盧維寧，邢葉淩

（1.阿法建筑設(shè)計(jì)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(yīng)用并不十分廣泛。經(jīng)前期廣泛討論及調(diào)研，國家會議中心二期項(xiàng)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(dá) 7.2 m。

鋼板尺寸超規(guī)格、強(qiáng)度大，且項(xiàng)目質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)高，采用汽車模具沖壓技術(shù)進(jìn)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(tǒng)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(jìn)行簡單介紹，并總結(jié)在上述過程中應(yīng)加以注意和改善的內(nèi)容，以及該類加工工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 項(xiàng)目概況

作為北京市重點(diǎn)項(xiàng)目，國家會議中心二期是強(qiáng)化首都國際交往中心功能的重要設(shè)施。項(xiàng)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(dān)主媒體中心（MMC）功能，為全球媒體提供全方位服務(wù)保障。因此，國家會議中心二期承擔(dān)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(jī)玻璃質(zhì)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?zé)剖蛊淙勰诨w鋼板上形成琺瑯層，從而得到的一種具有超強(qiáng)物理和化學(xué)性能的復(fù)合材料。鋼基體和釉料之間發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)交互作用，兩者間形成了化學(xué)鍵合力和機(jī)械嚙合力，賦予了琺瑯板超強(qiáng)的物理化學(xué)性能。

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

2 生產(chǎn)工藝流程與管控

搪瓷鋼板的主要生產(chǎn)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(xiàng)目初期的調(diào)研工作中，通過反復(fù)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(shí)現(xiàn)。汽車模具沖壓在模具調(diào)試后，可以最大限度保證加工的一致性，即使發(fā)現(xiàn)問題，也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，整體效果較佳，且加工周期可以得到保證。

2.1.1 模具設(shè)計(jì)階段

根據(jù)產(chǎn)品形狀、精度要求，結(jié)合現(xiàn)有的壓機(jī)設(shè)備（需要考慮壓機(jī)尺寸、壓力能否滿足沖壓要求）、利用UG 等 3D 軟件設(shè)計(jì)建模、CAE 軟件模擬拉伸成型結(jié)果分析，提前規(guī)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(jìn)行粗加工及精加工、裝配、研磨，最終達(dá)到模具試沖壓要求，本項(xiàng)目模具鑄造工藝采用消失模鑄造工藝（見圖 1、圖 2）。

圖1 發(fā)泡成型示意圖

圖2 國會項(xiàng)目鑄造模具實(shí)景圖

2.1.3 沖壓工藝流程簡介

沖壓生產(chǎn)工藝是一種先進(jìn)的金屬加工方法，它是建立在金屬材料受力后發(fā)生塑性變形的基礎(chǔ)上，利用模具和沖壓設(shè)備對板料進(jìn)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(xiàng)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(shù)模的精準(zhǔn)度，如在后續(xù)加工過程中有任何問題應(yīng)及時(shí)反饋，并立即調(diào)整，同時(shí)需注意板坯切割完畢后表面的清理，細(xì)微的鐵屑在后續(xù)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(jī)之前再次對板坯進(jìn)行徹底表面清理，同時(shí)定位不準(zhǔn)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(nèi)孔，將鋼板外側(cè)壓邊圈多余 材料切除，并將內(nèi)孔切割完成。拉延會形成較大內(nèi)應(yīng)力，部分應(yīng)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(zhǔn)，因此需配置有效的工裝夾具平臺減少工件反彈。

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

5）斜鍥翻邊，單側(cè)短邊二次折邊翻邊。由于脫模問題，兩個短邊只能一側(cè)一側(cè)地分別進(jìn)行二次 20 mm 翻邊，需注意翻邊時(shí)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(cè)長邊二次折邊翻邊。

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

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(bǔ)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(bǔ)焊完成。為保證補(bǔ)料尺寸的精確度，補(bǔ)料造型均采用 3D 建模拼料模擬，均用整板下料，再經(jīng)過激光折彎、圈圓、去毛刺等工序方可與板坯的拼接進(jìn)行點(diǎn)焊。

2）二次折邊點(diǎn)焊。二次折邊拼料前需對板坯進(jìn)行尺寸修邊、鳥窗翻邊口輪廓實(shí)測，得到準(zhǔn)確的一次翻邊口輪廓，形成矢量文件，方可進(jìn)行二次折邊補(bǔ)料的出圖及激光切割。最后通過氬弧焊機(jī)分段 80～100 mm 進(jìn)行點(diǎn)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(jī)，及對應(yīng)縫隙尺寸的母材焊絲（2～3 mm），對拼縫處進(jìn)行熔融結(jié)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(jī)器人激光焊接頭軌跡誤差范圍內(nèi)，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(qū)域內(nèi)進(jìn)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(jìn)行粗磨+精修，保證焊接位置的表面構(gòu)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(jìn)行砂紙精拋處理，使用 No 120 鐵砂紙砂磨反復(fù) 3 次后，目視無痕跡、手摸光潔平滑。

