接頭準備的幾何
溝槽銲接幾何
在兩塊金屬能夠在全滲透對接中銲接在一起之前，邊緣必須準備好：斜切以創建一個銲接金屬可以填充的溝槽。
這個溝槽的幾何決定了一切：需要多少銲接金屬、熔融滲透有多深、接頭有多強、以及工件會扭曲多少。
V形溝槽對接的關鍵尺寸：
- 斜面角度：研磨到每個板材邊緣的角度，通常每邊30°至37.5°。
- 包含角度：溝槽的總角度（兩個斜面合計）。對於具有30°斜面的對稱V形溝槽，包含角度為60°。
- 根部開口：兩個板材在溝槽底部之間的間隙，通常1-3毫米。此間隙允許電弧穿透到背面。
- 根面：在斜面底部留下的小平面著陸，通常1-2毫米。這防止電弧通過間隙吹來。
溝槽輪廓
V形溝槽、J形溝槽、U形溝槽
V形溝槽是最簡單的：每側的直斜面在根部相遇。易於用研磨機或火焰切割。但寬開的V形需要大量銲接金屬來填充：尤其是在厚板上。
J形溝槽用彎曲輪廓取代直斜面（在橫截面中看起來像字母J）。曲線減少了溝槽的體積，同時保持根部進入。用於厚度1英寸及以上的板材。
U形溝槽在兩側彎曲（在橫截面中看起來像U）。需要的銲接金屬最少，但最難加工。用於厚、高價值接頭：壓力容器、核管道。
單V與雙V：在薄板上（約3/4英寸以下），只從一側斜切：單V。在較厚的板上，從兩側都斜切：雙V（橫截面看起來像X）。雙V在相同厚度下使用約單V銲接金屬的一半，並在兩側之間平衡銲接熱量，減少變形。
銲接體積按幾何方式變化：對於V形溝槽，溝槽的橫截面積大致是三角形。三角形面積 = ½ × 底 × 高。當板厚度加倍時，底和高都加倍，因此銲接體積增加四倍。這就是為什麼厚板銲接很昂貴：成本是幾何的，而不是線性的。
計算銲接體積
焊工正在為兩塊1英寸厚的板材準備單V對接接頭。每個板材從每側斜切30°（60°包含角度）。根部開口為2毫米（約0.08英寸），根面為2毫米（0.08英寸）。
接頭長度為12英寸。
腿部、喉部與三角形
滾角銲接幾何
滾角銲接在角度連接兩個表面：最常見是T形接頭或在90°時重疊接頭。滾角銲接橫截面大約是直角三角形。
關鍵尺寸：
- 腿部尺寸：三角形的每一側接觸基礎金屬的長度。對於標準等腿滾角銲接，兩條腿長度相同。
- 喉部厚度：從根部（內角）到表面（銲接斜邊）的垂直距離。對於等腿滾角銲接，喉部 = 腿部 × cos(45°) = 腿部 × 0.707。
喉部是強度的重要因素：這是銲接中最薄的橫截面，在負荷下失敗就發生在這裡。
例子：3/8英寸的滾角銲接的理論喉部為3/8 × 0.707 = 0.265英寸。
凸面與凹面輪廓
凸面滾角銲接向外突出，超過平面斜邊。它有更多銲接金屬（更多材料），但在腳趾處（銲接與基礎金屬相遇的位置）產生應力集中，因為幾何過渡突然。
凹面滾角銲接向內彎曲。它的銲接金屬較少（更輕、更便宜），並在腳趾處產生更平滑的幾何過渡：應力集中較少。但喉部比理論計算更薄，所以銲接可能更弱。
理想輪廓是平坦至略微凸面：喉部足夠強，腳趾平滑以獲得疲勞抵抗。
喉部厚度與銲接強度
結構工程師在T形接頭上指定了一個最少喉部厚度為5毫米的滾角銲接。
熱收縮與幾何變形
為什麼銲接導致變形
銲接在1500°C以上的溫度下沉積熔融金屬。當銲接冷卻時，它收縮：這種收縮拉動周圍的基礎金屬，導致工件翹曲。
變形模式是幾何的且可預測的：
