機械技術 二戰前的焊接技術發展史

1829年,羅伯特·斯蒂芬森發明了火管鍋爐。 用管子連接爐塘,穿過水體,加熱均勻,蒸汽量更大。 但圓管和鋼板怎樣連接,難倒了他。 當時沒有溫度更高的熱源,只能把鐵燒紅後斷打。 還是老斯有辦法,他把圓管伸出少許,背面展開, 在特製砧板上砸平,解決了難題。 這個高效率的鍋爐,是斯蒂芬森父子贏得羽山機車競賽的關鍵。 將鐵燒紅後,錘打到一起,屬於斷焊。 鑄焊是將銅水或鐵水倒進縫隙中凝固, 東方用它製造出精美的青銅器。 我們用焊錫和烙鐵焊接電路,或者用火焰融化焊錫後進行焊接, 則屬於千焊。 這些傳統的焊接方法,已經沿用了千百年。 溫度更高的熱源,當時只在實驗室。 19世紀初,英國上層人士流行看科學講座。 當時的超級網紅,皇家學會化學家漢弗萊戴維,口才好長得帥。 他的會場總是氣氛熱烈,女士們嘰嘰喳喳,假裝做筆記。 貴族們輪流上臺,擔任戴維的助手。 實驗的火花,爆炸和異味,讓衆人興奮不已。 每次講座,外面路上會堵馬車,需要警察來指揮。 戴維用銅板和鋅板,加上酸液,建造了巨大的電池,鋪滿整個地下室。 藉助這個電池,戴維發現了衆多元素,提煉出耐甲金屬。 這些化學性質活潑的鹼金屬,使戴維的講座更加勁爆。 戴維發現,這個神器能擊穿空氣,在探極間產生明亮的電弧。 1809年,他發明了電弧燈,它要連一堆電池,很笨重。 但是亮度很高,城市裏出現了高大的照明塔,用來戶外照明。 電弧溫度高,是因爲碳棒間有碳蒸汽,電流通過產生6000度以上的高溫。 這是人類第一次掌握這麼高溫度的熱源。 人們很容易想到,它可以用來焊接,這就是電弧焊。 1856年,英國焦爾提出電的另外一種利用方法,電阻焊。 兩塊鐵的接觸面很小,電阻大,通過電流也能產生高溫,將鋼鐵融化後再壓在一起。 電弧焊和電阻焊這些概念,只出現在實驗室,沒有推廣。 成熟的發電輸電技術,要等到電氣時代,當時錨釘技術已經足夠用了,對焊接需求並不大。 70多年後的1885年,電氣革命發展迅速,美德在追趕,日本忙着拖壓入歐,英國在鎮壓蘇丹殖民地起義。 法國輸掉了中法戰爭,但並沒有吃虧,大清開始籌辦北洋海軍,設立海軍事務衙門。 這一年,俄國奧爾謝夫斯基發展了碳弧焊機,不久出現金屬極電弧焊。 同年,美國人湯姆森發明電阻焊機,不過距離推廣還早,人們繼續用小小的錨釘,建造鐵路橋,鐵甲艦和埃菲爾鐵塔。 乙缺出現在斯蒂芬森火車成功後的第六年,1836年,漢弗萊戴維的堂弟埃德蒙戴維用碳混合碳酸鉀,高溫加熱得到碳化鉀,加水產生乙缺。 他也沉寂了很久,直到1892年,加拿大托馬斯·威爾森用高溫電弧鍛燒碳和石灰,得到碳化鉀,俗稱電石,加水產生乙缺氣。 當時電網不完善,設備昂貴,電石方便運輸,更容易普及,乙缺燈比煤氣燈亮十幾倍,與當時的電燈形成競爭局面。 此時人們已經可以液化空氣,氧氣和電石的量產使得氣焊比電焊更先普及,純氧乙缺火焰溫度高達3000度,利用這個特點,法國工程師埃德蒙·富歇和查爾斯·皮卡德在1900年製造出第一臺氧乙缺火炬。 1901年,德國人恩斯特梅恩發明了氧氣噴槍切割機,它加大了供氧,鐵在高溫下氧化脫落,實現切割功能,它只用30分鐘就能在裝甲船體上切出弦窗,以前只需要5個人幹兩週。 氧氣的需求激增,1904年,美國艾弗裏發明了便攜式氧氣瓶,人們獲得了能焊接也能切割的神器,氣焊迅速推廣開來。 作爲它的延伸,1959年出現了氫氧氣焊,隨着電氣革命的進行,金屬鋁逐漸興起,起先是超級網紅漢弗萊戴維用他的超級電池實施電解大法,於1808年發現鋁元素。 20年後,德國弗里德里希沃勒用昂貴的假金屬和氯化鋁反應來獲得鋁,它比黃金還貴重,只有皇帝拿破崙纔有資格用鋁製的刀叉和皇冠。