铁路钢桥用高强度不锈钢复合钢板力学性能及焊接工艺研究

Research on Mechanical Properties and Welding Procedures of High-Strength Stainless-Clad Bimetallic Steel Plates for Railway Steel Bridges

摘要

为研究铁路钢桥用高强度不锈钢复合钢板的基本力学性能和焊接工艺，对S31603+Q500qE复合钢板及其两类焊接接头开展了拉伸、冲击、冷弯及维氏硬度试验研究，并对复合界面进行了剪切与粘结性能试验。基于试验结果，得到了高强度不锈钢复合钢材的拉伸力学指标、复合界面强度及冲击韧性指标，并对其冷弯成型性能进行了试验验证；同时获得了两类焊接接头的拉伸力学指标、冲击韧性指标及硬度分布规律。结果表明：高强度不锈钢复合钢材的基本力学性能均满足规范要求，复合界面强度远超规范限值，并随基层强度提高而增大；两类焊接接头的力学性能差异较小，接头WI低温冲击韧性表现更优，接头WII在低温下的冲击韧性及硬度分布略有降低，但两类焊接接头的冲击韧性均满足规范要求，可为不锈钢复合钢材简化焊接工艺的应用提供参考。

Abstract

To study the basic mechanical properties and welding procedures of high-strength stainless-clad bimetallic steel for railway steel bridges， a series of tests were conducted on the S31603+Q500qE stainless-clad bimetallic steel plates and two types of butt joints. These tests included tensile， Charpy impact， cold bending and Vickers hardness tests. Additionally， shear and combine tests were performed on the bonding interface. Based on the test results， the tensile properties， interface bonding strength， and impact toughness for the high-strength stainless-clad bimetallic steel plate were determined， and their cold bending performance was verified. Furthermore， the tensile properties， impact toughness and Vickers hardness distribution patterns of the butt joints were obtained. The results demonstrate that the basic mechanical properties of the high-strength stainless-clad bimetallic steel meet the specification requirements. Meanwhile， the interfacial bonding strength significantly exceeds these requirements and increases with the strength of base material. The mechanical properties of the two butt joints show minimal differences， with both meeting the impact toughness specifications. However， the impact toughness and hardness distribution of joint WII are slightly lower at low temperatures， while joint WI shows relatively better impact toughness at low temperatures. These findings provide a reliable reference for simplifying the welding procedures for high-strength stainless-clad bimetallic steel.

Graphical abstract

关键词

铁路钢桥 / 高强度不锈钢复合钢 / 焊接工艺 / 对接接头 / 力学性能 / 复合界面 / 冲击韧性

Key words

railway steel bridge / high-strength stainless-clad bimetallic steel / welding procedure / butt joint / mechanical property / bonding interface / impact toughness

钢桥面板的传统防腐措施主要包括涂层防护、阴极保护和提升钢材耐蚀性能^［1］。然而，涂层防护和阴极保护耐久性有限、维护成本高，且存在一定环境污染风险，不利于铁路桥梁结构的全生命周期建设^［2-3］。因此，提高钢材耐蚀性能、推广新型耐腐蚀高性能钢材应用，成为构建新型铁路桥梁结构的重要技术途径。以不锈钢复合钢板为代表的新型双金属复合钢材可有效解决桥面的防腐和耐久性问题^［4］。

不锈钢复合钢板通过轧制、爆炸等工艺实现了不锈钢复层与结构钢基层的冶金结合^［5］。该工艺不仅保留了高性能材料（不锈钢）的优异性能，还大幅减少了贵金属的用量、降低生产成本，因此具有更高的性价比和更优的综合社会经济效益。目前，不锈钢复合钢板已在桥梁工程及建筑结构幕墙中得到应用；五峰山长江大桥、南淝河大桥及经开区大桥采用了316L+Q370q、321+Q345q不锈钢复合钢板作为铁路钢桥与道砟直接接触的钢面板^［6-7］；马来西亚进出口银行大厦、广州富力盈凯大厦的幕墙采用了不锈钢复合钢板作为幕墙支撑构件^［8］。除此之外，该类钢材在各类对耐蚀性有较高要求的工程、桥梁结构、工业建筑及海洋工程中均具有广阔应用前景。

