焊接工程师课程-IWE-3-3[1]12-13疲劳设计
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表面加工，51%
搭接-焊脚为1:3.8, 100%
2010第29期国际焊接工程师 班 编稿上海交通大学陈立功
IWE-3/3.3 12-13接头和结构疲劳强度
对接后加工再搭接， 效果同搭接-
不好；多此一举！
13
4提高环境结构疲劳强度的措施 4.1设计措施 （1）整体设计：满足产品的总体功能要求和整体强度、刚度的要求，注意从宏观角
焊接接头和焊接结构的疲劳强度 疲劳破坏事结构最普遍的破坏形式，约占破坏失效总量
的80～90％ 1 脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点 1.1 相同点 （1）都属低应力破坏； （2）破坏前结构都没有明显的征兆或外观变形，突发性强，
令人猝不及防； （3）都对应力集中很敏感，起裂位置多半存在原始缺陷，或
起裂于应力集中点。
σmax
σm R>0
σmin
t
R=0
R=-1
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4
2.3疲劳强度与疲劳极限 (1)疲劳曲线：
通过疲劳试验，测得发生疲劳破坏的 应力σ（疲劳强度），与起所需的加载次 数N(疲劳寿命）之间的对应关系曲线:
这类焊条为钛钙型，药皮中含30%以上的 氧化钛和20%以下的钙或镁的碳酸盐
A
-σmin（压缩）B’
A’
A’
σmax
r=0 E
C r
r= σmin /σmax r=+1 D
△σ
E’
静载强度 σb
σmax
450
σmin D’
C’ σmin σm
+σmin （拉伸）
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8
×9.8Mpa
对试件对接形式分为板材对接焊缝、 管材对接焊缝和管板角接头试件三种 。
焊接不锈钢复合钢之间焊缝及过渡 焊缝的焊工，应取得耐蚀堆焊资格
表2 焊条类别、代号及范围
焊条类别
钛钙型
纤维素型钛 型 钛型、钛钙 型 低氢型、碱 性
钛型、钛钙
碱性
焊条类别代 号
F1 F2 F3 F3J
F4
F4J
相应型号
EXX03 EXX10
不同组织，甚至不同材质的焊缝金属，
100
da/dN相差无几； σa提高时，
da/dN增大，疲劳裂纹扩展加快。
应力强度因子：
1000 △K，N/mm3/2
（2）环境因素 腐蚀介质会加速疲劳裂纹 的萌生和扩展速率，减低疲劳寿命。
K=σ（πa)^(1/2) △K=△σ(πa)^(1/2)
2010第29期国际焊接工程师
EXXX(X)16/-17 EXX15/-16
EXXX(X)16/-17 EXXX(X)16/-17
牌号 J422/J502 J505GX
适用焊件的 焊条范围 F1
F1、F2
G202
F1、F3
J427/J507 F1、F3、 R507/R307 F3J
A132/A302 F4
A137/A307 F4、F4J
σ
N(百万)
12345678
σ (N/mm2)
σ
ln(N)
103 104 105 106 107
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2.4 疲劳强度在焊接结构中的常用表示方法
σmax
（1） σmax-r表示法
直观反映σmax与r的关系； （2）σa-σm表示法 tgα＝ σa/σm=(1-r)/(1+r)， 所以，r=(1- tgα)/( 1+tgα)
药芯焊丝电弧焊考试规定与熔化极 气体保护焊相同，常用半自动与自动 焊方式( 实质上是手工焊与机械焊）。
堆焊不能称为焊接方法，只是焊接 方法的运用，各种焊接方法焊接操作 技能考试规定也适用于堆焊的运用。
对于焊接方法按“2002年考规”分
为手
工焊接和机械化焊接两种
对焊工操作技能“2002年考规”分 为手工和焊机操作技能两种。
σ＝f(N)=a+blnN (2)疲劳强度:
在某疲劳应力的作用下，经N次循环，发 生破坏。称该应力N次循环的疲劳强度。 疲劳强度是循环应力的最大值σmax，用 σr表示。 (3)疲劳极限：
在规定循环次数以后，疲劳强度不再 下降，达到饱和的极限值。 如图中水平 虚线所对应的疲劳应力值称疲劳极限。
σ (N/mm2)
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锅炉压力容器压力管道 焊工考试规则
