【彩钢瓦屋面光伏支架焊接技术及工艺】 彩钢瓦屋面光伏支架
新型彩钢瓦屋面光伏支架 技术及施工工艺 *县**光伏电力开发有限公司 一、编制依据 1、 工程施工图纸； 2、施工现场实地踏勘； 3、国家有关建筑工程法规、规范与文件； 4、建筑施工安全检查标准JGJ59—2011； 5、本施工组织设计遵守的有关规范、标准： 5.1《工程测量规范》GB50026—2007； 5.2《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81—2002； 5.3《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》GB8923—88； 5.4《碳钢焊条》GB5117—85； 5.5《建筑施工安全检查评分标准》JGJ59—99； 5.6《建筑施工高处作业安全技术规范》JGJ80—91； 5.7《建筑机械使用安全技术规程》JGJ33—86； 5.8《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ46—2005； 5.9轻型房屋钢结构技术规程CECS102:2002。
二、新型支架及施工工艺介绍 内容 名称:彩钢瓦屋面防水加固与光伏发电 目的: 1、对己建成彩钢瓦屋面使用新技术进行加固防水处理,使加固后的彩钢瓦屋面在使用寿命期内免于维护,彻底杜绝漏水现象, 降低房屋的使用成本; 2、利用加固构件在彩钢瓦屋面安装光伏组件发电,充分利用彩钢瓦屋面闲置空间生产绿色能源; 项目意义: 一举两得,即加固了彩钢瓦屋面使其在寿命期内免于维护又利用了加固构件安装光伏组件发电,实现利用较少的资源获得最大的回报的目的. 背景技术 1、彩钢瓦屋面二次防水的背景技术 彩钢瓦是采用钢板经辊压冷弯成各种波型在加上彩色涂层的压型板，它适用于工业与民用建筑、仓库、特种建筑、大跨度钢结构房屋的屋面等，具有质轻、高强、色泽丰富、施工方便快捷、抗震、防火、防雨、寿命长、免维护等特点，现已被全世界广泛推广应用。
现有的彩钢瓦屋面的安装方式一般是使用自旋螺栓或铆钉将彩钢瓦固定在屋面导轨上的方式,然后再对自旋螺栓与彩钢瓦的接触面和彩钢瓦接缝处进行防水处理,并且建成后一到两年就要进行一次防水维护作业,更换损坏部位并对所有螺栓固定点、彩钢瓦接缝处重新涂刷防水胶, 这就需要耗费大量的材料、人力和时间增加了房屋的使用成本;而目前还没有好的解决办法. 2、彩钢瓦屋面光伏电站背景技术 在光伏行业, 屋顶光伏支架分为混凝土平屋顶、琉璃瓦斜屋顶、彩钢瓦屋顶 , 其中彩钢瓦屋面光伏支架根据与彩钢瓦的连接方式分为角驰型、直立锁边型与梯形螺栓固定或强力胶粘型 , 现有技术的连接方式是角驰型和直立锁边型是针对彩钢瓦的瓦楞截面形状生产相应截面形状的夹具（参见图1、图2、图3、图4）, 通过夹具上的紧固螺栓将夹具紧固在瓦楞上,夹具上安装导轨, 然后在导轨上用组件压块固定光伏组件；而梯形形状彩钢瓦无法通过夹具夹持住梯形彩钢瓦表面的瓦楞或其他外形特征，现有技术是针对每种梯形彩钢瓦的截面形状生产不同截面形状的夹具，在夹具与梯形彩钢瓦瓦楞之间放置防水胶条或涂刷防水胶 , 然后在夹具与梯形彩钢瓦的瓦楞顶面或者侧面打孔, 最后通过螺栓或铆钉与夹具连接或者在夹具与梯形彩钢瓦的瓦楞之间采取强力胶粘接,然后在夹具上安装导轨,导轨上用组件压块固定光伏组件（参见图5）。
图1 图2 图3 图4 现有技术中的彩钢瓦屋面光伏支架存在如下缺陷： 角驰型、直立锁边型彩钢瓦屋面光伏支架是通过夹具上的紧固螺栓将夹具紧固在瓦楞上的, 因彩钢瓦屋面光伏系统要求其在户外使用寿命要达到25年,并且满足25年中的风荷载，雪荷载及地震荷载要求, 而上述彩钢瓦屋面光伏支架的螺栓夹持紧固安装方式在长时间的风荷载，雪荷载及地震荷载的作用下及易松动甚至脱落从而影响其使用寿命。
