祖传手艺：焊航母

在聊航母钢材的文章里面有人问“两块超厚的钢板是怎么焊接在一起的”这个问题。

之前有一些段子网图，说什么农民工街边立牌子，上面写着：“长城贴瓷砖、黄河加护栏、太平洋加盖、焊航母甲板、歼-20钣金”……

话说，这不是咱们祖传的手艺吗？那么今天开始聊下航母飞行甲板焊接。

“焊接”这个词汇一出来大家在脑子里面所能呈现的场景大概就是这样的：

一个工人用手里的焊钳夹住一根焊条，直接怼向要焊接的工件，随着火花的产生，工件就神奇的焊接在了一起。

这种画面对应的，其实是最普遍的一类焊接方法——弧焊（Arc Welding）。这里的“弧（Arc）”指的是电弧。

所谓电弧，是当电流在气体或金属蒸汽间击穿形成等离子体时，放电路径会在热浮力和电磁力的共同作用下呈现一个拱形的轨迹。这种放电在一定条件下可以自持稳定，不会像“火花”那样瞬间熄灭，因此在物理学和电工学中，“Arc”成为了一个专用术语。

这是一个基本理论，不过，焊接这件事情要比很多人想象得复杂得多。所以就会有人问出“两块超厚的钢板是怎么焊接在一起的”这样的问题。

在弧焊的过程中，我们要注意前面讲的一个关键信息——5000度以上。延伸一下固有知识——金属是可以导热的，并且大部分金属有着良好的导热率。这时候：

这是一个焊接接头的横截面，颜色最深的部分是焊接区或称熔化区，较浅的部分是热影响区，颜色最浅的部分是母材。

现在，我们再加入一个固有知识——大部分材料是会热胀冷缩的。在焊接的过程中由于热扩散的区域并不是线性的，在焊缝周围金属的热膨胀度是不一样的，因此如果是焊接一个比较薄的金属件，母材的膨胀和收缩可以忽略不计，但是如果是一个很厚的母材在加热和冷却的过程中产生的膨胀和收缩问题就不能不考虑了。这样会在焊缝周围产生极大的应力。

例如航母飞行甲板用的那种超厚钢板（动辄数十毫米甚至百毫米），在焊接时产生的热膨胀差异会在焊缝周围积累巨大的残余应力，甚至导致焊缝开裂、板材翘曲。

所以，我们会看到很多大型焊接件上会有焊接后的开裂现象。

怎么应对？

通常情况下会开坡口、多道多层焊、分段退焊、合理的焊接顺序，以及预热与后热处理等措施，来控制热输入、缓解应力、确保焊缝金属的力学性能。

例如在焊接航母飞行甲板这种超厚钢板之前，第一步往往是开坡口。厚钢板如果直接对接，电弧很难将接合面全部熔透，因此需要在板边加工出一定角度的坡口——常见有 V 型、双 V 型或 U 型。坡口的作用是让热量能够深入板厚内部，保证焊缝根部完全融合。不过，这个角度并不是越大越好，角度太小会造成未焊透或夹渣，角度太大则会增加填充金属的用量，导致热输入上升，从而带来更多的热变形和残余应力。因此，坡口角度与根部间隙通常会根据板厚精确计算。

真正焊接时，厚板焊缝也不能一次焊满，而是分成多层、多道逐步堆积。底层焊好后继续焊中间的填充层，最后才是盖面层。同一层还会分成几条焊道，先焊一段，再焊另一段，这样可以均匀分布热量，防止焊缝一次性承受过高的热应力。每一层焊接时，上一层的金属也会被加热到一定温度，相当于得到一次“二次热处理”，这有助于改善组织、释放部分应力。

在焊接顺序上，还有一种常用的分段退焊法。它的特点是焊接方向与焊缝延伸方向相反，例如要焊两米长的焊缝，不是从一端直接焊到另一端，而是在中间焊一小段，再退回前面焊下一段，如此循环推进。这样可以缩短单次的热影响区，降低累积应力，同时配合对称焊接（两边交替进行）来减少整体变形。对于航母甲板这种超大结构，通常会按分区、分段、跳焊的方式组织焊工，多台焊机同时作业，但必须遵循热平衡原则，让各部分的热应力尽可能互相抵消。

不仅如此，厚板尤其是高强钢在焊接前通常需要预热到一百到两百五十摄氏度左右，这样可以降低冷却速度，减少冷裂纹的风险，同时缓解热影响区的硬化。焊接结束后，还会进行后热处理——将焊接区域加热到五百五十到六百五十摄氏度并保温一段时间，再缓慢冷却，以释放残余应力并稳定焊缝和热影响区的组织。

