接合準備の幾何学
溝溶接幾何学
二つの金属板を完全貫通溶接で接合する前に、エッジを準備する必要があります：傾斜：溶接金属が溝を満たすために、溝を作成します。
この溝の幾何学はすべてを決定します：必要な溶接金属の量、融合の深さ、ジョイントの強さ、およびワークピースの歪み。
V溝直結ジョイントのキー寸法:
- 傾斜角: 各板エッジに磨き込まれた角度。通常、片側あたり30°から37.5°です。
- 含まれる角: 溝（両方の傾斜を合計）の全角。対称のV溝に30°の傾斜角がある場合、含まれる角は60°です。
- 底部開き: 溝の底部で二つの板の間のギャップ。通常、1-3 mmです。このギャップは、アークが後側に貫通することを許可します。
- 底面: 溝の底部の小さな平らな台地。通常、1-2 mmです。この台地は、アークがギャップを吹き抜けるのを防ぎます。
溝プロフィール
V溝、J溝、U溝
V溝は最も単純で：両側の直線傾斜が根に合流します。グライダーまたはトーチで簡単にカットできます。しかし、広いV形状は、特に厚い板に、多くの溶接金属が必要です。
J溝は、直線傾斜を曲線プロフィール（横断面でJの文字のような形状に置き換えます）に置き換えます。曲線は溝の容積を減らす一方、根へのアクセスを維持します。厚さ1インチ以上の板に使用されます。
U溝は両側が曲線（横断面でUの形状に似ています）です。必要な溶接金属量が最も少ないが、最もマシニングが難しい。高価なジョイント：圧力容器、核融合管に使用されます。
単一VとダブルV: 薄い板（約3/4インチまで）では、片側から傾斜します：単一V。厚い板では、両側から傾斜します：ダブルV（横断面はXの形状です）。ダブルVは、単一Vと同じ厚さで約半分の溶接金属を使用し、両側の間で溶接の熱を均等に分散させることで歪みを減少します。
溶接容積は幾何学的に増加します: V溝の横断面面積は、ROUGHLY三角形です。三角形の面積= ½ ×底 ×高さ。板の厚さが2倍になると、底と高さの両方が2倍になり、溶接容積が4倍になります。これが厚板溶接が高額になる理由です：コストは幾何学的ではなく線形です。
溶接体積の計算
溶接技師は、2つの1インチ厚の板に単一Vバットジョイントを準備しています。各板は、側面30°（含まれる角度60°）で傾けています。root openingは2mm（約0.08インチ）、root faceも2mm（0.08インチ）です。
ジョイントは12インチです。
脚、喉、そして三角形
フィレット溶接の幾何学
フィレット溶接は、90°の角度で2つの表面を結合します。T-jointやlap jointのほとんどが90°です。フィレット溶接の断面は約直三角形です。
主要な寸法:
- 脚の長さ: 三角形の底金属に接する各側の長さ。標準の等脚フィレットの両方の脚の長さは同じです。
- 喉の厚さ: root（内側の角）の根元から溶接面（斜辺）の直交距離。等脚のフィレット溶接の場合、喉 = 脚 × cos(45°) = 脚 × 0.707。
喉の厚さが強度に関わる：それは溶接が負荷を受ける際に失敗する最も薄い断面です。
例: 3/8インチのフィレット溶接の理論的喉の厚さは3/8 × 0.707 = 0.265インチです。
コンビックスとコンカベのプロファイル
凸形フィレット溶接の形状は、平坦な斜辺を超えて外部に膨らむ。より多くの溶接金属（より多くの材料）がありますが、急激な幾何学的トランジションが原因で、溶接金属の先（溶接金属が基材と接する部分）でひずみの集中が発生します。
凹形フィレット溶接は、内側にカーブしています。より少ない溶接金属（軽量、安価）があり、ひずみの集中がトース（溶接金属が基材と接する部分）の幾何学的トランジションが滑らかになるため、トースが薄くなり、溶接が弱くなる可能性があります。
理想的なプロフィールは、平らからやや凸形：強度のための十分な喉の長さ、疲労抵抗のための滑らかなトースです。
喉の厚さと溶接の強度
構造エンジニアはT接合に、最小の喉の厚さが5mmのフィレット溶接を指定しています。
熱収縮と幾何学的歪み
なぜ溶接が歪みを引き起こすか
溶接は1500°C以上の温度で溶融金属を積み上げます。溶接が冷めると、縮みが生じ、それが周囲の基材に引っ張られ、ワークピースが歪むことになります。
歪みのパターンは幾何学的で予測可能です：
- 縦方向の収縮:溶接が冷えることで、溶接ビーズの長さが短くなります。10フィートの溶接では、長さで1-3mmの収縮が発生します。
