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焊接奇迹:芝加哥地标——云门雕塑

发布时间:2017-08-21 点击次数: 323

图:2007年美国焊接学会(AWS)为“云门”颁发“非凡焊接成就奖”


座落于芝加哥千禧公园的云门雕塑,号称“一滴水银”,长20米,高10米,是美国芝加哥市的标志性建筑之一,由英国艺术家阿尼什•卡普尔(AnishKapoor)设计,形似椭圆的“豆子”,设计灵感来自液态水银的形状,设计师将其命名为“云门”,意为通往芝加哥的大门。其抛光不锈钢外表无任何修饰,将周围错落有致的各型建筑和自然景色映入其中,从不同角度看到的景致各不相同。

       整座雕塑的建造与安装由100多名金属装配工、工程师、技术员以及焊工奋力辛勤工作,历时五年有余才完工。为了实现这个“豆子”的造型,位于美国东部伊利诺伊州别墅公园的MTH公司和西部加利福尼亚州奥克兰市的PSI公司功不可没。2007年,美国焊接学会(AWS)为这个云门雕塑工程颁发了“非凡焊接成就奖”。时代杂志也因此把千禧公园命名为2004年十大建筑成就之一,称“云门”是公园里的主要景点之一。

雕塑表面是高度抛光的不锈钢板,一点缝隙和印迹都看不到,非常简洁,但要实现这个造型,却需要巨大的工作量。

壳体结构的建造由PSI公司的伊森·席尔瓦(EthanSilva)负责,他在制造壳体结构上经验丰富,曾参与过造船及一些艺术项目的壳体结构制造,是云门壳体结构的不二人选。他说“生产出各个组件差不多用了三年时间,在完善生产和设计的细节方面需要大量的时间。”  雕塑结构的独特造形对制造外壳体钢板提出了很大挑战,大块的钢板重达680公斤多,用等离子技术切割2.54 – 7.62厘米厚的316L钢板就是艰巨的任务。而真正的挑战则是将这些巨型钢板弯曲到足够精确的曲率,需要准确地定义每块钢板的形状,才能精确地做出每块钢板的三维造型。为此,专门设计了三维轧钢系统,保证每块钢板的精确成型,工作量非常巨大。

钢板制造完毕,进入焊接阶段,使用药芯焊丝将各个曲面钢板焊接到起支撑作用的肋状框架上。对于焊接过程,席尔瓦尤其强调了药芯焊丝焊接的好处,认为“药芯焊丝是焊接结构件的绝佳选择,可以焊出非常优质且外形美观的焊缝,是超级实用的焊接制造方法。”

至此,外壳制作过程还没有完成,要实现完美外观,还需要经过机器抛光和手工打磨到千分之一英寸的精度,才能确保钢板之间的完美衔接。PSI公司采用激光扫描设备扫描出精确尺寸,对钢板外表面进行打磨抛光,并覆上保护膜。之后,才将加工好的钢板和结构件装上卡车,横跨美国国土,运送到芝加哥。一批PSI公司的工作人员也同时被派往芝加哥,去配合负责安装的MTH公司工作。

图:安装抛光钢板外壳的支撑架


据工程副总裁、MTH公司项目经理卢·彻尼(Lou Cerny)所言,支撑雕塑的内部结构件重达13.6吨多,是他们工作中最困难的项目之一。首先,他们“使用两个大型304不锈钢O形环来安装桁架系统,上图显示的是十字交叉管型桁架固定的两个O形环,两环之间的框架采用熔化极气保焊接、手工焊接和螺栓连接进行现场固定。

然后使用悬挂支撑系统将壳体组装到桁架结构上。安装时,168块钢板都有各自配套的的悬挂式支撑系统,以避免任何接头承受的压力过载。我们很自豪,最后钢板完美地组装到了一起。

彻尼说:“PSI公司在制作板材方面下了很大力气,非常值得称赞,因为这些钢板最终完美无瑕地组装拼接到一起了,他们制作的精度实实在在达到了千分之一英寸,各块钢板之间的衔接非常精确。”

钢板外壳组装拼接完成后,整个工程却远没有完成。为了避免钢板变形塌陷的危险,需要采用等离子焊接来保障拼接处结构的强度,这对整个工程非常重要。

 彻尼说:“焊缝必须是完全穿透焊,我们却只能从壳体外侧进行焊接。为了实现全穿透焊接,工人在钢板的背面预留了专门的空腔。焊接送气时,空腔中充满惰性气体,让惰性气体从焊缝内侧直接进入接头。其实这个工程这不涉及应用新技术,只不过需要改进一下工作方法来适应不同寻常的现场施工条件。例如,把焊枪头改动一下,切割成某种角度,还有其他很多细节上的改变,再经过很多实验,来实现在同一焊位上进行全位置焊接。就是说无论在你的正前方,垂直向上,垂直向下,还是头顶上方,你都得能进行焊接,所以,你需要不断调整进气角度和送丝速度。不幸的是,书上查找不到送丝速度多快才合适,只能是在工作中摸索。”

焊接完成后,便进入了整个工程的最后阶段——抛光结构。焊缝痕迹明显,需要使用半自动带式砂磨机和60粒度的锆纸进行初步研磨,然后再使用特殊的400粒度陶瓷砂纸研磨。这种做法通常是用于手术器械的制作,在一般的工程安装行业不常见,但打磨不锈钢的确很好用。支撑件安装到位,钢板焊接到了一起,焊缝也打磨了,最后一步就是镜面抛光。

图:施工时“云门”周边搭起了帐篷

为了实现闪亮的高反射率的镜面效果,抛光加工使用了一种珠宝商用的抛光剂——业内称为小红蜡的蜡质物质,共使用了三种研磨等级的小红蜡。整个抛光过程中,“步步都要经心,每个环节都不能遗漏,不然就得从头来过。我们一般是24或25个人一起工作,确保不遗漏仁何环节,一般是在一大块面积上进行完同一个步骤,再整体推进到下一个步骤,而不是一小块一小块直接打磨成镜面。”

历时5年多的精心制作,云门雕塑于2005年8月28日终于完成,并于2006年5月15日正式揭牌。雕塑每年都迎接数百万人的参观,其奇特的造型和镜子般的表面令人叹为观止,真正是一个带给人们享受的焊接奇迹。