目前，国内外学者对不锈钢复合钢板的力学性能开展了充分研究^［4］。拉伸性能方面，试验研究表明304L+A516Gr60^［9］、316+A283^［10］、316+Q235B^［11］等不同牌号复合钢的材料力学性能指标均可采用混合法则加权简化计算；作者团队^［12］测定了高温下316L+Q235B不锈钢复合钢板的力学指标。针对双金属复合板的拉伸断裂理论，有学者结合界面强度与两层金属协同工作机理，提出不锈钢复合板的三类拉伸断裂模式^［13-16］，并分析了微观力学性能与断裂模式的关系^［17］。复合界面性能方面，研究聚焦于力学性能与焊接工艺的关系，从强度特征、微观组织、工艺参数等角度开展系统分析^［18-21］，验证了复合界面可满足工程正常使用要求。焊接工艺层面，多数研究遵循基层与复层分别焊接的原则进行焊缝构造与质量的研究^［22-24］；作者团队^［25］针对不锈钢复合钢板三种不同构造的对接接头，开展了力学试验、微观组织分析及耐腐蚀试验研究，对宏观力学性能进行微观机理分析。结构构件层面，ZHAO等^［26-27］对不锈钢复合钢圆管构件开展了残余应力试验研究，首次建立双金属复合钢构件残余应力模型；MEI等^［28-29］开展双金属复合板弹塑性理论分析与公式推导，给出了无缺陷与有缺陷板件的承载力修正公式；BAN等^［30］基于箱形截面短柱试验建立有限元模型，提出了适用于不锈钢复合钢材箱形焊接短柱的宽厚比限值与局部稳定承载力设计方法。

现有研究从基本力学性能、焊接工艺评定及构件力学性能等角度对不锈钢复合钢材钢结构进行了充分研究，建立了完整的研究方法。但已研究的不锈钢复合钢板多为不锈钢与普通结构钢的组合，尚未见针对高强度不锈钢复合钢板的研究。随着我国现代钢结构对高强度钢材需求持续提升、相关研究不断深入^［31-33］，高强度化成为不锈钢复合钢材的重要发展方向。结合不锈钢复合钢材在桥梁领域的广阔应用前景，亟需开展桥梁用高强度复合钢材的专项研究。

基于此，本文以铁路钢桥用S31603+Q500qE高强度不锈钢复合钢板为研究对象，开展母材及两种对接接头的基本力学性能试验研究，包括拉伸、冲击性能测试、复合界面剪切与粘结性能试验、母材冷弯试验以及两种对接接头的维氏硬度试验。试验结果可为铁路钢桥用高强度不锈钢复合钢材的焊接工艺优化与工程应用提供依据。

1 试验方案

试件采用不锈钢复合钢板加工，复层为3 mm厚的S31603不锈钢，基层为16 mm厚Q500qE的高强桥梁钢。母材及两类焊缝对接接头的静态拉伸试验、复合界面的剪切和粘结性能试验在清华大学土木工程系结构实验室完成；母材及两类对接接头的夏比冲击试验、母材冷弯试验、两类对接接头的维氏硬度试验在中铁山桥集团有限公司完成。试件均采用线切割加工，各试验类别及编号如表1所示。其中，各试件组编号由试件名称缩写与对应材料名称缩写或代号组成，例如，静态拉伸试验母材的试验组中，“TC”代表静态拉伸试件，“BM”代表母材；对于界面剪切和粘结试验，由于只能对母材开展试验，因此省略材料名称缩写，直接将试验组命名为“S”和“C”。

1.1 母材试验

静态拉伸试件尺寸与加载方案根据《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2021）^［34］确定，试件实物及尺寸如图1所示，共设计3个平行试件。加载时应变率控制为0.000 25 s^-1，满足规范应力-应变全曲线测量要求。试件两侧粘贴应变片并架设引伸计，应变片用于测量弹性阶段的应变数值以计算弹性模量，引伸计用于获取试验全程应变数值。

界面剪切试验用于测定不锈钢复合钢板界面的抗剪强度，试件尺寸与加载方案根据《复合钢板力学及工艺性能试验方法》（GB/T 6396—2008）^［35］确定，如图2所示，共设计4个平行试件。采用应力控制加载，速率为1~3 N∙（mm²·s）^-1。

界面粘结试验用于测定不锈钢复合钢板界面法向粘结强度，试件尺寸与加载方案根据《复合钢板力学及工艺性能试验方法》（GB/T 6396—2008）^［35］确定，如图3所示，共设计4个平行试件，加载方式与加载速率与剪切试验相同。

