無縫焊接門窗性能及檢測探討

劉西蒙

(中鐵十四局集團建筑工程有限公司,山東 濟南 250000)

0 引言

門窗是建筑物最主要的采光部位,應具備幾項基本性能:氣密性、水密性、隔音性、抗風壓性、隔熱保溫性等,每項功能都缺一不可,相輔相成,決定著房屋是否安全舒適、環保耐久。

鋁合金型材是門窗框最普遍選用的材料,具有質量輕、強度高、耐腐蝕、可塑性好、防火防潮等優點[1]。但鋁合金也存在著一些缺點:如導熱系數高,容易造成熱量損失,焊接時易產生變形和裂紋等。因此,在選擇門窗時,需要注意門窗的細節及性能,從而選擇到合適的門窗[2]。

1 普通門窗與無縫焊接門窗

普通門窗一般由斷橋鋁合金鋁材簡單拼裝而成,連接處未經過特殊處理,會形成一個非常鋒利的尖角,拼接處會留下縫隙(見圖1),這樣的工藝流程,必然造成接合處承載強度不高,易漏風滲水,加工精準度也無法得到保障[3-4];相較木材,鋁合金質地較硬,尖角、接縫、卷邊處容易刮擦人體,嚴重時可能引起感染。

隨著高品質建筑[5]這一概念的提出,行業和用戶對鋁合金型材料的品質要求越來越高。無縫焊接技術制造無縫門窗應運而生[6],將外框進行焊接、打磨和噴涂,使得整個窗框渾然一體、嚴絲合縫,不僅具有更高的承載能力,還提高了門窗的密封性和裝飾性(見圖2)。縫焊接門窗具有以下特點:

1)外形美觀,整體性好。無縫焊接窗框表面平整光潔無凹凸,條紋連貫裝飾性強,幾乎無縫隙,使門窗具有更好的隔音、隔熱效果。

2)呵護人體,安全性強。普通門窗框一般先將型材端部切割成斜角,會在連接處形成尖角和卷邊,極易劃傷人體,而無縫焊接門窗可將尖角處理得更加圓順(如圖3所示),避免劃傷。

3)堅固有型,延長壽命。鋁材會因日照、風吹雨淋產生熱脹冷縮,雨水進入連接處縫隙使型材和密封材料受到腐蝕,影響門窗壽命[7]。無縫焊接門窗則可以避開這些問題,窗框更加堅固,連接處無接縫,最大限度地杜絕雨水滲透,耐久性更好。

4)保溫節能,低碳環保。據統計,門窗已成為建筑的耗能大戶,門窗熱損失占建筑總熱損失的40%以上[8],雖然窗體散熱絕大部分是通過玻璃而不是窗框,但在雙碳大背景下,最大程度地減少熱量損失也不為過。無縫焊接門窗可以提高門窗特別是窗框的密閉性,限制冷熱空氣通過門窗間隙循環流動,從而改善保溫隔熱性能[9]。

但無縫焊接門窗也存在一些缺點:

無縫焊接技術最明顯的缺點是會產生裂紋[10],由于型材本身存在低熔點元素,焊接時可能出現凝固裂紋、成形裂紋、偏析裂紋、焊道下裂紋。出現損壞時,普通門窗可僅更換某條邊框,但無縫焊接門窗整體焊接成型,若更換將十分麻煩。

目前,雖然無縫焊接門窗已經大規模生產制造,在許多建筑中得到應用,表現較為良好,但對其性能的量化研究卻甚少。

2 工程案例

了解不同連接方式的優缺點,就可以根據實際需要進行產品選擇,使其優點得到充分的展現,滿足實際需要。因此,有必要對兩種門窗的性能進行量化和對比分析。

章丘城區棚戶區改造原鋼聯周邊安置房項目總建筑面積5.5萬m2,包括5棟住宅樓(地上11層、地下室3層)、1棟3層配套商業及1棟換熱站。其中,住宅樓采用斷橋鋁合金中空玻璃門窗,窗框為鋁合金型材,窗框原設計為普通型材拼接框,為響應雙碳減排和綠色建筑的政策要求,擬更改為無縫焊接門窗。

3 性能對比試驗

為研究無縫焊接門窗的性能,與普通門窗進行對比,試驗項目包括氣密性、水密性、受靜載能力、隔聲性等[11-12]。委托廠家制作普通門窗和無縫焊接門窗2組試件,每組5個樣品,2組除型材連接方式不同外,其余參數均相同。樣品規格寬2 400 mm×高2 000 mm,窗扇個數2;中空玻璃厚度為(7+13+7)mm;開啟縫長度L=7.8 m,試件面積A=4.8 m2。

使用LBT建筑門窗氣密測試設備(如圖4所示)測試氣密性能和水密性能。全過程由電腦自動控制,設備內安裝有高精度位移傳感器,屏幕可實時顯示空氣壓力、流量等數據,儀器自動出具試驗結果,顯示性能等級。操作界面如圖5所示。

3.1 氣密性能檢測

門窗氣密性系指在壓力差作用下,空氣通過門窗縫隙滲透到另一側的能力,以在10 Pa壓力差下單位縫長和單位面積空氣滲透量進行評價。壓力差為正表示門窗表面所受室外壓力高于室內壓力,反之為負。規范將氣密性分為八個等級[13],等級越高性能越好,滲透的空氣量和灰塵也就越少。