而梯形形状彩钢瓦因无法通过夹具夹持住梯形彩钢瓦表面的瓦楞或其他外形特征，因此其安装方式是先在夹具与梯形彩钢瓦瓦楞之间放置防水胶条或涂刷防水胶 , 然后将夹具与梯形彩钢瓦的两个斜面或上端面使用螺栓或铆钉固定或强力胶粘接的连接方式，现有技术有以下五点问题: 第一，在梯形彩钢瓦屋面打孔，会破坏原有屋面防水效果，即使加上防水胶条或涂刷上任何防水胶也不会达到原来的防水效果，在长时间的风荷载，雪荷载、地震荷载、环境温湿度以及空气中的氧的作用下其防水胶条或防水胶会因老化开裂及变型从而造成雨水渗透。
第二，彩钢瓦打孔以后孔的截面裸露在空气中，即使打孔后将孔的截面进行防腐处理也会因螺栓或铆钉的进入而重新破坏孔的截面防腐层 , 这样彩钢瓦就会被腐蚀生锈。
第三 ,其夹具是通过打孔加螺栓或铆钉与彩钢瓦连接 , 而现有彩钢瓦厚度为0.25mm～0.8mm之间 , 其螺栓或铆钉与彩钢瓦连接处因接触截面过小从而导致连接强度不足 , 极易造成夹具松动甚至脱落。
第四, 采取强力胶粘接的连接方式会因在长时间的风荷载，雪荷载、地震荷载、环境温湿度以及空气中的氧的作用下其强力胶会因老化开裂及变型从而造成松动脱落。
第五，在夹具与梯形彩钢瓦瓦楞之间放置防水胶条或涂刷防水胶后在打孔加螺栓或铆钉或强力胶粘接的连接方式，有施工工序复杂 , 使用的零部件多 , 施工时间长以及原材料成本高的问题。
上述彩钢瓦屋面光伏支架以及安装方式还有因彩钢瓦的型号较多，各型号的彩钢瓦瓦楞截面尺寸各异 , 各型号彩钢瓦的夹具基本不能通用，使得彩钢瓦屋面光伏支架结构在安装过程中装配复杂，每种彩钢瓦需要根据其截面形状生产相应截面形状的夹具，夹具生产所需模具较多，增加了生产成本。
上述彩钢瓦屋面光伏支架以及安装方式还因为多层、特别是高层建筑屋顶风荷载、地震荷载很大，屋面光伏组件与彩钢瓦因连接强度不够造成松动和脱落的风险概率激增；在这种情况下光伏支架及光伏组件的滑落会造成人身和财产损失，这种风险在建筑光伏行业是必须避免的。
另外,从理论上说在上述的几种彩钢瓦屋面建光伏电站会使彩钢瓦屋面结构得以加强,其光伏支架的导轨和组件边框在彩钢瓦屋面形成一个网状结构骨架,使彩钢瓦屋面结构得到加强而更加结实可靠,而在现有建成的彩钢瓦屋面光伏电站的实际运行当中却发现情况正好相反,即没建电站前发现雨水渗透的概率很小,而电站建成后其雨水渗透的概率大大增加,最后不得不撤除,造成了资金和资源的极大浪费,大部分人对此现象得出的结论是光伏支架和组件增加了彩钢瓦屋面荷载,而其真正的原因到目前为至还没有看到有人对此现象作出令人信服的解析. 一、 项目的技术方案 上述问题必须找到形成问题的根本原因才能有针对性的提出解决方案,我司技术人员在前期走访了多个己建成的且正在进行防水维护作业的彩钢瓦屋面以及加装了光伏电站的彩钢瓦建筑,然后采购相同样品安装后进行实验,并对实验数据进行分析研究,得出如下原因: 1、彩钢瓦屋面建成一段时间后漏水的原因: 现有的彩钢瓦屋面的安装方式一般是使用自旋螺栓或铆钉将彩钢瓦固定在屋面导轨上的方式,然后再对自旋螺栓与彩钢瓦的接触面和彩钢瓦接缝处进行防水处理,而彩钢瓦打孔以后孔的截面裸露在空气中，即使打孔后将孔的截面进行防腐处理也会因螺栓或铆钉的进入而重新破坏孔的截面防腐层 , 这样彩钢瓦就会被腐蚀生锈;另外,现有彩钢瓦厚度为0.25mm～0.8mm之间 , 其螺栓或铆钉与彩钢瓦连接处因接触截面过小从而导致连接强度不足 , 导致在长时间的风荷载，雪荷载的作用下彩钢瓦极易造成松动甚至脱落;进而破坏防水层形成漏水现象;所以现有彩钢瓦屋面根据所处地理环境情况一般在建成后一到两年就要进行一次防水维护作业,更换损坏部位并对所有螺栓固定点、彩钢瓦接缝处重新涂刷防水胶. 