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奧氏體不銹鋼在建筑鋼結構中的應用
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構中的應用主要體現網架、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架方面。
另外，奧氏體不銹鋼類屬于1Cr18Ni9系列，應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象；
其二，鑒于奧氏體不銹鋼對鹵族元素非常敏感，構件表面容易出現黑斑生銹現象，故不宜應用在海洋氣候的環境中。
2.不銹鋼網架
（1）不銹鋼網架造型美觀，分螺栓球和焊接球兩種結構形式，尤以螺栓球網架居多，采用焊接球的網架很少。
（2）不銹鋼網架設計值的取用須結合《空間網格結構技術規程》（JGJ7-2010）和實際選用材質的屈服強度，并參照Q235B設計值的取用原則，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架技術規程，主要區別如下：
（4）不銹鋼管有焊管和無縫管兩種，選用時應以品牌大企業的材料為佳。國內市場魚目混雜，劣質的不銹鋼實質是“不銹鐵”，其化學成份、內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，本文介紹傳統的手工電弧焊，匹配氣保焊絲并選用氣保焊絲的焊接參數，可以將SMAW拓展為GMAW或SMAW+GMAW。
表3 焊材匹配和參數選擇
|
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
網架節點示意圖
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考慮包管后的桿件長度增加量和端面切削量，一般應視所用包管厚度比圖紙尺寸短1~1.5mm，復合管等的焊接收縮量需經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，制作后應與桿件表面尺寸一致，無名顯臺階、不銹鋼桿件拋光應在上述工序完成后進行，表面應均勻一致應達到8K質量要求，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，應符合現行標準《焊縫無損檢測射線檢測第1部分》（GB3323.1 2019）的規定。
（11）不銹鋼復合管
a.不銹鋼復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，其焊縫應由隔離層、基層和復層三部分組成。焊接時應力求將基層焊接盡可能同覆層焊接區分開來，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，一般應先焊接基層、后焊接覆層，覆層焊縫金屬成份應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（或低合金結構鋼）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，經檢驗合格確認后轉外協拋光處理。
（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，不銹鋼焊接前應用丙酮清洗焊口并在焊口兩側涂上防濺劑。再采用φ4.0焊條連續角焊縫，焊接參數：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境，約占全年網架交付量的1%，選用1Cr18Ni9材質，因慣性思維誤取了200MPa設計值，導致桿件變形并在焊縫處出現了裂紋，現場察看后又發現桿件表面出現大范圍的黑斑，最終是換成了表面噴塑的無縫鋼管（20#，σs=245MPa）網架。
（15）奧氏體不銹鋼天溝、欄桿、扶手、裝飾等方面的應用主要體現在冷塑性成形和冷作與焊接的組合，不再贅述。
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