一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法

摘要

本发明介绍了一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，以厚度16～20mm的桥梁用结构钢为基层，以厚度2～4mm的奥氏体不锈钢为复层，将焊接坡口两边的复层材料每边预先去除掉3～6mm，坡口角度45°～65°，坡口间距4～8mm；先装配定位焊，然后CO2气体保护焊进行打底焊接；再埋弧焊进行基层焊接；最后采用CO2气体保护焊进行过渡层和复层焊接。本发明采用特定坡口型式，排除了不确定的人为因素，解决了基层熔敷金属厚度不足、基层焊接时复层被误熔化等问题；反面成形好，免去了反面清根工序；装配质量好；容易实现机械化和自动化，提高了生产效率；便于保证复层的耐腐蚀性能。

说明书

技术领域

本发明涉及属于不锈钢复合钢板的焊接技术领域，特别是一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法。

背景技术

不锈钢复合钢板是理想的工程结构材料，它有广泛的材料组合和厚度比，使材料在性能上和尺寸上达到完美的匹配，充分发挥材料的优点，得到既有复层材料的良好耐蚀性，又有基层材料的高强度和韧性，因此往往是设计师在解决复杂和重要工程结构时首选的材料。随着桥梁建设的飞速发展，采用新技术、新材料并突出创新性成为大桥设计者的指导思想。不锈钢复合钢板用于桥梁建造中，不仅可以充分发挥复层材料和基层材料各自的优点，还可以使大桥自身的重量大大减轻。

目前不锈钢复合钢板是否可以用于钢桥面的关键问题之一就是不锈钢复合钢板自身的焊接难题，不锈钢复合钢板是由化学成分、力学性能和焊接性有重大差异的两层钢材复合而成，因而不可能用单一焊接材料和焊接工艺进行焊接，而且常用的不锈钢复合钢板的焊接工艺又不适合桥面结构的大规模生产，焊接工人劳动强度大，生产效率低，而且焊缝质量不易保证。本专利中提出了一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，解决了铁路钢桥用不锈钢复合钢板的焊接难题，同时又提高了生产效率，不锈钢复合钢板焊接问题的成功解决将会大大加快不锈钢复合钢板在桥梁中的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，特别是一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法。

本发明进一步解决的技术问题是所提供的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，能够在避免不锈钢复合钢板桥面结构焊接后的反面清根的同时又可得到良好的背面成形。

本发明更进一步解决的技术问题是提供的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，保证基层焊缝熔敷厚度的前提下又可防止在基层焊接时复层材料被熔化的缺点，还可以降低焊接工人劳动强度，提高生产效率。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，该铁路钢桥用不锈钢复合钢板以厚度为16mm～20mm的GB/T714-2000桥梁用结构钢为基层，以厚度为2mm～4mm的奥氏体系不锈钢为复层，特征在于焊接方法包括加工特定的坡口型式和焊接操作，所述的加工特定的坡口型式是将焊接坡口两边的复层材料在坡口的两边每边预先去除掉3mm～6mm，坡口角度是45°～65°，坡口间距为4～8mm；焊接操作是先装配定位焊，然后采用CO2气体保护焊的方法进行打底焊接；再采用埋弧焊的方法进行基层焊接，焊接基层各个焊道；基层焊道焊满后依次采用CO₂气体保护焊的方法进行过渡层焊接和复层焊接。例如，复层奥氏体系不锈钢可以为321或347等奥氏体系不锈钢；基层的材质碳素钢或低合金钢可以为Q370q或Q420q等桥梁用结构钢。

本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，将焊接坡口两边的复层材料在坡口的两边的上层钢板材料每边预先去除掉3mm～6mm，其作用是将基层与复层焊接区域明显区别开来，从而使基层焊接时又不会将复层材料熔化，而且只要把基层部分坡口填满，就可以保证基层焊缝厚度，从而也满足了接头设计强度要求。这种接头型式避免了传统坡口型式完全靠焊工的精心操作来保证焊接质量的不确定性。

本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，其优选的技术方案是：所述的装配定位焊以复层为基准，基层坡口下方加陶瓷衬垫。该衬垫仅在焊接时起到背面成形作用，选用普通的结构陶瓷材料即可。