2、彩钢瓦屋面加装光伏组件后漏水的原因: 我在走访中发现彩钢瓦光伏电站一般发生雨水渗透的概率与电站建成后的运行时间成正比,即在建成一段时间后开始出现,随着时间推移其雨水渗透现象会越来越严重直到电站撤除并重新修缮屋面,很多技术人员将原因归咎于屋面荷载增加,而我司技术人员结合现场实际情况对这种现象进行了深入的研究和分析,得出了一个不同的结论:此现象的根本原因在于光伏支架与彩钢瓦的连接方式上,上面己经分析过几种彩钢瓦光伏支架的连接方式的缺陷,下面主要对光伏支架连接方式对彩钢瓦屋面防水性的影响进行分析: 彩钢瓦是通过若干个螺栓紧固在屋顶导轨上并对紧固螺栓进行防水处理,在设计期间己通过结构力学计算,其结构被视为是安全的,光伏组件通过边框安装在支架导轨上, 其导轨和组件边框形成一个网状结构,其设计时同样经过结构力学计算,我们也视其结构是安全的, 其光伏支架安装在彩钢瓦屋面形成一个网状结构骨架,其理论上应该使彩钢瓦屋面更加结实和可靠,而现实当中为何正好相反呢?其根本原因在于光伏支架与彩钢瓦的连接方式上了,其原因在于: 1、角驰型、直立锁边型彩钢瓦屋面光伏支架是通过夹具上的紧固螺栓将夹具紧固在瓦楞上的,其夹具为上端螺栓紧固夹持,其受力点在上端,因此其夹具需要保证有一定厚度才能保证夹持时不会变形,因为夹具厚度增加其重量和成本也会相应增加,而且会增大彩钢瓦屋面荷载,所以一般夹具材质选择为铝合金制造,而彩钢瓦材料为钢板,其厚度约在0.25—0.8之间,而两种材料的热膨胀系数相差很大,在不同的温度条件下其膨胀度不一样, 而夹具为上端螺栓紧固夹持,其受力点在上端,因此极易松动, 如果支架与彩钢瓦之间的连接发生松动时就会成为两个不同的受力层,而不是理论上的整体受力层,而风荷载，雪荷载作用在两个不同的受力层时又会加剧连接点的松动并进入恶性循环,损坏连接点和彩钢瓦的紧固螺栓极其防水层, 进而损坏整个彩钢瓦互相之间的接缝防水层从而发生雨水渗透. 2、而梯形彩钢瓦屋面光伏支架的安装方式是先在夹具与梯形彩钢瓦瓦楞之间放置防水胶条或涂刷防水胶 , 然后将夹具与梯形彩钢瓦的两个斜面或上端面使用螺栓或铆钉固定或强力胶粘接的连接方式,而现有彩钢瓦厚度为0.25mm～0.8mm之间 , 其螺栓或铆钉与彩钢瓦连接处因接触截面过小从而导致连接强度不足 , 极易造成夹具松动甚至脱落, 采取强力胶粘接的连接方式会因在长时间的风荷载，雪荷载、地震荷载、环境温湿度以及空气中的氧的作用下其强力胶会因老化开裂及变型从而造成松动脱落,其同样会发生第1里描述的现象. 综上所述:这就是为什么电站建成后其雨水渗透的概率大大增加的根本原因! 3、解决方案 3.1、技术方案 在上述漏水原因中我们知道了产生漏水的原因是因为彩钢瓦与导轨、光伏支架与彩钢瓦的连接出了问题, 为了解决的上述技术问题我司技术人员经过潜心研究和多次试验,提出了一种全新的解决方案: 在己建成彩钢瓦屋面焊接螺栓,在焊接螺栓上安装金属导轨,金属导轨上安装光伏组件,因为螺栓是直接焊接在彩钢瓦表面,避免了螺栓或铆钉与彩钢瓦连接处因接触截面过小从而导致连接强度不足,利用导轨、光伏组件框架和彩钢瓦形成一个整体受力层从而保证屋面整体强度,彻底解决连接点松动问题以根治彩钢瓦屋面以及彩钢瓦屋面加装光伏电站的雨水渗透! 为此我与人合作研发了一种新型彩钢瓦屋面专用焊接设备和钳紧式彩钢瓦屋面光伏支架以及操作工艺，该两项专利己向中国国家知识产权局分别申请了实用新型和发明专利. 其专用焊接设备在研发期间经过上万次焊接试验,从中取得了各种厚度的彩钢瓦最佳焊接数据并储存于专用焊接设备控制芯片内,其控制芯片可根据预先设定的彩钢瓦厚度精确的控制焊接时间和电流，不会引起金属氧化变色，不会变形，熔化层非常浅，根据设定其熔化层可控制在0.1mm～0.6之间，适合厚度小于1mm的彩钢瓦焊接而不会产生焊穿和变形现象,因焊接时间短(1～3毫秒)散热非常快因此彩钢瓦下面的保温层不会受到一点影响。
