一、焊接簡介

焊接是通過加熱，使不同金屬材料界面之間產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域(熔池)，熔池冷卻凝固后便形成材料之間的連接。焊接是 機械工程之下的二級學科。很多名牌大學都有焊接專業。因而，焊接是一項專門技術。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，當錨固件時常被拔出時，有的工廠用增多、加粗錨固件的辦法，暫時避免了錨固件的拔出，但增加了在窯襯中埋設的金屬 數量，縮短了耐火材料的壽命;有的工廠設計特殊的錨固件，通過增長焊縫避免錨固件拔出，但是大幅增加了焊接成本，顯著延長了檢修時間，影響了水泥窯的產量。

二、焊縫結構

熔化焊接時，在幾毫米的范圍，短到幾秒、長至數分的時間內，發生了一系列復雜的物理化學變化。焊縫的結構和成分分布如圖12-12所示。

圖12-12 (a)是焊區結構;圖12-12(b)是成分分布。其中，OA 表示完全熔化、成分均勻的區域 (焊條);AB表示完全熔化、成分隨距離而變的區域(焊條/母材邊界); BC表示完全熔化、成分均勻的區域 (母材);CD表示部分熔化區(母材);DE表示熱影響區(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，焊接是一個非常復雜的物理化學過程。 焊接中，發生一系列變化：①焊接包括冶煉、鑄造和熱處理三個子過程;②變化在很大溫度梯度、高速加熱和冷卻條件下發生;③焊條、母材的化學成分可能不同，使焊區不同部分存在成分和組織差異，產生殘余應力，從而致使焊縫開裂。

三、焊接裂縫

焊接時，焊縫相當于一個小的熔池，母材相當于爐壁和錠模。第一，快速加熱到熔點以上;第二，在加熱和冷卻中焊縫及附近部位發生了相變，其范圍包括了從液態到固態的各個相區;第三，冷卻速度很快，因而熱應力和相變應力可使焊件出現裂紋，如圖12-13所示。

圖12-13顯示了常見焊接裂紋的部位。其中，發生在焊肉中的裂縫有1、2、4、8幾種；發生在熱影響區的裂縫有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；冷裂則出現在300°C:以下，不僅在焊接的冷卻過程中產生，也可在放置或使用中產生。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、結晶、相變)對焊縫性能和產生缺陷的影響程度，其主要影響因素有母材金屬、焊接材料、焊接方法、保護條件等。

熱焊接性指焊接熱循環后，對焊接熱影響區組織性能及產生缺陷的影響程度，其主要影響因素是母材成分、熱處理狀態和焊接工藝。由于耐熱鋼的合金元素多、含量高、組織復雜，在焊接條件下，其組織和性能都會發生很大變化，有可能出現裂紋等缺陷。

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、焊接技術水平和焊接的工作環境。

難點之一為，異種金屬因化學成分和物理性能顯著不同，以致焊接時兩種金屬的交界處產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。

難點之二為，異種金屬的熱膨脹系數不同，容易引起熱應力且不易消除，往往產生很大焊接變形。因焊接應力和脆性的增加，異種鋼材的焊接接頭，尤其是熱影響區，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含量的降低可能產生馬氏體脆性層，導致熔合區的破壞。

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

一般情況下，錨固件的材質為奧氏體耐熱鋼。水泥工業中，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焊接熱裂紋和熱影響區的晶粒長大、475°C 脆化傾向以及在600〜850°C長時間停留出現脆化相。

奧氏體耐熱鋼的熱導率小、膨脹系數大，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力。奧氏體耐熱鋼，尤其是純奧氏體鋼(C.r25Ni20鋼)，熱影響區的晶粒長大比較嚴重。由于不平衡加熱• S、P等有害雜質元素聚積，因而產生液化裂紋。

一般情況下，焊接奧氏體耐熱鋼時，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。對于長期在高溫運行的奧氏體鋼焊件.焊縫內鐵素體的含量不應超過5%，以免出現s相脆性。讀者可以根據第六章中的Schaeffler耐熱鋼組織圖，按焊縫 金屬的Cr當量和Ni當量估計其鐵素體含量。

2.爐用耐熱鋼焊接工藝

為保證焊接質量，推薦采用以下焊接工藝：

① 仔細清除油、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焊條;

③ 為防止合金元素燒損，焊接時盡力縮短電弧•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，可能出現的問題有接頭的塑性和韌性降低，焊縫金屬易產生裂紋，熔合區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，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，選擇耐熱鋼焊 接材料;耐熱鋼和鎳基合金焊接時，選擇鎳基合金為焊接材料。

特別指出：如果焊接發生問題，不要一上來就根據資料上的結果推測。這時.應該進行必要的實驗，測試焊接性能是否滿足使用要求。然后，依據結果確定問題所在、分析原因，提出解決辦法。然后，評價處理結果。如果自己不能解決問題，就需要專業人員的指導和幫助。