本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，其优选的技术方案也可以是：所述的打底焊接是采用CO₂气体保护焊的方法打底两道。这是由于CO₂气体保护焊属于明弧焊，电弧可见性好，焊接变形小，操作简单，容易掌握，便于控制装配质量，得到良好的背面成形。

本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，其优选的技术方案也可以是：所述的基层焊接采用CO₂气体保护焊的方法打底两道后，基层其余各焊道采用埋弧焊的方法进行焊接。这是因为埋弧焊熔深大，生产效率高，机械化程度高，劳动强度低，焊缝质量优良，容易实现生产过程的机械化和自动化，便于工厂的大规模生产。

本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，其优选的技术方案也可以是：所述的过渡层焊接选用25％Cr-13％Ni型奥氏体焊材，过渡层焊道应高出复合界面0.5～2.0mm，焊接方法选用CO₂气体保护焊。焊接过渡层的目的，主要是为了补偿复层由于稀释所引起的铬、镍等合金元素的降低，使复层焊缝的合金成分保持应有的水平。过渡层选用合金含量高的填充金属目的是弥补基层材料的稀释作用，从而杜绝脆性成分熔敷金属的形成并保证复层材料的抗腐蚀性能。过渡层焊道高出复合界面0.5～2.0mm，过渡层的焊接方法选用CO₂气体保护焊，是因为过渡层的埋弧自动焊工艺不易控制，而CO₂气体保护焊属于明弧焊，焊接变形小，容易控制工艺，与常规的不锈钢复合钢板焊接方法相比，具有焊接工人劳动强度低和生产效率高的优点。

本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法，其优选的技术方案还可以是：所述的复层焊接采用CO₂气体保护焊的方法进行焊接。这种焊接方法既可降低焊接工人的劳动强度，又不容易将过渡层焊穿。

本发明所称的“不锈钢复合钢板”，是指以桥梁用结构钢等碳素钢或低合金钢为基层，在其一面或两面整体包覆一定厚度不锈钢的复合材料。本发明所称的“基层”，是指不锈钢复合钢板中主要承受结构强度的桥梁用结构钢。本发明所称的“复层”，是指不锈钢复合钢板中接触工作介质起耐腐蚀作用的不锈钢层。本发明所称的“复合界面”，是指不锈钢复合钢板复层和基层之间的分界面。本发明所称的“过渡层”，是指为防止基层成分对复层焊缝金属的不利影响，以保证接头质量和性能，预先在基层焊缝金属表面熔敷一层规定成分的金属层。

通过采用上述的技术方案，本发明一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法具有以下的有益效果：

1、采用特定坡口型式，从根本上排除了不确定的人为因素，包括基层熔敷金属厚度不足、基层焊接时复层被误熔化等问题。

2、反面成形好，免去了反面清根工序。

3、装配质量好，错边量小。

4、容易实现生产过程的机械化和自动化，提高了生产效率，降低了焊接工人劳动强度，便于工厂的大规模生产。

5、便于保证复层的耐腐蚀性能。

附图说明

图1是本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法中加工的坡口型式图。

图2是本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法具体的焊道图。

图3是本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法加工的不锈钢复合钢板焊接接头弯曲后的试样照片。

图4是本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法焊接的复层接头晶间腐蚀试验后的试样照片。

图5是本发明的一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构的焊接方法焊接的复层接头间浸腐蚀试验后的试样照片。

图中，1～2为基层打底焊道，3～4为基层其余各焊道，5～7为过渡层焊道，8～10为复层焊道，11为复层，12为基层，13为坡口间距，14为坡口角度，15和16为预先去除掉的复层材料的宽度，17为陶瓷衬垫。

具体实施方式

实施例1

一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构焊接方法，所述不锈钢复合钢板材质组合为321-Q370qE，其中复层不锈钢321厚度为3mm，基层Q370qE厚度为16mm。将6组尺寸为(3+16)×200×600mm的321-Q370qE不锈钢复合钢板按图1的方式加工坡口。复层材料在坡口的两边每边预先去除掉3mm，坡口角度是50°，坡口间距为6mm。

