幕墻用不銹鋼材料的選型分析與焊接工藝

范 晶

中鐵十八局集團第三工程有限公司 河北 涿州 072750

在建筑的幕墻結構中，不銹鋼材料得到越來越多的應用，并根據功能分為兩類：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。當不銹鋼材料作為金屬連接件時，最常見的是用于當前主流的點支式玻璃幕墻，不僅能夠起到耐腐蝕和結構支撐作用，還具有對玻璃的熱脹冷縮變形和施工偏差的調節作用，其結構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，在國內外已有多個典型的應用案例，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、高強度、金屬質感、長壽命、低維護成本以及可循環使用等特點，通過單板、復合板和蜂窩板等3種結構形式，以平面板或凹凸板等不同表面處理工藝呈現特有的堅硬質感和現代氣息，同時根據適用場景可通過采用鏡面板、非鏡面的有光板或亞光板而得到預期的反射率。

1 標準現狀

在幕墻用不銹鋼材料方面，2017年以前國內沒有專用標準。2017年，我國頒布了GB/T 34472—2017《建筑幕墻用不銹鋼通用技術條件》和GB/T 34200—2017《建筑屋面和幕墻用冷軋不銹鋼鋼板和鋼帶》兩項標準。

GB/T 34472—2017給出了推薦的軋制或鍛制不銹鋼牌號，以及鑄造不銹鋼牌號。其中推薦的軋制或鍛制不銹鋼牌號共有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。該標準還借鑒了GB/T 15957—1995《大氣環境腐蝕性分類》中對大氣環境的分類，將大氣環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，并給出了每種環境分類下對應使用的不銹鋼材料。

GB/T 34200—2017給出了適用的7種不銹鋼牌號，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。這些牌號包含在GB/T 34472—2017給出的14種不銹鋼牌號當中。

2 幕墻用不銹鋼材料的選型分析

作為幕墻結構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，從結構耐久性角度來講，最主要的性能是耐腐蝕性和力學性能。

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

在力學性能方面，根據JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》的5.2.4條，拉桿和拉索的不銹鋼錨固件、連接件的抗拉、抗壓強度設計值fs應按其屈服強度標準值σ0.2除以系數1.15采用，抗剪強度設計值可按其抗拉強度設計值的0.58倍采用。因此，選型時對強度值的比較應以σ0.2為基準。對GB/T 34472—2017中給出的不銹鋼材料，按照化學成分計算了EPR（耐點蝕當量，規范中以“PRE”表示）數值；對GB/T 34200—2017中給出的不銹鋼板材，列出了相應的屈服強度σ0.2數值，如表1所示。

表1 幕墻用不銹鋼材料的性能對比

對表1中不銹鋼板材中較常用的幾種的EPR和屈服強度σ0.2值進行比較，如圖1所示。

圖1 不銹鋼板材的耐點蝕當量與屈服強度對比

根據表1和圖1可知，標準推薦的2種奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼的耐點蝕當量普遍高于其他；其中奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼板材022Cr23Ni5Mo3N的屈服強度σ0.2，超過或接近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，顯示出優良的力學性能。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，即優異的耐腐蝕性和高強度，適用于更高的耐腐蝕環境及強度要求。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，可大量節約材料用量；如采用同等規格的奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼，則可提供更高的強度。

實踐工程應用中，在滿足工況需求的前提下，根據不同類型不銹鋼材料的性能差異對材料進行合理選擇，將能夠有效降低工程造價。

例如：鐵素體型不銹鋼中的10Cr17耐腐蝕性能較低，一般只能用于室內或室外干燥環境下；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外構件等；奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼具有更高的強度和更高的耐腐蝕性能，適用于對強度和耐腐蝕性能要求高的場景。

3 幕墻用不銹鋼材料焊接工藝

對于幕墻工程中選用的不銹鋼材料，還應考慮其焊接性能，只有對焊接工藝進行有效控制，才能夠得到符合設計預期的工程建筑。

3.1 焊接性與焊材選擇

對于鐵素體型不銹鋼，除了10Cr17焊接性較差、焊縫區脆性傾向大以外，高性能鐵素體型不銹鋼的焊接性均較好，但由于需要焊前預熱和焊后熱處理，因此在設計中對需進行焊接的不銹鋼材料，應避免采用鐵素體型不銹鋼。

奧氏體型不銹鋼具有優良的焊接性能，已在各類工程項目建設中成熟應用。

對于新興的奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼，近年來在國內也積累了一定的工程實踐經驗，對其進行焊接材料選用時，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性能和耐腐蝕能力等。為了能夠在焊縫快速冷卻時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，過低的鐵素體含量將導致強度和抗應力腐蝕開裂能力下降，過高的鐵素體含量又會有損于耐腐蝕性和降低沖擊韌性，只有兩相平衡時，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022Cr23Ni5Mo3N的焊接性進行相應分析。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，能夠將提高抗拉強度和改善抗點蝕性能以及防止應力腐蝕裂紋很好地結合起來。可利用WRC—1992相圖對焊縫金屬的鐵素體含量進行預測[1-2]。本文分別對022Cr23Ni5Mo3N、06Cr19Ni10這2種母材和E2209、E309L這2種焊條取化學成分的中間值進行鉻當量和鎳當量的計算，可以從圖中查找對應的鐵素體數NF（行業內一般表示為“FN”），如表2和圖2所示。

表2 相關材質的化學成分及鉻/鎳當量

圖2 采用WRC—1992相圖進行金相組織分析

由圖2可知，采用E2209對022Cr23Ni5Mo3N進行焊接時，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，仍采用E2209焊接，V為R、U連線中點，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，其焊縫金屬的初始凝固相均為鐵素體，且都能夠含有相應比例的鐵素體，焊接性能良好。

此外，當022Cr23Ni5Mo3N與06Cr19Ni10焊接時，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程中，最重要的方面就是對焊接變形的控制，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，因此一旦產生超出公差允許范圍的焊接變形，則會極大地影響建造效果，文獻[3]給出了焊接變形嚴重影響工程建造效果的案例。因此，預測、分析、控制和消除幕墻不銹鋼板材的焊后殘余變形，是工程施工中質量控制的重點。

不銹鋼板作為幕墻面板時，一般為壁厚1～2 mm的薄壁板，在工程實踐中最易出現壓屈失穩變形（波浪變形）。為應對這類變形，需要從設計、制造、安裝以及焊接工藝參數等多個方面進行全面、系統地控制。在設計環節，除非為呈現特定的外觀效果，應盡量減少焊縫數量和焊縫長度；在制造環節，應通過合理的沖壓加工組裝工藝來消除板材內部不均勻的殘余應力，避免大面積鋼板搬運過程中因保護不當導致的彎曲變形等；在安裝前，應根據部件結構形式采取剛性固定法和/或預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 結語

通過對標準推薦的建筑幕墻不銹鋼材料進行耐腐蝕性和力學性能的對比分析，可為設計過程中的材料選型提供指導；通過對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；通過對焊接工藝控制重點進行分析，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計和施工提供參考與借鑒。