การเชื่อมซ่อมรางประแจด้วยเทคนิคการเติมเนื้อวัสดุ

รางประแจ (Frog rail) ซึ่งผลิตจากเหล็กกล้าแมงกานีสเป็นชิ้นส่วนสำคัญและส่งผลต่อความปลอดภัย แตกต่างจากรางโดยทั่วไปในระบบราง ซึ่งมีโครงสร้างรูปร่างโดยเฉพาะและมีหน้าที่รับแรงกระแทกสูงและเป็นผมให้มีอัตราการสึกหรอสูงกว่ารางโดยทั่วไป ความเสียหายที่เกิดขึ้นส่งผลต่อความปลอดภัยในการเดินรถ ถึงแม้ว่าการซ่อมแซมในปัจจุบันโดยการเชื่อมพอกยังคงไม่มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับการเปลี่ยนชิ้นส่วนใหม่  แต่การซ่อมยังคงมีความจำเป็นเพื่อยึดอายุการใช้งานโดยยังคงให้ความปลอดภัยและประสิทธิภาพในการเดินรถได้อย่างต่อเนื่อง

การเชื่อมเหล็กกล้าแมงกานีสนั้นมีความจำเป็นที่ต้องควบคุมขั้นตอนการเชื่อมเป็นพิเศษแตกต่างจากรางเหล็กกล้าคาร์บอนสูง โดยต้องใช้ปริมาณความร้อนเข้าสู่รอยเชื่อมต่ำ อัตราการเย็นตัวเร็ว และควบคุมความร้อนต่ำเพื่อให้ยังคงสมบัติทางกลที่ดีในด้านความต้านทานต่อการกระแทกและการสึกหรอ ปัจจุบันมีการใช้การเชื่อมอาร์คโลหะด้วยมือโดยกระบวนการเชื่อมด้วยลวดเชื่อมหุ้มฟลักซ์และการเชื่อมด้วยลวดฟลักซ์คอร์ที่มีปริมาณความร้อนสูงจึงเกิดความร้อนสะสมในปริมาณมาก ไม่สอดคล้องกับการควบคุมคุณภาพระหว่างการเชื่อมที่เข้มงวดในการควบคุมอุณหภูมิระหว่างการเชื่อมไม่ให้สูงมากจนเกินไปจึงส่งผลต่อระยะเวลาในการดำเนินงานที่มีอยู่อย่างจำกัด ด้วยเหตุนี้การเลือกใช้กระบวนการเชื่อมหรือเทคนิคการเชื่อมที่มีความร้อนต่ำจึงควรถูกนำมาใช้ในงานที่มีลักษณะเฉพาะนี้

ในงานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาขั้นตอนวิธีการเชื่อมแบบอัตโนมัติเพื่อซ่อมรางประแจที่เกิดการสึกหรอด้วยเทคนิคการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive manufacturing) โดยใช้กระบวนการและเทคนิคการเชื่อมด้วยความร้อนต่ำโดยการเชื่อมที่มีลักษณะการถ่ายโอนน้ำโลหะแบบ Cold metal transfer, CMT ที่ปัจจุบันได้มีการนำไปใช้ขึ้นรูปชิ้นงานแบบสามมิติกันอย่างแพร่หลาย เพื่อให้การเชื่อมที่พัฒนาขึ้นนี้สามารถนำไปใช้เพิ่มอัตราการผลิต โดยยังคงคุณภาพของรอยเชื่อมและการเชื่อมซ่อมที่มีประสิทธิภาพ

การเชื่อมโลหะแกสปกคลุม (Gas metal arc welding, GMAW) เป็นการเชื่อมด้วยลวดเชื่อมชนิดเส้นตัน (Solid wire) ถูกนำมาใช้ร่วมกับหุ่นยนต์เพื่อสร้างชิ้นงานโลหะแบบ 3 มิติ  (Metal 3-D printing) ในกระบวนการ Wire and arc additive manufacturing, WAAM โดยการเชื่อมขึ้นมาเป็นชั้น (Layer) ตามแผนการเติมเนื้อวัสดุที่กำหนดไว้ โดยมีการถ่ายโอนน้ำโลหะจากลวดเชื่อมลงสู่ชิ้นงานแบบลัดวงจรชนิด CMT ที่ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อให้เกิดปริมาณความร้อนต่ำ การป้อนเติมเนื้อวัสดุมีความแม่นยำ การอาร์คมีความเสถียรสูง มีสะเก็ดเม็ดโลหะน้อยและไม่ต้องทำความสะอาดรอยเชื่อมในระหว่างชั้นของรอยเชื่อม ทำให้การขึ้นรูปชิ้นงานเป็นไปอย่างต่อเนื่อง

เมื่อการเชื่อมด้วยระบบอัติโนมัติถูกน้ำมาใช้เพื่อควบคุมการป้อนเติมน้ำโลหะ ด้วยเทคนิคการเชื่อมที่มีปริมาณความร้อนเกิดขึ้นต่ำและสามารถเชื่อมเติมเนื้อวัสดุได้อย่างต่อเนื่อง จึงถูกนำมาปรับใช้ในการเติมเนื้อวัสดุที่เกิดการสึกหรอจากการใช้งานจนเกิดการสูญเสียเนื้อวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งชิ้นส่วนที่มีความสำคัญสูงและต้องการวิธีการเชื่อมเป็นพิเศษอย่างเช่นรางประแจ จะสามารถพัฒนาขั้นตอนวิธีการเชื่อมซ่อมบำรุงพื้นผิวของรางที่เกิดความเสียหายได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเพิ่มผลิตภาพได้สูงขึ้นกว่าวิธีการเชื่อมซ่อมในปัจจุบัน