1.2 焊缝对接接头试验

两类焊缝对接接头的几何构造符合《不锈钢复合钢板焊接技术要求》（GB/T 13148—2008）^［36］，二者构造分区如图4所示，各分区焊接方式、焊材种类、焊道数量及焊接热输入数据如表2所示。两类接头核心区别为：是否在不锈钢复层和结构钢材基层之间增加一层过渡焊接构造，WI接头按规范设置过渡层并采用不同的焊材；WII接头采用简化焊接工艺，过渡层焊材与复层一致。两类对接接头均采用钨极惰性气体保护焊（TIG），基层与复层保护气体均为氩气（Ar）。

对接接头的静态拉伸试验方案与母材相同，试件尺寸和加载方案根据《复合钢板 焊接接头力学性能试验方法》（GB/T 16957—2012）^［37］及《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2021）^［34］确定，试件实物如图5所示。

1.3 其他试验

冷弯试验用于验证金属材料承受弯曲塑性变形的能力，对于复合钢板而言，三个方向冷弯效果不同，分为内弯（受拉面为基层）、侧弯（受拉面为复合钢板横截面）、外弯（受拉面为复材）三种方案，其中内弯试验也称为结合度试验。试件设计与试验过程依据《复合钢板力学及工艺性能试验方法》（GB/T 6396—2008）^［35］及《复合钢板 焊接接头力学性能试验方法》（GB/T 16957—2012）^［37］执行。

夏比冲击试验用于测定复合钢材冲击韧性，试件尺寸根据《复合钢板力学及工艺性能试验方法》（GB/T 6396—2008）^［35］、《复合钢板 焊接接头力学性能试验方法》（GB/T 16957—2012）^［37］及《焊接接头冲击试验方法》（GB/T 2650—2008）^［38］设计，试验过程根据《金属材料 夏比摆锤冲击试验方案》（GB/T 229—2020）^［39］进行。

维氏硬度试验用于测定两类对接接头焊缝区、热影响区及母材区的硬度，试验过程根据《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》（GB/T 4340.1—2024）^［40］进行。

本研究中所用的不锈钢复合钢材基层材料属于桥梁用结构钢，其设计要求高于普通结构钢设计要求，除铁路钢桥外，也可运用于其他结构工程。考虑到铁路钢桥使用过程中易受疲劳荷载作用，后续需开展专项疲劳力学性能研究。

2 母材试验结果及分析

表3为S31603+Q500qE不锈钢复合钢板的化学成分标准值，试验检测依据为《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》（GB/T 4336—2016）^［41］。

2.1 拉伸性能试验结果与分析

母材拉伸试件断裂形态如图6所示，应力-应变曲线见图7。应变较小时试件处于弹性阶段，无明显塑性变形；达到屈服点后应力上升变缓，变形迅速增大，应变较大时出现荷载峰值，随后进入颈缩阶段直至断裂。试件TC-BM3应变发展整体小于其他两个试件应变发展，这是由于拉伸试验中测量应变的引伸计标距较小，该试件的颈缩位置偏离中心，引伸计未覆盖颈缩变形区，导致试件TC-BM3的应变发展显著低于其他两个试件的应变发展。断裂过程中两层金属几乎同时断裂，没有观察到明显的分阶段断裂现象，表明两层金属拉伸协同工作性能良好；断口可见界面轻微分离，主要原因在于基层与复层金属的延性存在差异，在颈缩阶段，两层金属产生明显的横向应变不协调，进而导致界面出现轻微分离。

表4为母材力学性能参数，包括名义屈服强度σ_0.2、极限抗拉强度σ_u、弹性模量E₀和断后伸长率A，取塑性应变为0.2%时对应的名义强度作为屈服强度，断后伸长率A为试件四面测量平均值。根据《不锈钢复合钢板和钢带》（GB/T 8165—2025）^［5］，复合钢板屈服强度、抗拉强度不低于基层对应厚度钢板标准下限，断后伸长率不低于基层标准值。由表4可知，该批次高强度复合钢板拉伸力学指标均满足规范要求。此外，图7中应力-应变曲线的末端并非试件的实际断裂点，该现象主要是由于试件发生明显颈缩、应力水平出现显著下降后，为保护试验仪器而撤除引伸计、停止应变测量导致的，因此曲线末端对应的应变值与表4中测定的断后伸长率无直接对应关系。

2.2 冷弯及夏比冲击试验结果与分析

对不锈钢复合钢板进行冷弯试验，分别沿着复层、基层和侧面进行面弯、背弯和侧弯试验，测试三向冷弯性能与复合界面的结合度，弯曲后的部分试件如图8所示。可以看出，试件弯曲后无明显的开裂、界面分离等现象，表明试件的冷弯性能满足要求，且复合界面结合状态良好，可满足冷弯构件的加工制作需求。

