火焰切割质量与“补丁焊缝”

安徽杭萧钢结构有限公司（芜湖 241006）宋守民

1.概述

无论轻型还是重型建筑钢结构焊接制造，埋弧焊、气体保护自动焊等焊接工艺都起着重要的作用，其焊缝具有表面光洁美观、波纹平整细密、平直宽窄适度及表里熔合良好的特点，因此企业近75%以上的主导工程焊缝都由自动焊接工艺完成。

但在同等工程条件下，焊接同质母材焊缝时，埋弧焊或气体保护自动焊的焊缝，却又反复无常地出现不同程度的气孔、夹渣、未熔合、偏析、咬边、焊穿挂瘤等焊接缺陷，致使主体焊缝质量产生不等量的二次返修的劣质“补丁焊缝”，降低了整体工程焊接的等级，延误焊接生产周期，增加了焊缝返修工程的成本再投入。原本不该产生的焊接劣质问题，却又成为影响焊接工程质量、焊接工作效率及焊接操作者工作情绪等方面的障碍。下面将结合公司情况分析造成“补丁焊缝”的原因

2.原因分析

（1）母材的变形切割与“补丁焊缝”我公司建筑钢结构工程制造所使用的钢板规格尺寸，大多是12000mm×1200mm，厚度为6～60mm乃至更厚，工程构件形态的焊接多为平板对接焊缝。H型、T型等不同规格厚度的梁和柱焊接，工件组合长度由几米、十几米乃至更长，工件宽度尺寸各不相同。所有板材下料方式，除部分中薄板小件剪切成形之外，绝大部分薄、中、厚的单件板材下料都分别依靠手工火焰切割、CG1—30型小车半自动火焰切割、CG1—4000A多头直条火焰切割、CNG—4000B数控多头直条火焰切割以及GS/ZⅡ—5000双边数控直条切割机等进行氧乙炔（或丙烷）混合燃烧的中性火焰切割，其中自动化和半自动化切割占据着批量性工件板材切割的主导地位。

在被切割的母材中，不乏有一些批量性的6～16mm厚度的卷筒拉伸板，由钢材生产厂家拉伸剪切成相应规格尺寸的半成品板材，因此其板面平直度残留有卷筒弧度的拱曲变形。随着板材厚度与抗变能力的不同，变形的拱曲尺寸也有所不同。那些可塑性较强的中厚型板材，如6～16mm，经仓储堆放、转运吊装、长途运输颠簸以及弹压等影响，增添了“先天性”变形板材的局部再变形，导致板材平直度使用性能方面，增加了难以制控的凹凸层面。如果在未进行有效矫正工序之前，让变形板材进行不规则的火焰切割工序，使割炬的火焰高度在变形板材割缝上，失去了均衡稳定的切割状态，使多头自动火焰切割的割缝，出现不规则的犬齿状的弹跳式切割（见图1）。随着割缝长度的增长，这种不均衡的公差累积势必会增大增多，使变形板材的割缝无论在切割质量、切割效率和燃烧切割的气体损耗方面都难以平抑和调控。

图1

按照中性切割火焰常规工艺要求，割炬焰芯与板材割缝之间的切割高度，选择在3～8mm之间的割缝凸面部位（最高不宜超过10mm以上），作为热力集中的切割基准点，并以此高度基准点维系割炬火焰在板材割缝上，以实施160～280mm/min的速度全程切割而不受阻隔。

但是由于卷筒板材不均匀的拱曲度变形尺寸，制约了割炬火焰与板材割缝之间的切割高度，使切割火焰热高温值无法用于有效的板材切割，而是使3150℃中性火焰热值游弋在距板材割缝35～65mm的峰谷之间。与常规工艺割炬的高度要求（3～8mm）相比，超出了约10倍之多，使3150℃的中性火焰的峰值不得不自行降低到1350℃左右的中性外焰与尾焰的扩散性余热水平，近两倍的有效切割热值散失。随着板材的波曲变形，割炬切割火焰的高抬而白白的散失掉，使中性切割火焰的有效峰值热高温，无法发挥其正常切割力度、质量和效率，形成了火焰切割的弊端，再度提高了板材切割的工艺难度，直接使割缝质量出现不等量地哑割、断续割、割口氧化、割渣与割缝金属强力粘结以及后拖量等系列割缝缺陷，乃至形成局部割缝的二次返修重割。随着变形板材割缝的存在，火焰平台的不规范，火焰切割工艺的不足，必将持续地僵持下去。为此割缝质量组合装配成焊缝后，交付给焊接工序承焊时，“补丁焊缝”的不等量出现，确实是难以避免的。

（2）自制切割平台质量与“补丁焊缝”火焰切割平台是板材火焰切割下料时承载受割板材的重要工艺装备，是影响火焰切割质量与效率的又一个关键点。对于具有批量性火焰切割工件的企业，在置备较大型现代自动化、半自动化火焰切割机床品位上来说，应该以同等重要的视觉理念，设计和购置与现代化火焰切割设备相配套的、较为规范的火焰切割平台，以满足企业大批量长时间的火焰切割工艺技术特质的要求，同时给企业在产品制造过程中的切割质量、效率及其整体工程中的主导地位与价值创造条件。

所谓比较规范的火焰切割平台，应具备以下几点要求：①火焰切割平台要平整有型、水平有度、功能适当、经久耐用，重在水平有度与适用性上制造、检测和安装验收。②火焰切割平台的材质，要具有特质性的燃点和熔点，具有耐高温火焰切割的材质特点，且脱渣性能好，不宜与切割氧化渣粘结，抗变形力强等。③火焰切割平台必须具备承载受割母材重力的抗压调节能力，具有通透、散热和落渣安全的离地斗孔，便于移位吊装、清理、组合等特点。

