幕墻工程琺瑯板材生產工藝與質量檢測

盧維寧，邢葉淩

（1.阿法建筑設計咨詢（上海）有限公司，上海 200030；2.開爾新材料有限公司，浙江 金華 321000）

0 引言

搪瓷鋼板材料是一種較為新穎的建筑材料，目前在建筑立面上應用并不十分廣泛。經前期廣泛討論及調研，國家會議中心二期項目東、南、北外立面采用了雙曲面琺瑯鋼板，該鋼板厚度為 2 mm，最大板塊長度已達 7.2 m。

鋼板尺寸超規格、強度大，且項目質量控制標準高，采用汽車模具沖壓技術進行雙曲面制作。沖壓完成的板坯采用表面琺瑯燒制工藝，具有良好的統一性及耐候性。

本文將對模具鑄造、模具加工、沖壓工藝、沖壓后鈑金、搪燒等加工過程進行簡單介紹，并總結在上述過程中應加以注意和改善的內容，以及該類加工工藝的優缺點。

1 項目概況

作為北京市重點項目，國家會議中心二期是強化首都國際交往中心功能的重要設施。項目總建筑面積 78萬 m2，2022 年冬奧會期間，國家會議中心二期將承擔主媒體中心（MMC）功能，為全球媒體提供全方位服務保障。因此，國家會議中心二期承擔著冬奧場館和將來會議中心兩個重要功能。

琺瑯主要的工藝原理是將無機玻璃質的釉料涂覆（或靜電吸附）于專用超低碳鋼板基材上，然后通過高于 800 ℃ 高溫燒制使其熔凝于基體鋼板上形成琺瑯層，從而得到的一種具有超強物理和化學性能的復合材料。鋼基體和釉料之間發生復雜的化學反應和物質交互作用，兩者間形成了化學鍵合力和機械嚙合力，賦予了琺瑯板超強的物理化學性能。

本項目中，搪瓷鋼板掛裝在東、南、北 3 個立面，特別是東立面為項目主立面，是異形搪瓷鋼板 Z 系列最為集中的區域，該材料加工的質量直接影響到該立面的最終效果。

2 生產工藝流程與管控

搪瓷鋼板的主要生產工藝流程由模具沖壓和搪瓷燒制兩大部分組成。

2.1 模具沖壓

在本項目初期的調研工作中，通過反復比對及研究，最終選擇了汽車模具沖壓這一跨界工藝完成鋼板曲面造型的實現。汽車模具沖壓在模具調試后，可以最大限度保證加工的一致性，即使發現問題，也可以根據實際情況進行調整，整體效果較佳，且加工周期可以得到保證。

2.1.1 模具設計階段

根據產品形狀、精度要求，結合現有的壓機設備（需要考慮壓機尺寸、壓力能否滿足沖壓要求）、利用UG 等 3D 軟件設計建模、CAE 軟件模擬拉伸成型結果分析，提前規避沖壓過程中的料片干涉、料片起皺及開裂問題。

2.1.2 模具鑄造及加工

模具初步成型采用鑄造工藝，鑄件完成后對鑄件進行粗加工及精加工、裝配、研磨，最終達到模具試沖壓要求，本項目模具鑄造工藝采用消失模鑄造工藝（見圖 1、圖 2）。

圖1 發泡成型示意圖

圖2 國會項目鑄造模具實景圖

2.1.3 沖壓工藝流程簡介

沖壓生產工藝是一種先進的金屬加工方法，它是建立在金屬材料受力后發生塑性變形的基礎上，利用模具和沖壓設備對板料進行加工，以獲得所需要的零件形狀和尺寸。

以東立面 Z01 版型為例，本項目的沖壓工藝流程及過程中遇到的問題如下。

1）激光下料，激光切割成需要的板坯。該過程需要數模的精準度，如在后續加工過程中有任何問題應及時反饋，并立即調整，同時需注意板坯切割完畢后表面的清理，細微的鐵屑在后續拉延中不斷積累，會對模具造成一定損傷。

2）利用拉延模具對板坯拉延成型。上壓機之前再次對板坯進行徹底表面清理，同時定位不準會造成拼縫錯位（見圖 3）。

圖3 Z 板拉延序

3）3 D 激光切割及開內孔，將鋼板外側壓邊圈多余 材料切除，并將內孔切割完成。拉延會形成較大內應力，部分應力在激光切割過程中會釋放，造成板塊切割過程中變形，定位失準，因此需配置有效的工裝夾具平臺減少工件反彈。

4）單側長邊二次折邊斜鍥翻邊。需注意上下壓料板與板面契合準確，且打磨到位，否則易造成板面壓傷。

5）斜鍥翻邊，單側短邊二次折邊翻邊。由于脫模問題，兩個短邊只能一側一側地分別進行二次 20 mm 翻邊，需注意翻邊時模具對料片具有拉扯作用，如壓料板力量不夠，造成板面移位，模具將已翻好角度造成破壞。

