幕墻用不銹鋼材料的選型分析與焊接工藝

范 晶

中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司 河北 涿州 072750

在建筑的幕墻結(jié)構(gòu)中，不銹鋼材料得到越來(lái)越多的應(yīng)用，并根據(jù)功能分為兩類：一類是作為幕墻材料的金屬連接件，包括不銹鋼緊固件和不銹鋼固定件；另一類是不銹鋼幕墻面板。當(dāng)不銹鋼材料作為金屬連接件時(shí)，最常見的是用于當(dāng)前主流的點(diǎn)支式玻璃幕墻，不僅能夠起到耐腐蝕和結(jié)構(gòu)支撐作用，還具有對(duì)玻璃的熱脹冷縮變形和施工偏差的調(diào)節(jié)作用，其結(jié)構(gòu)形式有各類冷或熱成型的鋼板、鋼管、鋼棒、鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線及鑄件等。不銹鋼作為幕墻的面板材料，在國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)典型的應(yīng)用案例，但目前仍屬于新興的建筑形式，其充分利用了不銹鋼的耐腐蝕、高強(qiáng)度、金屬質(zhì)感、長(zhǎng)壽命、低維護(hù)成本以及可循環(huán)使用等特點(diǎn)，通過(guò)單板、復(fù)合板和蜂窩板等3種結(jié)構(gòu)形式，以平面板或凹凸板等不同表面處理工藝呈現(xiàn)特有的堅(jiān)硬質(zhì)感和現(xiàn)代氣息，同時(shí)根據(jù)適用場(chǎng)景可通過(guò)采用鏡面板、非鏡面的有光板或亞光板而得到預(yù)期的反射率。

1 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

在幕墻用不銹鋼材料方面，2017年以前國(guó)內(nèi)沒有專用標(biāo)準(zhǔn)。2017年，我國(guó)頒布了GB/T 34472—2017《建筑幕墻用不銹鋼通用技術(shù)條件》和GB/T 34200—2017《建筑屋面和幕墻用冷軋不銹鋼鋼板和鋼帶》兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 34472—2017給出了推薦的軋制或鍛制不銹鋼牌號(hào)，以及鑄造不銹鋼牌號(hào)。其中推薦的軋制或鍛制不銹鋼牌號(hào)共有14種，包括5種鐵素體型不銹鋼、7種奧氏體型不銹鋼以及2種奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼。該標(biāo)準(zhǔn)還借鑒了GB/T 15957—1995《大氣環(huán)境腐蝕性分類》中對(duì)大氣環(huán)境的分類，將大氣環(huán)境腐蝕性分類劃分為C1（很低腐蝕性）、C2（低腐蝕性）、C3（中等腐蝕性）、C4（高腐蝕性）和C5（很高腐蝕性）共5類，并給出了每種環(huán)境分類下對(duì)應(yīng)使用的不銹鋼材料。

GB/T 34200—2017給出了適用的7種不銹鋼牌號(hào)，包括3種鐵素體型不銹鋼、3種奧氏體型不銹鋼以及1種奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼。這些牌號(hào)包含在GB/T 34472—2017給出的14種不銹鋼牌號(hào)當(dāng)中。

2 幕墻用不銹鋼材料的選型分析

作為幕墻結(jié)構(gòu)中使用的不銹鋼材料，不管是作為金屬連接件還是幕墻面板，從結(jié)構(gòu)耐久性角度來(lái)講，最主要的性能是耐腐蝕性和力學(xué)性能。

在耐腐蝕性方面，按照GB/T 34472—2017給出的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量計(jì)算公式（詳見該規(guī)范的附錄A），可計(jì)算用于建筑幕墻的相關(guān)不銹鋼材料的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量。

在力學(xué)性能方面，根據(jù)JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》的5.2.4條，拉桿和拉索的不銹鋼錨固件、連接件的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fs應(yīng)按其屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值σ0.2除以系數(shù)1.15采用，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可按其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.58倍采用。因此，選型時(shí)對(duì)強(qiáng)度值的比較應(yīng)以σ0.2為基準(zhǔn)。對(duì)GB/T 34472—2017中給出的不銹鋼材料，按照化學(xué)成分計(jì)算了EPR（耐點(diǎn)蝕當(dāng)量，規(guī)范中以“PRE”表示）數(shù)值；對(duì)GB/T 34200—2017中給出的不銹鋼板材，列出了相應(yīng)的屈服強(qiáng)度σ0.2數(shù)值，如表1所示。

