조인트 준비의 기하학
그루브 용접 기하학
두 금속 조각을 완전 관통 부딩 조인트로 용접하기 전에, 모서리를 준비해야 합니다: 베벨: 용접 금속이 채울 수 있는 그루브를 만들기 위해.
이 그루브의 기하학은 모든 것을 결정합니다: 필요한 용접 금속의 양, 융합이 어느 정도 깊이까지 침투하는지, 조인트가 얼마나 강한지, & 워크피스가 얼마나 왜곡되는지.
V-그루브 부딩 조인트의 주요 치수:
- 베벨 각도: 각 플레이트 모서리에 그라인드된 각도, 일반적으로 한쪽에 30° ~ 37.5°.
- 포함 각도: 그루브의 전체 각도(두 베벨 합침). 대칭 V-그루브에 한쪽에 30° 베벨이 있으면, 포함 각도는 60°입니다.
- 루트 개구부: 그루브 바닥에서 두 플레이트 사이의 간격, 일반적으로 1-3 mm. 이 간격을 통해 아크가 뒤쪽까지 관통할 수 있습니다.
- 루트 페이스: 베벨의 바닥에 남겨진 작은 평면 착지면, 일반적으로 1-2 mm. 이것은 아크가 간격을 통해 날아가는 것을 방지합니다.
그루브 프로파일
V-그루브, J-그루브, U-그루브
V-그루브는 가장 간단합니다: 루트에서 만나는 각 쪽의 직선 베벨. 그라인더나 토치로 자르기 쉽습니다. 하지만 넓게 열린 V 모양은 그루브를 채우는 데 많은 용접 금속이 필요합니다: 특히 두꺼운 플레이트에서.
J-그루브는 직선 베벨을 곡선 프로파일로 교체합니다(단면에서 문자 J 모양). 곡선은 루트 접근성을 유지하면서 그루브의 부피를 줄입니다. 1인치 이상의 플레이트에 사용됩니다.
U-그루브는 양쪽을 모두 곡선 처리합니다(단면에서 U 모양). 필요한 용접 금속이 가장 적지만, 기계 가공이 가장 어렵습니다. 두꺼운 고가치 조인트에 사용됩니다: 압력 용기, 핵 배관.
단일-V vs. 이중-V: 얇은 플레이트(약 3/4인치까지)에서는 한쪽에서만 베벨을 합니다: 단일-V. 더 두꺼운 플레이트에서는 양쪽에서 베벨을 합니다: 이중-V(단면은 X 모양처럼 보입니다). 이중-V는 같은 두께의 단일-V 용접 금속의 약 절반을 사용하고, 양쪽 간에 용접 열을 균형있게 분산시켜 왜곡을 줄입니다.
용접 부피는 기하학적으로 확장됩니다: V-그루브의 경우, 그루브의 단면 영역은 대략 삼각형입니다. 삼각형의 면적 = ½ × 밑변 × 높이. 플레이트 두께가 2배 증가하면, 밑변과 높이 모두 2배 증가하므로 용접 부피는 4배 증가합니다. 이것이 두꺼운 플레이트 용접이 비싼 이유입니다: 비용은 기하학적이지, 선형적이 아닙니다.
용접 부피 계산
한 용접공이 두 1인치 두꺼운 플레이트에 단일-V 부딩 조인트를 준비하고 있습니다. 각 플레이트는 한쪽에 30°로 베벨 처리됩니다(60° 포함 각도). 루트 개구부는 2 mm(약 0.08인치)이고, & 루트 페이스는 2 mm(0.08인치)입니다.
조인트는 12인치 길이입니다.
레그, 스로트 및 삼각형
필렛 용접 기하학
필렛 용접은 각도로 두 표면을 연결합니다: 가장 일반적으로 T-조인트 또는 90°의 래핑 조인트. 필렛 용접 단면은 대략 직각삼각형입니다.
주요 치수:
- 레그 크기: 베이스 금속에 닿는 삼각형의 각 변의 길이. 표준 등-레그 필렛의 경우 두 레그가 같은 길이입니다.