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第一十三条：焊接操作技能考试应从焊 接方法、试件材料、焊接材料及试件 形式等方面进行考核。
焊接方法及代号见表1，
焊条类别代号及适用范围见表2，
试件钢号分类及代号见表3，
.二、锅炉、压力容器和压力管道使用国产焊 条所执行的国家标准有三个：GB/T983－ 1995， GB/T5117－1995， GB/T5118－ 1995，
行业标准一个： JB/T4747－2002。
表2 焊条代号、类别及适用范围
①F1 钛钙型 EXX03
J502) GB/ T5117
F1 （J422、
顶点，回程重熔，消除引弧缺陷。 5. 新焊缝区表面消应力及压应力预制。
美国国家标准AWS D1.12000-钢结构焊接规范中 C8.3节提出了延长疲劳寿命可以考虑的措施： 1）打磨焊趾 2）焊趾重熔 3）焊趾锤击 4）打磨+锤击 具体工艺应受材料强度和接头形式的限制。
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(4)平均应力:
0
σm=(σmax+σmin)/2=σmax·(1+r)/2
(5)应力幅值:
σa=(σmax-σmin)/2=σmin·(1-r)/2
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σa
σmax
σm
σmin
t
3
2.2应力循环的基本类型
因）
da/dN（mm/次）
10－1
（1）疲劳载荷的性质和大小 σmax、和 r直接影响疲劳裂纹每 10－2
次的张开、闭合的幅度和向前推进的
进程。σmax越大，r值越低， 则
10－3
△σ 越大，相应的Kmax和△K越大，
da/dN就越大，疲劳寿命就越短。大 量实验证明， da/dN只与△K有关，
10－4
σ
σmax、σmin、 r、σm、σa
(1)静态拉、压载荷：
σa=0,r=1, σmax=σmin=σm
(2)拉伸变载荷:
0<r<1,0<σmin<σmax
(3)脉动载荷：
r=0,σmin=0
(4)对称载荷:
0
σmin＝-σmax, r=-1
(5)随机变载荷：
幅值、循环特征等呈随机变化的疲劳载荷。
σa
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（3） σmax-σmin表示法
C’C:r=0，脉动 C’B:r=-1，对称 C’D:r=1，静拉伸 C’A:r--∞，压缩
黄虚线：按安全 系数[σ]确定的工 程应用曲线
r=-1 B
σ-1 450
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1
1.2 不同点
不同点 载荷性质
脆性断裂 静载、冲击
疲劳断裂 疲劳
对温度的敏感性
敏感、低温易脆断
不敏感
受载次数
大于临界值，一次即可断裂 需几十～几百万次
断裂经历时间
大于临界值，瞬间断裂
需较长或很长时间
各种试件形式、位置及代号见表4， 焊接要素及代号见表5。
表1 焊接方法及代号
焊接方法 焊条电弧焊
代号 SMAW
钨极气体保护焊
GTAW
熔化极气体保护焊 埋弧焊
GMAW（含药芯焊丝电 弧焊FCAW）
SAW
（一）、“2002年考规”对八种焊接方 法的焊工考试作出规定，除此以外的 焊接方法都按四十三条规定进行考试 。
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11
σmax
低锰钢
低碳钢
r -1 0 1
对接-材质影响： 低锰钢VS低碳钢
σmax
加工
未加工 r -1 0 1
对接-加工影响： 加工VS未加工
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σmax
低锰钢
低碳钢 r
-1 0 1
十字接头未开坡口-材质影响： 低锰钢VS低碳钢
虑降低应力集中；减低焊接残余应力，预制压应力； 4.3 使用中的维护措施
防腐蚀处理。加强对运行结构的检查，及时发现和修复裂纹。
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1. 先焊纵向主焊缝。 2. 焊缝区表面消应力及压应力预制。 3. 配合的细节处理。 4. 后焊筋板；焊缝交叉点外引弧，焊到