焊接试验条件如下：

焊接设备：YM-500KR2唐山松下CO₂气体保护焊接设备、MUDE-1250上海恒通自动埋弧焊设备。

基层焊材：打底焊接YCJ501Ni-1、其余基层各焊道为H08Mn2E+SJ101q。

过渡层焊材：GMX309L，Ф1.2mm。

复层焊材：YCA132，Ф1.2mm。

焊道图见图2，焊接工艺参数见表1。

表1焊接工艺参数

实施例2

一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构焊接方法，所述不锈钢复合钢板材质组合为347-Q370qE，其中复层不锈钢347厚度为4mm，基层Q370qE厚度为20mm。将5组尺寸为(4+20)×200×600mm的347-Q370qE不锈钢复合钢板按图1的方式加工坡口。复层材料在坡口的两边每边预先去除掉6mm，坡口角度是45°，坡口间距为8mm。

焊接试验条件如下：

焊接设备：YM-500KR2唐山松下CO₂气体保护焊接设备、MUDE-1250上海恒通自动埋弧焊设备。

基层焊材：打底焊接SQJ501Ni、其余基层各焊道为H08Mn2E+SJ101q。

过渡层焊材：GFS309L，Ф1.2mm。

复层焊材：GFS347L，Ф1.2mm。

焊道图见图2，焊接工艺参数见表2。

表2焊接工艺参数

实施例3

一种铁路钢桥用不锈钢复合钢板桥面结构焊接方法，所述不锈钢复合钢板材质组合为321-Q420qE，其中复层不锈钢321厚度为3mm，基层Q420qE厚度为16mm。将8组尺寸为(3+16)×200×600mm的321-Q420qE不锈钢复合钢板按图1的方式加工坡口。复层材料在坡口的两边每边预先去除掉5mm，坡口角度是65°，坡口间距为4mm。

焊接试验条件如下：

焊接设备：YM-500KR2唐山松下CO₂气体保护焊接设备、MUDE-1250上海恒通自动埋弧焊设备。

基层焊材：打底焊接SQJ501Ni、其余基层各焊道为CJQ-1+SJ101q。

过渡层焊材：GFS309L，Φ1.2mm。

复层焊材：GFS347L，Φ1.2mm。

焊道图见图2，焊接工艺参数见表3。

表3 焊接工艺参数

焊后分别对以上3组实施例中的铁路钢桥用不锈钢复合钢板焊接接头进行了外观检测、无损检测、力学性能检测、在-40℃、-30℃、-20℃、0℃、20℃、40℃系列温度冲击韧性检测、抗腐蚀性能检测、焊缝区、热影响区和熔合线三区全断面维氏硬度检测、指定寿命下的疲劳极限检测、复层熔敷金属化学成分分析和接头各区金相组织观察试验，试验结果如下：

(1)焊缝外观质量良好；无损检测均满足标准JB/T4730-2005中I级要求和TB10002.2-2005对接焊缝的要求。

(2)焊缝金属强度与铁路钢桥用不锈钢复合钢板母材理想匹配；系列温度下接头1.0mm热影响区、熔合线和焊缝中心三区的平均冲击功AKV均满足TB10002.2-2005标准的指标要求，并达到了较高的水平。

(3)弯曲性能合格，拉伸面完好，无任何缺陷，弯曲后的试样照片见图3。

(4)指定寿命为2×10⁶的条件疲劳极限不低于140Mpa。

(5)复层焊缝金属的化学成分与复层母材的化学成分相似，保证了复层焊缝具有与复层母材相近的抗腐蚀性。

(6)复层焊缝晶间腐蚀试验结果符合GB/T4237-2007《不锈钢热轧钢板和钢带》标准的规定，耐晶间腐蚀性能良好，试验后的晶间腐蚀试样照片见图4。

(7)复层焊接接头在含有0.1％NaCl、加入少量H₂SO₄、PH＝5的腐蚀试验溶液中经过74天的间浸腐蚀试验后，试样腐蚀形貌为比较均匀的全面腐蚀，腐蚀较轻微，没有发现腐蚀坑，焊缝区与其它部位腐蚀情况没有看到差异，试样照片见图5。经过重量损失测量，该组不锈钢复层焊接接头试样的平均腐蚀速度为1.47×10^-4mm/年。

(8)接头焊缝区、热影响区和熔合线三区全断面维氏硬度均小于225HV₁₀，接头三区全断面均未出现硬化现象，焊接时可防止裂纹产生。

(9)基层焊缝金属组织为已细化的先共析铁素体和大量的针状铁素体，从而保证了焊缝金属具有优良的低温韧性。