนอยู่ การใช้สูตรคำนวณการป้อนความร้อนแบบมาตรฐานจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อหลีกเลี่ยงการทะลุทะลวงหรือการร้อนเกินไป

• สำหรับท่อผนังหนา (>14 มม.): มวลของท่อทำหน้าที่เป็นแหล่งดูดซับความร้อนขนาดใหญ่ ดึงความร้อนออกไปอย่างรวดเร็ว ในกรณีเช่นนี้ จำเป็นต้องใช้การป้อนความร้อนในระดับสูงขึ้นเพื่อให้เกิดการหลอมรวมอย่างเหมาะสมและการเกิดเฟสออสเทนไนต์ งานวิจัยยืนยันว่าเมื่อใช้แผ่นโลหะหนา 20 มม. สามารถใช้ค่าการป้อนความร้อนที่ 5 กิโลจูล/มม. และ 7 กิโลจูล/มม. โดยไม่เกิดการตกตะกอนของเฟสซิกมาในโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) .

สรุป: คุณต้องคำนวณปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าสัมพัทธ์กับความหนาของวัสดุ ยิ่งท่อหนากว่าเท่าใด ปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าได้อย่าง "ปลอดภัย" ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เนื่องจากอัตราการระบายความร้อนยังคงเร็วเพียงพอที่จะหลีกเลี่ยงบริเวณ 'sigma nose' บนเส้นโค้ง TTT

ความท้าทายของซูเปอร์ดูเพล็กซ์ (เกรด 25Cr)

เมื่อเชื่อมวัสดุเกรดซูเปอร์ดูเพล็กซ์ (เช่น 2507, Zeron 100) ขอบเขตความผิดพลาดจะแคบลง วัสดุที่มีธาตุผสมสูงกว่านี้มีแรงขับให้เกิดการตกตะกอนของเฟสซิกมา (sigma phase) มากขึ้น

• ความไวของรอยเชื่อมชั้นราก: ในการเชื่อมท่อ รอยเชื่อมชั้นรากมีความเปราะบางเป็นพิเศษ งานวิจัยชี้ว่า ควรใช้ปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าสำหรับรอยเชื่อมชั้นรากในลักษณะที่ สูงกว่า มีค่าต่ำกว่า (ต่ำกว่า 1.0 กิโลจูล/มิลลิเมตร) เมื่อเทียบกับรอยเชื่อมไม่กี่ชั้นแรกที่ตามมา ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น? การป้อนความร้อนในปริมาณต่ำสำหรับรอยเชื่อมชั้นรากอาจทำให้โครเมียมไนไตรด์ตกตะกอนบนพื้นผิวด้านใน เนื่องจากการไม่ได้รับความร้อนซ้ำ .

• ความเหมาะสมต่อวัตถุประสงค์: แม้ว่าข้อกำหนดมักจะต้องการให้ไม่มีเฟสซิกมา (sigma phase) เลย แต่ความเป็นจริงในเชิงอุตสาหกรรม (โดยเฉพาะในโครงการน้ำมันและก๊าซในทะเลเหนือของสหราชอาณาจักร) แสดงให้เห็นว่า การปรากฏของเฟสซิกมาในบริเวณโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ที่อุณหภูมิต่ำ (ระยะห่าง 2–5 มม. จากเส้นรอยประสาน) ในปริมาณจำกัดบางครั้งอาจยอมรับได้ งานวิจัยหลายชิ้นยอมรับได้สูงสุดถึง สัดส่วนปริมาตร 2.5% ของเฟสซิกมาใน HAZ ภายใต้เงื่อนไขที่ผ่านเกณฑ์ความต้านทานการแตกหักแบบ CTOD (Crack Tip Opening Displacement) และผ่านการทดสอบการกัดกร่อนตามมาตรฐาน ASTM G48 แล้ว อย่างไรก็ตาม ค่านี้เป็นเพียงขีดจำกัดสำหรับการรับรองคุณสมบัติ (qualification limit) ไม่ใช่เป้าหมายในการผลิต

แนวทางปฏิบัติสำหรับวิศวกรการเชื่อม

เพื่อป้องกันการเกิดเฟสซิกมาในรอยเชื่อมท่อสแตนเลสแบบดูเพล็กซ์ ควรก้าวพ้นกฎทั่วไปว่า "ใช้ความร้อนต่ำ" แล้วนำมาตรการควบคุมต่อไปนี้ไปใช้:

1. ควบคุมอุณหภูมิระหว่างชั้น (Interpass Temperature)

การเกิดเฟสซิกมาเป็นกระบวนการสะสม เมื่อคุณเพิ่มจำนวนรอบการเชื่อม (passes) พื้นที่ HAZ จากการเชื่อมรอบก่อนหน้าจะถูกทำให้ร้อนซ้ำเข้าสู่โซนอันตราย (700–900°C) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องจำกัดอุณหภูมิระหว่างชั้นอย่างเคร่งครัด สำหรับสแตนเลสแบบซูเปอร์ดูเพล็กซ์ (25% Cr) อุณหภูมิระหว่างชั้นสูงสุดโดยทั่วไปคือ 150°C  สำหรับดูเพล็กซ์เกรดมาตรฐาน (22% Cr) มักกำหนดค่าสูงสุดไว้ที่ 200°C .

