如何打造一只《啥是佩奇》同款硬核猪?

来源:科普中国发布时间:2019-01-23

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这几天,一则名为《啥是佩奇》的广告视频火爆全网,片中的爷爷给孙子自制的小猪“佩奇”玩具,让无数网友自称笑着笑着就哭了。当爷爷从红绸布中拿出充满后现代硬核工业范儿的“佩奇”时,耀眼的光芒让全家人都惊得合不拢嘴。那么问题来了,爷爷为了制作“佩奇”都用上了哪些工艺?除了焊接,还有哪些手段能帮爷爷制作“佩奇”?

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史上最硬核的“佩奇”,来源:《啥是佩奇》

从视频中来看,爷爷用一只鼓风机制作了佩奇的头部,然后再在其上焊接了眼睛、嘴和鼻孔。除了一般的切割粉刷等等钳工操作,核心工艺就是焊接,更具体的说是电弧焊。所谓焊接,本质上是一种连接不同部件的加工工艺,它是冶金连接的一种。那么,连接工艺到底有哪些具体的分类呢?焊接在其中又居于怎样的位置呢?

一般来说,连接工艺包括如下三种主要形式:第一,冶金连接,如电弧焊、锡焊以及搅拌摩擦焊等,冶金连接其实就是通常意义上的焊接。第二,化学连接,如胶水粘接等。第三,机械连接,如利用螺栓固定、铆接、过盈配合等。那么我们分别来说说每种连接方式的特点。

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常见的材料连接方法,来源:作者自制

冶金连接

冶金连接是人类很早以前就开始沿用的连接工艺,它的历史和人类对金属材料的开发、利用历史一样久远。公元前三千年左右,中国和欧洲的青铜器工匠们就开始利用焊接技术来修复破损的青铜器,或在容器主体上安放装饰性突出部等。细分起来,冶金连接还能分为三个主要的工艺路线。

  

熔接

即加热欲接合工件使之局部熔化形成熔池,待熔池冷却凝固后便可实现工件间的连接。熔接的关键特征是工件本身会发生局部熔化,而且大部分情形下无需使用额外的焊接材料。工业上常用的熔接工艺有四种,每种工艺的具体特点请参阅下图。

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  常见的熔接技术,来源:作者自制

爷爷这只“佩奇”在安装眼睛、嘴和鼻孔时主要利用了熔接工艺中的电弧焊,我们可以看到电弧焊是一种相对基础的焊接工艺,不仅可以实现工业化生产,个人电焊操作的门槛也非常低。不过需要注意的是,电焊时产生的电弧高达六千度,电压也有数千伏,稍有不慎很可能引发烧伤、火灾乃至触电等严重事故。难怪该视频一经发布,消防部门马上如临大敌,生怕有人跟风模仿,引发安全隐患。

此外,焊工是个需要一定经验和训练的技术工种,个人电焊作业往往保证不了焊点质量,加上电焊焊点热应力很大,可能造成脱焊、脆断等后果。如今在城乡结合部等地仍有一些焊接钢窗的小作坊,如果留心观察就能看到很多脱焊断裂的工件,断口呈现青白色或黑色,这样的问题焊点只能打磨后重新补焊了。爷爷这只“佩奇”的眼睛和嘴都不是承力部件,因此电焊焊点的强度应该完全能够满足要求。

  

钎焊

即利用熔点低于工件的材料作为焊料(钎料),当加热工件并使焊点温度超过焊料温度时,焊料熔化并与工件两端形成金属间化合物,冷却后形成通过焊料连接工件的焊点。钎焊工艺在日常生活中用途极为广泛,我们的手机、电脑等电子产品,在装配过程中都会大量利用锡基合金作为焊料。

锡焊的好处非常明显,首先它的焊接温度只需要两百五十度左右,手工焊接时利用锡焊电烙铁就可以进行操作,安全性高。另外,当需要对器件进行维修时,可以重新用电烙铁加热故障部,令该处焊料重熔,从而方便地实现组件更换。

