ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Напряжения и деформации от продольной усадки в сварных двутаврах

Сварная двутавровая балка представляет собой два свар­ных тавра, соединенных в одно целое поверхностями наружных торцов своих стенок (фиг. 89, а). Определение активной зоны поясных смежных швов и активного внутреннего усилия Р, по­рождаемого продольной усадкой этих швов, производится по ра­нее приведенным формулам.

Активное внутреннее усилие поясных смежных швов двутав­ровой 'балки

Р = от Fc, (226)

где Fc — поперечное сечение активной зоны двух поясных смеж­ных швов;

от — остаточное напряжение растяжения в активной зоне, равное пределу текучести металла.

Активные внутренние усилия каждой пары поясных смежных швов при одном и том же сварочном режиме их выполнения будут одинаковы по величине и по направлению.

Реактивное напряжение осевого сжатия о2, действующее в по­перечном сечении двутавровой 'балки, за исключением попереч­ного сечения активных зон определится по известной формуле

<227>

где F — поперечное сечение двутавровой балки;

Fc — поперечное сечение активной зоны двух поясных смеж­ных швов;

Р — активное внутреннее усилие от продольной усадки двух поясных смежных швов.

На фиг. 89, б .показаны эпюры остаточных напряжений от про­дольной усадки в поясах и стенке сварной двутавровой балки.

Поясные угловые швы в сварных дву­тавровых балках расположены симметрично относительно обеих ее центральных осей, по­этому при одинаковом сварочном режиме их выполнения продольные активные и реактив­ные внутренние усилия будут симметрично расположены относительно центра тяжести ■поперечного сечения балки и будут равны между собой. Равнодействующая активных внутренних усилий всех швов будет прило­жена в центре тяжести поперечного сечения балки, поэтому результирующий изгиба­ющий момент от действия продольных вну­тренних усилий равен нулю. Прогиб в свар­ной двутавровой балке, ввиду отсутствия изгибающего действия остаточных продоль­ных внутренних усилий, порождаемых сваркой, теоретически тоже должен отсутствовать.

Общая остаточная деформация сварной двутавровой балки от продольной усадки поясных швов проявилась бы только в уко­рочении ее длины Д/, которое легко определить по формуле

Д/ = = s I, (228)

где 02 — остаточное реактивное напряжение осевого сжатия от действия продольной усадки;

Е — модуль упругости металла балки;

I — длина балки.

Фактически прогиб в сварной двутавровой балке был бы устранен, если бы все четыре поясных шва были выполнены одновременно или если бы при выполнении поясных швов соблю­далась такая последовательность, при которой деформация из­гиба, вызванная наложением одних швов, полностью устраня­лась бы наложением последующих швов.

На самом деле при изготовлении сварных двутавровых балок выполнение поясных швов производится 'неодновременно, а пра­вильная рациональная последовательность наложения поясных швов, приводящая - к минимальному, мало заметному прогибу, практически неївсегда выполнима.

Сварочные деформации изменяются после наложения каждо­го шва или его участка при изготовлении сварных соединений и сварных конструкций. Остаточные деформации накапливаются в процессе всего дикла сборки и сварки, и величина их в значи­тельной мере зависит от технологической последовательности сборочных и сварочных операций при изготовлении сварных кон­струкций.

Правильная последовательность выполнения параллельных швов двутавровой балки в целях уменьшения остаточного про­гиба 'будет такая, когда прогиб, вызванный в конструкции нало­жением одного шва, устраняется обратным прогибом после на­ложения другого (последующего) шва. Нуіжно учитывать, что для полного устранения прогиба сварной конструкции, образо­вавшегося после выполнения какого-либо шва, необходимо, что­бы изгибающий момент, вызванный внутренними усилиями по­следующего шва, действовал в той же плоскости изгиба, имел противоположное направление и мог вызвать в сварной конструк­ции обратный прогиб, величина 'которого равна прогибу от пре­дыдущего шва. Если в конструкции имеется несколько парал­лельных швов, то момент инерции сваренного поперечного сечения, противодействующего деформации изгиба, постепенно возрастает после выполнения каждого шва, что весьма затруд­няет установление рациональной последовательности выполне­ния швов.