- 横方向の収縮:溶接がVgrooveバット溶接の場合、2-5mmの間隔で2つの板が近づかります。元のフィットアップよりも板が近づくことがあります。
- 角distortion: V-grooveの上部（V-grooveの広い部分）には根元よりも多くの溶接金属があります。多くの金属は上部で縮みます。結果：板が上向きに回転し、V字形の歪みを作ります。歪みの角度は溝の幾何学とパスの数に依存します。
予防戦略
すべての予防戦略は幾何学です:
- バランスの取れた溶接順序: 二重V接合の両方の側間で溶接パスを交互にし、収縮力のバランスを取ります。
- 前曲げ（前設定）:溶接する前に、歪みの予想する方向と逆に板を曲げます。溶接後の収縮で板が平らになります。
- バックステッピング: 左から右に一続きのパスで溶接するのではなく、逆方向に短いセグメントで溶接します。これにより、熱が均等に分散され、累積的な長方向の収縮が減少します。
- 溶接順序の計画: 複雑な構成要素では、中心から外側（端から端までではなく）に溶接し、歪みが均等に分散できるようにします。
歪みの予測と予防
ファブリケーターは、垂直板を水平ベース板に垂直に接続するT-jointを作成しています。垂直板の両側に沿ってフィレット溶接を行います：二重側のフィレット溶接です。
もし一方の側を完全に溶接してからもう一方の側を溶接する場合、ベース板は最初に溶接された側で上向きにカーブし、角distortionが発生します。
幾何精度の前に弧が打つ
接合準備:溶接前に幾何学
溶接の品質は、実際に弧が打たれる前にほとんど決定されます。接合準備は、溶接前にジョイントの幾何学的配置であり、厳格な許容範囲があります。
接合の重要な寸法:
- 根開き: ジョイントの根の2つの部分間の隙間。ほとんどのコードワークでは±1mmまで許可されます。根が太い:弧が貫通できません。根が広い:溶接金属が落ちてしまいます。
- 位置不一致（hi-lo）: 2つの板の表面が平らでない場合、1つはもう一方から垂直にずれています。許容範囲:通常、板の厚さの10%以下、または1.5mm以下。
- 角度不一致: 2つの板が同じ平面にない場合、意図していない角度で接しています。通常の許容範囲:ほとんどのコードワークでは5度。
すべての欠陥には幾何学的な署名があります
- 貫通不足: 根が太くて弧が後ろ側に達 couldn't: 根の部分が未融解の金属、隠れたひび割れのような欠陥です。
- 過剰強化: 板面上を上向きに太い溶接金属が蓄積されています。幾何学的な結果:溶接カップの爪の先にひずみのリスクがあります。
- 下切り: 基本金属の表面の溶接トーの隣に穴が開いており、溶接金属で埋められていません。幾何学的な結果:ひずみが集中し、ひび割れの始まりとなるように板の縁に notch ができます。
- ポロシティ: 溶接金属に気泡が捕まっています。幾何学的な結果:円形の空洞が、実効的なthroat厚さを減らします。
幾何学的な欠陥の診断
完全なV-groove butt weldを検査した結果、以下の欠陥が見つかりました:
1. 板面から5mm上に溶接強化カップがあります（許容範囲の最大は3mm）。
2. 左の溶接の爪の先に1mmの深さのgrooveがあります。
3. X線検査で、ジョイントの根に未融解の金属の線が見られます。
溶接幾何学：要約
学んだこと
溶接は構造的な結果を持つ幾何学です:
- ベベル幾何学: V-groove, J-groove, U-grooveのプロファイル。ベベル角、ルートオープニング、ルートフェイス。溶接材の量は板厚の二乗に比例します：板厚を倍にすると溶接材の量が4倍になります。
- フィレット幾何学: Throat = leg × 0.707。Throat（ネック）ではなく、Leg（角）が溶接の強度を決定します。Convexプロファイルは金属を追加しますが、トース（溶接の端）にひずみが生じます。
- 歪み幾何学: 長軸収縮、横方向収縮、角歪み。すべての防止方法（前曲げ、交互の順序、後進）は、不均等な熱収縮に対する幾何学的な対策です。
- フィットアップ許容範囲: ルートオープニング ±1 mm、hi-lo ≤ 1.5 mm、角度不一致 ≤ 5°。すべての溶接欠陥には幾何学的な特徴があります：窪み、空洞、および未溶接平面はひずみを集中させます。
幾何学は正確である理由は、誤った結果が構造的な破壊につながるためです。1 mmの下切りや2 mmの不一致が、数十年間持続するジョイントと、初めての負荷サイクルで破裂するジョイントの差を決定します。