基本上用这些方法就可以焊接足够厚度的钢板了。只不过……凡事就没有“基本上”这么简单的事情。

在1940年代，美国生产了一大批的“自由轮”：

1881年，碳弧焊被发明出来，1888 年，俄国的尼古拉·斯拉维亚诺夫发明了金属电极弧焊也就是现在咱们的“弧焊”雏形，1919 年由瑞典的奥斯卡·凯尔伯格发明了带有焊药的焊条。可以说在100年前弧焊的科技树已经基本点满。

然而，即便如此，二战期间的造船业依旧低估了焊接背后的复杂性。许多自由轮在服役中，甚至是在港口静静停泊时，会毫无征兆地从中间断裂。虽然这并非单纯的焊缝强度问题，而是厚板焊接、低温环境、材料韧性以及残余应力多种因素的综合作用——技术看似成熟，但在新的规模和条件下，依然可能暴露出致命短板。

但是，无奈的是人们还是把船越造越大。为了保证焊接的可靠性。实际上手工操作的弧焊已经很难在既保持质量有满足设计要求以及在足够低的成本下保障船只的生产了。例如现代航母甲板的焊接。

很多人提到航母焊接，首先会想到埋弧焊（SAW）。这种方式是指在焊缝上方铺设大量的焊药，产生电弧的焊针被埋在焊药下。

由于焊药本身隔绝了大量空气，并且保持了焊池的温度，焊接过程中焊缝的成型质量就比较高了。

不过，我们可以看到的一点是，这些粉末状的焊药只是从上方对母材的焊缝进行覆盖。因此，埋弧焊更多的是对应水平焊接。如果是非水平状态的焊件需求也需要经过不断的旋转让焊接点和地面垂直。

这是由最基本的物理特性所决定的。

其实，航母甲板的焊接利用埋弧焊还是可以做的，毕竟这是一个焊接工作中要做的水平面，但是现代航母（也包括其他大型船只的建造）主要采用的是分段建造的模块化设计。

虽然我们看航母是一个整体，但是航母是由一块块模块组合起来的。

在真正组合这些模块的时候，模块顶部早就已经焊好了飞行甲板。而这些飞行甲板的主要焊接点其实都是在这些模块的钢结构上。并不像是很多人所想象的在航母骨架搭好后上面敞着口，然后再去覆盖一层飞行甲板。

这样的设计本身对飞行甲板的水平焊缝的焊接本身要求就小很多了，反而是对船体整体钢结构的焊接有了更大的要求。垂直、反向、弧度焊接远比水平埋弧焊的需求多得多。

在很多垂直焊缝的部分，尤其是对强度要求很强的地方会采用“电渣焊接”的技术进行焊接任务。

电渣焊的原理和弧焊、埋弧焊不一样，它不是靠持续燃烧的电弧来加热，而是先用电弧引燃熔化一部分焊剂形成液态渣池，然后电弧熄灭，焊接电流通过这个高电阻的熔渣层流动，熔渣本身的电阻热将坡口两侧的母材和焊丝端部同时熔化，形成焊缝金属。由于整个过程焊缝区被高温熔渣完全包裹，没有暴露在空气中，所以焊缝质量高且无飞溅，也不怕垂直位置的熔池下坠。

这类工艺特别适合航母这样的大型模块对接时的厚壁立缝焊接，比如舱壁、龙骨与大型纵骨的连接处，一道焊缝的厚度可以一次焊透几十毫米的钢板，效率远高于多道立焊。它的限制在于只能用于接近垂直的焊缝位置，而且需要较大的预留坡口空间来布置滑动的水冷铜板（作为模具限制焊池形状）。

另外，一些很奇形怪状的位置，例如弧度区域、渐变区域，甚至是很小的犄角旮旯则对应了其他焊接方法。例如MIG焊接（Metal Inert Gas Welding），气体保护金属电弧焊。

MIG焊机在福特号航母建造过程中

现在的MIG焊机已经可以做到吸附在钢材表面依靠导向杆进行自动移动。在航母模块的立面甚至顶面上自动“爬行”完成焊接任务，通过持续送丝和惰性气体（如氩气、氦气，或氩+二氧化碳混合气）保护焊区，避免空气中的氧、氮进入熔池。

我们也有类似的的设备用于大型船舶的制造：

利用磁性吸附轮和光学识别传感器，这种小型的焊接机器人可以自主识别焊缝位置和定义焊接方案。远程自动的就可以把大量焊接工作做完。

不过，航母上还存在大量机器无法“爬”到、大型机器无法进入的区域，这些区域实际上还是焊工手工拿着焊条弧焊。

只不过如果大家仔细看焊接现场，会发现每个焊缝都有一些特殊的工艺标注。依靠熟练的工人手工完成。

而航母模块组合后的飞行甲板顶部缝隙，其实直至现在即便是美国英国的航母也还有大量手工焊接的工作要做。

所以说，很多事情不能一概而论，真不能听过一个“埋弧焊”就想当然的认为整个航母就这么一种焊接方法。