[科普中国]-了解这些焊接知识，你也可以做一只佩奇

最近，一部5分钟的广告短片《啥是佩奇》火遍全网，片中乡下的爷爷为了让城里的孙子 开心，愣是凭着自己对“佩奇”的理解，用鼓风机外壳焊接出了一件佩奇玩具。虽然是一部广告片，但该视频创意独到，细节处理处处凸显匠心，最终的结局让人忍俊不禁之余，也有笑中带泪的感动。片中爷爷是怎样把鼓风机焊接成小猪佩奇的，常见的焊接工艺又有哪些？这篇文章将带大家了解关于焊接技术你应该知道的各种基础知识。你会发现生活与焊接的紧密关系远远超出你的想象。历史悠远的焊接技术焊接在英语中对应的词汇是welding，日语称为溶接，汉语中也有熔接的叫法。在古代焊接主要指熔化焊接。现代焊接技术包含三大类，熔化焊、钎焊、压力焊。一般来说，焊接是一种利用加热或加压的方式接合金属或其他热塑性塑料，在焊接接头处形成冶金结合，使之连接为整体的工艺技术。相互连接的材料可以是同种金属，也可能是异种金属，甚至是金属和陶瓷。人类发明焊接技术的历史可以追溯到数千年前，三星堆遗迹中已经发现了采用焊补工艺进行青铜器接合的痕迹。在中国青铜器技术传入日本后，焊补工艺也随之漂洋过海，弥生时代的日本本土制青铜器也大量采用了焊补工艺。欧洲大陆的德法两国从中世纪时代起就以高超的金属铸、锻造技术闻名于世，与之匹配的接合技术也有较大发展。所谓焊补，就是将熔化的金属液体浇注于需要连接的部件边缘处，等金属液体遇冷凝固后再通过锻打、研磨去除外观毛刺的焊接手法。这些专业术语听起来未免有些生硬，可是说到利用焊补这门手艺来吃饭的补锅匠，大家可能就会恍然大悟了。大约二三十年前，补锅匠还是一个非常受欢迎的手工艺职种，他们走街串巷，利用熔融的金属液体来填补破损金属器皿的孔洞和裂缝，化腐朽为神奇。只是随着时代的发展，补锅匠也逐渐消失了，如今补锅匠这个词的引申义被用来代指临危受命接管局面的领导、教练等。钢铁材料的焊接历史也非常久远，从公元前10世纪左右开始，随着冶铁技术的传播，用来焊接铁器的锻焊技术也流传开来。铁匠们将需要焊接的铁制工件分别加热到赤红状态，然后对接锻打，促使来自不同工件的物质相互扩散，最后完成连接。不过，直到大约19世纪末，人类所掌握的钢铁焊接工艺几乎只有锻焊和焊补两种。近代以来焊接技术获得空前发展近代以来，随着人类对电、热、超声波、激光等能量形式的掌握水平极大提升，焊接技术也空前繁荣起来。从工艺路径角度来说，目前工业上四种用途最广的钢铁焊接技术分别是电弧焊、气焊、电阻焊和激光焊。电弧焊利用电极和母材间产生的高温电弧热将工件局部直接熔化，从而实现不同工件间的连接。《啥是佩奇》这部短片中，爷爷就用到了这种目前生活中最为常见的焊接方法。接通电源，将焊条电极接近工件后产生电弧，电弧六千度左右的高温将令电极和工件局部迅速熔化，形成熔池。此时缓慢移动焊枪，就可以完成焊接了。电弧焊往往会在工件表面形成烧蚀的痕迹，同时也会产生突出的焊缝。对整体造型平滑度有要求的场合，还需要对焊缝表面进行细致的打磨，这样涂上油漆后焊接的痕迹就非常不明显了。爷爷制作的这只“佩奇”由于进行过涂装，因此看不太出焊缝。不过作为眼睛的螺栓下部还是有烧蚀的痕迹，可见爷爷的做工还有改进之处。气焊利用乙炔在氧气中燃烧时3300度的高温来熔化母材局部，促使不同母材之间形成连接。作业时，将氧气和乙炔分别通入喷枪中进行混合，点火后喷嘴处即可形成高温氧炔焰。氧炔焰不仅可以用来实现焊接，也可以通过控制气量对特定的部分进行切割。适用于气焊的材料包括各种钢材以及钛合金等。目前，气焊多用于铸件的修补和作为钎焊的热源。电阻焊利用不同金属表面在相互接近时，接触面存在的界面电阻来进行焊接。当上下两个电极从两侧压住想要连接的母材金属板并通以大电流时，两板界面处将由于界面电阻的存在而产生极大的焦耳热，从而局部熔化并实现连接。激光焊是能源束焊接工艺的一种，另外一种比较常用的能量来源是电子束。它们都是相对较新的工艺，在高科技制造业中很受欢迎。二者分别采用高度集中的激光束和真空室中发射的电子束来进行焊接。由于两种能量束具有极高的能量密度，能量集中，焊接变形小，因此可以实现大熔深下的窄焊缝，适用于厚板的连接。上天入海，都有焊接的影子人类科技的发展步伐其实早已超过了焊接技术发展的进度，眼下，在太空焊接和水下焊接两个领域，人类获得的进展非常有限。太空焊接的相关技术一直是各国非常关心的前沿领域之一，然而到目前为止也没有见到有突破性意义的进展。这是因为太空中处处是和地球焊接完全不同的高真空无重力环境，这种状态下熔池中的微小液滴很可能聚成球形或发生飞散，令焊点难以形成。不过，相比前者，水下焊接已经是进展较为迅速的领域了，目前在水下桥隧、大型人工岛、浪涌发电站的建设中，水下焊接已经有了相当多的应用场景。水中环境下，焊接时产生的飞溅物和熔渣会产生大量气泡，使水变浑浊。同时气泡表面又会大量反射电弧辉光，令焊接过程中确认焊点情况变得异常困难。因此，水下焊接也被称为是与锅炉焊接、高压焊接、高空焊接等并列的高难度焊接，需要具有极高技术水平的专门从业人员。水下焊接具体的实现方式可以分为两种，一种是直接进行水中焊接，另外一种是利用潜入水中的舱室进行排水后焊接。前者技术角度而言实现难度小，成本低，但存在很高的触电风险，对作业者的技术水平要求极高。后者虽然能够保证从业者的施工安全，但是成本较高，生产效率低。总而言之，焊接是一门与人类文明同步发展起来的材料加工技术，虽然在近代焊接技术已经有了空前飞跃，但它的发展速度仍然远远不能满足人类的需求。从这个意义上说，焊接技术的发展可谓是历久弥新。作者| 张昊 大阪大学审稿人| 侯军才 陕西理工大学材料院焊接系 副教授文章由腾讯科学“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”