一、焊接簡介
焊接是通過加熱，使不同金屬材料界面之間產(chǎn)生原子鍵合的一種加工方法。 焊接過程如圖12-11所示。
由圖12-11可知，焊接中，焊料和工件的邊界熔化形成熔融區(qū)域(熔池)，熔池冷卻凝固后便形成材料之間的連接。焊接是 機(jī)械工程之下的二級學(xué)科。很多名牌大學(xué)都有焊接專業(yè)。因而，焊接是一項(xiàng)專門技術(shù)。焊接對窯爐用金屬材料和耐火材料都有重要的影響。
長期以來，水泥和耐火材料廠家的許多人員 缺乏關(guān)于焊接的知識，致使錨固件受損，影響了耐火材料的壽命。例如，當(dāng)錨固件時(shí)常被拔出時(shí)，有的工廠用增多、加粗錨固件的辦法，暫時(shí)避免了錨固件的拔出，但增加了在窯襯中埋設(shè)的金屬 數(shù)量，縮短了耐火材料的壽命;有的工廠設(shè)計(jì)特殊的錨固件，通過增長焊縫避免錨固件拔出，但是大幅增加了焊接成本，顯著延長了檢修時(shí)間，影響了水泥窯的產(chǎn)量。
二、焊縫結(jié)構(gòu)
熔化焊接時(shí)，在幾毫米的范圍，短到幾秒、長至數(shù)分的時(shí)間內(nèi)，發(fā)生了一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化。焊縫的結(jié)構(gòu)和成分分布如圖12-12所示。
圖12-12 (a)是焊區(qū)結(jié)構(gòu);圖12-12(b)是成分分布。其中，OA 表示完全熔化、成分均勻的區(qū)域 (焊條);AB表示完全熔化、成分隨距離而變的區(qū)域(焊條/母材邊界); BC表示完全熔化、成分均勻的區(qū)域 (母材);CD表示部分熔化區(qū)(母材);DE表示熱影響區(qū)(母材)。C (%)表示碳含量、T(°C)表示溫度、M (%)表示合金元素含量。
由圖12-11和圖12-12可知，焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程。 焊接中，發(fā)生一系列變化：①焊接包括冶煉、鑄造和熱處理三個(gè)子過程;②變化在很大溫度梯度、高速加熱和冷卻條件下發(fā)生;③焊條、母材的化學(xué)成分可能不同，使焊區(qū)不同部分存在成分和組織差異，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而致使焊縫開裂。
三、焊接裂縫
焊接時(shí)，焊縫相當(dāng)于一個(gè)小的熔池，母材相當(dāng)于爐壁和錠模。第一，快速加熱到熔點(diǎn)以上;第二，在加熱和冷卻中焊縫及附近部位發(fā)生了相變，其范圍包括了從液態(tài)到固態(tài)的各個(gè)相區(qū);第三，冷卻速度很快，因而熱應(yīng)力和相變應(yīng)力可使焊件出現(xiàn)裂紋，如圖12-13所示。
圖12-13顯示了常見焊接裂紋的部位。其中，發(fā)生在焊肉中的裂縫有1、2、4、8幾種；發(fā)生在熱影響區(qū)的裂縫有3、6兩種；7為焊縫的熔合線。 裂紋分為熱裂、冷裂兩種。一般情況下，熱裂為沿晶斷裂;冷裂為穿晶斷裂。熱裂發(fā)生在焊接過程或焊后的高溫使用過程，一般溫度髙于650°C；冷裂則出現(xiàn)在300°C:以下，不僅在焊接的冷卻過程中產(chǎn)生，也可在放置或使用中產(chǎn)生。常見焊接裂紋或焊接脆性的特征見表12-5。
四、 鋼鐵材料的焊接性
鋼鐵材料的焊接性分工藝焊接性和使用焊接性。工藝焊接性指通過焊接加工形成完好焊接接頭的能力，即焊接的難易。使用焊接性指焊接接頭在使用條件下安全運(yùn)行的能力，即性能的高低。
工藝焊接性則分為冶金焊接性和熱焊接性。冶金焊接性指焊接中的冶金過程 (熔化、反應(yīng)、結(jié)晶、相變)對焊縫性能和產(chǎn)生缺陷的影響程度，其主要影響因素有母材金屬、焊接材料、焊接方法、保護(hù)條件等。
熱焊接性指焊接熱循環(huán)后，對焊接熱影響區(qū)組織性能及產(chǎn)生缺陷的影響程度，其主要影響因素是母材成分、熱處理狀態(tài)和焊接工藝。由于耐熱鋼的合金元素多、含量高、組織復(fù)雜，在焊接條件下，其組織和性能都會發(fā)生很大變化，有可能出現(xiàn)裂紋等缺陷。
五、 異種鋼材的焊接
異種鋼的焊接指兩種成分、組織不同的鋼之間的焊接。例如，珠光體鋼(碳素鋼、低合金鋼)和奧氏體耐熱鋼 的焊接。