直到1886年,美國查爾斯瑪丁霍爾和法國保羅埃羅爾特各自用電解法實現了量產,鋁才變得廉價普及。 鋁量產後的12年,漢斯哥德施密特發明了鋁熱劑,利用化學能得到高溫,將鋁粉和氧化鐵按一定比例混合,用引燃劑點燃,得到氧化鋁和鐵水,反應很劇烈,溫度能到3000度,它成爲焊接鐵軌的標準方法,至今仍在使用。 電石和鋁粉都是用電解法生產,本質上還是用電。隨着科技發展,電焊的短板被逐漸解決。首先是能夠持續釋放強大電流的電源,1905年,德國出現了焊接用發電機,隨着交流電的普及,便宜節能的焊接變壓器最終解決問題。 然後是改進焊條,1907年,瑞典人克耶爾貝格發明了焊條塗層,塗層的成分很複雜,白鐵、碳酸鉀等成分電離後能穩定電弧,冷礦石大理石用於造渣分離,電粉木屑可形成一氧化碳保護氣體,蒙鐵、硅鐵用於脫氧和形成合金,把這些成分放進空心焊條內的則稱爲鑰心焊絲。 塗層提高了焊接穩定性,是現代焊接的基礎,這兩項改進成爲電焊普及的開始。藉助氣焊和電焊這兩大利器,汽車業迅速發展,1912年,美國出現使用電阻焊技術的全鋼汽車。 但很快一戰打響了,加特林機槍出現時,人們認爲大規模殺傷武器已經出現,沒人能夠承受,以後不會有戰爭了,沒想到第一次世界大戰開始,機槍首先出現,裝了機槍的坦克飛機橫行,打紅眼了,就沒有什麼忌憚。 戰爭過後,吃虧的想復仇,佔便宜的怕報復,人們總覺得還沒打完,生存競爭促使各國努力發展,出現了更多的焊接發明。電焊的強光需要工人戴護目鏡,這些光熱和火花都是熱損失,人們盡力減少損耗。 1930年,蘇聯羅比諾夫發明埋壺焊,用顆粒狀的焊劑把電壺埋起來,減少能量損失,可以使用更大電流,焊縫質量更好,效率更高。在此基礎上,30年代美國出現了自動化焊接工藝。 一戰後出現的全金屬飛機,大量使用鋁合金,爲了避免鋁在高溫下與空氣反應。1926年,霍巴特和德福斯提出用氦氣和亞氣作爲保護氣體,隔開空氣,實現了鋁合金和不鏽鋼的焊接。 在檢驗上,起先是用錘敲擊,用聽診器辨別聲音。1924年,美國首次利用X光拍照來檢驗焊縫,檢查氣孔和裂紋,解決了焊接質量問題。 在兩戰間的短暫和平期,衆多的焊接科技橫空出世。德國爲了繞開一戰後的條約限制,造船業開始廣泛使用焊接來減輕軍艦重量。 在美國,人們焊接了幾百公里長的原油管道,全焊接的商船、鐵路橋、倉庫和工廠開始出現。鋼結構的寫字樓越蓋越高,紐約富豪們開展建築高度的天空競賽。 1931年,鋼結構的帝國大廈建成。兩年後,鋼懸索結構的金門大橋建成,顯示了焊接工藝的強大威力。 戰爭又一次打響了,各國開足馬力造武器,焊接廣泛用於軍事裝備的生產。 德國詳細研究了裝甲的焊接工藝,裝甲板採用損毛結構,產生護鎖效果,用裝甲栓加強,最後錯縫焊牢。戰場上,結實的虎豹坦克一度把盟軍打出心理陰影。 在航空上,美國1941年羅素梅雷迪斯完善了亞胡焊工藝,用霧做電極,壓起來冷卻保護,焊接鋁銘合金很有效,飛機的建造速度大爲加快,這是巨大的成功。 羅斯福給丘吉爾的信中曾專門吹噓過,焊接技術顛覆了美國造船業,採用毛結工藝時,造船隻能先造龍骨,框架完成後再逐步搭建,採用焊接工藝就可以分段建造,整體焊接,做到平行化模塊化。 二戰中,美國量產了3000萬噸運輸船,打破了德軍的潛艇絞殺戰略,將巨量物資運往前線,有力支撐了盟軍作戰。 焊接不像錨釘工藝一樣,需要很大力氣,它很適合耐心細緻的女性。 美國參戰徵兵後,大量女性補充進製造業崗位,焊工紋泥成爲當時女性的象徵,被廣泛宣傳,出現在各種廣告,招聘海報和卡通片中。 戰火壓迫着每一個人,工業國用生產線堆出勝利,農業國只能用人命去填,一些國家戰敗,更多的國家迂火重生。 戰爭結束後,焊接技術和人類其他科技一樣,進入飛速進化的快車道。