接头准备的几何学
斜面焊缝几何
在两个金属片之前可以用全浸透对接焊接之前，边缘必须进行预处理：斜面：以创造焊接金属可以填充的槽沟。
这个槽沟的几何学决定了一切：需要多少焊接金属、融合的深度如何、连接的强度如何以及工作件的变形程度。
V槽对接焊接的关键尺寸:
- 斜面角度：每个板边缘磨出的角度，通常为30°到37.5°每边。
- 包含角度：槽沟（两条斜面相加）总角度。对于一个对称的V槽，包含角度为60°。
- 底部开口：两板在槽沟底部的间隙，通常为1-3mm。这条缝隙允许弧线穿透到后面。
- 底部面：在斜面底部留下的一小块平面，通常为1-2mm。这防止弧线从缝隙穿透。
槽沟轮廓
V槽、J槽、U槽
V槽是最简单的：每边都有直斜面，直到根部。可以用磨刀机或焊接机切割。但是，V形的开口需要大量的焊接金属来填充，特别是厚板。
J槽将直斜面替换为弯曲的轮廓（在截面上形状像J）。弯曲减少了槽沟的体积，同时保持根部通入。用于厚度为1英寸以上的板。
U槽将两边都弯曲（像U在截面上）。需要最少的焊接金属，但最难切割。用于厚、高值的连接：压力容器、核能管道。
单V与双V：在薄板（最多约3/4英寸）上，您只能从一侧斜面：一个单V。在更厚的板上，从两侧斜面：一个双V（截面看起来像一个X）。双V使用与单V相同厚度的焊接金属的一半，它将焊接热量平衡在两侧，减少变形。
焊接体积以几何方式增长：对于V槽，槽沟的截面积大约是一个三角形。三角形面积= ½ ×底边×高度。板厚度翻倍时，底边和高度都翻倍，所以焊接体积翻倍。这就是为什么厚板焊接昂贵的原因：成本是几何的，而不是线性的。
计算焊缝体积
焊工正在两块1英寸厚板上准备一个单V轴向连接。每块板的斜坡角度为30°（每侧，总共60°内含角度）。根开口为2mm（约0.08英寸），根面也是2mm（0.08英寸）。
焊缝长12英寸。
腿、喉、和三角形
角焊接几何
角焊接连接两面以某个角度：最常见的是T型连接或重叠连接，角度为90°。角焊接的截面大致为直角三角形。
关键尺寸:
- 腿大小：三角形两侧触及基本金属的长度。对于标准等腿角焊接，两条腿长度相同。
- 喉厚度：从根（内角）到焊接面（斜边）的垂直距离。对于等腿角焊接，喉厚度等于腿大小×cos(45°) = 腿大小×0.707。
喉厚度对于强度至关重要：它是焊接的最薄弱部分，在负载下发生故障的地方。
示例：一个3/8英寸的角焊接有一个理论喉厚度为0.265英寸（3/8英寸×0.707）。
凸和凹形状
一个凸出的弯头焊接具有向外凸出的弯头焊接的特点。它有更多的焊接金属(更多的材料)但在焊接与基础金属交接处产生应力集中。由于几何形状的突变。
一个凹形的弯头焊接向内弯曲。它有更少的焊接金属(更轻、更便宜)并在脚部产生更平滑的几何形状转换：减少应力集中。但是，颚部比理论计算薄，因此焊接可能更弱。
理想的形状是平坦到稍微凸出：足够的颚部强度，足够的脚部疲劳抗性。
颚部厚度和焊接强度
一位结构工程师在T型连接上指定了一个弯头焊接的最小颚部厚度为5mm。
热收缩和几何变形
为什么焊接会导致变形
焊接将在1500°C以上的温度下将金属融化。随着焊接冷却，它会收缩：而且这种收缩会拉动周围的基础金属，导致工作件扭曲。
变形模式是几何的和可预测的：
- 长轴收缩：焊接沿其长度缩短。一个10英尺的焊接可能在长度上缩短1-3mm。
