Hình học Chuẩn bị Kết nối
Hình học Hàn Rãnh
Trước khi hai miếng kim loại có thể được hàn lại với nhau trong một mối kết nối đầu hoàn toàn, các cạnh phải được chuẩn bị: xiết góc: để tạo ra một rãnh mà chất hàn có thể lấp đầy.
Hình học của rãnh này xác định tất cả mọi thứ: bao nhiêu chất hàn là cần thiết, độ sâu của thấm hợp nhất, cường độ của kết nối là bao nhiêu, & biến dạng của công việc sẽ như thế nào.
Kích thước chính của mối kết nối rãnh hình V:
- Góc xiết: Góc được mài vào mỗi cạnh tấm, thường từ 30° đến 37,5° mỗi bên.
- Góc bao gồm: Tổng góc của rãnh (cả hai xiết kết hợp). Đối với một rãnh hình V đối xứng với xiết 30°, góc bao gồm là 60°.
- Khoảng mở gốc: Khoảng cách giữa hai tấm ở dưới cùng của rãnh, thường từ 1-3 mm. Khoảng cách này cho phép vòng cung xuyên thủng sang phía sau.
- Mặt gốc: Một mặt phẳng nhỏ được để lại ở dưới cùng của xiết, thường từ 1-2 mm. Điều này ngăn chặn vòng cung thổi qua khoảng cách.
Hồ sơ Rãnh
Rãnh hình V, Rãnh hình J, Rãnh hình U
Rãnh hình V là đơn giản nhất: xiết thẳng trên mỗi bên gặp nhau ở gốc. Dễ dàng cắt với máy mài hoặc đuốc. Nhưng hình dạng V rộng mở yêu cầu rất nhiều chất hàn để lấp đầy: đặc biệt là trên các tấm dày.
Rãnh hình J thay thế xiết thẳng bằng hồ sơ cong (có hình dạng như chữ J theo mặt cắt ngang). Đường cong làm giảm thể tích rãnh đồng thời duy trì tiếp cận gốc. Được sử dụng trên các tấm 1 inch & dày hơn.
Rãnh hình U cong cả hai bên (giống như U theo mặt cắt ngang). Ít chất hàn cần thiết nhất, nhưng khó gia công nhất. Được sử dụng trên các mối dày, giá trị cao: bình chứa áp suất, đường ống hạt nhân.
Xiết đơn V so với Xiết kép V: Trên các tấm mỏng (tối đa khoảng 3/4 inch), bạn chỉ xiết từ một bên: một xiết đơn V. Trên các tấm dày hơn, bạn xiết từ cả hai bên: một xiết kép V (mặt cắt ngang trông giống như X). Xiết kép V sử dụng khoảng một nửa chất hàn của xiết đơn V ở cùng độ dày, và nó cân bằng nhiệt hàn giữa cả hai bên, giảm biến dạng.
Thể tích hàn tỷ lệ với hình học: Đối với rãnh hình V, diện tích mặt cắt ngang của rãnh là khoảng một hình tam giác. Diện tích tam giác = ½ × cơ sở × chiều cao. Khi độ dày tấm tăng gấp đôi, cả cơ sở và chiều cao đều tăng gấp đôi, vì vậy thể tích hàn tăng gấp bốn lần. Đây là lý do tại sao hàn tấm dày đắt tiền: chi phí là hình học, không phải tuyến tính.
Tính toán Thể tích Hàn
Một thợ hàn đang chuẩn bị một mối kết nối đầu xiết đơn V trên hai tấm dày 1 inch. Mỗi tấm được xiết ở 30° mỗi bên (góc bao gồm 60°). Khoảng mở gốc là 2 mm (khoảng 0,08 inch), & mặt gốc là 2 mm (0,08 inch).
Mối kết nối dài 12 inch.
Cạnh, Cổ và Tam giác
Hình học Hàn Chân
Một hàn chân kết nối hai bề mặt ở một góc: thường là một mối T hoặc mối lap ở 90°. Mặt cắt ngang của hàn chân là khoảng một tam giác vuông.
Kích thước chính:
- Kích thước cạnh: Độ dài của mỗi bên của tam giác tiếp xúc với kim loại cơ sở. Đối với hàn chân cạnh bằng nhau tiêu chuẩn, cả hai cạnh có cùng độ dài.
