无缝焊接门窗性能及检测探讨

刘西蒙

(中铁十四局集团建筑工程有限公司,山东 济南 250000)

0 引言

门窗是建筑物最主要的采光部位,应具备几项基本性能:气密性、水密性、隔音性、抗风压性、隔热保温性等,每项功能都缺一不可,相辅相成,决定着房屋是否安全舒适、环保耐久。

铝合金型材是门窗框最普遍选用的材料,具有质量轻、强度高、耐腐蚀、可塑性好、防火防潮等优点[1]。但铝合金也存在着一些缺点:如导热系数高,容易造成热量损失,焊接时易产生变形和裂纹等。因此,在选择门窗时,需要注意门窗的细节及性能,从而选择到合适的门窗[2]。

1 普通门窗与无缝焊接门窗

普通门窗一般由断桥铝合金铝材简单拼装而成,连接处未经过特殊处理,会形成一个非常锋利的尖角,拼接处会留下缝隙(见图1),这样的工艺流程,必然造成接合处承载强度不高,易漏风渗水,加工精准度也无法得到保障[3-4];相较木材,铝合金质地较硬,尖角、接缝、卷边处容易刮擦人体,严重时可能引起感染。

随着高品质建筑[5]这一概念的提出,行业和用户对铝合金型材料的品质要求越来越高。无缝焊接技术制造无缝门窗应运而生[6],将外框进行焊接、打磨和喷涂,使得整个窗框浑然一体、严丝合缝,不仅具有更高的承载能力,还提高了门窗的密封性和装饰性(见图2)。缝焊接门窗具有以下特点:

1)外形美观,整体性好。无缝焊接窗框表面平整光洁无凹凸,条纹连贯装饰性强,几乎无缝隙,使门窗具有更好的隔音、隔热效果。

2)呵护人体,安全性强。普通门窗框一般先将型材端部切割成斜角,会在连接处形成尖角和卷边,极易划伤人体,而无缝焊接门窗可将尖角处理得更加圆顺(如图3所示),避免划伤。

3)坚固有型,延长寿命。铝材会因日照、风吹雨淋产生热胀冷缩,雨水进入连接处缝隙使型材和密封材料受到腐蚀,影响门窗寿命[7]。无缝焊接门窗则可以避开这些问题,窗框更加坚固,连接处无接缝,最大限度地杜绝雨水渗透,耐久性更好。

4)保温节能,低碳环保。据统计,门窗已成为建筑的耗能大户,门窗热损失占建筑总热损失的40%以上[8],虽然窗体散热绝大部分是通过玻璃而不是窗框,但在双碳大背景下,最大程度地减少热量损失也不为过。无缝焊接门窗可以提高门窗特别是窗框的密闭性,限制冷热空气通过门窗间隙循环流动,从而改善保温隔热性能[9]。

但无缝焊接门窗也存在一些缺点:

无缝焊接技术最明显的缺点是会产生裂纹[10],由于型材本身存在低熔点元素,焊接时可能出现凝固裂纹、成形裂纹、偏析裂纹、焊道下裂纹。出现损坏时,普通门窗可仅更换某条边框,但无缝焊接门窗整体焊接成型,若更换将十分麻烦。

目前,虽然无缝焊接门窗已经大规模生产制造,在许多建筑中得到应用,表现较为良好,但对其性能的量化研究却甚少。

2 工程案例

了解不同连接方式的优缺点,就可以根据实际需要进行产品选择,使其优点得到充分的展现,满足实际需要。因此,有必要对两种门窗的性能进行量化和对比分析。

章丘城区棚户区改造原钢联周边安置房项目总建筑面积5.5万m2,包括5栋住宅楼(地上11层、地下室3层)、1栋3层配套商业及1栋换热站。其中,住宅楼采用断桥铝合金中空玻璃门窗,窗框为铝合金型材,窗框原设计为普通型材拼接框,为响应双碳减排和绿色建筑的政策要求,拟更改为无缝焊接门窗。

3 性能对比试验

为研究无缝焊接门窗的性能,与普通门窗进行对比,试验项目包括气密性、水密性、受静载能力、隔声性等[11-12]。委托厂家制作普通门窗和无缝焊接门窗2组试件,每组5个样品,2组除型材连接方式不同外,其余参数均相同。样品规格宽2 400 mm×高2 000 mm,窗扇个数2;中空玻璃厚度为(7+13+7)mm;开启缝长度L=7.8 m,试件面积A=4.8 m2。

使用LBT建筑门窗气密测试设备(如图4所示)测试气密性能和水密性能。全过程由电脑自动控制,设备内安装有高精度位移传感器,屏幕可实时显示空气压力、流量等数据,仪器自动出具试验结果,显示性能等级。操作界面如图5所示。

3.1 气密性能检测

门窗气密性系指在压力差作用下,空气通过门窗缝隙渗透到另一侧的能力,以在10 Pa压力差下单位缝长和单位面积空气渗透量进行评价。压力差为正表示门窗表面所受室外压力高于室内压力,反之为负。规范将气密性分为八个等级[13],等级越高性能越好,渗透的空气量和灰尘也就越少。

