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。
這種畫面對應(yīng)的，其實是最普遍的一類焊接方法——弧焊（Arc Welding）。這里的“?。ˋrc）”指的是電弧。
所謂電弧，是當電流在氣體或金屬蒸汽間擊穿形成等離子體時，放電路徑會在熱浮力和電磁力的共同作用下呈現(xiàn)一個拱形的軌跡。這種放電在一定條件下可以自持穩(wěn)定，不會像“火花”那樣瞬間熄滅，因此在物理學和電工學中，“Arc”成為了一個專用術(shù)語。
這是一個基本理論，不過，焊接這件事情要比很多人想象得復雜得多。所以就會有人問出“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關(guān)鍵信息——5000度以上。延伸一下固有知識——金屬是可以導熱的，并且大部分金屬有著良好的導熱率。這時候：
這是一個焊接接頭的橫截面，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，我們再加入一個固有知識——大部分材料是會熱脹冷縮的。在焊接的過程中由于熱擴散的區(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比較薄的金屬件，母材的膨脹和收縮可以忽略不計，但是如果是一個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（動輒數(shù)十毫米甚至百毫米），在焊接時產(chǎn)生的熱膨脹差異會在焊縫周圍積累巨大的殘余應(yīng)力，甚至導致焊縫開裂、板材翹曲。
所以，我們會看到很多大型焊接件上會有焊接后的開裂現(xiàn)象。
怎么應(yīng)對？
通常情況下會開坡口、多道多層焊、分段退焊、合理的焊接順序，以及預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，這個角度并不是越大越好，角度太小會造成未焊透或夾渣，角度太大則會增加填充金屬的用量，導致熱輸入上升，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根據(jù)板厚精確計算。
真正焊接時，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，上一層的金屬也會被加熱到一定溫度，相當于得到一次“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。這樣可以縮短單次的熱影響區(qū)，降低累積應(yīng)力，同時配合對稱焊接（兩邊交替進行）來減少整體變形。對于航母甲板這種超大結(jié)構(gòu)，通常會按分區(qū)、分段、跳焊的方式組織焊工，多臺焊機同時作業(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，厚板尤其是高強鋼在焊接前通常需要預熱到一百到兩百五十攝氏度左右，這樣可以降低冷卻速度，減少冷裂紋的風險，同時緩解熱影響區(qū)的硬化。焊接結(jié)束后，還會進行后熱處理——將焊接區(qū)域加熱到五百五十到六百五十攝氏度并保溫一段時間，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?？梢哉f在100年前弧焊的科技樹已經(jīng)基本點滿。
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雜性。許多自由輪在服役中，甚至是在港口靜靜停泊時，會毫無征兆地從中間斷裂。雖然這并非單純的焊縫強度問題，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是，這些粉末狀的焊藥只是從上方對母材的焊縫進行覆蓋。因此，埋弧焊更多的是對應(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)讓焊接點和地面垂直。
這是由最基本的物理特性所決定的。
其實，航母甲板的焊接利用埋弧焊還是可以做的，畢竟這是一個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。
雖然我們看航母是一個整體，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其實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)計本身對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，尤其是對強度要求很強的地方會采用“電渣焊接”的技術(shù)進行焊接任務(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，焊接電流通過這個高電阻的熔渣層流動，熔渣本身的電阻熱將坡口兩側(cè)的母材和焊絲端部同時熔化，形成焊縫金屬。由于整個過程焊縫區(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接時的厚壁立縫焊接，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，而且需要較大的預留坡口空間來布置滑動的水冷銅板（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應(yīng)了其他焊接方法。例如MIG焊接（Metal Inert Gas Welding），氣體保護金屬電弧焊。
MIG焊機在福特號航母建造過程中
現(xiàn)在的MIG焊機已經(jīng)可以做到吸附在鋼材表面依靠導向桿進行自動移動。在航母模塊的立面甚至頂面上自動“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）保護焊區(qū)，避免空氣中的氧、氮進入熔池。
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識別傳感器，這種小型的焊接機器人可以自主識別焊縫位置和定義焊接方案。遠程自動的就可以把大量焊接工作做完。
不過，航母上還存在大量機器無法“爬”到、大型機器無法進入的區(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看焊接現(xiàn)場，會發(fā)現(xiàn)每個焊縫都有一些特殊的工藝標注。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“埋弧焊”就想當然的認為整個航母就這么一種焊接方法。
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蘇大強專欄
