不锈钢在景观工程上的应用（下）

3．建筑和装饰用奥氏体不锈钢的焊接

①奥氏体不锈钢的焊接性

所谓焊接性，通常包括两个方面：其一是材料以某种焊接方法进行焊接，可以形成无缺陷的接头的性能，称作工艺焊接性。第二是焊接接头能否满足使用目的的使用性能，称作使用焊接性。

奥氏体不锈钢因为导热系数小，热胀系数大，焊接时收缩应变大，特别是S、P等杂质形成的低熔点共晶集中在焊缝中心最后结晶处，因此极易发生结晶裂纹。因此就这一点来说，奥氏体钢的工艺焊接性是不良的。不过由于现代先进的冶金工艺的开发大大降低了钢材和焊材中的杂质元素，同时各钢种匹配的焊材(焊丝、焊条)在制造时已考虑到为了防止结晶裂纹，焊缝金属中必须有一定的(5～ 10％)的铁素体(铁素体可以溶解S、P等杂质元素)防止S、P等低熔点共晶的生成，从根本上改善了奥氏体的工艺焊接性，而且就用于建筑和装饰用不锈钢来说，通常都是厚度不大的钢板和薄壁钢管，焊接时收缩应变较少，产生结晶裂纹的条件不那么强烈，工艺焊接性是良好的。这里特别要注意的是奥氏体钢焊接时，要选用与钢种匹配的符合条件的焊材的重要性。

上述奥氏体不锈钢，在固溶状态(交货状态)具有优良的耐晶间腐蚀性能。但是在经过焊接加热后，焊接热影响区，在被加热到650～850℃的那些部位在晶界发生Cr23C6的折出，在使用中可能引起晶间腐蚀。这种晶间腐蚀在C＝0．08～0．20％的 18～8钢如302型不锈钢发生的机率较大而对于C≤0.08％的304钢比较少见。特别是对于薄板或薄壁管，只经过一次焊接热循环的接头这种腐蚀较少。厚板或厚壁钢管的焊接接头，由于经过多次焊接循环，有利于碳化物析出，有较大的晶间腐蚀倾向。避免焊接接头发生晶间腐蚀的最好的办法是降低钢的碳含量。碳含量降低到0．03％以下可防止热影响区的Cr23C6的析出，防止晶间腐蚀。而且在建筑结构，装饰工程中使用介质为大气或工业大气环境。而非工业介质，因此并不具有很强的腐蚀性，发生热影响区和焊缝的晶间腐蚀的可能性很少。因此用作建筑结构及装饰材料的奥氏体钢焊接接头具有良好的使用焊接性。当焊接加热时，对于紧靠焊缝的母材部分，往往受到焊接电弧的作用以及焊接飞溅的影响，破坏了母材原有的钝化膜降低焊缝附近母材的耐蚀性能，有时会引起孔蚀以及应力腐蚀。所以在焊后应对接头及其附近进行表面清理和钝化处理，改善其使用性能。

②建筑、装饰用奥氏体不锈钢焊接材料

对于表1中建筑装饰用不锈钢来说相应的焊接材料，有两种基本类型，即不含Mo的308、308L (0Cr20Nil0、00Cr20Nil0)和含Mo的316、316L (0Crl9Nil2Mo2、00Crl9Nil2Mo2)，前者适合于焊接表1中不含Mo的钢种，而后者适合于焊接表1中含Mo的钢种。202钢(1Crl8Ni5Mn8N)因有较强的热裂纹敏感性，可以使用与其成份相近的焊材或用309Mo的焊材进行焊接，前一种焊材如国产 E219焊条，接头力学性能，耐蚀性能与母材相当；而后一种焊材熔敷金属有较高的铁素体，可有效的防止因S、P等低熔点共晶，Mo可提高焊缝结晶温度下限，缩小高温脆性温度区间，都有利于提高焊 缝抗裂性能。

在实际制造中，根据钢种选用相应的焊材，这对于保持焊接接头(焊缝及热影响区)达到与母材相当的耐蚀和力学性能极为重要，例如超低碳的母材必定选用相应的超低碳焊材。不过，在某些情况下，低碳的母材也可选用超低碳的焊材，因为这样选材，并不降低接头的耐蚀性和力学性能。相反的情况则不允许。表5是建筑及装饰用不锈钢配套的焊材类型以及国产的焊条、焊丝、药芯焊丝的相应牌号对照表。

表5 建筑和装饰用不锈钢焊接材料及熔敷金属化学成分

*为焊条C含量  * *GTAW?GMAW?SAW用焊丝。

③奥氏体不锈钢的焊接方法

焊接是金属部件需要永久、牢固地装配在一起的方法。奥氏体不锈钢可采用熔化焊工艺的(除气焊外)任何一种方法进行焊接，其中使用最多的是焊条电弧焊和气体保护焊(GTAW、GMAW)，CO₂保护(MAG)药芯焊丝焊接等。采用何种焊接方法，是根据焊件的厚度、形状、施工条件，焊件数量而定。

▲  焊条电弧焊(SMAW)

焊条电弧焊是使用外面涂敷药皮的电极进行手工焊接的方法。设备简单，操作方便，灵活可靠，适应性强，是使用最广泛的方法之一。特别适合于单件或小批量产品。对于短焊缝，不规则的各种空间位置以及难于实现自动化、机械化的焊接接头用它最为合适。

▲        钨极氩弧焊(GTAW)

钨极氩弧焊也是不锈钢最常使用的焊接方法。 该法以钨电极与母材之间引弧，用裸焊丝作为填充 金属，在氩气保护下进行焊接。焊接过程 不发生飞溅，可清晰地观察到焊接熔池和熔透情 况，焊缝成形美观，焊缝无渣壳，不需清理。由于受 焊接电流的限制，钨极氩弧焊主要用于薄板(管)的 单层焊和中厚板(管)的封底焊道，在中厚板多层、 多道焊接。也可使用，但焊接效率低。