200万次 r=0,脉动疲劳的 许用应力σmax=304Mpa
100万次 的 实验曲线
材料的静强度 σb=588Mpa
可求得r=1/2时，200 万次的疲劳强度
σmax＝412Mpa
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3、影响焊接接头疲劳强度的因素 3.1 影响疲劳载荷、环境效应的因素（外
2. 各种缺陷和孔洞；
3. 焊接变形错边、角变形；
4. 金属表面的粗糙度
（3）材质的纯度与材料的塑性和韧性
塑性和韧性对延缓裂纹的萌生和扩展有明显作用
（4）结构的残余拉应力
残余拉应力提高了疲劳循环的平均应力，加速疲劳破坏；
2010第29残期国余际焊压接应工程力师 可以阻止或减缓疲劳裂纹的萌生和扩展。
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σ 0
1）振动时效的输入波形，
σ
动应力应小于σs/3；
σs
σa σmax
σ
2）当局部应力集中系数
K>1时的波形
0
r > rE 0
σs σ
σm
t
σmin
3）在高残余应力处的波形；实际
应力实质是由局部区域应变折算的
0
等效应力，大于σs区域发生屈服，
塑性应变的积累使峰值残余应力下
由此证明，振动时效可以有效降低峰值残余应力，对降整。体构件的疲劳寿命则无明显影响
断裂经历过程
断裂机制
宏观断口形貌
微观断口形貌
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弹性能释放有余， 连续自动开裂
需要大于临界的扩展能
沿薄弱环节扩展， 错落交织人字纹
错层，河流样花纹
“张开－闭合”循环
张开－扩展， 闭合－硬化、锐化 带有幅射线的贝壳纹
疲劳辉纹
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E
σm
D
r
C
45O α
B σm σs
σm
σb(静载）
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OE：用σs 、σs线交E点，r>rE时，疲劳强度σmax= σm +σa＞ σs，接头塑性 好时，残余应力对疲劳强度没影响。（理解与应用）
度分散集中载荷，减小应力集中，做到刚柔相济；影响结构抗力的因素（内因） （2）细部设计：通过细部尺寸、形状的处理，做到粗细、厚薄、宽窄截面间的圆滑
过渡，减小应力集中； （3) 结构两部份相接区应平缓圆滑过渡； 4.2 工艺措施 易产生裂纹的缺口部位—预制压应力； 区分静载与动载的结构设计区别：避免焊接缺陷；避免空间交叉焊缝，同时又要考
2
2 疲劳强度的基本概念
2.1 疲劳应力循环应力的五个基本参数
σmax、σmin、 r、σm、σa
σ
(1)最大主应力:
σmax＝σm＋σa＝ σmin/r
(2)最小主应力:
σmin＝σm＋σa＝ r·σmax (3)应力循环特征系数:
r=σmin/σmax=(σm-σa)/( σm＋σa);
-1≤ r ≤1
σ-1
σ0
－1
0
σb
r 1
OA: σm =0，r=-1，对称载荷疲劳 OB：σa=0，r=1，静拉伸
σa σs
OC： σa 和σm皆不为0-拉伸变载荷疲劳
A
OD：r=0，脉动疲劳 OE：用σs 、σs线交E点，r>rE时， 疲劳强度σmax= σm +σa＞ σs，
σ-1 σa
接头塑性好时，残余应力对疲劳强度没影响。 O
σmax
加工
未加工
r
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-1 0 1
十字接头开坡口焊透-加工影响： 加工VS未加工
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σmax 丁字 十字 r
-1 0 1
焊缝不承受工作应力 的丁字和十字接头，
的疲劳强度
12
对接+加工 -好 100%
搭接-焊脚为1:1, 40%
搭接-焊脚为1:2, 表面不加工，49%
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3.2 影响结构抗力的因素（内因）
（1）结构刚柔相济的程度
构件的整体刚度和强度是结构承载的根基；接头间的平滑、园滑、 柔韧程度，是减低应力集中敏感性的重要手段；
（2）结构上，特别是接头上的应力集中现像
1. 结构表面形状的突然变化；