Рассмотрим возможные варианты технологической последо­вательности выполнения поясных швов при изготовлении свар­ных двутавровых балок и выясним влияние этой последователь­ности на образование остаточного прогиба в сварных балках. Возьмем вариант выполнения каждой пары поясных смежных швов двутавровой балки при вертикальном положении ее стен­ки. Этот вариант наиболее удобный в целях уменьшения коли­чества трудоемких и громоздких кантовок собранной для сварки двутавровой балки. В собранной балке (фиг. 90, а) выполняют в нижнем положении поочередно или одновременно с обеих СТО-' рон стенки первую пару поясных смежных швов 1 и 2. Изгиба­ющий момент от продольных внутренних усилий этих швов дей­ствует в плоскости стенки двутавровой балки и определяется по формуле (І222) или (224), как для сварки таврового соединения. Верхняя полка балки присоединена к стенке только прихватка­ми, которые почти никакого противодействия изгибу сваривае­мой балки оказать не могут. По сути изгибающий момент М от внутренних усилий первой пары смежных швов І и 2 дейст­вует только на тавровое сечение. Остаточный прогиб /і после 184
выполнения первой пары смежных швов 1 и 2 определится ПО’ формуле (205) и будет равен

А = ш, ’ (229>

где Ml — изгибающий момент внутренних усилий, возникших после выполнения первой пары смежных швов 1 и 2;

I — длина балки;

/1 — момент инерции таврового сечения, составленного ниж­ним поясом и стенкой;

Е — модуль упругости металла.

Затем балка будет перекантована на 180° и в нижнем поло­жении будет заварена вторая пара - поясных смежных швов 3 и 4. Принимая расстояние от центра активной зоны швов 3 и 4 до

центра тяжести двутавра. приближенно равным, определим

изгибающий момент М2 от действия внутренних усилий швов 3 и 4 по формуле (224)

м2 = {ту

где Р02 — условное начальное усилие швов 3 и 4, определяемое по формуле (МО); h — высота стенки двутавровой балки.

Момент М2 будет действовать в противоположном направле­нии по отношению к моменту от первой пары смежных швов Ml. Изгибающему действию момента М2 будет противодействовать момент инерции поперечного сечения сварной двутавровой бал­ки, который значительно превышает момент инерции поперечно­го сечения таврового соединения. Прогиб, вызываемый действи­ем момента М2, будет

f __ М212 '2 ~

где I — длина балки;

J — момент инерции поперечного сечения сварной двутавро­вой балки.

Для устранения остаточного. прогиба в сварной двутавровой ■балке после выполнения всех швов необходимо, чтобы прогиб /2 от второй пары смежных швов 3 и 4 по абсолютной величине был (равен прогибу fi, образовавшемуся после заварки первой пары смежных швов 1 и 2. Так как активные внутренние усилия Р каждой пары смежных швов будут (равны между собою, а ос­таточное реактивное напряжение осевого сжатия о2 после вы­полнения всех четырех поясных шеов сварной балки будет по величине мало превышать реактивное напряжение осевого сжа­тия, которое было в одном поясе и стенке после выполнения первой пары смежных швоїв / и 2, то в первом приближении мо - жіем считать, что условные начальные усилия каждой пары смежных швов равны между собой, т. е. Ро = Ро2• Учитывая это условие и исходя из формул (229) и (231), установим соотно­шение между прогибами f и f2

fi Mil28EJ Р oi i/o J 2і/0У

f2 ~ 8Е^М21* ~ P020,5hJ1 ~

где уо — расстояние от центра тяжести поперечного сечения тав­рового соединения до центра тяжести сечения активной зоны двух смежных поясных швов;

/1 — момент инерции поперечного сечения таврового соеди­нения;

J — момент инердии поперечного сечения двутавровой 'балки;

h — высота стенки.

Величина уо для тавровых соединений сварных двутавровых балок составляет примерно одну четверть или одну треть высоты стенки, т. е. ї/о=(0,25--0,33)й (см. фиг. 86). Момент инерции поперечного сечения сварной двутавровой балки превышает мо­мент инерции поперечного сечения сварного таврового соедине­ния больше, чем в два раза, в чем легко мо'жно убедиться путем соответствующих подсчетов. Из этих условий вытекает, что зна - 2 ynJ

чение отношения, составляющее вторую часть уравнения

(232), больше единицы, т. е.

