С обратным выгибом: 1– основание; 2 – база; 3 – прижим

Таблица 5. Исследуемые варианты сборки и сварки тавровых балок

Вариант сборки и сварки	Схема сборки и сварки тавра
1. Последовательная сварка с двух сторон в свободном состоянии балки
	Сварка с одной стороны, охлаждение образца.				Сварка с другой стороны в том же направлении
2. Одновременная сварка с двух сторон в свободном состоянии балки	Сварка с двух сторон одновременно в одном направлении (методом "дуга в дугу")
3. Последовательная сварка с двух сторон с жестким закреплением балки	Защемление тавра в приспособлении и последовательная сварка с двух сторон (см. вариант 1)
4. Последовательная сварка с двух сторон с предварительным выгибом балки	Сборка тавра в приспособлении с предварительным выгибом и последовательная сварка с двух сторон (см. вариант 1)
5. Последовательная сварка с двух сторон обратноступенчатым способом в свободном состоянии балки
	Сварка обратноступенчатым способом с одной стороны, охлаждение образца			Сварка обратноступенчатым способом с другой стороны в том же направлении
П римечания: Vсв – направление сварки; Q – усилие прижима; 1-4 – последовательность сварки участков.

Для значительного уменьшения деформаций применяют технологию сварки с жестким закреплением (вариант 3 табл. 5). Во время сварки прижимы не убираются и препятствуют свободной изгибной деформации тавра. После сварки прижимы убираются, и возникает небольшая деформация.

Рис. 12. Сварной тавр: а – после сборки; б – после сварки

С целью полного устранения остаточных деформаций изгиба применяют технологию сварки с обратным выгибом элементов (вариант 4 табл. 5). Пластины тавра помещают в приспособление (рис. 11) и подвергают изгибу в направлении, противоположном ожидаемому от сварки. После этого пластины скрепляются прихватками. Сварка и остывание тавра происходят в свободном состоянии. Остаточные изгибные деформации в этом случае близки к нулю.

Существуют также другие технологические приемы, позволяющие свести остаточные деформации конструкций к минимальным величинам. В качестве примера в табл. 5 (вариант 5) приведен обратноступенчатый способ сварки тавровой балки. Собранная на прихватках балка сваривается в свободном состоянии. Каждый шов делится на отрезки, которые выполняются последовательно от конца к началу. Теоретического расчета данного варианта технологии не разработано, он назначается из опытных данных, и в данной лабораторной работе далее не рассматривается.

Прогиб балки

Прогиб балки f_A (м) на базе l_А при сварке в свободном состоянии может быть определен по следующей формуле:

, (41)

где m – коэффициент, учитывающий последовательность наложения швов. При последовательном наложении поясных швов m = 1,2; при одновременной сварке тавра с обеих сторон m = 2;

z – расстояние от центра тяжести сечения тавра до центра тяжести сварных швов, м (см. рис. 12, а);

l_А – база, на длине которой определяется прогиб, м, l_А = 0,566 м;

Е – модуль нормальной упругости, Па. Для стали Ст3 Е = 2,110¹¹ Па;

J_y – момент инерции площади поперечного сечения тавра относительно оси y, проходящей через его центр тяжести, м⁴;

Р_ус – усадочная сила, Н. При сварке малоуглеродистой стали:

, (42)

q_п – погонная энергия сварки, Дж/см. При электродуговой сварке:

, (43)

I_св – сварочный ток, А; U_д – напряжение на дуге, В; V_св – скорость сварки, см/с;  – КПД дуги, при ручной дуговой сварке  = 0,7;

– удельная погонная энергия сварки, Дж/см²;

S_расч – расчетная толщина свариваемого элемента, см.

Для тавра , где S_п и S_c – толщина полки и стенки соответственно.

В случае закрепления элемента в процессе сварки на жестком основании (рис. 10), его прогиб f_закр (м), после освобождения от закрепления, можно найти по формуле

, (44)

где f_А – прогиб тавра на базе А без его закрепления, м;

J₀ – момент инерции сечения тавра, м⁴, из площади которого исключена площадь F_т, м², упругопластического деформирования (рис. 12, б)

, , (45)

где F – площадь тавра, м².

При использовании обратного выгиба, как средства борьбы с остаточными сварочными деформациями, величина обратного выгиба f_выг (м), при котором ожидается остаточный прогиб, равный нулю, может быть найдена по выражению:

, (46)

где _т – относительная деформация продольных волокон в зоне сварки, соответствующая текучести материала. Для стали Ст3 _т = 1,1510^-3.

Создание обратного выгиба в плоскости XOZ достигается тем, что две средние опоры (рис. 11) выставляются ниже двух крайних опор на расстояние 0,87f_выг^xoz.

Продольное укорочение

Для определения общих продольных деформаций укорочения тавра _пр (м) от наложения поясных швов, соответствующих укорочению волокон, расположенных на нейтральной оси сечения, можно воспользоваться формулой:

, (47)

где L – общая длина балки, м.

Поперечное укорочение

Для тавровых соединений определение поперечного укорочения _поп (см) приближенно можно производить по формуле

, (48)

где  - коэффициент линейного расширения, для стали Ст3  = 1210^-6;

с - объемная теплоемкость, для балки из стали Ст3 с = 5 Дж/см³К;

А – коэффициент, значение которого в случае неполного проплавления листов при сварке элементов в тавр угловыми швами на режимах с погонной энергией порядка 10000 Дж/см, можно найти по следующей эмпирической формуле:

. (49)

Угловая деформация

В процессе сварки полка тавра из-за неравномерности нагрева и охлаждения по толщине претерпевает излом (рис. 12, б), характеризуемый углом  (рад):

, (50)

где K – катет углового шва, м.

Значение катета можно определить через объем наплавленного металла V, см³:

, (51)

откуда

, (52)

где l_э – длина сожженных электродов, м;

d_э – диаметр электродной проволоки, м;

1,1 – коэффициент, учитывающий потери на угар и разбрызгивание.

Сварка в приспособлении с закреплением тавра дает угловую деформацию полки, значение которой можно найти из предположения, что максимальные значения растягивающих напряжений _y на наружной поверхности полки равны пределу текучести материала _т (для стали Ст3 _т = 240 МПа). Рассматривая в поперечном сечении тавр как балку, лежащую на двух опорах, можно записать:

, (53)

где f_пз – прогиб полки тавра на базе l_З в плоскости YOZ (рис. 10) после освобождения из приспособления, м;

J_п.х – момент инерции полки тавра относительно оси Х, м⁴.

Остаточный прогиб на базе вилки Б f_БЗ найдем из соотношения

, откуда . (54)

Перед сваркой в приспособлении с обратным выгибом, чтобы остаточный прогиб полки тавра в плоскости YOZ был равен нулю, необходимо на базе l_В (рис. 11) создать предварительный выгиб, значение которого можно найти по выражению (53), подставив в него вместо l_З значение l_В, т.е.:

. (55)

Это значение и должно быть принято за разницу уровней средних и крайних опорных винтов в плоскости YOZ (рис. 11).