天津
在聊航母鋼材的文章里面有人問“兩塊超厚的鋼板是怎么焊接在一起的”這個(gè)問題。
之前有一些段子網(wǎng)圖，說什么農(nóng)民工街邊立牌子，上面寫著：“長城貼瓷磚、黃河加護(hù)欄、太平洋加蓋、焊航母甲板、殲-20鈑金”……
話說，這不是咱們祖?zhèn)鞯氖炙噯?？那么今天開始聊下航母飛行甲板焊接。
“焊接”這個(gè)詞匯一出來大家在腦子里面所能呈現(xiàn)的場景大概就是這樣的：
一個(gè)工人用手里的焊鉗夾住一根焊條，直接懟向要焊接的工件，隨著火花的產(chǎn)生，工件就神奇的焊接在了一起。
這種畫面對(duì)應(yīng)的，其實(shí)是最普遍的一類焊接方法——弧焊（Arc Welding）。這里的“弧（Arc）”指的是電弧。
所謂電弧，是當(dāng)電流在氣體或金屬蒸汽間擊穿形成等離子體時(shí)，放電路徑會(huì)在熱浮力和電磁力的共同作用下呈現(xiàn)一個(gè)拱形的軌跡。這種放電在一定條件下可以自持穩(wěn)定，不會(huì)像“火花”那樣瞬間熄滅，因此在物理學(xué)和電工學(xué)中，“Arc”成為了一個(gè)專用術(shù)語。
這是一個(gè)基本理論，不過，焊接這件事情要比很多人想象得復(fù)雜得多。所以就會(huì)有人問出“兩塊超厚的鋼板是怎么焊接在一起的”這樣的問題。
在弧焊的過程中，我們要注意前面講的一個(gè)關(guān)鍵信息——5000度以上。延伸一下固有知識(shí)——金屬是可以導(dǎo)熱的，并且大部分金屬有著良好的導(dǎo)熱率。這時(shí)候：
這是一個(gè)焊接接頭的橫截面，顏色最深的部分是焊接區(qū)或稱熔化區(qū)，較淺的部分是熱影響區(qū)，顏色最淺的部分是母材。
現(xiàn)在，我們?cè)偌尤胍粋€(gè)固有知識(shí)——大部分材料是會(huì)熱脹冷縮的。在焊接的過程中由于熱擴(kuò)散的區(qū)域并不是線性的，在焊縫周圍金屬的熱膨脹度是不一樣的，因此如果是焊接一個(gè)比較薄的金屬件，母材的膨脹和收縮可以忽略不計(jì)，但是如果是一個(gè)很厚的母材在加熱和冷卻的過程中產(chǎn)生的膨脹和收縮問題就不能不考慮了。這樣會(huì)在焊縫周圍產(chǎn)生極大的應(yīng)力。
例如航母飛行甲板用的那種超厚鋼板（動(dòng)輒數(shù)十毫米甚至百毫米），在焊接時(shí)產(chǎn)生的熱膨脹差異會(huì)在焊縫周圍積累巨大的殘余應(yīng)力，甚至導(dǎo)致焊縫開裂、板材翹曲。
所以，我們會(huì)看到很多大型焊接件上會(huì)有焊接后的開裂現(xiàn)象。
怎么應(yīng)對(duì)？
通常情況下會(huì)開坡口、多道多層焊、分段退焊、合理的焊接順序，以及預(yù)熱與后熱處理等措施，來控制熱輸入、緩解應(yīng)力、確保焊縫金屬的力學(xué)性能。
例如在焊接航母飛行甲板這種超厚鋼板之前，第一步往往是開坡口。厚鋼板如果直接對(duì)接，電弧很難將接合面全部熔透，因此需要在板邊加工出一定角度的坡口——常見有 V 型、雙 V 型或 U 型。坡口的作用是讓熱量能夠深入板厚內(nèi)部，保證焊縫根部完全融合。不過，這個(gè)角度并不是越大越好，角度太小會(huì)造成未焊透或夾渣，角度太大則會(huì)增加填充金屬的用量，導(dǎo)致熱輸入上升，從而帶來更多的熱變形和殘余應(yīng)力。因此，坡口角度與根部間隙通常會(huì)根據(jù)板厚精確計(jì)算。