现在的工厂、大型仓库、农贸市场采用的彩钢瓦大部分为梯形彩钢瓦,很多光伏企业在彩钢瓦屋面做的光伏电站基本为示范性质,很少有超过MW级的电站,并且大部分电站都因为防水问题没解决而拆除了,现在提倡并鼓励分布光伏电站的建设,而因为防水问题没解决导致大量彩钢瓦屋面不能建设光伏电站,极大的浪费了这部分屋面资源,因此新型彩钢瓦屋面光伏支架专用焊接设备以及操作工艺技术的市场前景将非常广阔. ▲具有如下特点: ★ 良好的可靠性: 有针对性的研发了一种新型彩钢瓦屋面专用焊接设备,在己建成彩钢瓦屋面焊接螺栓,在焊接螺栓上安装金属导轨,金属导轨上安装光伏组件,因为螺栓是直接焊接在彩钢瓦表面,避免了螺栓或铆钉与彩钢瓦连接处因接触截面过小从而导致连接强度不足,其专用焊接设备具有瞬时焊接和记忆功能,焊接不会对彩钢瓦下保温材料造成损坏. ★不破坏原屋面防水: 利用焊接螺栓、导轨、光伏组件框架和彩钢瓦形成一个整体受力层从而保证屋面整体强度,彻底解决连接点松动问题以根治彩钢瓦屋面加装光伏电站后的雨水渗透! ★适用性广:适合所有类型彩钢瓦屋面,适合在现有的各种型号角驰型、支立锁边型和梯形彩钢瓦上进行焊接安装而不用针对每种型号彩钢瓦制造相应夹具. ★利分资源:充分利用被很多光伏企业放弃了的梯形彩钢瓦屋面安装光伏电站,充分利用了这部分屋面资源资 其专用焊接螺栓焊接荷载己经过中国国家建筑工程质量监督检验中心的检测: 根据力学计算，在38.9m/s飓风时，作用在光伏组件上的风压为570N, 新型支架连接点的极限拉力荷载为:4020N, 极限剪力荷载为:6320N,己大大超过其理论计算值. 3.2、具体实施方案 3.2.1、其主要技术参数： 安装场所：彩钢瓦屋面 l 太阳能板类型：晶硅或薄膜太阳能板 l 安装角度：0~25度 l 组件排列方式：横向或纵向 l 设计标准：AS/NZS 1170 和其他国际通用标准 l 抗风能力：<40m/s l 产品材质：氧化6063—T5铝合金、304不锈钢 l 抗雪荷载：<1.4KN/m² 质量保证：10年质保及至少25年使用寿命 3.2.2、主要特点: 3.2.2.1、适用于安装任意规格的太阳能电池组件； 3.2.2.2、独特的连接设计，安装方便快捷；其焊接式连接方式可保证不破坏彩钢瓦屋面防水性能； 3.2.2.3、零部件采用优质6063铝合金及304不锈钢组合，保证了材料的高耐久性，使用寿命高； 3.2.2.4、提供各种解决彩钢屋面配套夹具满足客户要求； 3.2.2.5、不破坏屋面自有防水系统，免维护、抗风能力强； 3.2.2.6、极大的灵活性，安装简便快捷，节省人力成本和安装时间； 3.2.2.7、定制的长度可以消除现场焊接和切割的必要，从而保证了产品从工厂到安装地点的高防腐蚀性，结构强度及美观性。 3.2.2.8、使用范围广，从小的太阳能系统到大型的系统均在服务范围之内，可根据实际屋面环境进行系统优化。