6）斜鍥翻邊，單側長邊二次折邊翻邊。

7）內孔鳥窗一次翻邊。鳥窗孔二次翻邊用模具無法實現，需要用激光進行焊接，同時為了方便脫模及取料。需注意定位不準的話，鳥窗翻邊高度、內 R 角翻邊高度、棱線位置都將失準。

2.2 搪瓷燒制過程

搪瓷燒制工序大致分為三大部分：金工處理、搪燒工序、搪燒后工序。

2.2.1 金工處理工序（見圖 4）

圖4 金工處理工序

1）鳥窗翻邊補料。沖壓加工的板坯，其鋼板主板面一體成型，其余小部件通過焊接完成，部分沖壓缺料位置通過補焊完成。為保證補料尺寸的精確度，補料造型均采用 3D 建模拼料模擬，均用整板下料，再經過激光折彎、圈圓、去毛刺等工序方可與板坯的拼接進行點焊。

2）二次折邊點焊。二次折邊拼料前需對板坯進行尺寸修邊、鳥窗翻邊口輪廓實測，得到準確的一次翻邊口輪廓，形成矢量文件，方可進行二次折邊補料的出圖及激光切割。最后通過氬弧焊機分段 80～100 mm 進行點焊固定。

3）人工滿焊。板坯四處拼角位置由模具翻邊成型后存在等同于折邊高度的拼角縫隙，借助氬弧焊機，及對應縫隙尺寸的母材焊絲（2～3 mm），對拼縫處進行熔融結合。

4）激光焊接。利用各位置的拉筋充分對板坯的固定，使得板坯的焊接拼縫在機器人激光焊接頭軌跡誤差范圍內，借助激光焊接多孔平臺對板塊的限位，使得批量板塊在可控的區域內進行激光焊接。

5）焊接位打磨。對各焊接部位利用砂輪片、平搓與圓挫、砂紙等，進行粗磨+精修，保證焊接位置的表面構造圓滑無尖銳棱等。

6）表面打磨。對板坯表面的銹跡或劃痕進行砂紙精拋處理，使用 No 120 鐵砂紙砂磨反復 3 次后，目視無痕跡、手摸光潔平滑。

金工環節要點解析。板坯各部分的焊接熱變形極易影響板面，通過嘗試，同時考慮焊接工作的快速散熱、脈沖焊接機分段焊接等工藝，避免焊接位置集中而在冷卻過程中加速板材的回彈。焊接質量是搪燒前最為重要的一環，焊接縫隙不能過大或過小，一次折邊拼角焊縫應在 4 mm（理想為 0.5～2 mm），焊接不能堆料（采用母材添絲氬弧焊接），也不能過薄，后續打磨過程中，也不能過度打磨或打磨不到位，否則會直接影響到后續搪燒造成的偏差變形。

2.2.2 搪燒工序（見圖 5）

圖5 搪燒工序

1）酸洗。重點控制配比濃度、浸泡時間、清洗液溫度、干燥溫度時間、以及對板坯的特殊位置（板內腔較封閉不利于水排出）人工處理。

2）背面底釉。反面濕法底釉，全面覆蓋，厚度70～100 μm 并保持均勻。

3）烘干。烘干轉換前檢查鳥窗銳角積釉及清理，并檢查反面底釉厚度。

4）干法底釉面釉。調整好噴涂線參數，對噴涂薄弱位置進行人工補噴。后檢查板面靜電花、沖粉、粉點、掉粉等缺陷。

5）一遍搪燒。針對不同折邊高度以及板塊長度，采用不同的掛燒燒鉤。調整好受力掛點時位置，減少板塊在燒成時形變，采用超低線速慢燒方式噴涂燒成。

6）濕法面釉。濕法噴涂作業分正面噴涂、鳥窗位置噴涂、板塊背面部位噴涂。嚴格把控釉粉的厚度均勻性。

7）烘干。過程中檢查濕法面釉噴涂質量。

搪燒環節要點解析。搪燒過程必須經過量產前的試件調試，以期達到爐內各項指標較為穩定的狀態，其顏色的一致性也必須穩定。搪燒過程是一個高溫熱處理環節，也必須達到 800°后釉粉才能和鋼板基材完全融合，對于 7.2 m 長度的大板來說，其平整度會在高溫后發生明顯波紋情況，這是工藝上的一個瓶頸。造型及曲面的存在更會導致不同區域冷卻的速度不均，原有應力在高溫下釋放速度不同，板面回彈的情況也不同，因此下一個環節合蜂窩、加設背板是唯一可以消化部分波紋變形的措施。

2.2.3 搪燒后工序（見圖 6）

圖6 搪燒后工序

1）拉筋切割。拉筋切除前，首先會對板正面進行覆膜保護處理。為防止變形，需在板坯背面焊接臨時拉筋，待搪燒完畢后進行割除，拉筋切割易造成板面人為割傷，需附加保護，目前采用內襯 0.5 mm 鍍鋅板阻擋，另外針對切割飛濺物則是在鳥窗孔背面采用覆保護膜進行處理。

