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奧氏體不銹鋼在建筑鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
1. 奧氏體不銹鋼概述
奧氏體不銹鋼（Austenitic stainless steel），沒有磁性，且具有強度高、韌性好，具有漂亮、美觀、優(yōu)良的塑性加工和耐腐蝕、耐高溫等性能，其化學成份和力學性能分別見表1和表2。
表1 不銹鋼的牌號與化學成份
|
組織類型 |
牌號 |
化 學 成 份 ％ |
||||||||
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Ni |
Cr |
Ti |
其它 |
||
|
奧氏體型 |
0Cr18Ni9 |
≤0.07 |
≤1.00 |
≤2.00 |
≤0.035 |
≤0.030 |
8.00~11.00 |
17.00~19.00 |
|
|
|
1Cr18Ni9 |
≤0.15 |
≤1.00 |
≤2.00 |
≤0.035 |
≤0.030 |
8.00~10.00 |
17.00~19.00 |
|
|
|
|
0Cr18Ni10Ti |
≤0.08 |
≤1.00 |
≤2.00 |
≤0.035 |
≤0.030 |
9.00~12.00 |
17.00~19.00 |
5×C% |
|
|
|
1Cr18Ni9Ti |
≤0.12 |
≤1.00 |
≤2.00 |
≤0.035 |
≤0.030 |
8.00~11.00 |
17.00~19.00 |
5(C%-0.02) ~0.80 |
|
表2 不銹鋼的力學性能
|
組織類型 |
牌號 |
力 學 性 能 |
密 度 (Kg/dm3) |
||
|
σb(MPa) |
σ0.2(MPa) |
δ5(%) |
|||
|
不 小 于 |
|||||
|
奧氏體型 |
0Cr18Ni9 |
520 |
205 |
35 |
7.93 |
|
1Cr18Ni9 |
520 |
205 |
35 |
7.90 |
|
|
0Cr18Ni10Ti |
520 |
205 |
35 |
7.95 |
|
|
1Cr18Ni9Ti |
520 |
205 |
35 |
7.90 |
奧氏體不銹鋼在建筑鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)網(wǎng)架、天溝、欄桿、扶手、裝飾等方面，作為拋磚引玉，本文將重點放在不銹鋼網(wǎng)架方面。
另外，奧氏體不銹鋼類屬于1Cr18Ni9系列，應(yīng)用時需要特別注意如下2點：
其一，此類在冷彎、冷鐓等冷塑性加工后有弱磁性和明顯的冷作硬化現(xiàn)象；
其二，鑒于奧氏體不銹鋼對鹵族元素非常敏感，構(gòu)件表面容易出現(xiàn)黑斑生銹現(xiàn)象，故不宜應(yīng)用在海洋氣候的環(huán)境中。
2.不銹鋼網(wǎng)架
（1）不銹鋼網(wǎng)架造型美觀，分螺栓球和焊接球兩種結(jié)構(gòu)形式，尤以螺栓球網(wǎng)架居多，采用焊接球的網(wǎng)架很少。
（2）不銹鋼網(wǎng)架設(shè)計值的取用須結(jié)合《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010）和實際選用材質(zhì)的屈服強度，并參照Q235B設(shè)計值的取用原則，可考慮取為180MPa，留有一定的安全裕度。
（3）制作流程和工藝可參照鋼網(wǎng)架技術(shù)規(guī)程，主要區(qū)別如下：
（4）不銹鋼管有焊管和無縫管兩種，選用時應(yīng)以品牌大企業(yè)的材料為佳。國內(nèi)市場魚目混雜，劣質(zhì)的不銹鋼實質(zhì)是“不銹鐵”，其化學成份、內(nèi)部組織和力學性能均不能滿足標準要求。
（5）封板、錐頭、螺栓球以及支座、支托用板的材質(zhì)均宜與鋼管牌號一致，套筒宜采用1Cr18Ni9系不銹鋼制作，高強度螺栓、螺釘一般需要電鍍鋅處理，比較貼合不銹鋼的外觀。
（6）依據(jù)奧氏體不銹鋼無磁性的特征，可用磁鐵對到貨材料作粗略的檢測判定，進而用熔煉分析法或頻譜法完成C、Si、Mn、Cr、Ni、Ti、P、S等元素的化學成份合格確認。
（7）不銹鋼焊接有手工電弧焊、鎢極氬弧焊和氣體保護焊三種工藝方式，本文介紹傳統(tǒng)的手工電弧焊，匹配氣保焊絲并選用氣保焊絲的焊接參數(shù)，可以將SMAW拓展為GMAW或SMAW+GMAW。
表3 焊材匹配和參數(shù)選擇
|
材料 |
焊條牌號 |
焊條型號 |
電源極性 |
烘焙要求 |
藥皮類型 |
|
0Cr18Ni9 |
A102 |
E308-16 |
AC或DC |
150℃，1h |
鈦鈣型 |
|
1Cr18Ni9 |
A102 |
E308-16 |
AC或DC |
150℃，1h |
鈦鈣型 |
|
0Cr18Ni10Ti |
A132 |
E347-16 |
DC或AC |
