継手準備の幾何学
溝溶接の幾何学
2つの金属片を完全浸透突き合い継手で一緒に溶接するには、エッジを準備する必要があります：ベベル加工：溶接金属が充填できるように溝を作成するために。
この溝の幾何学は、すべてを決定します：どのくらいの溶接金属が必要か、融合がどのくらい深く浸透するか、継手がどのくらい強いか、&ワークピースがどのくらい歪むか。
V溝突き合い継手の主要寸法：
- ベベル角：各プレートエッジに研磨された角度、通常は1側あたり30°～37.5°。
- 含有角：溝の合計角度（両方のベベルを合わせたもの）。30°ベベルを持つ対称V溝の場合、含有角は60°です。
- ルート開口：溝の底部にある2つのプレート間のギャップ、通常1～3mm。このギャップにより、アークが背面を貫通できます。
- ルートフェース：ベベルの底部に残された小さなフラットランディング、通常1～2mm。これにより、アークがギャップを吹き抜けるのを防ぎます。
溝プロファイル
V溝、J溝、U溝
V溝が最も単純です：各側の直線ベベルが根部で合致します。グラインダーまたはトーチで簡単に切断できます。しかし、広く開いたV字形は、特に厚いプレートでは、溝を充填するために大量の溶接金属を必要とします。
J溝は、直線ベベルを湾曲したプロファイルに置き換えます（断面では文字Jのような形）。曲線は、ルートアクセスを維持しながら溝の体積を減らします。1インチ以上の厚さのプレートで使用されます。
U溝は両側を湾曲させます（断面ではUのような）。必要な溶接金属が最も少ないですが、加工が最も難しいです。厚く、高価値の継手：圧力容器、原子力配管で使用されます。
シングルVとダブルV：薄いプレート（最大約3/4インチ）では、一方の側だけからベベル加工します：シングルV。厚いプレートでは、両側からベベル加工します：ダブルV（断面はXのように見えます）。ダブルVは、同じ厚さのシングルVの約半分の溶接金属を使用し、溶接熱を両側間でバランスさせ、歪みを減らします。
溶接体積は幾何学的にスケールします：V溝の場合、溝の断面積は大まかに三角形です。三角形の面積 = ½ × 底辺 × 高さ。プレートの厚さが2倍になると、底辺と高さの両方が2倍になるため、溶接体積は4倍になります。これが厚板溶接が高価な理由です：コストは線形ではなく幾何学的です。
溶接体積の計算
溶接工が2つの1インチ厚プレートのシングルV突き合い継手を準備しています。各プレートは1側あたり30°でベベル加工されています（60°含有角）。ルート開口は2mm（約0.08インチ）、&ルートフェースは2mm（0.08インチ）です。
継手は12インチ長です。
脚、スロート、三角形
フィレット溶接の幾何学
フィレット溶接は、2つの面を角度で結合します：最も一般的にはT継手またはラップ継手が90°です。フィレット溶接の断面はおおよそ直角三角形です。
主要寸法：
- 脚サイズ：基本金属に接する三角形の各側の長さ。標準的な等脚フィレットの場合、両方の脚は同じ長さです。
- スロート厚さ：根部（内角）から面（ハイポテヌーズ）までの垂直距離。等脚フィレット溶接の場合、スロート = 脚 × cos（45°）= 脚 × 0.707。
スロートは強度に関して重要です：それは溶接を通して最も薄い断面であり、それは荷重の下で失敗が発生するところです。
例：3/8インチフィレット溶接の理論的スロートは3/8 × 0.707 = 0.265インチです。
凸プロファイル対凹プロファイル
凸フィレット溶接は、フラットハイポテヌーズを超えて外側に膨らみます。より多くの溶接金属を有しています（より多くの材料）が、つま先（溶接が基本金属と合致するところ）での応力集中を作成します。これは、急激な幾何学的遷移による結果です。
凹フィレット溶接は内側に湾曲します。より少ない溶接金属を有しています（軽く、より安い）&つま先での幾何学的遷移をより滑らかに作成します：応力集中が少ないです。しかし、スロートは理論的計算より薄いため、溶接は弱い可能性があります。
理想的なプロファイルはフラットから軽度凸です：強度のためのスロートで十分ですが、疲労抵抗のためにつま先を滑らかにするために十分です。
スロート厚さと溶接強度
構造技師がT継手で最小スロート厚さ5mmのフィレット溶接を指定します。
熱的収縮と幾何学的歪み
なぜ溶接が歪みを引き起こすのか
溶接は1,500°C以上の温度で溶融金属を沈下させます。溶接が冷えると、それは収縮します：そしてその収縮は周囲の基本金属を引き、ワークピースをゆがめます。
歪みパターンは幾何学的で予測可能です：
- 縦方向の収縮：溶接ビードは冷えると、その長さに沿って短くなります。10フィートの溶接は長さが1～3mm収縮する可能性があります。