金工環(huán)節(jié)要點(diǎn)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(shí)考慮焊接工作的快速散熱、脈沖焊接機(jī)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(zhì)量是搪燒前最為重要的一環(huán)，焊接縫隙不能過大或過小，一次折邊拼角焊縫應(yīng)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(xù)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(xù)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(diǎn)控制配比濃度、浸泡時(shí)間、清洗液溫度、干燥溫度時(shí)間、以及對板坯的特殊位置（板內(nèi)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(zhuǎn)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(diào)整好噴涂線參數(shù)，對噴涂薄弱位置進(jìn)行人工補(bǔ)噴。后檢查板面靜電花、沖粉、粉點(diǎn)、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(diào)整好受力掛點(diǎn)時(shí)位置，減少板塊在燒成時(shí)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(yè)分正面噴涂、鳥窗位置噴涂、板塊背面部位噴涂。嚴(yán)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(zhì)量。

搪燒環(huán)節(jié)要點(diǎn)解析。搪燒過程必須經(jīng)過量產(chǎn)前的試件調(diào)試，以期達(dá)到爐內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，其顏色的一致性也必須穩(wěn)定。搪燒過程是一個高溫?zé)崽幚憝h(huán)節(jié)，也必須達(dá)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(fā)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(dǎo)致不同區(qū)域冷卻的速度不均，原有應(yīng)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(huán)節(jié)合蜂窩、加設(shè)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(jìn)行覆膜保護(hù)處理。為防止變形，需在板坯背面焊接臨時(shí)拉筋，待搪燒完畢后進(jìn)行割除，拉筋切割易造成板面人為割傷，需附加保護(hù)，目前采用內(nèi)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(hù)膜進(jìn)行處理。

2）防銹處理。拉筋位置銼刀銼修，表面涂覆專用環(huán)氧修補(bǔ)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(jié)構(gòu)膠、副框支撐件利用單組份結(jié)構(gòu)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(cè)面進(jìn)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(yè)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(huán)氧膠水粘結(jié)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(huán)節(jié)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(huán)氧修補(bǔ)劑，同時(shí)加扣鋁卡扣二次密封。

6）打膠。板塊在專門雙組份施膠房內(nèi)進(jìn)行施膠作業(yè)，刮膠修正，檢查并膠縫，縫隙填補(bǔ)。另施膠作業(yè)前需進(jìn)行 3 項(xiàng)試驗(yàn)（蝴蝶試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)、剝離試驗(yàn)）。

7）表面修補(bǔ)。針對可視面區(qū)域：環(huán)氧修補(bǔ)劑做底層修補(bǔ)，待環(huán)氧底層完全固化后做面層修補(bǔ)；面層修補(bǔ)時(shí)，必須保證前道噴涂固化，再進(jìn)行下道噴涂，共需要噴涂 3 遍。

搪燒后工序環(huán)節(jié)要點(diǎn)解析：對于搪瓷板的拉筋切割位置因?yàn)榇蓪右驯黄茐?，防銹處理至關(guān)重要，需專門針對此問題進(jìn)行檢查修補(bǔ)處理。其次為板面的背襯壓接工序，板塊燒成存在的應(yīng)力釋放形變需借助壓板工序給予矯正，合理地調(diào)整壓臺螺桿，結(jié)合各個板型合理地布置板塊內(nèi)襯分散壓力。副框安裝方面需保證施膠質(zhì)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(zhì)量檢測方案

3.1 檢測標(biāo)準(zhǔn)及檢測方法

先行制定搪瓷鋼板階段的檢測標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)搪燒后工序最終成品要求提出模具沖壓階段需要達(dá)到的指標(biāo)，后期根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，對存在工藝瓶頸不易達(dá)到的數(shù)值進(jìn)行分析及調(diào)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(xù)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(xù)表2 搪瓷鋼板檢查表

3.2 結(jié)果分析

國會項(xiàng)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(zhàn)（見圖 7）。

圖7 國家會議中心二期東立面實(shí)景

在整個過程仍有很多問題隨時(shí)出現(xiàn)，例如搪瓷鋼板背板鋁蜂窩芯復(fù)合工序進(jìn)行時(shí)期，廠家當(dāng)?shù)赝挥鰩资瓴挥龅牡蜏靥鞖?，?dǎo)致固化時(shí)間非常漫長，且固化情況不佳，部分板面的平整度并不達(dá)標(biāo)，同時(shí)由于上下靠模依照理論數(shù)值進(jìn)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(fā)生了爆瓷現(xiàn)象。經(jīng)研究、試驗(yàn)，降低壓力值，在縫隙處加設(shè)柔性墊塊，并在低溫時(shí)加入可產(chǎn)生一定熱量的電阻絲，并將所有壓臺進(jìn)行保溫布包覆，保證壓臺的內(nèi)部溫度，同時(shí)將壓制時(shí)間延長，最終試制出合格產(chǎn)品。

4 結(jié)語

國會項(xiàng)目采用模具沖壓進(jìn)行雙曲面鋼板鈑金制作，保證了工程質(zhì)量。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定，由于模具沖壓成型的特點(diǎn)，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(nèi)，較好地保證了面板效果，采用模具沖壓，生產(chǎn)效率高，日產(chǎn)量高；該技術(shù)的缺點(diǎn)是適于大批量生產(chǎn)沖壓，如數(shù)量較少，模具費(fèi)用較高，投產(chǎn)周期較長，初始投入大。由于鋼坯件在搪燒階段高溫爐內(nèi)會由于沖壓造型的存在導(dǎo)致應(yīng)力釋放不同，而產(chǎn)生板面有部分波浪紋的現(xiàn)象，同時(shí)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(qū)域的實(shí)測數(shù)據(jù)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(guī)格搪瓷曲面、造型鋼板目前已達(dá)到了預(yù)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(shí)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(xù)使用中提供有益的幫助。Q