2. หลีกเลี่ยงกับดักของการเชื่อม "หลายรอบเล็กๆ"

ดูเหมือนจะขัดกับสามัญสำนึก แต่การใช้จำนวนรอบการเชื่อมที่มีค่าความร้อนนำเข้าต่ำจำนวนมากอาจอันตรายกว่าการใช้จำนวนรอบน้อยลงแต่ละรอบมีค่าความร้อนนำเข้าสูงกว่า เนื่องจากแต่ละรอบการเชื่อมเล็กๆ จะทำให้โซนที่ได้รับความร้อนซ้ำ (HAZ) ถูกให้ความร้อนซ้ำ ซึ่งเทียบเท่ากับการทำให้วัสดุเก่าลงและเกิดการตกตะกอนของเฟสซิกมา (sigma) และไช (chi, χ) .

• กลยุทธ์: ใช้ลำดับการเชื่อมที่ลดจำนวนรอบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (thermal cycles) บนพื้นที่ใดพื้นที่หนึ่งของโซนที่ได้รับความร้อนซ้ำ (HAZ) ให้น้อยที่สุด

3. ปรับสมดุลค่าจำนวนเฟอร์ไรต์ (Ferrite Numbers)

เฟสซิกมา (sigma) เกิดขึ้นได้ง่ายกว่าในเฟสเฟอร์ไรต์ หากเนื้อหาเฟอร์ไรต์ในโซนที่ได้รับความร้อนซ้ำ (HAZ) ของคุณเกิน 70–75% ความเสี่ยงในการเกิดการตกตะกอนของเฟสซิกมาจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก เนื่องจากมีเฟอร์ไรต์ที่ไม่เสถียรในปริมาณมากขึ้น ซึ่งสามารถเปลี่ยนรูปเป็นเฟสอื่นได้

• ตรวจสอบให้แน่ใจว่าก๊าซป้องกันและโลหะเติมที่ใช้ส่งเสริมการเกิดเฟสออกส์เทนไนต์ (austenite) ใหม่อย่างเพียงพอ โลหะเติมที่มีส่วนผสมของนิกเกิลช่วยได้ แต่ควรระมัดระวัง: นิกเกิลในปริมาณสูงจะทำให้ช่วงอุณหภูมิที่เฟสซิกมาสามารถเกิดขึ้นได้กว้างขึ้น .

4. คำนวณค่าความร้อนนำเข้าที่มีประสิทธิภาพ (Effective Heat Input)

อย่าพึ่งอาศัยเพียง 'ความรู้สึก' ใช้สูตรต่อไปนี้:

$$\text{ปริมาณความร้อนที่ใช้ (kJ/mm)}=\frac{\text{เวลท์ (V)}\times \text{กระแสไฟฟ้า (A)}\times 60}{\text{ความเร็วในการเคลื่อนที่ (มิลลิเมตร/นาที)}\times 1000}$$

สำหรับกระบวนการ GTAW (TIG) โปรดจำไว้ว่าต้องพิจารณาปัจจัยประสิทธิภาพความร้อน (η) ซึ่งโดยทั่วไปมีค่าประมาณ 0.6 สำหรับ TIG .

บทสรุป

การเปราะตัวจากเฟสซิกมา (Sigma phase embrittlement) เป็นรูปแบบความล้มเหลวที่สามารถป้องกันได้ ซึ่งเป็นสัญญาณบ่งชี้ว่ารอยเชื่อมได้รับความร้อนมากเกินไปเป็นเวลานานเกินไป—ไม่ว่าจะโดยรวม (ปริมาณความร้อนสูงในท่อที่บาง) หรือเฉพาะจุด (การให้ความร้อนซ้ำหลายครั้งจากชั้นเชื่อมที่มีขนาดเล็ก)

การเชื่อมท่อแบบดูเพล็กซ์ (duplex pipes) สมัยใหม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแนวคิดจากการ "ปฏิบัติตามขั้นตอนการเชื่อมที่กำหนดไว้ (WPS)" ไปสู่การเข้าใจ ประวัติศาสตร์อุณหภูมิ โดยการควบคุมช่วงเวลาในการทำให้เย็นลง (t12/8 cooling times) อย่างเคร่งครัด ปฏิบัติตามข้อจำกัดของอุณหภูมิระหว่างชั้นเชื่อม (interpass limits) และปรับปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้า (heat input) ให้เหมาะสมกับความหนาจริงของผนังท่อ คุณจะสามารถผลิตโครงสร้างจุลภาคในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ที่ปราศจากเฟสซิกมา มีความเหนียวสูง และทนต่อการกัดกร่อน