接头准备的几何形状
沟槽焊缝几何形状
在两块金属可以通过完全熔透对接连接焊接之前，必须对边缘进行准备：坡口切割：以创建焊缝金属可以填充的沟槽。
这个沟槽的几何形状决定了一切：需要多少焊缝金属、熔化深度有多深、接头的强度有多大，以及工件会翘变多少。
V形沟槽对接接头的关键尺寸：
- 坡口角度：磨入每个板材边缘的角度，通常为每侧 30° 至 37.5°。
- 包含角度：沟槽的总角度（两个坡口合并）。对于对称 V 形沟槽，坡口为 30°，包含角度为 60°。
- 根部间隙：两块板材在沟槽底部之间的间隙，通常为 1-3 毫米。这个间隙允许电弧穿透到背面。
- 根面：在坡口底部留下的小平面，通常为 1-2 毫米。这可以防止电弧吹透间隙。
沟槽轮廓
V形沟槽、J形沟槽、U形沟槽
V形沟槽最简单：直坡口在每一侧相遇在根部。用磨机或火焰切割很容易。但是开放式 V 形需要大量焊缝金属来填充：特别是在厚板材上。
J形沟槽用弯曲的轮廓（在横截面上形状像字母 J）替换直坡口。曲线减少了沟槽的体积，同时保持根部的可达性。用于厚度为 1 英寸及以上的板材。
U形沟槽对两侧进行弯曲（如横截面上的 U）。所需的焊缝金属最少，但机械加工最困难。用于厚的、高价值的接头：压力容器、核管道。
单侧 V 形与双侧 V 形：在薄板材上（最高约 3/4 英寸），仅从一侧坡口：单侧 V 形。在厚板材上，从两侧坡口：双侧 V 形（横截面看起来像 X）。双侧 V 形使用约单侧 V 形一半的焊缝金属在同样的厚度下，它在两侧平衡焊接热量，减少翘变。
焊缝体积按几何尺度增加：对于 V 形沟槽，沟槽的横截面积大约是一个三角形。三角形面积 = ½ × 底 × 高。当板厚度翻倍时，底和高都翻倍，所以焊缝体积增加四倍。这就是为什么厚板焊接很昂贵：成本是几何的，不是线性的。
计算焊缝体积
一位焊工正在两块 1 英寸厚的板材上准备单侧 V 形对接接头。每块板材每侧坡口为 30°（60° 包含角度）。根部间隙为 2 毫米（约 0.08 英寸），根面为 2 毫米（0.08 英寸）。
接头长 12 英寸。
腿部、喉部和三角形
填角焊缝几何形状
填角焊缝连接两个成角度的表面：最常见的是 T 接头或 90° 的搭接接头。填角焊缝的横截面大约是一个直角三角形。
关键尺寸：
- 腿部尺寸：三角形的每一侧接触基础金属的长度。对于标准的等腿填角焊缝，两条腿的长度相同。
- 喉部厚度：从根部（内角）到面部（焊缝斜边）的垂直距离。对于等腿填角焊缝，喉部 = 腿 × cos(45°) = 腿 × 0.707。
喉部是强度的关键：它是通过焊缝的最薄横截面，这是在负载下失效的地方。
示例：3/8 英寸填角焊缝的理论喉部为 3/8 × 0.707 = 0.265 英寸。
凸面与凹面轮廓
凸面填角焊缝向外隆起，超过了平的斜边。它的焊缝金属更多（更多材料），但由于几何形状在焊趾处的突然过渡（焊缝与基础金属相遇的地方），会产生应力集中。
凹面填角焊缝向内弯曲。它的焊缝金属更少（更轻、更便宜），在焊趾处产生更平滑的几何过渡：应力集中更少。但喉部比理论计算更薄，所以焊缝可能更弱。
理想的轮廓是平坦到略微凸起：足够的喉部以获得强度，光滑的焊趾以获得疲劳抵抗力。
喉部厚度和焊缝强度
一位结构工程师在 T 接头上规定了一条填角焊缝，其最小喉部厚度为 5 毫米。
热收缩和几何翘变
为什么焊接会导致翘变
焊接在超过 1,500°C 的温度下沉积熔融金属。当焊缝冷却时，它收缩：这种收缩拉扯周围的基础金属，导致工件翘曲。
