ก่อนการทดสอบการกัดกร่อนในชิ้นงาน ฉันต้องเชื่อมชิ้นงานให้ติดกับลวดทองแดงเพื่อให้สามารถนำไฟฟ้าได้ แล้วจึงนำไปต่อกับอุปกรณ์หรือเซลไฟฟ้าเคมีเพื่อใช้ในการทดสอบ ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงานก่อนนำไปต่อกับเซลไฟฟ้าเคมี เป็นขั้นตอนที่ยากที่สุดสำหรับฉัน เนื่องจากว่าชิ้นงานของฉันมีขนาดเล็ก มีขนาดพื้นที่หน้าตัดที่ใช้เชื่อมต่อกับลวดทองแดงค่อนข้างน้อย จึงเป็นการยากมากที่จะเติมน้ำประสานหรือโลหะประสาน (solder) เพื่อให้ลวดทองแดงยึดติดกับผิวหน้าตัดของชิ้นงานได้ดี นี่เป็นครั้งแรกของฉันที่ต้องเชื่อมชิ้นงานโดยใช้หัวแร้งไฟฟ้า และใช้โลหะประสานที่มีจุดหลอมตัวต่ำที่ทำจากโลหะผสมพวกดีบุก – ตะกั่วน่ะ โดยปกติแล้วฉันเคยเชื่อมชิ้นงานจำพวกโลหะเงิน และทองเหลืองมาก่อนหน้านี้ (สมัยยังสาวๆ) โดยใช้หัวเป่าไฟ (torch) ซึ่งอุณหภูมิที่ใช้ในการเชื่อมชิ้นงานจะสูงกว่าการใช้น้ำประสานพวกตะกั่ว–ดีบุกเยอะเลย แต่จะเชื่อมได้ง่ายกว่าการใช้หัวแร้งไฟฟ้าเป็นไหนๆ
เจ้าน้ำประสานที่ฉันพูดถึงก่อนหน้านี้ มันไม่ใช่ของเหลวอย่างชื่อนะ จริงๆ มันคือของแข็งทำจากโลหะสองชนิดขึ้นไปมาผสมกันเพื่อลดจุดหลอมตัวให้ต่ำลง เพื่อที่มันจะได้ละลายและไหลเข้าไปเชื่อมประสานชิ้นงานที่ต้องการได้ง่าย แต่พอโดนความร้อนเข้าหน่อย เจ้าโลหะผสมที่ว่าก็อ่อนระทวย ไหลเหมือนน้ำขึ้นมาทันที โลหะแต่ละตัวแต่ละชนิดก็จะมีจุดไหลที่แตกต่างกันไป อันนี้เป็นสมบัติเฉพาะตัวของมันเอง คงจะคล้ายๆ กับผู้หญิงกระมังที่แต่ละคนมีจิตใจที่อ่อนไหวแตกต่างกันไป อย่างฉันนี่มีความอ่อนไหวในระดับสูงมากถึงมากที่สุด แต่น้ำประสานกับผู้หญิงยังมีข้อแตกต่างกันนะ เพราะเจ้าน้ำประสานที่ว่าเนี่ย ถ้าเป็นชนิดเดียวกันมันก็จะมีจุดไหลที่แน่นอน แต่ผู้หญิงอย่างเราๆ นี่สิ ในผู้หญิงคนเดียวกันก็จะมีความอ่อนไหวในตัวเองที่แตกต่างกันทุกๆ ครั้ง โดยความอ่อนไหวในแต่ละครั้งก็จะแปรไปตามสิ่งรอบข้างที่เข้ามารบกวนจิตใจเราว่ามีดีกรีของความสามารถในการทำให้อ่อนไหวมากน้อยเพียงใด…เขียนเองแล้วงงเอง ว่าแต่ว่าคุณอ่านแล้วงงหรือเปล่าเนี่ย...