夏比冲击试验共9个试件，分为3类：分别为基层取样试件、复层取样侧面开槽试件、复层取样钢侧开槽试件（复层厚度为3 mm，标准夏比冲击试件厚度为10 mm，复层取样试件含复合界面与部分基层），每类3个试件，在-40 ℃环境下进行冲击试验。不同缺口位置呈现两类断裂形态（图9）：（1） 复层取样侧面开槽试件折断，不锈钢复层与高强钢基层均沿冲击方向断裂，复合界面几乎没有分离；（2） 复层取样钢侧开槽试件出现界面分离，这主要是由于基层大塑性应变与断裂引发界面破坏，基层完全断裂、复层大曲率弯曲但无明显断口。三类试件的试验结果如表5所示。根据《不锈钢复合钢板和钢带》（GB/T 8165—2025）^［5］，复合钢板冲击吸收能量应符合基层对应厚度钢板的要求，即不低于120 J^［42］。三类试件依据《复合钢板力学及工艺性能试验方法》（GB/T 6396—2008）^［35］规定取样时应靠近基层表面取样，即仅采用表5中“基层取样”试件即可）的平均值均超过标准值，表明不锈钢复合钢板冲击性能优异，不同部位均能满足规范要求。两类复层取样试件的冲击吸收能量均小于基层取样试件的冲击吸收能量，说明相同条件下，复合界面的存在及异种金属协同工作会一定程度降低整体冲击韧性。

2.3 复合界面剪切及粘结试验结果与分析

界面剪切试验共4个试件，试件整体断裂形态基本一致（图10）。界面抗剪强度为最大荷载除以剪切面面积，结果如表6所示；可以看出本批高强度不锈钢复合钢板的界面剪切强度均较高，超过标准规定限值210 MPa。

界面粘结试验共4个试件，各试件断裂形态一致（图11）。界面粘结强度为最大荷载除以粘结截面面积，试验结果如表6所示，现行国标未规定界面粘结强度限值。结合复合界面剪切与拉伸试验结果可知，桥梁用高强度不锈钢复合钢板的复合界面性能优异，可保证两层金属在受力过程中能较好地协同工作。

3 对接接头试验结果及分析

对两类焊缝对接接头进行化学成分分析，结果如表8所示，现行规范未对对接接头化学成分作出规定。对比两类对接接头的化学成分可以看出，基层、复层化学成分差异较小，原因为两类对接接头的基层与复层的焊接材料相同、检测区域一致；表明过渡区焊材类型改变对基层和复层主体区域的化学成分影响微弱。

3.1 拉伸性能试验结果与分析

两类对接接头各3个平行试件，断裂形态见图12。可以看出，试件的断裂位置均位于焊缝外区域，表明对接接头本身的破坏要晚于母材破坏，两类焊接工艺均满足静力承载质量要求。表9给出了两类对接接头的关键力学性能参数，可以看到，两类接头的各项力学性能指标差值较小，说明两种焊接工艺对拉伸力学性能无显著影响，且均满足规范规定的不低于母材强度标准下限的要求。

图13为两类对接接头试件的应力-应变曲线。可以看出，同类试件峰值前曲线相近，峰值后差异明显，原因在于引伸计标距较小，部分试件的颈缩超出引伸计测量范围，导致应变测量存在差异（特别是颈缩后）。《不锈钢复合钢板焊接技术要求》（GB/T 13148—2008）^［36］给出了复合钢板对接接头的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率标准值计算方法，结果见表9，两类对接接头拉伸性能均满足规范要求。对比两类对接接头与母材的拉伸试验数据，二者的极限强度相近；结合接头断裂位置可知，两类对接接头强度均不低于母材强度，满足设计使用要求。

3.2 夏比冲击试验结果与分析

对两类对接接头分别开展4类夏比冲击试验，对每类试件在2种温度（-40 ℃和-25 ℃）下各进行3次重复试验。试件分基层取样、复层取样两类（由于复层厚度为3 mm，而标准夏比冲击试件厚度为10 mm，复层取样试件含复合界面与部分基层），开槽方向均在试件侧面，缺口位置分别位于焊缝区与热影响区，根据《复合钢板 焊接接头力学性能试验方法》（GB/T 16957—2012）^［37］通过焊缝周围熔合线位置判断焊缝区与热影响区的缺口开口位置，试验结果如表10所示（括号内为重复试验的平均值）。规范要求复合板焊接接头冲击试验靠近基层一侧取样（即表10中“基层取样”试件）。基层取样试件的冲击吸收能量均高于《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10091—2017）^［43］中限值54 J；此外，复层取样试件的冲击吸收能量略有降低，但高于公路标准《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范》（JTG/T 3651—2022）^［44］中薄板对接接头限值27 J，两类对接接头的冲击性能均满足相关规定。试验结果表明，两类焊接工艺对接头冲击性能影响较小，简化焊接工艺后其冲击性能仍满足规范要求；复层取样试件的冲击吸收能量整体低于基层取样试件的冲击吸收能量，表明复层存在会影响对接接头的冲击性能。-40 ℃时，WI接头各区域的冲击吸收能量略高于WII接头的冲击吸收能量；-25 ℃时，两类对接接头各区域的冲击吸收能量差异不明显，表明简化焊接工艺虽会在一定程度上降低接头低温冲击性能，但整体性能仍满足相关规范要求。