- 横方向の収縮：溶接は、継手全体で2つのプレートを一緒に引きます。V溝突き合い溶接は、元のフィットアップより2～5mm近いプレートを引く可能性があります。
- 角度の歪み：溶接の上部（V溝の広い部分）には、根部より多くの溶接金属があります。より多くの金属は、より多くの収縮を意味します。結果：プレートは溶接に向かって回転し、V字の歪みを作成します。歪みの角度は、溝幾何学とパス数に依存します。
予防戦略
すべての予防戦略は幾何学的です：
- バランスの取れた溶接シーケンス：ダブルV継手の両側の間のパスを交互に溶接して、収縮力を均等化します。
- 事前曲げ（事前設定）：溶接の前に、予想される角度歪みの反対方向のプレートを曲げます。溶接収縮後、プレートはフラットに引き込みます。
- バックステップ：左から右への連続したパスで溶接する代わりに、逆方向の短いセグメントで溶接します。これにより、熱がより均等に分散され、累積的な縦方向の収縮が減少します。
- 溶接シーケンス計画：複雑なアセンブリでは、（1つの端から他の端までではなく）中心から外側に溶接して、収縮が対称的に分布できるようにします。
歪みの予測と防止
製造業者は、垂直プレートを水平ベースプレートにフィレット溶接してT継手を作成しています。フィレット溶接は垂直プレートの両側に沿って実行されます：両面フィレット溶接。
一方の側を最初に完全に溶接してから他方の側を溶接すると、角度の歪みにより、ベースプレートは最初に溶接された側で上向きに弓形になります。
アークが打撃する前の幾何学的精度
フィットアップ：溶接前の幾何学
溶接の品質は、溶接工がアークを打つ前に大部分が決定されています。フィットアップは、溶接前の継手の幾何学的配置であり、厳しい許容差があります。
重要なフィットアップ寸法：
- ルート開口：継手のルートにある2つのピース間のギャップ。ほとんどのコード作業では±1mmが指定されています。狭すぎる：アークは背面を貫通できません。広すぎる：溶接金属は落ちます。
- 位置ずれ（hi-lo）：2つのプレートの面がフラッシュではないとき：1つは他方から垂直にオフセットされます。最大許容値：通常は1.5mmまたはプレート厚さの10%、どちらか小さいほう。
- 角度位置ずれ：2つのプレートが同じ平面にないとき：それらは意図した以外の角度で合致します。最大：ほとんどのコード作業で通常5°。
すべての欠陥に幾何学的署名がある
- 浸透不足：ルート開口が狭すぎます：アークが背面に到達できませんでした。幾何学的結果：根部の融解されていない金属、隠れたひび割れのような欠陥。
- 過度な補強：プレート表面上に堆積した過度な溶接金属。幾何学的結果：溶接キャップのつま先の応力ライザー。
- アンダーカット：溶接金属によって充填されていない溶接つま先の隣に基本金属に融けた溝。幾何学的結果：応力を集中させるノッチ：ガラスの傷のように、それはひびの開始点になります。
- 気孔：溶接金属に閉じ込められたガス泡。幾何学的結果：有効なスロート厚さを減らす球面ボイド。
幾何学的欠陥の診断
溶接検査官は、完成したV溝突き合い溶接を検査して、以下を発見します：
1。溶接補強キャップはプレート表面の上に5mmあります（最大許容値は3mmです）。
2。溶接つま先の左側に沿って1mm深い溝があります。
3。X線は、継手の根部で融解されていない金属の線を明らかにします。
溶接幾何学：サマリー
あなたが学んだこと
溶接は構造的な結果を伴う応用幾何学です：
- ベベル幾何学：V溝、J溝、U溝プロファイル。ベベル角、ルート開口、ルートフェース。溶接体積はプレート厚さの二乗に比例してスケールします：厚さを2倍にすると、必要な溶接金属が4倍になります。
- フィレット幾何学：スロート=脚×0.707。スロート：脚ではなく：溶接強度を決定します。これは、溶接を通す最小断面積なため。凸プロファイルは金属を追加しますが、つま先に応力を作成します。
- 歪み幾何学：縦方向の収縮、横方向の収縮、角度の歪み。すべての防止方法（事前曲げ、交互のシーケンス、バックステップ）は、不均衡な熱的収縮に対する幾何学的な対策です。
- フィットアップ許容差：ルート開口±1mm、ハイロ≤1.5mm、角度位置ずれ≤5°。すべての溶接欠陥には幾何学的署名があります：ノッチ、ボイド、融解されていない平面は応力を集中させます。
幾何学は正確です。なぜなら、それを間違った場合の結果は構造的な失敗です。1mmのアンダーカットまたは2mmの位置ずれは、数十年続く継手と、その最初の負荷サイクルの下で破裂する継手との違いになる可能性があります。