กลับมาที่การเชื่อมชิ้นงานของฉันดีกว่า ก่อนเชื่อมชิ้นงานฉันต้องจัดการขัดผิวชิ้นงานให้เรียบ ปราศจากคราบออกไซด์ แล้วนำไปล้างให้สะอาด ปราศจากสิ่งสกปรก เพราะหัวใจหลักของการเชื่อมให้ได้คุณภาพดี ผิวเชื่อมติดกันแน่น คือ ความสะอาด โดยผิวหน้าชิ้นงานที่จะเชื่อมทั้งสองชนิดต้องสะอาดมากๆ น้ำประสานต้องสะอาด รวมทั้งปลายหัวแร้งไฟฟ้าก็ต้องสะอาดด้วย ทุกอย่างต้องสะอาด เมื่อเชื่อมแล้วชิ้นงานก็จะประกบและติดกันแน่น ไม่หลุดออกจากกันง่าย ดูๆ ไปก็คล้ายๆ การประสานใจของคนสองคน ถ้าใจของคนทั้งสองสะอาดปราศจากมลทินภายในใจ ไม่มีทิฐิ อคติต่อกัน เวลาเราจะรวมใจสองใจให้เป็นหนึ่งเดียวก็จะทำได้ง่ายมาก และเมื่อใจสองใจหลอมเป็นหนึ่งเดียวแล้ว ก็ยากที่จะมีอะไรมาแยกใจทั้งสองให้ขาดจากกันได้ (น้ำเน่าไปไหมนี่) แต่อย่าลืมนะว่า..ใจสองใจจะประสานกันได้ ก็ต้องมีตัวประสาน หากตัวประสานเป็นสิ่งดีๆ ที่สะอาดๆ มันก็จะคอยช่วยให้ใจสองใจของคนสองคนประสานกันได้อย่างดี และยิ่งถ้าใจสองใจคิดเหมือนกัน หรือที่เราเรียกว่าใจตรงกัน มันก็ง่ายที่จะหลอมรวมกัน (จริงไหม) ก็เหมือนกับโลหะสองชนิดที่จะเชื่อมต่อกันนั่นแหละ หากเป็นชนิดเดียวกันแล้วล่ะก็ มันก็จะประสานยึดติดกันดีมากๆ หากว่าโลหะทั้งสองต่างชนิดกัน ก็คงต้องใช้น้ำประสานที่มีคุณภาพดีหน่อย ก็จะช่วยให้การเชื่อมประสานติดแน่นยิ่งขึ้น
เพ้อเจ้อมามาก เรามาเข้าเรื่องกันดีกว่า (เขียนมาตั้งนาน..ยังไม่เข้าเรื่องอีกเหรอเนี่ย..อย่าบ่นเป็นคนแก่ไปหน่อยเลย บอกตัวเองน่ะ เหอๆ) นอกจากชิ้นงานกับน้ำประสาน (โลหะประสาน) แล้วเนี่ย มีอีกอย่างที่คอยเป็นตัวช่วยให้ชิ้นงานเชื่อมติดกันแน่น คือ ฟลักซ์ (Flux) ซึ่งก็คือผงบอแรกซ์ (Borax) หรือช่างจะเรียกว่า เผ่งแซนั่นเอง เจ้าผงบอแรกซ์จะเป็นผงขาวๆ คล้ายผงซักฟอกแต่เม็ดจะละเอียดกว่า หน้าตาเหมือนในรูปนั่นแหละ เจ้าผงบอแรกซ์ที่ว่านี้ มีสูตรทางเคมีคือ Na2B4O7 10H2O (Hydrous Sodium Borate) เขาจะใส่เจ้าเผ่งแซนี้ไปขณะเชื่อมด้วย ก็เพราะว่า เผ่งแซหรือฟลักซ์นี้จะช่วยทำให้การยึดติดและการไหลตัวของน้ำประสาน (solder) ดียิ่งขึ้น เพราะโดยปกติเมื่อโลหะถูกความร้อนจะเกิดออกไซด์สีดำ ซึ่งเป็นผลจากการเกิดปฏิกิริยาของโลหะกับออกซิเจนในอากาศ ทำให้การยึดติดและการไหลตัวของน้ำประสานไม่ดีนัก นอกจากนี้เผ่งแซยังช่วยเพิ่มความสามารถในการเปียกและการไหลของน้ำประสาน และยังช่วยลดแรงตึงผิวของโลหะอีกด้วย
ภาพผงบอแรกซ์ หรือฟลักซ์
ก่อนไปดูเรื่องความสามารถในการเปียก (Wettability) ความสามารถในการไหล (Flowability) และแรงตึงผิว (Surface Tension) ลองมาตอบคำถามง่ายๆ (ง่ายจริงๆ) เพื่อดูสิว่าคุณรู้เรื่องการเปียก (Wetting) มาก่อนหรือเปล่า จากภาพด้านล่าง มีหยดน้ำสีฟ้าสดอยู่สามหยด คือ หยด A หยด B และหยด C โดยน้ำทั้งสามหยดได้หยดลงบนพื้นผิวสีเหลือง (Surface; S) คุณคิดว่าหยดน้ำหยดใดที่สามารถทำให้พื้นผิว S เปียกได้มากที่สุด (เฉลยท้ายบล็อกนะจ๊ะ...ใครตอบถูก ก็ทิ้งอีเมลไว้ จะส่งรางวัลไปให้)