3.3 维氏硬度试验结果

硬度反映金属材料在局部范围内抵抗外物压入的能力，与强度存在一定联系，一般强度越高塑性变形抗力越大，硬度值越高。研究不锈钢复合钢板对接接头焊缝及周边各区域的硬度，可判断焊缝熔合状态与焊接缺陷。两类对接接头断面如图14所示，表11给出了两类对接接头沿截面的硬度分布数值，测点位置与图15a）对应，其中L1为复层硬度分布，L2、L3分别为基层在靠近复合界面、远离复合界面的硬度分布。

图15b）、c）分别给出了两类对接接头截面硬度分布曲线。可以看出，焊缝区与热影响区的硬度略高于母材的硬度，其中热影响区硬度更高。对比L1、L2、L3分布曲线可以看出，L2与L3曲线较为接近，表明同材质区域硬度分布均匀，接头质量稳定，基本不存在局部缺陷导致的硬度下降。L1、L2、L3曲线中测点6~8、12~14的硬度为沿对接接头边界的硬度分布，可以看到，同类曲线中三个位置的硬度分布相近，说明接头边界熔合程度较好、无局部焊接缺陷。对比两类对接接头的硬度分布特征，可以看出WI接头硬度分布更为均匀，WII接头明显存在一个焊缝区硬度呈下降趋势，说明简化焊接工艺会使焊缝附近硬度降低更明显。

以往关于不锈钢复合钢焊缝周边硬度分布的研究表明，异种金属界面易发生元素扩散与碳析出，从而导致该区域的硬度升高、强度下降^{［25，45］}。WII接头基层热影响区受复层焊缝影响，硬度显著提升；WI接头硬度分布整体较为均匀。本文研究进一步验证了过渡层的存在能在一定程度抑制硬度下降，WII接头硬度突变位置可作为基层母材进入热影响区的判定依据。受样本数量限制，未开展不同种类不锈钢复合钢焊缝硬度对比研究，后续需进一步分析焊缝附近金相组织与硬度分布的关联。

对比两类对接接头的拉伸、冲击、维氏硬度试验结果可以看出，两类对接接头的各项力学性能均满足规范要求，数值差异小，仅在低温下冲击韧性与硬度分布略有削弱，且均满足规范要求；此外，两类焊接接头的晶间腐蚀弯曲试验也满足相关要求。因此，该桥梁用高强度不锈钢复合钢板可考虑采用简化后的焊接工艺，以提高焊接效率；后续需进一步研究接头的疲劳性能及复层耐蚀性。

4 结论

本文对桥梁用高强度不锈钢复合钢板S31603+Q500qE的母材及两类对接接头开展力学性能试验，完成其拉伸、冲击、冷弯、复合界面性能及维氏硬度测试，主要结论如下：

（1） S31603+Q500qE高强度不锈钢复合钢板母材及两类接头的拉伸性能满足规范要求，且该复合钢板的复合界面结合强度较高，保证了两层金属能够协同工作，可作为结构材料应用于桥梁工程。

（2） 该复合钢板的母材及两类焊缝接头的冲击性能均满足规范要求，两类对接接头的冲击韧性低于母材的冲击韧性，WI接头在低温下的冲击韧性表现相对更优。

（3） 该复合钢板的冷弯性能满足规范要求，可适应结构构件的加工制造需求。

（4） 两类对接接头的基本力学性能相当，表明在静力承载工况下，可采用取消过渡层的简化焊接工艺进行施工。该简化工艺不仅能有效提升焊接施工效率，还可降低焊接材料消耗及施工成本，具备良好的工程应用价值；后续需进一步研究接头疲劳性能、复层耐蚀性能及焊接碳化物析出的影响。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFB3706403)

国家自然科学基金(52061160485)