Tj[ = (0.50 ч-0,66) -£ > 1, (233 а)

поэтому отношение прогибов

(233 6)

Таким образом в сварной двутавровой балке, у которой в первую очередь заваривали оба смежные поясные швы, всегда будет остаточный прогиб /0 © сторону полки, на которой выпол­няли первые поясные швы. Величина остаточного прогиба в свар­ной двутавровой балке равна разности абсолютных значений прогибов fi и /2, т. е.

Для уменьшения остаточного прогиба fo поясные швы дву­тавровой 'балки целесообразно выполнять в крестообразном по­рядке, при котором внутренние усилия только одного первого шва будуг вызывать изгиб таврового соединения (фиг. 90,6). Внутренние усилия остальных трех поясных швов будут дейст­вовать на двутавровое поперечное сечение «и прогибы, вызывае­мые противоположными швами, будут соответственно друг дру­га исключать. Остаточный прогиб после сварки двутавровой балки при крестообразном порядке выполнения поясных швов почти не наблюдается. Крестообразный порядок наложения по­ясных швов требует увеличения числа кантовок собранной дву­тавровой балки, так, как после выполнения каждого поясного шва необходимо кантовать балку для выполнения в нижнем по­ложении противоположного ему шва. іПри автоматической свар­ке под флюсом наиболее целесообразно угловые швы тавровых соединений выполнять в лодочку (фиг. 90, в). Выполнение угло­вого шва в лодочку обеспечивает равномерный нагрев полки и стенки таврового соединения, хороший провар вершины углового шва и удобное положение балки для удержания флюса. Указан­ные преимущества автоматической сварки под флюсом угловых швов в лодочку оправдывают добавочное число кантовок для сварки двутавровой балки.

Если при изготовлении двутавровой балки первыми варить односторонние швы 1 и 2 при горизонтальном положении стенки (фиг. 90,г), а после кантовки вторую пару односторонних швов 3 и 4, то остаточный прогиб в плоскости стенки почти не наблю­дается. Прогиб из плоскости стенки тоже мало заметный. Это объясняется тем, что внутренние усилия обеих пар односторон­них швов действуют на двутавровое поперечное сечение, поэтому остаточный прогиб из плоскости стенки, вызванный первой па­рой односторонних швов 1 и 2, будет устранен обратным проги­бом после выполнения второй пары односторонних, швов 3 и 4 (фиг. 90, г).

В целях увеличения несущей способности сварных двутавро­вых и коробчатых балок высоту их увеличивают, причем для по­ясов берут листовой прокат более толстый, а для стенок сравни­тельно тонкий. После сварки балки ее стенка, будучи сжатой активными внутренними усилиями поясных швов, теряет устойчи­вость и коробится в виде вьгпучин и волнистости. Весьма эффек­тивным мероприятием против коробления является 'предвари­тельное растяжение стенки перед сваркой двутавровой балки. В настоящее время существуют механизированные поточные ли­нии для изготовления сварных двутавровых балок с предвари­тельным растяжением вертикальной стенки. Стенка балки в го­ризонтальном положении растягивается до заданного упругого удлинения и к ней приставляются пояса. Производится односто­ронняя прихватка растянутой стенки к поясам двумя автомата­ми сплошными малокалиберными швами (фиг. 90, д). После

187

прихватки стенка освобождается от действия механизма растя­жения и 'производится сварка собранной балки в лодочку двумя автоматами при горизонтальном положении стенки, как показа­но на фиг. 90, е.

Для повышения жесткости. сварных двутавровых балок ставят ребра жесткости. При оборке балки для ручной сварки ребра жесткости приваривают по мере выполнения поясных швов.

При автоматической сварке поясные швы выполняют до рас­становки ребер жесткости, а после сварки поясных швов уста­навливают ребра жесткости и приваривают их. Следует указать, что заварка поясных швов до расстановки и приварки ребер жесткости целесообразна с точки зрения уменьшения остаточных напряжений в поясных швах. При приварке ребер жесткости от поперечной усадки возникают внутренние усилия, под влия­нием которых происходит поперечное сокращение стенки и поясов е местах приваренных ребер, вследствие чего балка укорачива­ется. При этом снижаются остаточные напряжения растяжения в поясных швах, вызванные продольной усадкой.