ที่มา : http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Surfacetension.png
ความสามารถในการเปียก ความสามารถในการไหล และแรงตึงผิวของโลหะ มีผลต่อการเชื่อมอย่างไรบ้าง หากน้ำประสานมีสมบัติในการไหลที่ดี จะช่วยให้น้ำประสานไหลเข้าไปตามซอกหรือร่องที่เราต้องการเชื่อมได้ดี และหากน้ำประสานมีความสามารถในการเปียกมากก็จะเกาะติดกับชิ้นงานได้ดีนั่นเอง หากใครไม่เข้าใจเรื่องของการเปียก ให้นึกถึงน้ำกลิ้งบนใบบอน จะเห็นว่าน้ำจะเป็นหยดกลมๆ กลิ้งไปกลิ้งมาโดยที่ใบบอนไม่เปียกเลย และหยดน้ำก็จะไม่เกาะติดกับผิวใบบอนเลย จะคล้ายๆ กับคำพังเพย “น้ำกลิ้งบนใบบอน” ที่เขาเอาไว้เปรียบเปรย คนที่มีใจโลเล ใจไม่แน่นอน สามารถเปลี่ยนไปอยู่ได้เรื่อยๆ กลอกกลิ้งเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ไม่ยอมยึดเกาะกับสิ่งใดเลยนั่นแหละ เขามักจะพูดเปรียบเปรยผู้หญิงที่มีใจโลเลว่า ‘น้ำใจหญิงเหมือนกลิ้งบนใบบอน’ แต่ฉันว่าสำนวนนี้น่าจะเหมาะกับผู้ชายมากกว่า (คุณว่าจริงไหม) ปรากฏการณ์ที่หยดน้ำไม่ยอมเกาะติดใบบอน นั่นก็คือหยดน้ำไม่เปียกใบบอนนั่นเอง เราจะเรียกลักษณะนี้ว่า ‘Non-wetting’ ซึ่งมุมสัมผัสระหว่างหยดน้ำกับผิวของใบบอน (Contact angle; Alpha) มีค่าเท่ากับ 180°
ปรากฏการณ์น้ำกลิ้งบนใบบอน
ที่มา : http://www.geocities.com/koguggug/trips/jatujak45/jatujak45.html
ในกรณีเดียวกันกับการเปียกของน้ำประสานกับชิ้นงาน หากมุมสัมผัสระหว่างน้ำประสานกับผิวชิ้นงานมีขนาด 180° นั่นคือน้ำประสานและชิ้นงานไม่เกิดการเปียกเลย ซึ่งก็มีผลให้น้ำประสานไม่เกาะกับชิ้นงาน และหากมุมสัมผัสที่ว่านี้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ นั่นก็คือน้ำประสานจะสามารถเกาะกับชิ้นงานได้มากขึ้น หากมุมสัมผัสของน้ำประสานกับผิวชิ้นงานมีขนาดเท่ากับ 0° ก็จะหมายความว่าน้ำประสานสามารถเปียกบนผิวชิ้นงานได้อย่างสมบูรณ์ (Perfect wetting)… ดูรูปประกอบด้วยนะ... โดยปกติถ้าจะให้งานเชื่อมประสานมีคุณภาพดี มุมสัมผัสระหว่างน้ำประสานกับผิวชิ้นงานควรต่ำกว่า 33° มากๆ
ภาพแสดงการเปียก (Wetting) และมุมสัมผัสการเปียก (Contact angle)
ที่มา : http://www.ami.ac.uk/courses/ami4812_map2/u03/hjm/index.asp
สำหรับแรงตึงผิวก็จะมีความสัมพันธ์กับการเปียก โดยหากแรงตึงผิวระหว่างน้ำประสานและผิวชิ้นงานมีมาก นั่นก็หมายความว่าน้ำประสานมีความสามารถในการเปียกต่ำบนผิวชิ้นงานนั้น จากรูปด้านล่าง แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงตึงผิว (Surface tension; T) กับมุมสัมผัส (Contact angle; Theta) ดังสมการ... (ดูภาพด้านล่างประกอบ)
