Геометрія підготовки з'єднання
Геометрія канавки зварного шва
Перш ніж два куски металу можна з'єднати з повним проплавленням в стиковому з'єднанні, краї повинні бути підготовані: скошені: щоб створити канавку, яку можна заповнити зварним металом.
Геометрія цієї канавки визначає все: скільки потрібно зварного металу, наскільки глибоко проникає плавлення, наскільки міцним буде з'єднання, & як сильно буде деформуватися заготівля.
Ключові розміри V-подібної канавки в стиковому з'єднанні:
- Кут скосу: Кут, який шліфується на кожному краї пластини, зазвичай 30° до 37,5° з кожної сторони.
- Включений кут: Загальний кут канавки (обидва скоси разом). Для симетричної V-подібної канавки зі скосами 30°, включений кут становить 60°.
- Кореневий зазор: Проміжок між двома пластинами в основі канавки, зазвичай 1-3 мм. Цей зазор дозволяє дузі проникнути через до зворотного боку.
- Кореневої поверхні: Невеликий плоский майданчик, залишений в основі скосу, зазвичай 1-2 мм. Це запобігає пробиванню дузи крізь зазор.
Профілі канавок
V-подібна канавка, J-подібна канавка, U-подібна канавка
V-подібна канавка є найпростішою: прямі скоси з кожної сторони, що сходяться у корені. Легко розрізати шліфувальною машиною або різаком. Але широко відкрита V-форма потребує багато зварного металу для заповнення: особливо на товстих пластинах.
J-подібна канавка замінює прямий скіс вигнутим профілем (за формою як буква J у перерізі). Крива зменшує об'єм канавки, зберігаючи доступ до кореня. Використовується на пластинах 1 дюйм & товще.
U-подібна канавка вигинає обидві сторони (як U у перерізі). Найменше потрібно зварного металу, але найскладніше виготовити. Використовується на товстих, високовартісних з'єднаннях: посудини під тиском, ядерні трубопроводи.
Односторонній V проти подвійного V: На тонких пластинах (до близько 3/4 дюйма) ви скошуєте тільки з однієї сторони: односторонній V. На товстіших пластинах ви скошуєте з обох сторін: подвійний V (переріз виглядає як X). Подвійний V використовує близько половини зварного металу односторонього V тієї ж товщини, & він балансує тепло зварювання між обома сторонами, зменшуючи деформацію.
Об'єм зварного металу масштабується геометрично: Для V-подібної канавки площа поперечного перерізу канавки приблизно трикутна. Площа трикутника = ½ × основа × висота. Коли товщина пластини подвоюється, основа та висота також подвоюються, тому об'єм зварного металу збільшується в чотири рази. Ось чому зварювання товстих пластин коштує дорого: вартість геометрична, не лінійна.
Розрахунок об'єму зварного металу
Зварник підготовлює односторонню V канавку на двох пластинах товщиною 1 дюйм. Кожна пластина скошена під кутом 30° з кожної сторони (включений кут 60°). Кореневий зазор становить 2 мм (близько 0,08 дюйма), & кореневої поверхні становить 2 мм (0,08 дюйма).
З'єднання має довжину 12 дюймів.
Катети, горло та трикутники
Геометрія кутового зварного шва
Кутовий зварний шов з'єднує дві поверхні під кутом: найчастіше T-з'єднання або нахлопане з'єднання під кутом 90°. Переріз кутового зварного шва приблизно прямокутний трикутник.
Ключові розміри:
- Розмір катета: Довжина кожної сторони трикутника, яка торкається основного металу. Для стандартного кутового зварного шва з рівними катетами обидва катета мають однакову довжину.
- Товщина горла: Перпендикулярна відстань від кореня (внутрішнього кута) до поверхні (гіпотенуза) зварного шва. Для кутового зварного шва з рівними катетами, горло = катет × cos(45°) = катет × 0,707.
Горло важливе для міцності: це найтонший переріз через зварний шов, & саме там відбувається розрив під навантаженням.
Приклад: Кутовий зварний шов 3/8 дюйма має теоретичне горло 3/8 × 0,707 = 0,265 дюйма.
Опуклі та увігнуті профілі
Опуклий кутовий зварний шов вибухає назовні за межи плоскої гіпотенузи. Він має більше зварного металу (більше матеріалу), але створює концентрацію напруг у носиках (де зварний шов торкається основного металу) через різку геометричну перехідну зону.
Увігнутий кутовий зварний шов вигинається всередину. Він має менше зварного металу (легше, дешевше) & створює плавнішу геометричну перехідну зону у носиках: менше концентрації напруг. Але горло тоньше за теоретичний розрахунок, тому зварний шов може бути слабшим.
Ідеальний профіль це плаский до злегка опуклого: достатньо горла для міцності, достатньо гладкі носики для опору втомі.
Товщина горла та міцність зварного шва
Інженер-конструктор вказує кутовий зварний шов з мінімальною товщиною горла 5 мм на T-з'єднанні.
Термічне скорочення та геометрична деформація
Чому зварювання викликає деформацію
Зварювання відкладає розплавлений метал при температурах вище 1500°С. Коли зварний шов охолоджується, він скорочується: & це скорочення тягне на оточуючий основний метал, викликаючи деформацію заготівлі.
Картини деформацій геометричні & прогнозовані:
- Поздовжнє скорочення: Валик зварного шва скорочується по його довжині під час охолодження. 10-футовий зварний шов може скоротитися на 1-3 мм у довжину.