搭接-焊脚为1:3.8, 100%
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对接后加工再搭接， 效果同搭接-
不好；多此一举！
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4提高环境结构疲劳强度的措施 4.1设计措施 （1）整体设计：满足产品的总体功能要求和整体强度、刚度的要求，注意从宏观角
焊接接头和焊接结构的疲劳强度 疲劳破坏事结构最普遍的破坏形式，约占破坏失效总量
的80～90％ 1 脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点 1.1 相同点 （1）都属低应力破坏； （2）破坏前结构都没有明显的征兆或外观变形，突发性强，
令人猝不及防； （3）都对应力集中很敏感，起裂位置多半存在原始缺陷，或
起裂于应力集中点。
σmax
σm R>0
σmin
t
R=0
R=-1
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2.3疲劳强度与疲劳极限 (1)疲劳曲线：
通过疲劳试验，测得发生疲劳破坏的 应力σ（疲劳强度），与起所需的加载次 数N(疲劳寿命）之间的对应关系曲线:
这类焊条为钛钙型，药皮中含30%以上的 氧化钛和20%以下的钙或镁的碳酸盐
A
-σmin（压缩）B’
A’
A’
σmax
r=0 E
C r
r= σmin /σmax r=+1 D
△σ
E’
静载强度 σb
σmax
450
σmin D’
C’ σmin σm
+σmin （拉伸）
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×9.8Mpa
对试件对接形式分为板材对接焊缝、 管材对接焊缝和管板角接头试件三种 。
焊接不锈钢复合钢之间焊缝及过渡 焊缝的焊工，应取得耐蚀堆焊资格
表2 焊条类别、代号及范围
焊条类别
钛钙型
纤维素型钛 型 钛型、钛钙 型 低氢型、碱 性
钛型、钛钙
碱性
焊条类别代 号
F1 F2 F3 F3J
F4
F4J
相应型号
EXX03 EXX10
不同组织，甚至不同材质的焊缝金属，
100
da/dN相差无几； σa提高时，
da/dN增大，疲劳裂纹扩展加快。
应力强度因子：
1000 △K，N/mm3/2
（2）环境因素 腐蚀介质会加速疲劳裂纹 的萌生和扩展速率，减低疲劳寿命。
K=σ（πa)^(1/2) △K=△σ(πa)^(1/2)
2010第29期国际焊接工程师
EXXX(X)16/-17 EXX15/-16
EXXX(X)16/-17 EXXX(X)16/-17
牌号 J422/J502 J505GX
适用焊件的 焊条范围 F1
F1、F2
G202
F1、F3
J427/J507 F1、F3、 R507/R307 F3J
A132/A302 F4
A137/A307 F4、F4J
σ
N(百万)
12345678
σ (N/mm2)
σ
ln(N)
103 104 105 106 107
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2.4 疲劳强度在焊接结构中的常用表示方法
σmax
（1） σmax-r表示法
直观反映σmax与r的关系； （2）σa-σm表示法 tgα＝ σa/σm=(1-r)/(1+r)， 所以，r=(1- tgα)/( 1+tgα)
药芯焊丝电弧焊考试规定与熔化极 气体保护焊相同，常用半自动与自动 焊方式( 实质上是手工焊与机械焊）。
堆焊不能称为焊接方法，只是焊接 方法的运用，各种焊接方法焊接操作 技能考试规定也适用于堆焊的运用。
对于焊接方法按“2002年考规”分
为手
工焊接和机械化焊接两种
对焊工操作技能“2002年考规”分 为手工和焊机操作技能两种。
σ＝f(N)=a+blnN (2)疲劳强度:
在某疲劳应力的作用下，经N次循环，发 生破坏。称该应力N次循环的疲劳强度。 疲劳强度是循环应力的最大值σmax，用 σr表示。 (3)疲劳极限：
在规定循环次数以后，疲劳强度不再 下降，达到饱和的极限值。 如图中水平 虚线所对应的疲劳应力值称疲劳极限。
σ (N/mm2)
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15
锅炉压力容器压力管道 焊工考试规则