Tsg = Tsl + Tlg (cos Theta)
Tsg คือ แรงตึงผิวระหว่างของแข็งกับก๊าซ (solid – gas surface tension) -- ระหว่างผิวชิ้นงานกับอากาศ
Tsl คือ แรงตึงผิวระหว่างของแข็งกับของเหลว (solid – liquid surface tension) -- ระหว่างผิวชิ้นงานกับน้ำประสาน (solder)
Tlg คือ แรงตึงผิวระหว่างของเหลวกับก๊าซ (liquid – gas surface tension) -- ระหว่างน้ำประสานกับอากาศ
ภาพความสัมพันธ์ระหว่างแรงตึงผิว (T) กับมุมสัมผัสของการเปียก (Theta)
ที่มา : http://www.answers.com/topic/contact-angle
สรุปได้ว่า หากเราต้องการให้งานเชื่อมมีคุณภาพดี เราต้องควบคุมปัจจัยต่างๆ ได้แก่
(1) ผิวชิ้นงานที่จะเชื่อมต้องสัมผัสกันให้สนิท ต้องตระหนักไว้เสมอว่าน้ำประสานหรือโลหะประสานไม่ได้มีไว้เพื่อเติมเต็มช่องว่างระหว่างผิวที่จะเชื่อม แต่มีไว้เพื่อเป็นตัวประสานให้ผิวชิ้นงานทั้งสองยึดติดกัน
(2) ผิวชิ้นงานและน้ำประสานที่สะอาดจะทำให้รอยยึดต่อของผิวชิ้นงานที่เชื่อมแน่น
(3) เผ่งแซหรือฟลักซ์จะช่วยให้ผิวชิ้นงานตรงรอยเชื่อมไม่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน และลดการเกิดของโลหะออกไซด์ที่เกิดจากความร้อนได้
(4) ต้องเลือกใช้น้ำประสานให้เหมาะกับชนิดของชิ้นงาน และใช้ในปริมาณที่เหมาะสมด้วย
(5) อุณหภูมิในการเชื่อม ต้องใช้อุณหภูมิที่สูงกว่าจุดไหลตัวของน้ำประสาน (flow point) โดยจุดไหลตัวจะมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมตัว (melting point) ของโลหะประสานนั้นๆ เล็กน้อย
สุดท้ายที่ลืมไม่ได้ อย่าลืมว่า หัวใจหลักของการเชื่อมประสานให้มีคุณภาพดี ผิวยึดติดกันแน่น คือ ความสะอาดทั้งชิ้นงานและน้ำประสาน เหมือนการประสานใจคนสองคน ที่ต้องมีใจบริสุทธิ์และกาวใจที่สะอาด เพื่อให้เกิดการประสานที่ติดแน่น ยากที่จะมีสิ่งใดมาทำให้แยกจากกันได้
หมายเหตุ Solder ในที่นี้คือโลหะประสานหรือโลหะบัดกรี โดยช่างทองจะเรียกโลหะประสานนี้ว่า "น้ำประสาน" ส่วนช่างอื่นๆ จะเรียกว่า "โลหะบัดกรี"
ส่วนบอแรกซ์ที่เขาใช้ใส่ในอาหารหรือลูกชิ้นเพื่อให้อาหารกรอบ จะเรียกว่า "น้ำประสานทอง" ส่วนช่างทองจะเรียกผงบอแรกซ์นี้ว่า "เผ่งแซ"
เฉลยคำถามท้ายบล็อก :
ตอบ -- หยดน้ำ C เนื่องจากว่าหยดน้ำ C มีมุมสัมผัสระหว่างหยดน้ำกับพื้นผิวสีเหลืองต่ำมาก นั่นก็หมายความว่า หยดน้ำสามารถเปียกชิ้นงานได้มากที่สุดนั่นเอง
----------------------------------------------------------------
When I look at the sky. I don't see stars , but I see particles.
When I look at the tree. I don't see twigs, but I see dendrite.