3.3、具体施工工艺 以下施工工艺按梯形彩钢瓦作为案例,直立锁边型及角驰型彩钢瓦除导轨托板形状不同外其他一样. 3.3.1、支架焊接螺栓偏差值 （1）支架焊接螺栓的偏差应符合表1的规定： 表1 支架焊接螺栓偏差 项目名称 允许偏差 同一单元的焊接螺栓 顶面标高偏差 ≤5mm 同一单元直线偏差 ≤10mm 因支架为可调节内压块设计, 其实际偏差可按现场实际情况放宽3.3.2、支架安装前应作下列准备工作： （1）对安装人员进行安装技术交底并进行专用彩钢瓦光伏焊接设备操作培训,并经考试合格； （2）使用专用彩钢瓦光伏焊接设备、工程屋面相同型号彩钢瓦及相关施工工艺进行试焊作业. 试焊要求: a、试焊彩钢瓦为工程屋面相同型号彩钢瓦. b、试焊点不小于100处.要求成功率100%. c、试焊完成后进行目视检测: □焊接处无明显变形弯曲. □焊接背面焊点光滑无焊穿现象. □彩钢瓦下部焊接处保温泡沫板无烧灼痕迹. d、按下图对焊接点进行防水试验并静置24小时,观察有无漏水现象. e、对试焊点进行拉力及剪切力测试,要求单点拉、剪切力≥400N.测试点为随机选取并不小于10处. （3）按照单元区的安装顺序将铝合金构件分散到各个施工位置，准备安装。
（4）支架外观及保护层应完好无损，去除支架构件上的泥砂、灰尘及污渍，保持支架构件的干燥、整洁。
（5）查验支架构件有无明显弯曲变形，禁止使用不满足安装要求的构件。3.3.2、支架安装： (1)测量放线: 按施工图纸要求进行测量并放线并标记焊接点. 按施工图进行测量及放线图1 用记号笔标记焊接点及除漆及焊接基准线图2图3 图1 图2 图3 (2)焊接点除漆: 使用专用除漆试备对标记焊接点进行除漆作业并将焊接处的油渍、灰尘等清理干净. 用彩钢瓦光伏专用除漆设备的使用及操作请参阅【彩钢瓦光伏专用除漆机操作及维护手册】 图4除漆机示意图 图4 图5:除漆基准线标尺槽示意图 图5 将除漆机梯形工装垂直放置于彩钢瓦波峰上, 除漆机梯形工装与彩钢瓦波峰平直贴紧,将基准线标尺槽对准基准线按动除漆机开关完成除漆作业.图6 、图7 图6 图7 (3)焊接: 使用专用彩钢瓦光伏焊接设备并严格按图视工艺要求焊接安装螺栓, 专用彩钢瓦光伏焊接设备的使用及操作请参阅【彩钢瓦光伏专用焊接机操作及维护手册】,根据彩钢瓦型号严格参照手册内附的焊接参数进行调节 将焊接专用螺栓放进焊接工装焊接口内,焊枪梯形工装垂直放置于彩钢瓦波峰上, 焊机梯形工装与彩钢瓦波峰平直贴紧,将基准线标尺槽对准基准线按动焊枪开关完成第一个螺栓焊接作业,接着按上述方法进行第二个螺栓的焊接, 第二个螺栓焊接时需将第一个己焊接螺栓套入焊接工装的定距孔内. 图8 图8 (4)焊接点防腐处理 图9:先清理干净焊接处的金属飞溅物和其他杂物,然后涂刷一遍防锈环氧底漆,再涂刷一遍环氧云母氧化铁中间漆,最后涂刷一遍聚氨酯类面漆,第一面以后涂刷的漆需等上一遍漆全干以后再涂刷. 图9 图9 (5)安装导轨托板 将导轨托板安装孔对准安装螺栓放置在彩钢瓦波峰上并拧紧螺母,图10 图10 (6)安装导轨 将方头螺栓按图示箭头方向放入导轨下滑槽内.图11 将导轨用方头螺栓按图示安装在导轨托板上. 图12 图12 3.3.3、组件安装: (1) 将压板方头螺栓按图示箭头方向放入导轨上滑槽内.图13 图13 (2) 将组件压板安装孔对准压板方头螺栓按图示箭头方向放入导轨钳紧槽内. 图14 图14 (3) 将光伏组件放置在组件压板上 图15 (4) 按箭头方向依次推动组件边压板和中压板使组件下边框进入压板钳紧缝内并确保到位.图16 图16 (5) 重复(3)和(4)步骤安装其他光伏组件 (6) 将防松板安装孔对准压板方头螺栓放置在组件压板上并拧紧组件紧固螺母,重复上述过程直到所有组件安装完成.图17 图17 附件: 1、拉力测试报告 2、剪力测试报告 3、现场图片。