钨极氩弧焊可进行全位置焊接，特别适合于空 间结构的装配和连接焊缝的焊接。对于单层焊或多 层焊的第一层焊接，焊缝背面也要用氩气保护，防 止未熔合、焊缝金属氧化及成形不良，实现单面焊 双面成形。

在钨极氩弧焊工艺基础上开发的钨极脉冲氩 弧焊，通过控制电弧能量，电流周期性脉冲变化来控制焊接过程。在焊接厚度小于1mm的奥氏体不锈钢薄板和管材可以精确控制焊件热输入，克服了因熔敷金属表面张力不足以支持熔池，造成焊缝下塌和烧穿，保证连续焊接，实现单面焊双面成形，保证焊缝质量。

在建筑结构、城市装饰和雕塑中，薄壁不锈钢的使用机会很多，钨极氩弧以及钨极脉冲氩弧焊必定会得到广泛的使用。

▲        溶化极气体保护焊(GMAW)

熔化极气体保护焊以焊丝作为电极焊接电流可以比GTAW大大提高，熔深大，焊丝熔 敷速度快，提高了劳动生产率，适合于中厚板的焊 接。

在熔化极气体保护焊的基础上加入脉冲电流 即成脉冲熔化极氩弧焊，它不仅具有熔化极气体保 护焊的特点，同时能控制焊接热输入和焊缝熔深， 使焊缝正反面成形良好。达到单面焊双面成形的要求。在焊接同样厚度的焊件时，焊接热输入比一般熔化极氩弧焊小，相应地减少了热影响区，有利于提高接头耐蚀性能。同时减少了应力和变形，更好保证焊件的尺寸和美观外形。

▲     药芯焊丝气体保护焊

与普通熔化极气体保护焊一样，是以焊丝作为电极进行焊接，其区别是不用实芯焊丝。而是用填充有熔剂混合物的管状焊丝，焊接时由CO₂气体以及熔剂混合物产生的气体保护熔池，同时发生熔剂、CO₂、焊丝、母材之间的冶金反应。是一种气渣联合保护的焊接方法。与实芯焊丝相比，其优越性主要表现在药芯的作用。由于药芯加有稳弧剂、克服了实芯焊丝施焊时飞溅大，表面成形差的缺点，并能提高全位置焊的适应性。同时药芯焊丝可以调整药芯的合金元素，不仅保证焊缝的耐蚀性，还可通过药芯调整用同一种钢带生产多个品种的焊丝，从而简化焊丝的生产工艺，降低生产成本。

药芯焊丝用于焊接奥氏体不锈钢时，可以采用自动焊和手工焊，焊接设备使用实芯焊丝CO₂焊接设备即可，在生产中广泛使用，对于焊件在工厂制造和工地安装焊接提供了方便。

▲        埋弧焊(SAW)

埋弧焊，即熔剂层下自动(或半自动)电弧焊，焊接时在电极和母材之间引燃电弧，并熔化焊剂，熔池由熔渣保护，防止外界气体的侵人，熔渣参与熔池的冶金反应。焊丝中的Cr、Mn等合金元素可能被烧损，而焊接的Si、S、P等进人焊缝金属，影响焊缝的耐腐蚀和抗裂性能。因此在选择焊剂和焊丝时要考虑埋弧焊的这一特点，选择氧化性小和S、P等有害元素低的焊剂。

埋弧焊通常采用大直径(3～5mm)的焊丝进行焊接，焊接电流大，焊接速率快，对于中厚板的水平位置的纵缝和环缝焊接最为适宜。

埋弧焊常常需要较为复杂的辅助设备，如辊轮架、操作机、变位器、焊接夹具、机头变位器、焊剂垫等。因此这种焊接工艺，仅适合于在工厂进行焊接。

埋弧焊还可采用手工操作(半自动)埋弧焊。多用于T型、搭接和角接接头。

④焊接接头设计

建筑和装饰用不锈钢大都采用较薄的板材和管材，在其需要焊接连接时，除了上述选择焊接方法、焊接材料之外。采用何种形式(对接、搭接，T型角接、缝焊)的接头和坡口也很重要，对焊接质量和减少焊件应力变形以及防止焊接接头发生裂纹，保证接头耐蚀性均有重要作用。在设计接头和坡口时应遵循以下原则：

▲        尽可能采用对接焊接头，这种接头容易保持均匀的焊缝间隙，达到焊缝的焊透一致性，防止产生焊缝缺陷。

▲        同样厚度的焊接接头，X型坡口比V型坡口可节约较多焊材，减少热输入有利于防止变形，提高耐蚀性。

▲        采用X(或双U)型坡口时，对于接触腐蚀介质的一侧应选用较小尺寸的坡口形式，以减少焊接热输人和热影响区，有利于降低晶间腐蚀倾向。

▲        尽可能避免“十字”形焊缝，减少应力集中，防止焊接时变形和产生裂纹以及使用中发生应力腐蚀破裂等。

4．小结

一个世纪以来，世界不锈钢的产量在高速地发展，不锈钢的技术在不断地进步，不锈钢的应用也在迅速地扩大，更多的人们对不锈钢有了深入的认识，不锈钢不仅不锈耐蚀、光彩夺目，而且还是：可100％回收的绿色环保材料：现代的结构与功能材料；寿命期成本低的长寿材料。在上世纪的末十年，中国不锈钢取得了长足的进展。今后新世纪的前十年，不锈钢必将为新北京，新奥运增添光彩。（完）