表1 幕墻用不銹鋼材料的性能對(duì)比

對(duì)表1中不銹鋼板材中較常用的幾種的EPR和屈服強(qiáng)度σ0.2值進(jìn)行比較，如圖1所示。

圖1 不銹鋼板材的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量與屈服強(qiáng)度對(duì)比

根據(jù)表1和圖1可知，標(biāo)準(zhǔn)推薦的2種奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量普遍高于其他；其中奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼板材022Cr23Ni5Mo3N的屈服強(qiáng)度σ0.2，超過(guò)或接近GB/T 34200—2017推薦的鐵素體型不銹鋼和奧氏體型不銹鋼的2倍，顯示出優(yōu)良的力學(xué)性能。這反映了新興的奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼材料由于含有接近50%的奧氏體和50%的鐵素體，而兼有的這2種相所具備的性能，即優(yōu)異的耐腐蝕性和高強(qiáng)度，適用于更高的耐腐蝕環(huán)境及強(qiáng)度要求。在適用于奧氏體型不銹鋼的工況下：如采用奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼，可大量節(jié)約材料用量；如采用同等規(guī)格的奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼，則可提供更高的強(qiáng)度。

實(shí)踐工程應(yīng)用中，在滿足工況需求的前提下，根據(jù)不同類型不銹鋼材料的性能差異對(duì)材料進(jìn)行合理選擇，將能夠有效降低工程造價(jià)。

例如：鐵素體型不銹鋼中的10Cr17耐腐蝕性能較低，一般只能用于室內(nèi)或室外干燥環(huán)境下；奧氏體型不銹鋼則具有良好的耐腐蝕性能，可適用于建筑幕墻裝飾性高的內(nèi)外構(gòu)件等；奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼具有更高的強(qiáng)度和更高的耐腐蝕性能，適用于對(duì)強(qiáng)度和耐腐蝕性能要求高的場(chǎng)景。

3 幕墻用不銹鋼材料焊接工藝

對(duì)于幕墻工程中選用的不銹鋼材料，還應(yīng)考慮其焊接性能，只有對(duì)焊接工藝進(jìn)行有效控制，才能夠得到符合設(shè)計(jì)預(yù)期的工程建筑。

3.1 焊接性與焊材選擇

對(duì)于鐵素體型不銹鋼，除了10Cr17焊接性較差、焊縫區(qū)脆性傾向大以外，高性能鐵素體型不銹鋼的焊接性均較好，但由于需要焊前預(yù)熱和焊后熱處理，因此在設(shè)計(jì)中對(duì)需進(jìn)行焊接的不銹鋼材料，應(yīng)避免采用鐵素體型不銹鋼。

奧氏體型不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性能，已在各類工程項(xiàng)目建設(shè)中成熟應(yīng)用。

對(duì)于新興的奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)也積累了一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行焊接材料選用時(shí)，需要在熔敷金屬中得到正確的相平衡成分，并提供不低于母材的力學(xué)性能和耐腐蝕能力等。為了能夠在焊縫快速冷卻時(shí)促使熔敷金屬中形成奧氏體，一般要在焊接填充金屬與母材正常匹配的成分中提高鎳的含量。以022Cr23Ni5Mo3N為例，過(guò)低的鐵素體含量將導(dǎo)致強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力下降，過(guò)高的鐵素體含量又會(huì)有損于耐腐蝕性和降低沖擊韌性，只有兩相平衡時(shí)，才能得到接近于母材的性能。