操作过程:预备加压——施加3个500 Pa压力脉冲,加载速度100 Pa/s,稳定3 s;正式施压——按照0 Pa→10 Pa→50 Pa→100 Pa→150 Pa→100 Pa→50 Pa→10 Pa→0 Pa逐级加压和卸压,每级持续10 s。试验过程中会弹出压力曲线界面(如图6所示)。

结果处理:计算100 Pa压力下的空气渗透量,再换算成标准状态(101 kPa,273 K)下的渗透量,除以开启缝长度L,得出单位缝长空气渗透量;除以试件面积A,得出单位面积渗透量。试验结束后即可查看正负压记录(如图7所示),将结果与规范规定的范围进行比较。

结果显示,普通门窗气密性等级为5级,无缝焊接门窗气密性可达8级,表明无缝焊接门窗气密性表现十分优异。

3.2 水密性能检测

外门窗安装后雨水渗漏是普遍存在的问题,通过淋水试验检测水密性能[14]。LBT设备淋水装置包含50个喷头,可在距被检门窗表面0.5 m位置喷射连续水幕。

操作过程:启动喷头,对整个试件均匀淋水,控制速率为2.1 L/(m2·min);同时按照100-150-210-420-500-610-730加压,每级持续5 min,记录渗漏情况。试验过程中会弹出压力曲线界面(如图8所示)。

结果处理:以严重渗漏时压力值的前一级作为水密性检测值,计算每组平均数。

结果显示,普通门窗水密性等级为4级,无缝焊接门窗水密性可达8级,表明无缝焊接门窗气密性表现十分优异。

3.3 静载检测

外门窗安装后承受的最主要外力就是风荷载,普通门窗框大多使用角码进行加强[15](如图9所示),进行简单的机械固定,门窗在生产、搬运、运输、安装过程中,连接处会受到各种外力碰撞,同时也会因温度变化导致连接型材发生不一致的缩小或膨胀,长期使用后,角部会产生错位[16]。而无缝焊接门窗就可以很大程度上避免这些情况的出现。

角强度是衡量铝合金门窗承受荷载能力的重要指标[17],通过模拟外力作用下型材连接处的变化,判定角部连接处所能承受的外力极限。取相同截面的型材,制成2组直角试件,尺寸如图10所示,每组试件各5个。

采用拉伸试验机,常温下试件受力方式如图11所示,试件对角受力,自制夹具夹住试件下部,自制拉伸机压块对试件进行压力测试,由于有上下夹具限位,整个试验过程保持样角稳定不摇晃,压力机匀速向下施压,记录在力的作用方向上位移的变化,其结果以三个试件测定结果的平均值表示。规范规定,尺寸小于2 000 mm的门窗槽口对角线角强度试验中,受力方向变形位移2.5 mm时,视为试件受到破坏,继续加力到外角部开裂完全破坏。试验过程中,型材受到外力作用,外角部位受到最大力首先开裂,如图12所示。在受力方向上位移变化统计数据如图13所示。

通过变形曲线可以发现,位移变形为2.5 mm时,普通门窗仅能承受0.3 kN,而无缝焊接门窗能承受1.65 kN,无缝焊接门窗在合格范围内能承受的外力是普通门窗的5.5倍,因此,无缝焊接方式大大提高了铝合金门窗的角强度;还可以看出,在同等作用下,无缝门窗的位移变形远小于有缝门窗,在前期试件未破坏时,无缝焊接门窗的变形比普通门窗小很多,即使受到破坏后,无缝焊接门窗也始终保持着较小变形,表明无缝焊接门窗能承受的外力更大,角强度更好。

3.4 隔音检测

门窗组件在安装后必须满足隔音需求,研究表明:边缘处声压约为中间声压的4倍,转角处声压约为单元中间声压的16倍,所以边缘接缝处时应尽量做到少缝甚至无缝。普通门窗型材接缝处一般不做处理,或者填塞一些发泡聚氨酯、填充棉等作为保温绝热材料,间接起到隔音作用[18]。

利用门窗隔音检测仪检测两种门窗的隔音效果。根据规范[19],以1/3oct、中心频率100 Hz～3 150 Hz范围测试空气隔音量。统计结果见图14。

计算显示:对于4 000 Hz以下的声音,普通门窗和无缝门窗的隔音效果相差不大;普通门窗隔音量最低值出现在5 000 Hz附近,无缝门窗隔音量最低值出现在4 000 Hz附近;超过5 000 Hz以后,两者隔声低谷峰值会出现偏移,在不同频段的隔音量数值也有明显的变化。

4 结论

结合实际工程项目,对比分析了无缝焊接门窗的各项性能参数,表明其坚固实用、设计贴心、外形美观、环境友好。由于低碳节能的大趋势,无缝焊接型材在建筑业会大有可为,通过在门窗制作安装中的应用,相信能引领门窗行业进入门窗革命4.0时代。另外,目前无缝焊接门窗性能评价标准及规范方面仍存在空缺,为适应未来发展,需对标准和规范进行严格制定并不断完善。