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奥氏体衡水不锈钢在衡水建筑衡水钢结构中的应用
1. 奥氏体衡水不锈钢概述
奥氏体衡水不锈钢（Austenitic stainless steel），没有磁性，且具有强度高、韧性好，具有漂亮、美观、优良的塑性加工和耐腐蚀、耐高温等性能，其化学成份和力学性能分别见表1和表2。
表1 不锈钢的牌号与化学成份
|
组织类型 |
牌号 |
化 学 成 份 ％ |
||||||||
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Ni |
Cr |
Ti |
其它 |
||
|
奥氏体型 |
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 不锈钢的力学性能
|
组织类型 |
牌号 |
力 学 性 能 |
密 度 (Kg/dm3) |
||
|
σb(MPa) |
σ0.2(MPa) |
δ5(%) |
|||
|
不 小 于 |
|||||
|
奥氏体型 |
0Cr18Ni9 |
520 |
205 |
35 |
7.93 |
|
1Cr18Ni9 |
520 |
205 |
35 |
7.90 |
|
|
0Cr18Ni10Ti |
520 |
205 |
35 |
7.95 |
|
|
1Cr18Ni9Ti |
520 |
205 |
35 |
7.90 |
奥氏体不锈钢在衡水建筑衡水钢结构中的应用主要体现衡水网架、天沟、栏杆、扶手、装饰等方面，作为抛砖引玉，本文将重点放在不锈钢衡水网架方面。
另外，奥氏体不锈钢类属于1Cr18Ni9系列，应用时需要特别注意如下2点：
其一，此类在冷弯、冷镦等冷塑性加工后有弱磁性和明显的冷作硬化现象；
其二，鉴于奥氏体不锈钢对卤族元素非常敏感，构件表面容易出现黑斑生锈现象，故不宜应用在海洋气候的环境中。
2.不锈钢衡水网架
（1）不锈钢网架造型美观，分衡水螺栓球和衡水焊接球两种结构形式，尤以衡水螺栓球网架居多，采用衡水焊接球的网架很少。
（2）不锈钢网架设计值的取用须结合《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）和实际选用材质的屈服强度，并参照Q235B设计值的取用原则，可考虑取为180MPa，留有一定的安全裕度。
（3）制作流程和工艺可参照钢网架技术规程，主要区别如下：
（4）不锈钢管有焊管和无缝管两种，选用时应以品牌大衡水企业的材料为佳。国内衡水市场鱼目混杂，劣质的不锈钢实质是“不锈铁”，其化学成份、内部组织和力学性能均不能满足标准要求。
（5）封板、锥头、衡水螺栓球以及支座、支托用板的材质均宜与钢管牌号一致，套筒宜采用1Cr18Ni9系不锈钢制作，高强度螺栓、螺钉一般需要电镀锌处理，比较贴合不锈钢的外观。
（6）依据奥氏体不锈钢无磁性的特征，可用磁铁对到货材料作粗略的检测判定，进而用熔炼分析法或频谱法完成C、Si、Mn、Cr、Ni、Ti、P、S等元素的化学成份合格确认。
（7）不锈钢焊接有手工电弧焊、钨极氩弧焊和气体保护焊三种工艺方式，本文介绍传统的手工电弧焊，匹配气保焊丝并选用气保焊丝的焊接参数，可以将SMAW拓展为GMAW或SMAW+GMAW。
表3 焊材匹配和参数选择
|
材料 |
焊条牌号 |
焊条型号 |
电源极性 |
烘焙要求 |
药皮类型 |
|
0Cr18Ni9 |
A102 |
E308-16 |
AC或DC |
150℃，1h |
钛钙型 |
|
1Cr18Ni9 |
A102 |
E308-16 |
AC或DC |
150℃，1h |
钛钙型 |
|
0Cr18Ni10Ti |
A132 |
E347-16 |
DC或AC |
200-250℃，1h |
钛钙型 |
|
0Cr18Ni10Ti |
A132 |
E347-16 |
DC或AC |
200-250℃，1h |
钛钙型 |
|
0Cr18Ni10Ti |
