《激光重熔改性处理对 Q355 焊接接头高周疲劳性能影响研究》

来源：《华南理工大学学报 (自然科学版)》

中文标题：《激光重熔改性处理对 Q355 焊接接头高周疲劳性能影响研究》

作者：康澜，刘浩宇，周梓豪

发表期刊：《华南理工大学学报 (自然科学版)》

发表信息：2025 年第 6 期，第 94‑102 页
作者单位：华南理工大学土木与交通学院、华南理工大学金属材料先进加工国家重点实验室
基金项目：广东省基础与应用基础研究基金（2023A010113124）

摘要

焊接接头焊趾部位几何缺口、组织不均匀，是钢结构疲劳破坏最常萌生裂纹的位置，直接影响吊车梁、钢桥、大跨度屋盖等循环荷载下钢结构的服役寿命。传统打磨、TIG 熔修工艺改善疲劳性能的提升效果有限，且人工操作质量离散性大。本文针对工程广泛使用的 Q355B 钢对接焊接接头，开展激光重熔改性处理工艺试验，对比原始焊态接头与激光重熔处理接头的高周疲劳力学行为；开展拉伸试验、高周疲劳加载试验，结合扫描电镜 SEM 断口观测，拟合得到两类接头 S‑N 疲劳曲线；分析激光重熔改善疲劳性能内在机理。试验结果表明：激光重熔可消除焊趾尖锐缺口，改变疲劳裂纹萌生位置，接头疲劳寿命提升幅度 260%‑470%；焊态接头裂纹大多起源于焊趾表面缺口；激光重熔后裂纹转移至重熔区边缘。同时对比国内外钢结构规范疲劳设计曲线，指出激光重熔改性后的接头疲劳等级可提升 2 级以上。研究可为承受反复动荷载钢结构焊接接头抗疲劳强化工艺提供试验依据。

English Abstract

Weld toe geometrical notches and microstructure inhomogeneity of welded joints are the most frequent crack initiation sites for steel structures under cyclic loads, which directly govern the service life of crane girders, steel bridges and long‑span roof structures. Conventional grinding and TIG dressing have limited improvement on fatigue performance, and manual workmanship brings large dispersion. In this paper, laser remelting modification treatment is carried out on Q355B butt welded joints widely used in engineering. High‑cycle fatigue tests, tensile tests and SEM fracture observation are performed for both as‑welded and laser‑remelted specimens, and S‑N curves are fitted. The internal mechanism of fatigue improvement by laser remelting is revealed. Test results show that laser remelting eliminates sharp notches at weld toe and changes crack initiation location, fatigue life increases by 260%‑470%. Cracks of as‑welded specimens mostly initiate from weld‑toe notches, while cracks transfer to remelting‑zone edge after laser remelting. Compared with standard fatigue curves, laser‑remelted joints achieve more than two fatigue class promotion. This study provides test support for anti‑fatigue strengthening technology of welded joints under cyclic dynamic load.

研究背景

一、钢结构焊接接头疲劳工程痛点

吊车梁、公路钢桥、大跨度会展屋盖、立体车库等钢结构长期承受循环动荷载，疲劳开裂是主要失效模式之一。大量工程失效案例表明，绝大多数疲劳裂纹起始于焊接接头焊趾位置。根源在于焊趾存在应力集中缺口，同时焊接热循环带来金相组织变化、残余拉应力，多重因素耦合，大大降低接头疲劳寿命。

二、现有焊后改善工艺局限性

工程现有改善焊趾疲劳的手段主要有机械打磨、TIG 熔修、超声波冲击处理。机械打磨人工操作，打磨深浅、圆弧过渡质量因人而异，质量不稳定；TIG 熔修依靠钨极氩弧焊重新熔合焊趾，热输入偏大，会带来新的残余应力；超声波冲击设备现场施工效率有限，大面积工程推广成本较高。因此行业需要新的自动化、质量稳定性高的焊趾改性工艺。

三、激光重熔工艺发展现状

激光重熔属于表面改性技术，采用高能激光束扫描焊趾局部区域，使表层金属快速熔化再快速凝固，不添加填充金属。可以把尖锐焊趾缺口熔化成平滑圆弧，同时快速冷却改变表层微观组织。目前该工艺在机械零部件领域研究较多，但面向建筑钢结构 Q355 系列钢材焊接接头的高周疲劳系统试验数据较少，缺少与国内钢结构设计规范对接，制约该工艺在建筑钢结构工程落地应用。基于此开展本次系统试验研究。

研究内容

（一）试件制备与试验方案

制作 Q355B 钢板对接焊接试件，分为两组对照组：
A 组：原始焊态对接接头，不做任何后处理；
B 组：焊后采用激光重熔对焊趾两侧进行扫描改性处理；
控制激光功率、扫描速度、光斑尺寸等工艺参数。

试验项目包含：母材与接头静力拉伸试验；高周疲劳试验（应力比 R=0.1）；扫描电镜 SEM 断口形貌观测，识别裂纹源位置。

（二）静力与疲劳试验结果分析

1. 静力拉伸：激光重熔处理对接接头静力抗拉强度、屈服强度与原始焊态接头无显著差异，说明该工艺不降低接头静载强度。
2. 高周疲劳性能：同等应力幅条件下，激光重熔试件疲劳寿命相比原始焊态提升 260%‑470%。拟合得到两组试件 S‑N 曲线，对比 GB 50017‑2017 钢结构设计标准疲劳分类，原始焊态接头对应 Z3 类；激光重熔处理后接头疲劳等级提升至 Z1 类，提升 2 个疲劳等级。

（三）断口微观失效机理分析

原始焊态试件：疲劳裂纹全部起始于焊趾表面缺口位置，焊趾应力集中是主导诱因，断口可以看到典型棘轮状疲劳源区。
激光重熔试件：尖锐焊趾缺口被熔化消除；疲劳裂纹不再起源于原焊趾，多数起源于激光重熔区域边缘位置。快速熔融‑凝固带来晶粒细化，改善表层组织，但重熔区与母材交界位置仍存在应力梯度，成为新的薄弱位置。

（四）工艺影响因素和工程应用边界讨论

参数分析表明：激光功率过低，无法充分熔合焊趾缺口，改善效果有限；功率过高会造成局部过烧、产生表面微缺陷，反而损害疲劳性能。因此需要匹配合理功率与扫描速度。
同时指出工艺适用边界：激光重熔改善高周疲劳（高应力循环次数）效果突出；对于低周大应变地震往复荷载场景，提升效果有限，不可盲目套用。现场工程使用前需要小试样工艺评定，确定最优工艺窗口。

结论

（1）Q355B 对接焊接接头，激光重熔表面改性不会降低接头静力抗拉、屈服性能，可显著提升高周疲劳寿命，同等应力幅条件疲劳寿命提升 260%‑470%。
（2）原始焊态接头疲劳裂纹萌生位置集中在焊趾缺口；激光重熔消除焊趾尖锐缺口，裂纹源转移至重熔区边界，接头疲劳等级较原始焊态提升 2 级以上。
（3）激光重熔工艺参数窗口较窄，功率过低达不到改性效果，功率过高会引入新表面缺陷；实际工程应用前必须开展工艺评定，确定合理激光功率、扫描速度参数。
（4）该工艺更适合吊车梁、钢桥等以高周疲劳控制的构件；针对地震作用主导的低周往复受力节点，疲劳改善增益有限，不宜作为主要抗震强化手段。可为建筑钢结构焊接接头抗疲劳提升提供新的技术路径。