本文以手工電弧焊方法為例，對(duì)022Cr23Ni5Mo3N的焊接性進(jìn)行相應(yīng)分析。雙相鋼焊條E2209，可以適用于022Cr23Ni5Mo3N之間，以及022Cr23Ni5Mo3N與奧氏體型不銹鋼之間的異種鋼焊接。該焊條的熔敷金屬具有雙相組織，能夠?qū)⑻岣呖估瓘?qiáng)度和改善抗點(diǎn)蝕性能以及防止應(yīng)力腐蝕裂紋很好地結(jié)合起來(lái)?？衫肳RC—1992相圖對(duì)焊縫金屬的鐵素體含量進(jìn)行預(yù)測(cè)[1-2]。本文分別對(duì)022Cr23Ni5Mo3N、06Cr19Ni10這2種母材和E2209、E309L這2種焊條取化學(xué)成分的中間值進(jìn)行鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的計(jì)算，可以從圖中查找對(duì)應(yīng)的鐵素體數(shù)NF（行業(yè)內(nèi)一般表示為“FN”），如表2和圖2所示。

表2 相關(guān)材質(zhì)的化學(xué)成分及鉻/鎳當(dāng)量

圖2 采用WRC—1992相圖進(jìn)行金相組織分析

由圖2可知，采用E2209對(duì)022Cr23Ni5Mo3N進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫按典型的30%稀釋比例定位于T處，其初始凝固相為鐵素體，NF約為40。022Cr23Ni5Mo3N與06Cr19Ni10之間異種鋼焊接時(shí)，仍采用E2209焊接，V為R、U連線中點(diǎn)，焊縫處按典型的30%稀釋比例定位于W，NF約為30。因此，022Cr23Ni5Mo3N之間焊接以及022Cr23Ni5Mo3N與06Cr19Ni10之間的異種鋼焊接，采用E2209焊條時(shí)，其焊縫金屬的初始凝固相均為鐵素體，且都能夠含有相應(yīng)比例的鐵素體，焊接性能良好。

此外，當(dāng)022Cr23Ni5Mo3N與06Cr19Ni10焊接時(shí)，也可采用奧氏體型不銹鋼焊條E309L，焊縫處按典型的30%稀釋比例定位于W，NF約為20。由此可見，采用E309L熔敷金屬的鐵素體含量將低于同等條件下的E2209。

3.2 焊接變形控制

在幕墻工程不銹鋼材料的焊接過(guò)程中，最重要的方面就是對(duì)焊接變形的控制，特別是在將不銹鋼板作為幕墻面板的情況下。由于采用不銹鋼作為幕墻面板，最注重的即是其外觀效果，因此一旦產(chǎn)生超出公差允許范圍的焊接變形，則會(huì)極大地影響建造效果，文獻(xiàn)[3]給出了焊接變形嚴(yán)重影響工程建造效果的案例。因此，預(yù)測(cè)、分析、控制和消除幕墻不銹鋼板材的焊后殘余變形，是工程施工中質(zhì)量控制的重點(diǎn)。

不銹鋼板作為幕墻面板時(shí)，一般為壁厚1～2 mm的薄壁板，在工程實(shí)踐中最易出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)變形（波浪變形）。為應(yīng)對(duì)這類變形，需要從設(shè)計(jì)、制造、安裝以及焊接工藝參數(shù)等多個(gè)方面進(jìn)行全面、系統(tǒng)地控制。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，除非為呈現(xiàn)特定的外觀效果，應(yīng)盡量減少焊縫數(shù)量和焊縫長(zhǎng)度；在制造環(huán)節(jié)，應(yīng)通過(guò)合理的沖壓加工組裝工藝來(lái)消除板材內(nèi)部不均勻的殘余應(yīng)力，避免大面積鋼板搬運(yùn)過(guò)程中因保護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的彎曲變形等；在安裝前，應(yīng)根據(jù)部件結(jié)構(gòu)形式采取剛性固定法和/或預(yù)變形法的施工安裝方案，并擬定合理的焊接順序，如逆向回焊、分段跳焊等；在焊接過(guò)程中，在保證焊縫熔透的前提下盡量采用較小的焊接線能量等。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)推薦的建筑幕墻不銹鋼材料進(jìn)行耐腐蝕性和力學(xué)性能的對(duì)比分析，可為設(shè)計(jì)過(guò)程中的材料選型提供指導(dǎo)；通過(guò)對(duì)雙相不銹鋼材料的焊接性分析，給出了推薦的焊接材料類型；通過(guò)對(duì)焊接工藝控制重點(diǎn)進(jìn)行分析，給出了焊接變形控制的方法。本文可為幕墻用不銹鋼材料的設(shè)計(jì)和施工提供參考與借鑒。