2）防銹處理。拉筋位置銼刀銼修，表面涂覆專用環氧修補劑。

3）副框安裝。副框流程為：燒成板尺寸校正、板背面及鋁副框表面清理、鋁副框貼膠條及橡皮墊片及施單組份結構膠、副框支撐件利用單組份結構膠黏貼定位、通過副框定位架安裝副框、加扣副框定位卡扣、對部分曲面板副框側面進行鋁板封閉貼合。

4）壓板。板塊壓板 B 系列板通過鋼制曲面壓板平臺作業及 Z 系列板通過尼龍曲面壓臺左右。主要原理為模擬出板塊原正反曲面通過環氧膠水粘結搪瓷板背面、鋁蜂窩芯、2.0 mm 鋁板形成抗壓層，再利用上下壓臺曲面校正燒成后的搪瓷板體。但壓板力小，則會造成板面變形校正不足，板面波浪。該環節由于搪燒后變形較大，壓板易造成角窗角部爆瓷、二次折邊棱線爆瓷。

5）防銹處理。拉筋位置：銼刀銼修，表面涂覆專用環氧修補劑，同時加扣鋁卡扣二次密封。

6）打膠。板塊在專門雙組份施膠房內進行施膠作業，刮膠修正，檢查并膠縫，縫隙填補。另施膠作業前需進行 3 項試驗（蝴蝶試驗、拉拔試驗、剝離試驗）。

7）表面修補。針對可視面區域：環氧修補劑做底層修補，待環氧底層完全固化后做面層修補；面層修補時，必須保證前道噴涂固化，再進行下道噴涂，共需要噴涂 3 遍。

搪燒后工序環節要點解析：對于搪瓷板的拉筋切割位置因為瓷層已被破壞，防銹處理至關重要，需專門針對此問題進行檢查修補處理。其次為板面的背襯壓接工序，板塊燒成存在的應力釋放形變需借助壓板工序給予矯正，合理地調整壓臺螺桿，結合各個板型合理地布置板塊內襯分散壓力。副框安裝方面需保證施膠質量，以及副框安裝的位置精度，從而保證板塊與單元體之間順利組裝。

3 質量檢測方案

3.1 檢測標準及檢測方法

先行制定搪瓷鋼板階段的檢測標準，再根據搪燒后工序最終成品要求提出模具沖壓階段需要達到的指標，后期根據實際情況進行調整，對存在工藝瓶頸不易達到的數值進行分析及調整［1-3］，并確定最終品控詳單。

在模具沖壓階段，由于沖壓工藝有較好的一致性，板坯外形尺寸差異較小，因此對外形尺寸的檢測采用 10 % 的抽查。對于主板面及一次折邊，考慮到外立面的最終效果，必須進行 100 % 檢測，并保留其追溯性。

模具沖壓階段通過討論，最終的檢測標準及檢測方法如表 1 所示。

搪瓷燒制階段通過討論，最終的檢測標準及檢測方法如表 2 所示。

表1 金工車間制坯終檢抽檢記錄表

續表1 金工車間制坯終檢抽檢記錄表

表2 搪瓷鋼板檢查表

續表2 搪瓷鋼板檢查表

3.2 結果分析

國會項目采用的搪瓷鋼板在之前其他建筑體系中并不常見，且板塊尺寸較大，并包含了很多曲面板和造型板，對于加工是非常大的挑戰（見圖 7）。

圖7 國家會議中心二期東立面實景

在整個過程仍有很多問題隨時出現，例如搪瓷鋼板背板鋁蜂窩芯復合工序進行時期，廠家當地突遇幾十年不遇的低溫天氣，導致固化時間非常漫長，且固化情況不佳，部分板面的平整度并不達標，同時由于上下靠模依照理論數值進行加工，其與板材的貼合性不佳，存在一定縫隙，在某些位置發生了爆瓷現象。經研究、試驗，降低壓力值，在縫隙處加設柔性墊塊，并在低溫時加入可產生一定熱量的電阻絲，并將所有壓臺進行保溫布包覆，保證壓臺的內部溫度，同時將壓制時間延長，最終試制出合格產品。

4 結語

國會項目采用模具沖壓進行雙曲面鋼板鈑金制作，保證了工程質量。該技術的優點是產品尺寸穩定，由于模具沖壓成型的特點，一旦模具交付后，模具沖壓的曲面效果一致性極高，每張板尺寸及曲面誤差均在 0.5 mm 以內，較好地保證了面板效果，采用模具沖壓，生產效率高，日產量高；該技術的缺點是適于大批量生產沖壓，如數量較少，模具費用較高，投產周期較長，初始投入大。由于鋼坯件在搪燒階段高溫爐內會由于沖壓造型的存在導致應力釋放不同，而產生板面有部分波浪紋的現象，同時后期背板蜂窩芯壓制過程并不能完全消除該波浪紋，雖然該造型區域的實測數據符合平整度要求，但在特定角度下仍會看到較為清晰的波浪紋。

超規格搪瓷曲面、造型鋼板目前已達到了預期效果，也得到了各方的肯定，但仍有部分缺陷存在，工藝上需要更多時間去研究，希望本文能盡力為這一材料今后在建筑物外墻材料的繼續使用中提供有益的幫助。Q