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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(qiáng)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(xué)成份和力學(xué)性能分別見表1和表2。
表1 不銹鋼的牌號(hào)與化學(xué)成份
組織類型 |
牌號(hào) |
化 學(xué) 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(xué)性能
組織類型 |
牌號(hào) |
力 學(xué) 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(diǎn)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(shí)需要特別注意如下2點(diǎn):
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(duì)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(jì)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(shí)際選用材質(zhì)的屈服強(qiáng)度,并參照Q235B設(shè)計(jì)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(shí)應(yīng)以品牌大企業(yè)的材料為佳。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)魚目混雜,劣質(zhì)的不銹鋼實(shí)質(zhì)是“不銹鐵”,其化學(xué)成份、內(nèi)部組織和力學(xué)性能均不能滿足標(biāo)準(zhǔn)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(hào)一致,套筒宜采用1Cr18Ni9系不銹鋼制作,高強(qiáng)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(duì)到貨材料作粗略的檢測(cè)判定,進(jìn)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(xué)成份合格確認(rèn)。
(7)不銹鋼焊接有手工電弧焊、鎢極氬弧焊和氣體保護(hù)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(hào) |
焊條型號(hào) |
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(zhǎng)度計(jì)算
網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)示意圖
對(duì)口縫隙和焊接收縮量參考值:對(duì)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(zhǎng)度;
L—軸線長(zhǎng)度;
A—封板端頭厚度;
b—對(duì)口縫隙;
e—單條焊縫收縮量。
包管項(xiàng)目桿件下料尺寸應(yīng)考慮包管后的桿件長(zhǎng)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(yàn)后進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)度6~12mm,焊角3~5mm。
桿件焊接:對(duì)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(tái)階、不銹鋼桿件拋光應(yīng)在上述工序完成后進(jìn)行,表面應(yīng)均勻一致應(yīng)達(dá)到8K質(zhì)量要求,不得有刮痕、黑斑等缺陷。
(10)桿件檢驗(yàn):桿件兩端焊縫宜采用X射線方式探傷,應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《焊縫無損檢測(cè)射線檢測(cè)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(shí)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(xué)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(dú)焊接時(shí)相等強(qiáng)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(jìn)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(dú)焊接不銹鋼時(shí)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(hào) |
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(jìn)行打底、蓋面焊接,焊后矯形完畢,經(jīng)檢驗(yàn)合格確認(rèn)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(diǎn)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(jì)值,導(dǎo)致桿件變形并在焊縫處出現(xiàn)了裂紋,現(xiàn)場(chǎng)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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