因此,如果说给爷爷提供一些建议的话,个人认为采用锡焊来固定“佩奇”的眼睛和嘴也是不错的选择。虽然锡焊焊点的强度相比起来可能更低,不过在安全性和设备投资上确实完胜电焊。

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电路板上的焊点,作者:MJN123;锡基焊料,来源:公有领域

  

固态焊接

即焊接过程中无需利用焊料,工件也不会发生局部熔化,焊接过程在固相状态下进行。锻焊和搅拌摩擦焊是比较有代表性的固态焊接方式。锻焊的历史非常悠久,数千年前,人类已经开始将两个加热到赤红状态的铁质工件对接锻打,在锻打过程中使之相互扩散连接为一体。几十年前,人类发明了搅拌摩擦焊这种新兴的焊接技术,并很快在工业生产中得到应用,很多特殊的腔体结构,例如火车车体、火箭、人造卫星、空间探测器等,都可以利用搅拌摩擦焊来完成壳体的对焊。

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英国地铁所用的日立395型机车,作者:Rob500;猎鹰九号火箭的推进器,作者:Menlo Park, USA

固态焊接虽然在其适用的场合中具有极高的焊点质量、可靠性和自动化程度,但其适用的范围非常局限,对工件的形态要求很高。至少爷爷制作“佩奇”的过程里这种工艺就完全无法发挥作用。

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搅拌摩擦焊工艺动图,来源:NASA

除了冶金连接,化学连接和机械连接也可以帮上爷爷的忙。

化学连接

所谓化学连接,主要是利用接合面和化学介质间的范德华力、以及表面粗糙度效果来实现工件的连接。其中的关键便是所谓的化学介质,也就是粘合剂。粘合剂的种类十分庞杂,可以连接金属、陶瓷、塑料以及橡胶等各种材料,具体的固化方式又有速干型、加热固化型以及紫外硬化型等等。固化后的焊点结构不光是全部刚性,也可以连接橡胶等弹性部件。例如修补车胎时,先用锉刀将轮胎表面磨花,露出去除氧化层的新鲜表面,增加表面粗糙度,提高实际接触面积,胶水硬化后即可实现弹性连接。

爷爷制作“佩奇”时,其实眼睛和嘴的连接也可以选用粘结剂,如果能够正确的选用合适的树脂体系,再加上适当的前处理工艺,粘接效果还是能够得到保障。只是长期可靠性来说,比起焊接还是要差一点。

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日本市场上形形色色的粘合剂,来源:公有领域

机械连接

最后我们简单说说机械连接,机械连接过程中,没有发生冶金反应,也不额外使用化学介质,纯粹依靠工件之间的摩擦力和利用紧固件等来完成连接。机械连接主要有螺栓固定、过盈配合、铆接、榫卯连接等类型。螺栓固定在日常生活中太过常见,不必多说。过盈配合的主要应用场合是铁路机车的车轮和车轴,以及轴上齿轮、叶轮的固定等。铆接适合于薄板间的连接,如飞机蒙皮等。榫卯结构在传统木工家具中十分常见。

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C-47运输机的蒙皮铆接,来源:公有领域;法国一处粮仓所用的榫卯结构,来源:公有领域

比如爷爷这只“佩奇”,如果要实现工业化量产,那么眼睛和鼻孔利用焊接进行加工的成本显然要比利用螺栓螺孔来固定要高。毕竟机床加工一个螺孔就是几秒钟的事情,而且螺钉拧上去以后不满意还可以换下来,颜色大小都能实现客制化。还可以安装金属钉、鼻环等选配件以进一步增加“佩奇”的社会气息,以此拓宽用户市场。

一则短短的视频,笑中带泪之余,不得不感叹爷爷的硬核“佩奇”背后折射出的工业文明曙光。黑暗中闪耀着的爷爷的电弧和星星点点的熔渣不光是对孙子的满满爱意,更是工业文明渗透到偏远山村的绝好证明。学习科技知识和工艺原理,是每一个现代人应做的必修功课。

(本文中标明来源的图片均已获得授权)

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