- Поперечне скорочення: Зварний шов тягне дві пластини разом через з'єднання. V-подібна стикова канавка може тягнути пластини на 2-5 мм ближче, ніж початкова підготовка.
- Кутова деформація: Верхня частина зварного шва (широка частина V-подібної канавки) має більше зварного металу, ніж корінь. Більше металу означає більше скорочення на верхній стороні. Результат: пластини обертаються вгору до зварного шва, створюючи V-подібну деформацію. Кут деформації залежить від геометрії канавки & кількості проходів.
Стратегії запобігання
Кожна стратегія запобігання геометрична:
- Збалансована послідовність зварювання: Чергуйте проходи зварювання між обома сторонами подвійної V-канавки, щоб вирівняти сили скорочення.
- Попередній вигин (попередньо встановлення): Перш ніж зварювати, вигніть пластини в протилежну сторону від очікуваної кутової деформації. Після скорочення при зварюванні пластини тягнуть до рівного стану.
- Зворотний крок: Замість зварювання однієї безперервної проходу зліва направо, зварюйте короткі сегменти у зворотному напрямку. Це розподіляє тепло більш рівномірно & зменшує кумулятивне поздовжнє скорочення.
- Планування послідовності зварювання: На складних збірках зварюйте від центру назовні (а не від одного кінця до іншого), щоб дозволити скороченню розподіляти симетрично.
Прогнозування та запобігання деформаціям
Виробник виготовляє T-з'єднання шляхом зварювання вертикальної пластини до горизонтальної базової пластини кутовим зварним швом. Кутовий зварний шов проходить вздовж обох сторін вертикальної пластини: двостороннійй кутовий зварний шов.
Якщо вони спочатку повністю зварюють одну сторону, а потім іншу, базова пластина буде вигинатися вгору на першо-зварній стороні через кутову деформацію.
Геометрична точність перед запаленням дуги
Підготовка: геометрія перед зварюванням
Якість зварного шва в значній мірі визначається перед тим, як зварник запалює дугу. Підготовка це геометричне вирівнювання з'єднання перед зварюванням, & воно має жорсткі допуски.
Критичні розміри підготовки:
- Кореневий зазор: Проміжок між двома частинами у корені з'єднання. Вказано ±1 мм для більшості роботи за кодом. Занадто вузько: дуга не може проникнути. Занадто широко: зварний метал падає крізь.
- Неправильне вирівнювання (привет-привет): Коли поверхні двох пластин не вирівняні: одна має вертикальне зміщення від іншої. Максимально допустиме: зазвичай 1,5 мм або 10% товщини пластини, що менше.
- Кутове неправильне вирівнювання: Коли дві пластини не знаходяться в одній площині: вони зустрічаються під кутом, відмінним від передбачуваного. Максимум: зазвичай 5° для більшості роботи за кодом.
Кожна помилка має геометричну сигнатуру
- Відсутність проплавлення: Кореневий зазор занадто тісний: дуга не могла дісягнути задньої сторони. Геометричний результат: неплавлений метал у корені, прихована дефектність, схожа на тріщину.
- Надлишкове наплавлення: Занадто багато зварного металу накопичено над поверхнею пластини. Геометричний результат: місце концентрації напруг у носиках шапки зварного шва.
- Підрізання: Канавка, розплавлена в основному металі поруч з носиком зварного шва, не заповнена зварним металом. Геометричний результат: виріз, що концентрує напруги: як подряпина на склі, він стає початковою точкою для тріщин.
- Поривистість: Бульбашки газу, замкнені в зварному металі. Геометричний результат: сферичні порожнини, які зменшують ефективну товщину горла.
Діагностика геометричних дефектів
Інспектор зварювання обстежує завершений V-подібний стиковий зварний шов & знаходить наступне:
1. Шапка наплавлення зварного шва стоїть на 5 мм над поверхнею пластини (максимально допустиме це 3 мм).
2. Вздовж лівого носика зварного шва є канавка глибиною 1 мм.
3. Рентгенограма розкриває лінію неплавленого металу у корені з'єднання.
Геометрія зварювання: резюме
Що ви навчилися
Зварювання це застосована геометрія зі структурними наслідками:
- Геометрія скосу: V-подібна, J-подібна, U-подібна канавка профілі. Кут скосу, кореневий зазор, кореневої поверхні. Об'єм зварного металу масштабується як квадрат товщини пластини: подвоєння товщини збільшує потребу в зварному металі в чотири рази.
- Геометрія кутового зварного шва: Горло = катет × 0,707. Горло, а не катет, визначає міцність зварного шва, тому що це мінімальний переріз через зварний шов. Опуклі профілі додають метал, але створюють напруги у носиках.
- Геометрія деформації: Поздовжнє скорочення, поперечне скорочення, кутова деформація. Кожен метод запобігання (попередній вигин, чергування послідовності, зворотний крок) це геометричний контрзахід до незбалансованого теплового скорочення.
- Допуски на підготовку: Кореневий зазор ±1 мм, привет-привет ≤ 1,5 мм, кутове неправильне вирівнювання ≤ 5°. Кожен дефект зварного шва має геометричну сигнатуру: вирізи, порожнини & неплавлені площини концентрують напруги.
Геометрія точна, тому що наслідки помилки це геометричні структурної відмови. Підрізання 1 мм або неправильне вирівнювання 2 мм можуть бути різницею між з'єднанням, яке служить десятиліттями, & тим, яке тріскає під першим циклом навантаження.