- 스로트 두께: 루트(내부 모서리)에서 페이스(용접 외면, 빗변)까지의 수직 거리. 등-레그 필렛 용접의 경우, 스로트 = 레그 × cos(45°) = 레그 × 0.707.
스로트는 강도에 중요합니다: 부하를 받을 때 고장이 발생하는 용접을 통한 가장 얇은 단면입니다.
예시: 3/8인치 필렛 용접의 이론적 스로트는 3/8 × 0.707 = 0.265인치입니다.
볼록 vs. 오목 프로파일
볼록 필렛 용접은 평면 빗변 너머로 팽창합니다. 더 많은 용접 금속(더 많은 재료)이 있지만 용접이 베이스 금속과 만나는 곳(용접 발가락)에서 응력 집중을 만듭니다.
오목 필렛 용접은 안쪽으로 곡선입니다. 용접 금속이 적습니다(더 가볍고, 더 저렴) & 용접 발가락에서 더 부드러운 기하학적 전환을 만듭니다: 응력 집중이 적습니다. 하지만 스로트는 이론적 계산보다 얇으므로 용접이 약할 수 있습니다.
이상적인 프로파일은 평면에서 약간 볼록: 강도를 위한 충분한 스로트, 피로 저항을 위한 충분히 부드러운 발가락.
스로트 두께와 용접 강도
구조 엔지니어는 T-조인트에서 최소 스로트 두께 5 mm의 필렛 용접을 지정합니다.
열 수축 및 기하학적 왜곡
용접이 왜곡을 일으키는 이유
용접은 1,500°C 이상의 온도에서 녹은 금속을 장착합니다. 용접이 식으면서 수축합니다: & 그 수축은 주변 베이스 금속을 당기며, 워크피스가 휘게 합니다.
왜곡 패턴은 기하학적이고 예측 가능합니다:
- 종방향 수축: 용접 비드가 냉각되면서 길이를 따라 단축됩니다. 10피트 용접은 길이에서 1-3 mm 수축할 수 있습니다.
- 횡방향 수축: 용접은 두 플레이트를 조인트 전체에 당깁니다. V-그루브 부딩 용접은 플레이트를 원래 맞춤보다 2-5 mm 더 가깝게 당길 수 있습니다.
- 각도 왜곡: 용접의 상단(V-그루브의 넓은 부분)은 루트보다 더 많은 용접 금속을 가집니다. 더 많은 금속은 더 많은 수축을 의미합니다. 결과: 플레이트가 용접 방향으로 위로 회전하여 V자 모양의 변형을 만듭니다. 왜곡의 각도는 그루브 기하학 & 통과의 수에 따라 다릅니다.
예방 전략
모든 예방 전략은 기하학적입니다:
- 균형 용접 시퀀스: 이중-V 조인트의 양쪽 사이에 용접 통과를 번갈아 가며 수축 힘을 균등하게 합니다.
- 사전-굽힘(사전-설정): 용접 전에, 예상되는 각도 왜곡의 반대 방향으로 플레이트를 굽힙니다. 용접 수축 후, 플레이트가 평평하게 당겨집니다.
- 역-단계(Back-stepping): 좌측에서 우측으로 한 번의 연속 통과에서 용접하는 대신, 역 방향의 짧은 세그먼트를 용접합니다. 이것은 열을 더 균등하게 분산시키고 누적 종방향 수축을 줄입니다.
- 용접 시퀀스 계획: 복잡한 조립에서, 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝이 아니라 중심에서 바깥쪽으로 용접합니다. 이것은 수축이 대칭적으로 분산되도록 합니다.
왜곡 예측 및 방지
한 제조업체가 수평 베이스 플레이트에 수직 플레이트를 필렛 용접하여 T-조인트를 만들고 있습니다. 필렛 용접은 수직 플레이트의 양쪽을 따라 실행됩니다: 양측 필렛 용접.
한쪽을 완전히 먼저 용접하고 다른 쪽을 용접하면, 첫 용접된 쪽의 각도 왜곡으로 인해 베이스 플레이트가 위로 휠 것입니다.