- Chiều dày cổ: Khoảng cách vuông góc từ gốc (góc trong) đến mặt (cạnh huyền) của hàn. Đối với hàn chân cạnh bằng nhau, cổ = cạnh × cos(45°) = cạnh × 0,707.
Cổ là điều quan trọng đối với sức mạnh: nó là mặt cắt ngang mỏng nhất qua hàn, và đó là nơi xảy ra sự cố trong tải.
Ví dụ: Một hàn chân 3/8 inch có cổ lý thuyết là 3/8 × 0,707 = 0,265 inch.
Hồ sơ Lồi vs. Lõm
Một hàn chân lồi phồng ra ngoài hơn cạnh huyền phẳng. Nó có nhiều chất hàn hơn (nhiều vật liệu hơn) nhưng tạo ra tập trung ứng suất ở các ngón chân (nơi hàn gặp kim loại cơ sở) do quá trình chuyển tiếp hình học đột ngột.
Một hàn chân lõm cong vào trong. Nó có ít chất hàn hơn (nhẹ hơn, rẻ hơn) và tạo ra quá trình chuyển tiếp hình học mịn hơn ở các ngón chân: ít tập trung ứng suất hơn. Nhưng cổ mỏng hơn tính toán lý thuyết, vì vậy hàn có thể yếu hơn.
Hồ sơ lý tưởng là phẳng đến hơi lồi: đủ cổ để có sức mạnh, các ngón chân mịn đủ để chống lại độ mỏi.
Chiều dày Cổ và Sức mạnh Hàn
Một kỹ sư kết cấu chỉ định một hàn chân có chiều dày cổ tối thiểu 5 mm trên mối T.
Thu hẹp Nhiệt độ và Biến dạng Hình học
Tại sao Hàn gây Biến dạng
Hàn lắng đặt kim loại nóng chảy ở nhiệt độ trên 1.500°C. Khi hàn lạnh, nó co lại: và sự co lại đó kéo lên kim loại cơ sở xung quanh, gây ra công việc bị uốn.
Các mẫu biến dạng là hình học & dự đoán được:
- Thu hẹp dọc: Hạt hàn ngắn lại theo chiều dài khi nó lạnh. Một hàn 10 foot có thể co lại 1-3 mm về chiều dài.
- Thu hẹp ngang: Hàn kéo hai tấm lại gần nhau qua mối kết nối. Một hàn butt rãnh hình V có thể kéo các tấm 2-5 mm gần hơn so với lắp ráp ban đầu.
- Biến dạng góc: Phía trên của hàn (phần rộng của rãnh hình V) có nhiều chất hàn hơn so với gốc. Nhiều kim loại hơn có nghĩa là co lại nhiều hơn ở phía trên. Kết quả: các tấm xoay lên về phía hàn, tạo ra biến dạng hình V. Góc biến dạng phụ thuộc vào hình học rãnh & số lượng đường qua.
Chiến lược Phòng chống
Mọi chiến lược phòng chống đều là hình học:
- Trình tự hàn cân bằng: Luân phiên các lượt hàn giữa cả hai bên của mối kết nối rãnh kép để cân bằng lực co.
- Uốn trước (cài đặt trước): Trước khi hàn, uốn các tấm theo hướng ngược lại của biến dạng góc dự kiến. Sau khi co lại hàn, các tấm kéo phẳng.
- Bước lùi: Thay vì hàn trong một lượt liên tục từ trái sang phải, hàn các đoạn ngắn theo hướng ngược lại. Điều này phân phối nhiệt đều hơn & giảm co lại dọc tích lũy.
- Lập kế hoạch trình tự hàn: Trên các hộp phức tạp, hàn từ trung tâm ra ngoài (không phải từ một đầu sang đầu kia) để cho phép co lại phân bố đối xứng.
Dự đoán và Ngăn chặn Biến dạng
Một nhà sản xuất đang tạo một mối T bằng cách hàn chân một tấm dọc lên một tấm cơ sở nằm ngang. Hàn chân chạy dọc theo cả hai bên của tấm dọc: một hàn chân hai bên.
Nếu họ hàn một bên hoàn toàn trước & sau đó bên kia, tấm cơ sở sẽ cong lên ở phía được hàn trước do biến dạng góc.