A137 |
E347-15 |
DC |
250℃，1h |
碱性 |
|
1Cr18Ni9Ti |
A137 |
E347-15 |
DC |
250℃，1h |
碱性 |
|
焊条直径(mm) |
φ2.0 |
φ2.5 |
φ3.2 |
φ4.0 |
φ5.0 |
|
焊接电流(A) |
40~80 |
50~100 |
70~130 |
100~160 |
140~200 |
（8）钢管下料长度计算
网架节点示意图
对口缝隙和焊接收缩量参考值：对口缝隙（每端）b=3±0.5mm；
焊接收缩量（每条）管壁小于4mm，取0.5mm；管壁大于4mm，取1mm。
Ls=L-2（A+b）+2e
式中：Ls—下料长度；
L—轴线长度；
A—封板端头厚度；
b—对口缝隙；
e—单条焊缝收缩量。
包管项目衡水杆件下料尺寸应考虑包管后的衡水杆件长度增加量和端面切削量，一般应视所用包管厚度比图纸尺寸短1~1.5mm，复合管等的焊接收缩量需经工艺试验后进行确定。
不锈钢衡水杆件下料宜选择等离子切割、激光切割和砂轮切割设备，下料后两端面与杆件轴线垂直度≤0.5％Rmm，长度允许偏差为±1mm。
（9）定位焊接：两端孔中心与钢管轴线同轴度≤0.25mm，采用φ3.2焊条，焊缝长度6～12mm，焊角3～5mm。
杆件焊接：对于壁厚在3mm以下的不锈钢管件，宜选用φ2.0mm焊条打底，φ2.5mm焊条盖面，电流分别为40－60A和60－80A。
杆件包管及焊缝车削用普通车床制作，制作后应与杆件表面尺寸一致，无名显台阶、不锈钢杆件抛光应在上述工序完成后进行，表面应均匀一致应达到8K质量要求，不得有刮痕、黑斑等缺陷。
（10）杆件检验：杆件两端焊缝宜采用X射线方式探伤，应符合现行标准《焊缝无损检测射线检测第1部分》（GB3323.1 2019）的规定。
（11）不锈钢复合管
a.不锈钢复合管焊接接头中既有同种金属的焊接连接，又有不同种金属的焊接连接，其焊缝应由隔离层、基层和复层三部分组成。焊接时应力求将基层焊接尽可能同覆层焊接区分开来，减少两种材料的熔合。
b.为保持焊接接头有良好的耐腐蚀性能，一般应先焊接基层、后焊接覆层，覆层焊缝金属成份应尽量与覆层钢板相同。
c.为处理好覆层与基层交界部位的焊接性能，保证过渡层能完成化学元素由基层到覆层的过渡，须增加过渡层（隔离层）。
d.焊接材料选择：基层选用与基层碳钢（或低合金结构钢）单独焊接时相等强度的焊接材料，并以同样的焊接工艺施焊，原则上焊前不预热，焊后不进行回火。
e.过渡层必须选用其铬镍含量高于覆层中含量的不锈钢焊接材料，成份应与覆层不锈钢成份相近，并具有良好的塑性和韧性。
f.覆层焊接材料选用原则上与单独焊接不锈钢时的焊接材料相同，焊接工艺也相同，详见表4。
表4 不锈钢复合管焊接材料选用
|
钢板牌号 |
电弧焊（焊条） |
||
|
基层 |
过渡层 |
覆层 |
|
|
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焊条装配定位，再4.0焊条进行打底、盖面焊接，焊后矫形完毕，经检验合格确认后转外协抛光处理。
（13）支托：在工装上采用φ3.2装配并点焊螺栓与小圆盘自己钢管，清除焊缝周围的油污、锈迹等污物，不锈钢焊接前应用丙酮清洗焊口并在焊口两侧涂上防溅剂。再采用φ4.0焊条连续角焊缝，焊接参数：K＝5mm，电流 120～140A，电压28～30V。
（14）案例
2002年，X电站门厅屋盖：双层夹胶玻璃，毗邻大亚湾海洋气候环境，约占全年网架交付量的1%，选用1Cr18Ni9材质，因惯性思维误取了200MPa设计值，导致杆件变形并在焊缝处出现了裂纹，现场察看后又发现杆件表面出现大范围的黑斑，最终是换成了表面喷塑的无缝钢管（20#，σs=245MPa）网架。
（15）奥氏体不锈钢天沟、栏杆、扶手、装饰等方面的应用主要体现在冷塑性成形和冷作与焊接的组合，不再赘述。
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