操作過程:預備加壓——施加3個500 Pa壓力脈沖,加載速度100 Pa/s,穩定3 s;正式施壓——按照0 Pa→10 Pa→50 Pa→100 Pa→150 Pa→100 Pa→50 Pa→10 Pa→0 Pa逐級加壓和卸壓,每級持續10 s。試驗過程中會彈出壓力曲線界面(如圖6所示)。

結果處理:計算100 Pa壓力下的空氣滲透量,再換算成標準狀態(101 kPa,273 K)下的滲透量,除以開啟縫長度L,得出單位縫長空氣滲透量;除以試件面積A,得出單位面積滲透量。試驗結束后即可查看正負壓記錄(如圖7所示),將結果與規范規定的范圍進行比較。

結果顯示,普通門窗氣密性等級為5級,無縫焊接門窗氣密性可達8級,表明無縫焊接門窗氣密性表現十分優異。

3.2 水密性能檢測

外門窗安裝后雨水滲漏是普遍存在的問題,通過淋水試驗檢測水密性能[14]。LBT設備淋水裝置包含50個噴頭,可在距被檢門窗表面0.5 m位置噴射連續水幕。

操作過程:啟動噴頭,對整個試件均勻淋水,控制速率為2.1 L/(m2·min);同時按照100-150-210-420-500-610-730加壓,每級持續5 min,記錄滲漏情況。試驗過程中會彈出壓力曲線界面(如圖8所示)。

結果處理:以嚴重滲漏時壓力值的前一級作為水密性檢測值,計算每組平均數。

結果顯示,普通門窗水密性等級為4級,無縫焊接門窗水密性可達8級,表明無縫焊接門窗氣密性表現十分優異。

3.3 靜載檢測

外門窗安裝后承受的最主要外力就是風荷載,普通門窗框大多使用角碼進行加強[15](如圖9所示),進行簡單的機械固定,門窗在生產、搬運、運輸、安裝過程中,連接處會受到各種外力碰撞,同時也會因溫度變化導致連接型材發生不一致的縮小或膨脹,長期使用后,角部會產生錯位[16]。而無縫焊接門窗就可以很大程度上避免這些情況的出現。

角強度是衡量鋁合金門窗承受荷載能力的重要指標[17],通過模擬外力作用下型材連接處的變化,判定角部連接處所能承受的外力極限。取相同截面的型材,制成2組直角試件,尺寸如圖10所示,每組試件各5個。

采用拉伸試驗機,常溫下試件受力方式如圖11所示,試件對角受力,自制夾具夾住試件下部,自制拉伸機壓塊對試件進行壓力測試,由于有上下夾具限位,整個試驗過程保持樣角穩定不搖晃,壓力機勻速向下施壓,記錄在力的作用方向上位移的變化,其結果以三個試件測定結果的平均值表示。規范規定,尺寸小于2 000 mm的門窗槽口對角線角強度試驗中,受力方向變形位移2.5 mm時,視為試件受到破壞,繼續加力到外角部開裂完全破壞。試驗過程中,型材受到外力作用,外角部位受到最大力首先開裂,如圖12所示。在受力方向上位移變化統計數據如圖13所示。

通過變形曲線可以發現,位移變形為2.5 mm時,普通門窗僅能承受0.3 kN,而無縫焊接門窗能承受1.65 kN,無縫焊接門窗在合格范圍內能承受的外力是普通門窗的5.5倍,因此,無縫焊接方式大大提高了鋁合金門窗的角強度;還可以看出,在同等作用下,無縫門窗的位移變形遠小于有縫門窗,在前期試件未破壞時,無縫焊接門窗的變形比普通門窗小很多,即使受到破壞后,無縫焊接門窗也始終保持著較小變形,表明無縫焊接門窗能承受的外力更大,角強度更好。

3.4 隔音檢測

門窗組件在安裝后必須滿足隔音需求,研究表明:邊緣處聲壓約為中間聲壓的4倍,轉角處聲壓約為單元中間聲壓的16倍,所以邊緣接縫處時應盡量做到少縫甚至無縫。普通門窗型材接縫處一般不做處理,或者填塞一些發泡聚氨酯、填充棉等作為保溫絕熱材料,間接起到隔音作用[18]。

利用門窗隔音檢測儀檢測兩種門窗的隔音效果。根據規范[19],以1/3oct、中心頻率100 Hz～3 150 Hz范圍測試空氣隔音量。統計結果見圖14。

計算顯示:對于4 000 Hz以下的聲音,普通門窗和無縫門窗的隔音效果相差不大;普通門窗隔音量最低值出現在5 000 Hz附近,無縫門窗隔音量最低值出現在4 000 Hz附近;超過5 000 Hz以后,兩者隔聲低谷峰值會出現偏移,在不同頻段的隔音量數值也有明顯的變化。

4 結論

結合實際工程項目,對比分析了無縫焊接門窗的各項性能參數,表明其堅固實用、設計貼心、外形美觀、環境友好。由于低碳節能的大趨勢,無縫焊接型材在建筑業會大有可為,通過在門窗制作安裝中的應用,相信能引領門窗行業進入門窗革命4.0時代。另外,目前無縫焊接門窗性能評價標準及規范方面仍存在空缺,為適應未來發展,需對標準和規范進行嚴格制定并不斷完善。