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第一十三条：焊接操作技能考试应从焊 接方法、试件材料、焊接材料及试件 形式等方面进行考核。
焊接方法及代号见表1，
焊条类别代号及适用范围见表2，
试件钢号分类及代号见表3，
.二、锅炉、压力容器和压力管道使用国产焊 条所执行的国家标准有三个：GB/T983－ 1995， GB/T5117－1995， GB/T5118－ 1995，
行业标准一个： JB/T4747－2002。
表2 焊条代号、类别及适用范围
①F1 钛钙型 EXX03
J502) GB/ T5117
F1 （J422、
顶点，回程重熔，消除引弧缺陷。 5. 新焊缝区表面消应力及压应力预制。
美国国家标准AWS D1.12000-钢结构焊接规范中 C8.3节提出了延长疲劳寿命可以考虑的措施： 1）打磨焊趾 2）焊趾重熔 3）焊趾锤击 4）打磨+锤击 具体工艺应受材料强度和接头形式的限制。
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(4)平均应力:
0
σm=(σmax+σmin)/2=σmax·(1+r)/2
(5)应力幅值:
σa=(σmax-σmin)/2=σmin·(1-r)/2
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σa
σmax
σm
σmin
t
3
2.2应力循环的基本类型
因）
da/dN（mm/次）
10－1
（1）疲劳载荷的性质和大小 σmax、和 r直接影响疲劳裂纹每 10－2
次的张开、闭合的幅度和向前推进的
进程。σmax越大，r值越低， 则
10－3
△σ 越大，相应的Kmax和△K越大，
da/dN就越大，疲劳寿命就越短。大 量实验证明， da/dN只与△K有关，
10－4
σ
σmax、σmin、 r、σm、σa
(1)静态拉、压载荷：
σa=0,r=1, σmax=σmin=σm
(2)拉伸变载荷:
0<r<1,0<σmin<σmax
(3)脉动载荷：
r=0,σmin=0
(4)对称载荷:
0
σmin＝-σmax, r=-1
(5)随机变载荷：
幅值、循环特征等呈随机变化的疲劳载荷。
σa
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（3） σmax-σmin表示法
C’C:r=0，脉动 C’B:r=-1，对称 C’D:r=1，静拉伸 C’A:r--∞，压缩
黄虚线：按安全 系数[σ]确定的工 程应用曲线
r=-1 B
σ-1 450
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1
1.2 不同点
不同点 载荷性质
脆性断裂 静载、冲击
疲劳断裂 疲劳
对温度的敏感性
敏感、低温易脆断
不敏感
受载次数
大于临界值，一次即可断裂 需几十～几百万次
断裂经历时间
大于临界值，瞬间断裂
需较长或很长时间
各种试件形式、位置及代号见表4， 焊接要素及代号见表5。
表1 焊接方法及代号
焊接方法 焊条电弧焊
代号 SMAW
钨极气体保护焊
GTAW
熔化极气体保护焊 埋弧焊
GMAW（含药芯焊丝电 弧焊FCAW）
SAW
（一）、“2002年考规”对八种焊接方 法的焊工考试作出规定，除此以外的 焊接方法都按四十三条规定进行考试 。
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11
σmax
低锰钢
低碳钢
r -1 0 1
对接-材质影响： 低锰钢VS低碳钢
σmax
加工
未加工 r -1 0 1
对接-加工影响： 加工VS未加工
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σmax
低锰钢
低碳钢 r
-1 0 1
十字接头未开坡口-材质影响： 低锰钢VS低碳钢
虑降低应力集中；减低焊接残余应力，预制压应力； 4.3 使用中的维护措施
防腐蚀处理。加强对运行结构的检查，及时发现和修复裂纹。
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14
1. 先焊纵向主焊缝。 2. 焊缝区表面消应力及压应力预制。 3. 配合的细节处理。 4. 后焊筋板；焊缝交叉点外引弧，焊到
200万次 r=0,脉动疲劳的 许用应力σmax=304Mpa