- 縱向收縮：銲接珠沿其長度縮短。10英尺的銲接可能在長度上收縮1-3毫米。
- 橫向收縮：銲接拉動兩個板材更靠近接頭處。V形溝槽對接銲接可能拉動板材比原始組裝公差更靠近2-5毫米。
- 角變形：銲接的頂部（V形溝槽的寬部分）的銲接金屬比根部多。更多金屬意味著更多在頂端收縮。結果：板材向上旋轉朝向銲接，創建V形變形。變形角度取決於溝槽幾何和通路數量。
預防策略
每個預防策略都是幾何的：
- 平衡銲接序列：在雙V接頭的兩側之間交替銲接通路以均衡收縮力。
- 預彎曲（預設）：在銲接前，將板材彎曲到預期角變形的相反方向。在銲接收縮後，板材拉回平坦。
- 反向步進：不是從左到右一個連續通路銲接，而是在相反方向銲接短段。這更均勻地分佈熱量並減少累積縱向收縮。
- 銲接序列規劃：在複雜組裝上，從中心向外銲接（不是從一端到另一端），允許收縮對稱分佈。
預測與防止變形
製造商正在製作T形接頭，通過滾角銲接垂直板材連接到水平基板。滾角銲接沿著垂直板材的兩側進行：雙邊滾角銲接。
如果他們首先完全銲接一側，然後銲接另一側，基板會由於角變形在首先銲接的一側向上彎曲。
電弧罷工前的幾何精度
組裝：銲接前的幾何
銲接的品質在很大程度上是在銲工罷工電弧之前決定的。組裝是銲接前接頭的幾何對齊，有嚴格的公差。
關鍵組裝尺寸：
- 根部開口：接頭根部兩個零件之間的間隙。對於大多數代碼工作指定為±1毫米。太窄：電弧無法穿透。太寬：銲接金屬掉落。
- 誤對齊（高低）：當兩個板材的表面不齊平時：一個在另一個上垂直偏移。最大允許值：通常1.5毫米或板厚的10%，以較小者為準。
- 角誤對齐：當兩個板材不在同一平面中時：它們以不同於預期的角度相遇。最大值：對於大多數代碼工作通常5°。
每個缺陷都有幾何簽名
- 滲透不足：根部開口太緊：電弧無法到達背面。幾何結果：根部未融合金屬，一個隱藏的裂紋般的缺陷。
- 過度強化：板材表面上方積累了太多銲接金屬。幾何結果：銲接蓋腳趾處的應力增高點。
- 刻劃：在銲接腳趾旁邊融化成基礎金屬的溝槽，未被銲接金屬填充。幾何結果：一個集中應力的凹口：像玻璃上的划痕，它成為裂紋的起點。
- 孔隙率：氣泡在銲接金屬中被困。幾何結果：球形空隙減少通過銲接的有效喉部厚度。
診斷幾何缺陷
銲接檢驗員檢查已完成的V形溝槽對接銲接，發現以下情況：
1.銲接強化蓋距板材表面5毫米（最大允許值為3毫米）。
2.沿著銲接左腳趾有1毫米深的溝槽。
3. X光揭示接頭根部的未融合金屬線。
銲接幾何：摘要
你學到的東西
銲接是具有結構後果的應用幾何：
- 斜面幾何：V形溝槽、J形溝槽、U形溝槽輪廓。斜面角度、根部開口、根面。銲接體積按板厚的平方縮放：加倍厚度使銲接金屬需求增加四倍。
- 滾角幾何：喉部 = 腿部 × 0.707。喉部而不是腿部決定銲接強度，因為它是銲接中的最小橫截面。凸面輪廓添加金屬，但在腳趾處產生應力。
- 變形幾何：縱向收縮、橫向收縮、角變形。每個預防方法（預彎曲、交替序列、反向步進）都是對不平衡熱收縮的幾何對抗措施。
- 組裝公差：根部開口±1毫米、高低≤1.5毫米、角誤對齐≤5°。每個銲接缺陷都有幾何簽名：刻劃、空隙和未融合平面集中應力。
幾何是精確的，因為出錯的後果是結構失敗。1毫米刻劃或2毫米誤對齊可能是持續數十年的接頭與在首次負荷循環下開裂的接頭之間的區別。