아크가 울리기 전의 기하학적 정밀도
맞춤: 용접 전의 기하학
용접의 품질은 대부분 용접공이 아크를 울리기 전에 결정됩니다. 맞춤은 용접 전 조인트의 기하학적 정렬이고, 공차가 있습니다.
중요한 맞춤 치수:
- 루트 개구부: 조인트의 루트에서 두 조각 사이의 간격. 대부분의 코드 작업에 대해 ±1 mm로 지정됩니다. 너무 좁습니다: 아크가 뒤쪽을 관통할 수 없습니다. 너무 넓습니다: 용접 금속이 떨어집니다.
- 정렬 오류(hi-lo): 두 플레이트의 표면이 플러시되지 않을 때: 하나는 다른 하나에서 수직으로 오프셋됩니다. 최대 허용: 일반적으로 1.5 mm 또는 플레이트 두께의 10%, 중 작은 것.
- 각도 정렬 오류: 두 플레이트가 같은 평면에 있지 않을 때: 의도한 것 이외의 각도로 만납니다. 최대: 대부분의 코드 작업의 경우 일반적으로 5°.
모든 결함에는 기하학적 서명이 있습니다
- 관통 부족: 루트 개구부가 너무 좁습니다: 아크가 뒤쪽에 도달할 수 없습니다. 기하학적 결과: 루트에서의 용접되지 않은 금속, 숨겨진 균열 같은 결함.
- 과도한 보강: 플레이트 표면 위에 축적된 너무 많은 용접 금속. 기하학적 결과: 용접 캡의 발가락에서의 응력 상승기.
- 언더컷: 용접 발가락 옆의 베이스 금속으로 용접된 홈, 용접 금속으로 채워지지 않습니다. 기하학적 결과: 응력을 집중시키는 노치: 유리의 긁힘처럼, 균열의 시작점이 됩니다.
- 다공성: 용접 금속에 갇힌 가스 거품. 기하학적 결과: 유효 스로트 두께를 줄이는 구형 공극.
기하학적 결함 진단
한 용접 검사자는 완성된 V-그루브 부딩 용접을 검토하고 다음을 발견합니다:
1. 용접 보강 캡이 플레이트 표면 위에 5 mm(최대 허용은 3 mm)입니다.
2. 용접의 좌측 발가락을 따라 1 mm 깊은 홈이 있습니다.
3. X-레이는 조인트의 루트에서의 용접되지 않은 금속의 선을 드러냅니다.
용접 기하학: 요약
배운 내용
용접은 구조적 결과를 가진 응용 기하학입니다:
- 베벨 기하학: V-그루브, J-그루브, U-그루브 프로파일. 베벨 각도, 루트 개구부, 루트 페이스. 용접 부피는 플레이트 두께의 제곱으로 확장됩니다: 두께를 2배로 하면 필요한 용접 금속이 4배가 됩니다.
- 필렛 기하학: 스로트 = 레그 × 0.707. 스로트는 레그이 아니라, 용접 강도를 결정합니다. 왜냐하면 그것이 용접을 통한 최소 단면이기 때문입니다. 볼록 프로파일은 금속을 더하지만 발가락에서 응력을 만듭니다.
- 왜곡 기하학: 종방향 수축, 횡방향 수축, 각도 왜곡. 모든 예방 방법(사전-굽힘, 번갈아 시퀀스, 역-단계)은 불균형 열 수축에 대한 기하학적 대응책입니다.
- 맞춤 공차: 루트 개구부 ±1 mm, hi-lo ≤ 1.5 mm, 각도 정렬 오류 ≤ 5°. 모든 용접 결함에는 기하학적 서명이 있습니다: 노치, 공극 및 용접되지 않은 평면은 응력을 집중시킵니다.
기하학은 정확합니다. 왜냐하면 그것을 잘못 얻을 결과는 구조적 고장이기 때문입니다. 1 mm 언더컷 또는 2 mm 정렬 오류는 10년을 지속하는 조인트와 첫 번째 하중 사이클 아래에서 균열되는 조인트의 차이가 될 수 있습니다.