100万次 的 实验曲线
材料的静强度 σb=588Mpa
可求得r=1/2时，200 万次的疲劳强度
σmax＝412Mpa
2010第29期国际焊接工程师
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3、影响焊接接头疲劳强度的因素 3.1 影响疲劳载荷、环境效应的因素（外
2. 各种缺陷和孔洞；
3. 焊接变形错边、角变形；
4. 金属表面的粗糙度
（3）材质的纯度与材料的塑性和韧性
塑性和韧性对延缓裂纹的萌生和扩展有明显作用
（4）结构的残余拉应力
残余拉应力提高了疲劳循环的平均应力，加速疲劳破坏；
2010第29残期国余际焊压接应工程力师 可以阻止或减缓疲劳裂纹的萌生和扩展。
班 编稿上海交通大学陈立功
σ 0
1）振动时效的输入波形，
σ
动应力应小于σs/3；
σs
σa σmax
σ
2）当局部应力集中系数
K>1时的波形
0
r > rE 0
σs σ
σm
t
σmin
3）在高残余应力处的波形；实际
应力实质是由局部区域应变折算的
0
等效应力，大于σs区域发生屈服，
塑性应变的积累使峰值残余应力下
由此证明，振动时效可以有效降低峰值残余应力，对降整。体构件的疲劳寿命则无明显影响
断裂经历过程
断裂机制
宏观断口形貌
微观断口形貌
2010第29期国际焊接工程师 班 编稿上海交通大学陈立功
弹性能释放有余， 连续自动开裂
需要大于临界的扩展能
沿薄弱环节扩展， 错落交织人字纹
错层，河流样花纹
“张开－闭合”循环
张开－扩展， 闭合－硬化、锐化 带有幅射线的贝壳纹
疲劳辉纹
IWE-3/3.3 12-13接头和结构疲劳强度
E
σm
D
r
C
45O α
B σm σs
σm
σb(静载）
2010第29期国际焊接工程师
班 编稿上海交通大学陈立功
IWE-3/3.3 12-13接头和结构疲劳强度
6
OE：用σs 、σs线交E点，r>rE时，疲劳强度σmax= σm +σa＞ σs，接头塑性 好时，残余应力对疲劳强度没影响。（理解与应用）
度分散集中载荷，减小应力集中，做到刚柔相济；影响结构抗力的因素（内因） （2）细部设计：通过细部尺寸、形状的处理，做到粗细、厚薄、宽窄截面间的圆滑
过渡，减小应力集中； （3) 结构两部份相接区应平缓圆滑过渡； 4.2 工艺措施 易产生裂纹的缺口部位—预制压应力； 区分静载与动载的结构设计区别：避免焊接缺陷；避免空间交叉焊缝，同时又要考
2
2 疲劳强度的基本概念
2.1 疲劳应力循环应力的五个基本参数
σmax、σmin、 r、σm、σa
σ
(1)最大主应力:
σmax＝σm＋σa＝ σmin/r
(2)最小主应力:
σmin＝σm＋σa＝ r·σmax (3)应力循环特征系数:
r=σmin/σmax=(σm-σa)/( σm＋σa);
-1≤ r ≤1
σ-1
σ0
－1
0
σb
r 1
OA: σm =0，r=-1，对称载荷疲劳 OB：σa=0，r=1，静拉伸
σa σs
OC： σa 和σm皆不为0-拉伸变载荷疲劳
A
OD：r=0，脉动疲劳 OE：用σs 、σs线交E点，r>rE时， 疲劳强度σmax= σm +σa＞ σs，
σ-1 σa
接头塑性好时，残余应力对疲劳强度没影响。 O
σmax
加工
未加工
r
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-1 0 1
十字接头开坡口焊透-加工影响： 加工VS未加工
IWE-3/3.3 12-13接头和结构疲劳强度
σmax 丁字 十字 r
-1 0 1
焊缝不承受工作应力 的丁字和十字接头，
的疲劳强度
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对接+加工 -好 100%
搭接-焊脚为1:1, 40%
搭接-焊脚为1:2, 表面不加工，49%
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IWE-3/3.3 12-13接头和结构疲劳强度
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3.2 影响结构抗力的因素（内因）
（1）结构刚柔相济的程度
构件的整体刚度和强度是结构承载的根基；接头间的平滑、园滑、 柔韧程度，是减低应力集中敏感性的重要手段；
（2）结构上，特别是接头上的应力集中现像
1. 结构表面形状的突然变化；