- 横向收缩：焊接拉动两个板沿连接。一个V沟槽平头焊接可能将板拉近2-5mm，超过原始合适的合缝。
- 角向扭曲: 焊缝的顶部（V槽的宽部）有更多的焊接金属，而根部则没有。更多的金属意味着顶部有更多的收缩。结果：板片向着焊缝上升，形成一个V形变形。扭曲的角度取决于槽口几何和焊接通道的数量。
预防策略
每种预防策略都是几何的:
- 平衡焊接顺序：在双V连接的两侧交替进行焊接通道，以平衡收缩力。
- 预弯曲（预设)：在焊接之前，将板片在预期角向扭曲的相反方向上弯曲。焊接后收缩，使板片拉直。
- 后退焊接：不从左到右连续进行焊接，而是从相反方向进行短段焊接。这将更均匀地分布热量并减少累积的长轴收缩。
- 焊接顺序规划：在复杂的装配中，从中心向外焊接（而不是从一端到另一端），以允许收缩分布对称。
预测和防止变形
一个焊工正在用斜板与水平基础板相连，形成一个T型连接。斜板的两侧都有一个沿着垂直板运行的焊接通道：双侧斜面焊接。
如果他们先焊一侧完全，然后再焊另一侧，基础板将由于角向扭曲向着第一个焊接的侧面上弯曲。
几何精度在弧击之前
焊接准备：焊接之前的几何布置
焊接质量在焊接师傅击弧之前就已经基本确定了。焊接准备是焊接之前的连接几何布置，它有着严格的容差。
关键焊接准备尺寸:
- 根部间隙：两件物品在连接根部之间的间隙。对于大多数规范工作，允许误差±1 mm。太窄：弧无法穿透。太宽：焊接金属会掉下。
- 错位（高低差）：两片表面不平齐：一片与另一片垂直方向上偏移。允许最大值：通常为1.5 mm或板厚的10%，取决于哪个更小。
- 角度错位：两片板不在同一平面上：它们以其他意想不到的角度相遇。允许最大值：对于大多数规范工作，通常为5°。
每个缺陷都有一个几何签名
- 穿透不足：根部间隙太窄：弧无法达到背面。几何结果：根部未融合金属，隐藏的缺陷类似于裂纹。
- 过度增强：在板面以上积累过多焊接金属。几何结果：焊接帽的脚处产生应力集中点。
- 下切：在基体边缘切入一个沟槽，但未由焊接金属填充。几何结果：一个在焊接脚处集中应力的凹槽，类似于玻璃上的划痕，它成为裂纹的开始点。
- 气孔：在焊接金属中捕获气体。几何结果：减少有效喉部厚度的球形空洞。
诊断几何缺陷
一名焊接检查员检查了一份完成的 V-groove 胶装焊接，并发现以下问题：
1. 焊接增强帽高出板面 5 mm（允许最大值为 3 mm）。
2. 左焊接脚处有一 1 mm 深的沟槽。
3. X 光检查显示连接根部有一条未融合的金属线。
焊接几何：总结
您所学到的知识
焊接实际上是一种应用几何学的结构性后果：
- 斜坡几何：V沟、J沟、U沟等切割形状。斜坡角、根部开口、根部面。焊接体积与板厚度的平方成正比：板厚度翻倍，焊接金属量增加一倍。
- 角形几何：喉部 = 角长 × 0.707。喉部，而不是角长，决定焊接强度，因为它是穿过焊接的最小交叉截面。凸出形状增加了金属，但在脚部产生应力。
- 变形几何：长轴收缩、横向收缩、角变形。每种预防方法（预弯曲、交替顺序、后退步骤）都是为了抵消不均匀热收缩的几何补救措施。
- 拼接容差：根部开口±1mm、高低差≤1.5mm、角度错位≤5°。每种焊接缺陷都有一个几何签名：凹槽、空洞和未融合面会集中应力。
几何精确是因为错误的后果可能是结构性故障。一毫米的下切缺陷或2毫米的错位差别可能是连接能够持续数十年还是在第一次负载周期下裂开的原因。