真正焊接時(shí)，厚板焊縫也不能一次焊滿，而是分成多層、多道逐步堆積。底層焊好后繼續(xù)焊中間的填充層，最后才是蓋面層。同一層還會(huì)分成幾條焊道，先焊一段，再焊另一段，這樣可以均勻分布熱量，防止焊縫一次性承受過高的熱應(yīng)力。每一層焊接時(shí)，上一層的金屬也會(huì)被加熱到一定溫度，相當(dāng)于得到一次“二次熱處理”，這有助于改善組織、釋放部分應(yīng)力。
在焊接順序上，還有一種常用的分段退焊法。它的特點(diǎn)是焊接方向與焊縫延伸方向相反，例如要焊兩米長的焊縫，不是從一端直接焊到另一端，而是在中間焊一小段，再退回前面焊下一段，如此循環(huán)推進(jìn)。這樣可以縮短單次的熱影響區(qū)，降低累積應(yīng)力，同時(shí)配合對(duì)稱焊接（兩邊交替進(jìn)行）來減少整體變形。對(duì)于航母甲板這種超大結(jié)構(gòu)，通常會(huì)按分區(qū)、分段、跳焊的方式組織焊工，多臺(tái)焊機(jī)同時(shí)作業(yè)，但必須遵循熱平衡原則，讓各部分的熱應(yīng)力盡可能互相抵消。
不僅如此，厚板尤其是高強(qiáng)鋼在焊接前通常需要預(yù)熱到一百到兩百五十?dāng)z氏度左右，這樣可以降低冷卻速度，減少冷裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)緩解熱影響區(qū)的硬化。焊接結(jié)束后，還會(huì)進(jìn)行后熱處理——將焊接區(qū)域加熱到五百五十到六百五十?dāng)z氏度并保溫一段時(shí)間，再緩慢冷卻，以釋放殘余應(yīng)力并穩(wěn)定焊縫和熱影響區(qū)的組織。
基本上用這些方法就可以焊接足夠厚度的鋼板了。只不過……凡事就沒有“基本上”這么簡單的事情。
在1940年代，美國生產(chǎn)了一大批的“自由輪”：
1881年，碳弧焊被發(fā)明出來，1888 年，俄國的尼古拉·斯拉維亞諾夫發(fā)明了金屬電極弧焊也就是現(xiàn)在咱們的“弧焊”雛形，1919 年由瑞典的奧斯卡·凱爾伯格發(fā)明了帶有焊藥的焊條。可以說在100年前弧焊的科技樹已經(jīng)基本點(diǎn)滿。
然而，即便如此，二戰(zhàn)期間的造船業(yè)依舊低估了焊接背后的復(fù)雜性。許多自由輪在服役中，甚至是在港口靜靜停泊時(shí)，會(huì)毫無征兆地從中間斷裂。雖然這并非單純的焊縫強(qiáng)度問題，而是厚板焊接、低溫環(huán)境、材料韌性以及殘余應(yīng)力多種因素的綜合作用——技術(shù)看似成熟，但在新的規(guī)模和條件下，依然可能暴露出致命短板。
但是，無奈的是人們還是把船越造越大。為了保證焊接的可靠性。實(shí)際上手工操作的弧焊已經(jīng)很難在既保持質(zhì)量有滿足設(shè)計(jì)要求以及在足夠低的成本下保障船只的生產(chǎn)了。例如現(xiàn)代航母甲板的焊接。
很多人提到航母焊接，首先會(huì)想到埋弧焊（SAW）。這種方式是指在焊縫上方鋪設(shè)大量的焊藥，產(chǎn)生電弧的焊針被埋在焊藥下。
由于焊藥本身隔絕了大量空氣，并且保持了焊池的溫度，焊接過程中焊縫的成型質(zhì)量就比較高了。
不過，我們可以看到的一點(diǎn)是，這些粉末狀的焊藥只是從上方對(duì)母材的焊縫進(jìn)行覆蓋。因此，埋弧焊更多的是對(duì)應(yīng)水平焊接。如果是非水平狀態(tài)的焊件需求也需要經(jīng)過不斷的旋轉(zhuǎn)讓焊接點(diǎn)和地面垂直。
這是由最基本的物理特性所決定的。
其實(shí)，航母甲板的焊接利用埋弧焊還是可以做的，畢竟這是一個(gè)焊接工作中要做的水平面，但是現(xiàn)代航母（也包括其他大型船只的建造）主要采用的是分段建造的模塊化設(shè)計(jì)。