然而在一些企业的生产实践中，对批量性火焰切割平台的工艺技术特质要求认识不足，其在工程制造过程中的主导地位，以及对产品制造质量与效率的价值创造等链接效应与作用理解不深，随意用企业废料等钢材自行拼制的所谓火焰切割平台（见图2）。从使用功能特点上看，它既不具备平整有型、水平有度、经久耐用的规范形态要求，也不具备火焰切割平台所必须的耐高温燃点、熔点和易脱渣的材料特质。作为长年累月要求批量性火焰切割的平台来说，显然是不合格的。由于自制火焰切割平台所使用的边角余料，其燃点和熔点与受割母材材质相同，且切割焊缝金属时，所生成的液态氧化熔渣的流动性，先于受割金属液体的流动性，所以当切割火焰透过母材割缝时，受割板材割缝背面的自制切割平台金属也同时受到切割火焰的烧损和氧化熔渣的喷涂、粘结和咬合，形成金属割缝与氧化熔渣的胶着状混合体，咬合在割缝金属边缘部位，极难清除和打磨，自制的切割平台也因此损坏，且频率极高，即便是自制崭新平台或修整一新的平台，随着火焰切割的常规运作，随时都会受损，致使整体火焰切割平台再度落入年年反复检修、年年更新制造的循环。如此不畅的火焰切割环境与条件，势必给“补丁焊缝”的生成提供了源头工序上的主导诱因，“补丁焊缝”屡屡出现也就成了势在必然。

图2

（3）氧化火焰切割与“补丁焊缝”氧化火焰切割与中性火焰切割的主要不同点，在于它混合燃烧气体，氧耗比量要远超过1.1∶1.2的中性火焰燃烧比值，高达1.1∶（1.3～1.7）的氧耗比水平。因此氧化切割火焰的构成温度与切割特性，也就有别于中性火焰和炭化焰。氧化切割火焰是由焰芯和外焰近似于两段式组合燃烧，切割火焰温度比3150℃左右的中性火焰切割温度高出100～150℃，即高达3300℃的切割火焰值，其焰芯略显过氧微蓝色，喷出的切割火焰的冲值声度，比柔和的中性火焰来得脆硬和冲撞，切割用高压氧锋线的冲割能力也比较强。借助氧化火焰的上述特点，为调节对拱曲变形板材的切割和缓解不规范火焰切割平台的工艺困扰，临时性采用氧化火焰切割的尝试，也许是有益的举措。

但是过氧焰比值与乙炔（丙烷）的混合燃烧，使割缝切割部位产生氧化富氧区的剧烈反应，过氧火焰中的游离氧、CO2和水蒸气等杂质，使受割金属割缝的熔融金属迅速产生氧化和脆化，部分合金元素烧损，氧化熔渣与割缝熔化金属边缘，形成胶着状的咬合，形成渣、缝一体化的胶着渣根，深嵌在组合装配工件的焊缝中，几乎无法清除，一旦接触到焊接热高温熔池的焊接熔炼，深嵌在金属焊缝中氧化渣根中的渣，由于其燃点和熔点低于母材金属，且液态流动性能也优于液态母材金属，因此首先开始在熔焊的焊池焊缝部位中，熔化流失成空洞，形成焊缝焊穿并在流经的焊缝背面，冷却凝固成混合状漏渣挂瘤、焊缝偏析未熔合，二次“补丁焊缝”的再生夹渣、气孔等焊接性缺陷。因此可以看出借助过氧火焰切割金属焊缝，除了造成割缝自身的氧化弊端之外，也同样改变不了未经矫正的拱曲变形的金属母材的切割之苦，也同样绕不开凹凸不平的自制切割平台的工艺困扰，最终还是难逃“补丁焊缝”的厄运。

造成“补丁焊缝”的缘由，还可以诉列一些，但和以上三种情况相比，都属于可控性的一般工艺技术操作问题，只要尽心尽责，在焊前准备工作上做到位，都随时可以调节理顺，因此本文不再赘述。

3.结语

从上述几点梳理叙述中，不难理解钢结构焊接工程，其焊缝宏微观内外焊接质量的成败优劣，都是经由诸多综合工艺要素之间的相互依托、相互链接、相互制约而得以相辅相成的。“补丁焊缝”的成因就充分说明了这个道理。从“补丁焊缝”成因的表象去判断，人们也许又习惯性地认为是焊接的问题，以为是焊接工艺技术上的缺憾所致，或焊接准备工作不到位而影响操作技能水平的发挥，或焊接工装设备的羁绊。但从“补丁焊缝”焊接制造全过程的反复梳理与检点中，令人意外地发现，这些非正常的“补丁焊缝”的真实成因，却与焊接自身的工艺技术操作，并没有直接的主导因果关系。事实说明：卷筒板材的拱曲变形，矫正工序的缺失，极不规范的自制切割平台，导致割炬切割火焰尺寸的无奈高抬以及过氧化焰的割缝氧化等因素，成为“补丁焊缝”的主导成因。

这里做重要说明的是，在上述制约“补丁焊缝”成因的诸项因素中，虽然都各有其弊，但从真实意义上说，它们都是被动地受制于自制火焰切割平台诸多方面的不规范而无可奈何地“跟进”，导致了切割火焰的变异，火焰切割温度值的紊乱，使母材割缝凹凸不平，同时也妨碍了在火焰切割过程中，利用平整与规范的切割平台对变形母材的矫平。正因为火焰切割现场的非常规切割环境与条件的束缚，使火焰切割操作者也深受其中之苦。如果再深层次追根究源，也许在设计火焰切割工程配套时，缺乏对火焰切割生产实践及其工艺技术真实特质的分析与理解，以急功近利的浮躁，陷入了误区。