Độ chính xác Hình học Trước khi Cung cấp
Lắp ráp: Hình học Trước khi Hàn
Chất lượng của hàn phần lớn được xác định trước khi thợ hàn tạo ra một cung. Lắp ráp là căn chỉnh hình học của mối kết nối trước khi hàn, & nó có dung sai chặt chẽ.
Kích thước lắp ráp quan trọng:
- Khoảng mở gốc: Khoảng cách giữa hai mảnh ở gốc của mối kết nối. Được chỉ định ±1 mm cho hầu hết công việc mã. Quá hẹp: vòng cung không thể xuyên thủng qua. Quá rộng: chất hàn rơi qua.
- Sai hàng (hi-lo): Khi các bề mặt của hai tấm không bằng nhau: một bị lệch dọc theo chiều dọc so với cái kia. Cho phép tối đa: thường là 1,5 mm hoặc 10% độ dày tấm, cái nào ít hơn.
- Sai hàng góc: Khi hai tấm không cùng mặt phẳng: chúng gặp nhau ở một góc khác so với dự định. Tối đa: thường là 5° cho hầu hết công việc mã.
Mọi Lỗi đều có Chữ ký Hình học
- Thiếu thấm: Khoảng mở gốc quá chặt: vòng cung không thể tiếp cận phía sau. Kết quả hình học: kim loại chưa hàn ở gốc, một lỗi giống như nứt ẩn.
- Gia cường quá mức: Quá nhiều chất hàn được tích tụ phía trên bề mặt tấm. Kết quả hình học: một điểm tập trung ứng suất ở các ngón chân của nắp hàn.
- Cắt dưới: Một rãnh được nóng chảy vào kim loại cơ sở bên cạnh ngón chân hàn, không được lấp đầy bằng chất hàn. Kết quả hình học: một vết cắt tập trung ứng suất: giống như một vết xước trên kính, nó trở thành điểm bắt đầu cho các nứt.
- Lỗ hổng: Bong bóng khí bị kẹt trong chất hàn. Kết quả hình học: các không gian hình cầu giảm chiều dày cổ có hiệu lực.
Chẩn đoán Lỗi Hình học
Một thanh tra hàn kiểm tra một hàn butt rãnh hình V hoàn thành & phát hiện những điều sau:
1. Nắp gia cường hàn cao 5 mm phía trên bề mặt tấm (tối đa cho phép là 3 mm).
2. Có một rãnh sâu 1 mm dọc theo ngón chân trái của hàn.
3. X-ray tiết lộ một đường kim loại chưa hàn ở gốc của mối kết nối.
Hình học Hàn: Tóm tắt
Những gì Bạn đã Học
Hàn là hình học ứng dụng có hậu quả kết cấu:
- Hình học xiết: Hồ sơ rãnh hình V, rãnh hình J, rãnh hình U. Góc xiết, khoảng mở gốc, mặt gốc. Thể tích hàn tỷ lệ với bình phương độ dày tấm: tăng gấp đôi độ dày làm tăng gấp bốn lần chất hàn cần thiết.
- Hình học chân: Cổ = cạnh × 0,707. Cổ, không phải cạnh, xác định sức mạnh hàn vì nó là mặt cắt ngang tối thiểu qua hàn. Hồ sơ lồi thêm kim loại nhưng tạo ứng suất ở các ngón chân.
- Hình học biến dạng: Thu hẹp dọc, thu hẹp ngang, biến dạng góc. Mọi phương pháp phòng chống (uốn trước, trình tự luân phiên, bước lùi) đều là biện pháp đối phó hình học với co lại nhiệt độ không cân bằng.
- Dung sai lắp ráp: Khoảng mở gốc ±1 mm, hi-lo ≤ 1,5 mm, sai hàng góc ≤ 5°. Mọi lỗi hàn đều có chữ ký hình học: vết cắt, khoảng trống và các mặt phẳng chưa hàn tập trung ứng suất.
Hình học là chính xác vì hậu quả của việc làm sai là sự cố kết cấu. Một vết cắt dưới 1 mm hoặc sai hàng 2 mm có thể là sự khác biệt giữa một mối kết nối kéo dài hàng thập kỷ và một mối kết nối bị nứt dưới chu kỳ tải đầu tiên của nó.