雖然我們看航母是一個(gè)整體，但是航母是由一塊塊模塊組合起來的。
在真正組合這些模塊的時(shí)候，模塊頂部早就已經(jīng)焊好了飛行甲板。而這些飛行甲板的主要焊接點(diǎn)其實(shí)都是在這些模塊的鋼結(jié)構(gòu)上。并不像是很多人所想象的在航母骨架搭好后上面敞著口，然后再去覆蓋一層飛行甲板。
這樣的設(shè)計(jì)本身對(duì)飛行甲板的水平焊縫的焊接本身要求就小很多了，反而是對(duì)船體整體鋼結(jié)構(gòu)的焊接有了更大的要求。垂直、反向、弧度焊接遠(yuǎn)比水平埋弧焊的需求多得多。
在很多垂直焊縫的部分，尤其是對(duì)強(qiáng)度要求很強(qiáng)的地方會(huì)采用“電渣焊接”的技術(shù)進(jìn)行焊接任務(wù)。
電渣焊的原理和弧焊、埋弧焊不一樣，它不是靠持續(xù)燃燒的電弧來加熱，而是先用電弧引燃熔化一部分焊劑形成液態(tài)渣池，然后電弧熄滅，焊接電流通過這個(gè)高電阻的熔渣層流動(dòng)，熔渣本身的電阻熱將坡口兩側(cè)的母材和焊絲端部同時(shí)熔化，形成焊縫金屬。由于整個(gè)過程焊縫區(qū)被高溫熔渣完全包裹，沒有暴露在空氣中，所以焊縫質(zhì)量高且無飛濺，也不怕垂直位置的熔池下墜。
這類工藝特別適合航母這樣的大型模塊對(duì)接時(shí)的厚壁立縫焊接，比如艙壁、龍骨與大型縱骨的連接處，一道焊縫的厚度可以一次焊透幾十毫米的鋼板，效率遠(yuǎn)高于多道立焊。它的限制在于只能用于接近垂直的焊縫位置，而且需要較大的預(yù)留坡口空間來布置滑動(dòng)的水冷銅板（作為模具限制焊池形狀）。
另外，一些很奇形怪狀的位置，例如弧度區(qū)域、漸變區(qū)域，甚至是很小的犄角旮旯則對(duì)應(yīng)了其他焊接方法。例如MIG焊接（Metal Inert Gas Welding），氣體保護(hù)金屬電弧焊。
MIG焊機(jī)在福特號(hào)航母建造過程中
現(xiàn)在的MIG焊機(jī)已經(jīng)可以做到吸附在鋼材表面依靠導(dǎo)向桿進(jìn)行自動(dòng)移動(dòng)。在航母模塊的立面甚至頂面上自動(dòng)“爬行”完成焊接任務(wù)，通過持續(xù)送絲和惰性氣體（如氬氣、氦氣，或氬+二氧化碳混合氣）保護(hù)焊區(qū)，避免空氣中的氧、氮進(jìn)入熔池。
我們也有類似的的設(shè)備用于大型船舶的制造：
利用磁性吸附輪和光學(xué)識(shí)別傳感器，這種小型的焊接機(jī)器人可以自主識(shí)別焊縫位置和定義焊接方案。遠(yuǎn)程自動(dòng)的就可以把大量焊接工作做完。
不過，航母上還存在大量機(jī)器無法“爬”到、大型機(jī)器無法進(jìn)入的區(qū)域，這些區(qū)域?qū)嶋H上還是焊工手工拿著焊條弧焊。
只不過如果大家仔細(xì)看焊接現(xiàn)場，會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)焊縫都有一些特殊的工藝標(biāo)注。依靠熟練的工人手工完成。
而航母模塊組合后的飛行甲板頂部縫隙，其實(shí)直至現(xiàn)在即便是美國英國的航母也還有大量手工焊接的工作要做。
所以說，很多事情不能一概而論，真不能聽過一個(gè)“埋弧焊”就想當(dāng)然的認(rèn)為整個(gè)航母就這么一種焊接方法。
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