200-250℃，1h |
鈦鈣型 |
|
0Cr18Ni10Ti |
A132 |
E347-16 |
DC或AC |
200-250℃，1h |
鈦鈣型 |
|
0Cr18Ni10Ti |
A137 |
E347-15 |
DC |
250℃，1h |
堿性 |
|
1Cr18Ni9Ti |
A137 |
E347-15 |
DC |
250℃，1h |
堿性 |
|
焊條直徑(mm) |
φ2.0 |
φ2.5 |
φ3.2 |
φ4.0 |
φ5.0 |
|
焊接電流(A) |
40~80 |
50~100 |
70~130 |
100~160 |
140~200 |
（8）鋼管下料長度計算
網(wǎng)架節(jié)點示意圖
對口縫隙和焊接收縮量參考值：對口縫隙（每端）b=3±0.5mm；
焊接收縮量（每條）管壁小于4mm，取0.5mm；管壁大于4mm，取1mm。
Ls=L-2（A+b）+2e
式中：Ls—下料長度；
L—軸線長度；
A—封板端頭厚度；
b—對口縫隙；
e—單條焊縫收縮量。
包管項目桿件下料尺寸應(yīng)考慮包管后的桿件長度增加量和端面切削量，一般應(yīng)視所用包管厚度比圖紙尺寸短1~1.5mm，復(fù)合管等的焊接收縮量需經(jīng)工藝試驗后進行確定。
不銹鋼桿件下料宜選擇等離子切割、激光切割和砂輪切割設(shè)備，下料后兩端面與桿件軸線垂直度≤0.5％Rmm，長度允許偏差為±1mm。
（9）定位焊接：兩端孔中心與鋼管軸線同軸度≤0.25mm，采用φ3.2焊條，焊縫長度6～12mm，焊角3～5mm。
桿件焊接：對于壁厚在3mm以下的不銹鋼管件，宜選用φ2.0mm焊條打底，φ2.5mm焊條蓋面，電流分別為40－60A和60－80A。
桿件包管及焊縫車削用普通車床制作，制作后應(yīng)與桿件表面尺寸一致，無名顯臺階、不銹鋼桿件拋光應(yīng)在上述工序完成后進行，表面應(yīng)均勻一致應(yīng)達到8K質(zhì)量要求，不得有刮痕、黑斑等缺陷。
（10）桿件檢驗：桿件兩端焊縫宜采用X射線方式探傷，應(yīng)符合現(xiàn)行標準《焊縫無損檢測射線檢測第1部分》（GB3323.1 2019）的規(guī)定。
（11）不銹鋼復(fù)合管
a.不銹鋼復(fù)合管焊接接頭中既有同種金屬的焊接連接，又有不同種金屬的焊接連接，其焊縫應(yīng)由隔離層、基層和復(fù)層三部分組成。焊接時應(yīng)力求將基層焊接盡可能同覆層焊接區(qū)分開來，減少兩種材料的熔合。
b.為保持焊接接頭有良好的耐腐蝕性能，一般應(yīng)先焊接基層、后焊接覆層，覆層焊縫金屬成份應(yīng)盡量與覆層鋼板相同。
c.為處理好覆層與基層交界部位的焊接性能，保證過渡層能完成化學元素由基層到覆層的過渡，須增加過渡層（隔離層）。
d.焊接材料選擇：基層選用與基層碳鋼（或低合金結(jié)構(gòu)鋼）單獨焊接時相等強度的焊接材料，并以同樣的焊接工藝施焊，原則上焊前不預(yù)熱，焊后不進行回火。
e.過渡層必須選用其鉻鎳含量高于覆層中含量的不銹鋼焊接材料，成份應(yīng)與覆層不銹鋼成份相近，并具有良好的塑性和韌性。
f.覆層焊接材料選用原則上與單獨焊接不銹鋼時的焊接材料相同，焊接工藝也相同，詳見表4。
表4 不銹鋼復(fù)合管焊接材料選用
|
鋼板牌號 |
電弧焊（焊條） |
||
|
基層 |
過渡層 |
覆層 |
|
|
0Cr18Ni10Ti+Q235 1Cr18Ni9Ti+Q235 |
E4315 |
E309L-16 E309-16 |
E347-16 |
|
0Cr18Ni10Ti+Q345 1Cr18Ni9Ti+Q390 |
E5015 |
E309L-16 E309-16 |
E347-16 |
（12）支座：采用φ3.2焊條裝配定位，再4.0焊條進行打底、蓋面焊接，焊后矯形完畢，經(jīng)檢驗合格確認后轉(zhuǎn)外協(xié)拋光處理。
（13）支托：在工裝上采用φ3.2裝配并點焊螺栓與小圓盤自己鋼管，清除焊縫周圍的油污、銹跡等污物，不銹鋼焊接前應(yīng)用丙酮清洗焊口并在焊口兩側(cè)涂上防濺劑。再采用φ4.0焊條連續(xù)角焊縫，焊接參數(shù)：K＝5mm，電流 120～140A，電壓28～30V。
（14）案例
2002年，X電站門廳屋蓋：雙層夾膠玻璃，毗鄰大亞灣海洋氣候環(huán)境，約占全年網(wǎng)架交付量的1%，選用1Cr18Ni9材質(zhì)，因慣性思維誤取了200MPa設(shè)計值，導(dǎo)致桿件變形并在焊縫處出現(xiàn)了裂紋，現(xiàn)場察看后又發(fā)現(xiàn)桿件表面出現(xiàn)大范圍的黑斑，最終是換成了表面噴塑的無縫鋼管（20#，σs=245MPa）網(wǎng)架。
（15）奧氏體不銹鋼天溝、欄桿、扶手、裝飾等方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在冷塑性成形和冷作與焊接的組合，不再贅述。
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