一般情況下，兩種鋼材的焊接比同種鋼材要困難。異種材料的焊接性能主要取決于兩種材料的冶金相容性、物理性能，主要影響因素有：兩種異種鋼材的成分、焊條的種類和成分、接頭尺寸和施焊方位、焊接方法、焊接參數(shù)、焊接技術(shù)水平和焊接的工作環(huán)境。
難點(diǎn)之一為，異種金屬因化學(xué)成分和物理性能顯著不同，以致焊接時(shí)兩種金屬的交界處產(chǎn)生一層成分和性能與母材不同的過渡層，對焊接接頭的整體性能造成不利影響。
難點(diǎn)之二為，異種金屬的熱膨脹系數(shù)不同，容易引起熱應(yīng)力且不易消除，往往產(chǎn)生很大焊接變形。因焊接應(yīng)力和脆性的增加，異種鋼材的焊接接頭，尤其是熱影響區(qū)，容易開裂、脫落。圖12-14顯示了珠光體鋼和奧氏體鋼焊縫金屬中Ni含量的變化與組織。
由圖12-14可知，珠光體和奧氏體界面處的Ni含量是逐漸變化的。由第六章中的Schaeffler耐熱鋼組織圖可知，Ni含量的降低可能產(chǎn)生馬氏體脆性層，導(dǎo)致熔合區(qū)的破壞。
由圖12-14可知，成分過渡層是不可避免的。但可以通過改變充填金屬成分減少其寬度。如果使用高N1合金鋼焊條，可以大幅減少脆性層寬度；如果使用 N1基合金焊接材料，幾乎可以把脆性層寬度降至零。
六、耐熱鋼與耐熱鋼的焊接
1.爐用耐熱鋼焊接特點(diǎn)
一般情況下，錨固件的材質(zhì)為奧氏體耐熱鋼。水泥工業(yè)中，以Y形錨固件最為常用。通常，Y形錨固件的分叉部分需要焊接。這種焊接就屬于奧氏體鋼-奧氏體鋼之間的焊接。奧氏體耐熱鋼的焊接性比鐵素體耐熱鋼和馬氏體耐熱鋼好得多。但是，奧氏體耐熱鋼仍會出現(xiàn)焊接熱裂紋和熱影響區(qū)的晶粒長大、475°C 脆化傾向以及在600〜850°C長時(shí)間停留出現(xiàn)脆化相。
奧氏體耐熱鋼的熱導(dǎo)率小、膨脹系數(shù)大，在局部高速加熱和冷卻的條件下，在接頭可形成較大的焊接應(yīng)力。奧氏體耐熱鋼，尤其是純奧氏體鋼(C.r25Ni20鋼)，熱影響區(qū)的晶粒長大比較嚴(yán)重。由于不平衡加熱• S、P等有害雜質(zhì)元素聚積，因而產(chǎn)生液化裂紋。
一般情況下，焊接奧氏體耐熱鋼時(shí)，要求焊接材料的合金成分和母材匹配。 對于不銹鋼，希望有一定的鐵素體.以保證良好的抗裂性能，又有良好的耐蝕性。對于長期在高溫運(yùn)行的奧氏體鋼焊件.焊縫內(nèi)鐵素體的含量不應(yīng)超過5%，以免出現(xiàn)s相脆性。讀者可以根據(jù)第六章中的Schaeffler耐熱鋼組織圖，按焊縫 金屬的Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量估計(jì)其鐵素體含量。
2.爐用耐熱鋼焊接工藝
為保證焊接質(zhì)量，推薦采用以下焊接工藝：
① 仔細(xì)清除油、圬、銹、垢，防止有害元素滲入;
② 按照母材和焊接性能要求選擇適當(dāng)焊條;
③ 為防止合金元素?zé)龘p，焊接時(shí)盡力縮短電弧•限制擺動幅度，焊縫寬度不超過焊條直徑的4倍;
④ 為防止過熱，采用小電流、高速焊的工藝。
七、耐熱鋼與其他鋼材的焊接
一般情況下，水泥回轉(zhuǎn)窯窯體采用低合金耐熱鋼，其他部位的殼體采用碳素鋼。水泥工業(yè)中Y形錨固件的底部和窯體或殼體通過焊接連接。這種焊接屬于奧氏體鋼和其他鋼材之間的焊接。
異種鋼材焊接時(shí)，可能出現(xiàn)的問題有接頭的塑性和韌性降低，焊縫金屬易產(chǎn)生裂紋，熔合區(qū)易脫碳軟化或增碳硬化。為減緩上述問題，可以選用含N1較高的充填材料，采用小電流、高電壓和快速焊的工藝。一般情況下，焊接異種鋼時(shí)，焊接材料的選擇是就高不就低。如低合金鋼和耐熱鋼焊接時(shí)，選擇耐熱鋼焊 接材料;耐熱鋼和鎳基合金焊接時(shí)，選擇鎳基合金為焊接材料。
特別指出：如果焊接發(fā)生問題，不要一上來就根據(jù)資料上的結(jié)果推測。這時(shí).應(yīng)該進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)，測試焊接性能是否滿足使用要求。然后，依據(jù)結(jié)果確定問題所在、分析原因，提出解決辦法。然后，評價(jià)處理結(jié)果。如果自己不能解決問題，就需要專業(yè)人員的指導(dǎo)和幫助。