翘变的模式是几何和可预测的：
- 纵向收缩：焊珠在冷却时沿其长度缩短。10 英尺的焊缝可能会缩短 1-3 毫米。
- 横向收缩：焊缝将两个板材拉近。V 形沟槽对接焊缝可能会将板材拉近 2-5 毫米，超过原始装配。
- 角度翘变：焊缝的顶部（V 形沟槽的宽部分）有比根部更多的焊缝金属。更多的金属意味着顶部侧面有更多的收缩。结果：板材向焊缝旋转向上，产生 V 形变形。翘变的角度取决于沟槽几何形状和焊道数量。
预防策略
每种预防策略都是几何的：
- 平衡焊接顺序：在双侧 V 形接头的两侧之间交替焊道以平衡收缩力。
- 预弯（预设置）：在焊接之前，沿预期的角度翘变的相反方向弯曲板材。焊接收缩后，板材拉平。
- 反向焊接：与其在一个连续通道中从左向右焊接，而是以相反的方向焊接短线段。这更均匀地分配热量，减少累积的纵向收缩。
- 焊接顺序计划：在复杂的组件上，从中心向外焊接（而不是从一端到另一端）以允许收缩对称分布。
预测和防止翘变
一个制造商正在通过填角焊接竖直板材到水平基础板材上来制造 T 接头。填角焊缝沿着竖直板材的两侧运行：双侧填角焊缝。
如果他们首先完全焊接一侧，然后焊接另一侧，由于角度翘变，基础板材会在首先焊接的一侧向上弯曲。
焊接前的几何精度
装配：焊接前的几何形状
焊缝的质量大部分在焊工打火之前就决定了。装配是焊接前的接头的几何对齐，它有严格的公差。
关键的装配尺寸：
- 根部间隙：焊接前两个零件之间的间隙。对于大部分代码工作，规定为 ±1 毫米。太窄：电弧无法穿透。太宽：焊缝金属会掉下来。
- 错位（上下错位）：当两个板材的表面不平齐：一个在垂直方向上偏离另一个。最大允许值：通常为 1.5 毫米或板厚度的 10%，取较小者。
- 角度错位：当两个板材不在同一平面内：它们的相遇角度不同于预期。最大值：对于大部分代码工作，通常为 5°。
每个缺陷都有一个几何特征
- 缺乏熔透：根部间隙太紧：电弧无法到达背面。几何结果：根部未融金属，一个隐藏的类似裂纹的缺陷。
- 过多的加强：太多焊缝金属堆积在板材表面上方。几何结果：焊缝盖部分焊趾处的应力升高。
- 割口：在焊缝焊趾旁边的基础金属中熔化出的沟槽，不被焊缝金属填充。几何结果：一个集中应力的凹口：像玻璃上的划痕，它成为裂纹的起点。
- 气孔：困在焊缝金属中的气泡。几何结果：减少有效喉部厚度的球形空隙。
诊断几何缺陷
一位焊缝检验员检查一条已完成的 V 形沟槽对接焊缝，发现以下情况：
1. 焊缝加强盖距离板材表面 5 毫米（最大允许值为 3 毫米）。
2. 沿着焊缝左侧焊趾有一条 1 毫米深的沟槽。
3. 射线照相显示接头根部有一条未融金属线。
焊接几何形状：总结
你学到的东西
焊接是有结构后果的应用几何学：
- 坡口几何形状：V 形沟槽、J 形沟槽、U 形沟槽轮廓。坡口角度、根部间隙、根面。焊缝体积按板厚度的平方缩放：厚度翻倍使焊缝金属增加四倍。
- 填角几何形状：喉部 = 腿 × 0.707。喉部而不是腿决定焊缝强度，因为它是通过焊缝的最小横截面。凸面轮廓增加了金属，但在焊趾处产生应力。
- 翘变几何形状：纵向收缩、横向收缩、角度翘变。每个预防方法（预弯、交替顺序、反向焊接）都是对不平衡的热收缩的几何对策。
- 装配公差：根部间隙 ±1 毫米、上下错位 ≤ 1.5 毫米、角度错位 ≤ 5°。每个焊缝缺陷都有一个几何特征：凹口、空隙和未融平面集中应力。
几何学是精确的，因为错误的后果是结构失效。1 毫米的割口或 2 毫米的错位可能是接头持续数十年和在其首次承载时开裂之间的区别。