异种钢焊接时，无论从焊接机理和操作技术上都比同种钢复杂得多，这是因为异种钢的物理性能、化学性能及化学成分等显著差异造成的^[4-5]。

表1 1J116合金化学成分
Tab.1 Chemical compositions of 1J116 alloy

表2 0Cr18Ni9Ti 合金化学成分
Tab.2 Chemical compositions of 0Cr18Ni9Ti alloy

外壳材料为耐蚀软磁合金1J116，法兰座的材料为奥氏体不锈钢0Cr18Ni9Ti，合金成分分别见表1和表2。1J116材料属于Fe-Cr合金，0Cr18Ni9Ti属于Fe-Cr-Ni合金，二者都是Fe基合金，属于合金钢的范畴。

图2和图3分别为Fe-Cr二元相图和Fe-Cr-Ni三元相图的72%Fe截面，Cr元素对于高合金钢的抗腐蚀性非常重要，Cr元素会缩小奥氏体温度范围，Cr也是强铁素体形成元素，其含量超过12%时，在所有温度下都是铁素体，1J116铬含量在17~19%之间，在常温下是具有体心立方晶格的铁素体（α）结构。与Cr不同，Ni是扩大奥氏体相区的元素，随着Ni含量增加，奥氏体向铁素体的转变温度降低。奥氏体组织很稳定，以至于快速冷却时，在室温也能保持奥氏体组织，故由相图可知，0Cr18Ni9Ti的Ni含量约为10%，Cr含量约为18%，在常温下是具有面心立方晶格的奥氏体（γ）结构^[6-8]。

图2 Fe-Cr 二元相图
Fig.2 Fe-Cr binary phase diagram

由上可知，0Cr18Ni9Ti和1J116虽然都为Fe基合金钢，但是由于其化学成分不同，使得二者晶格结构以及组织不同，0Cr18Ni9Ti常温下为面心立方的奥氏体结构，而1J116常温下为体心立方的铁素体结构，故而造成了二者的磁性、比热容、平均线膨胀系数和热导率等物理性能有明显差异（具体见表3）。焊接难度主要为：

图3 Fe-Cr-Ni 三元相图的72%Fe 截面
Fig.3 72%Fe section of Fe-Cr-Ni ternary phase diagram

1)0Cr18Ni9Ti和1J116在0~100 ℃的平均线膨胀系数分别为16.7×10^-6 ℃^-1和10.4×10^-6 ℃^-1，异种钢的线膨胀系数相差越大，越难进行焊接。线膨胀系数大的合金热膨胀率大，冷却时收缩也大，在熔池结晶时会产生很大的残余应力。由于焊缝两侧合金承受的应力状态不同，易使焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝与母材剥离。

表3 0Cr18Ni9Ti 和1J116 的物理性能
Tab.3 Physical properties of 0Cr18Ni9Ti and 1J116

2) 0Cr18Ni9Ti和1J116在100 ℃时的热导率分别为15.95 W·m^-1·K^-1和27 W·m^-1·K^-1，比热容在0~100 ℃时分别为0.50×10³ J(kg·K)^-1和0.46×10³ J(kg·K)^-1。异种钢热导率和比热相差越大，越难进行焊接。合金的热导率和比热容差异会使焊缝的结晶条件变化，晶粒粗化严重，并影响难熔合金的润湿性能。

3）0Cr18Ni9Ti和1J116的电磁性能差异。0Cr18Ni9Ti由于是奥氏体组织，所以无磁性，而1J116的组织为铁素体，且其为软磁合金，所以有磁性。异种钢的电磁性能相差越大，越难进行焊接。因为合金电磁性相差越大，焊接电弧越不稳定，焊缝成形变坏。

如图4所示，法兰座与外壳的焊接接头属于圆周面上的角接接头。如无工装定位，法兰座可以沿着外壳的圆周面任意转动，也可以沿着轴向自由移动。根据图样要求，设计、加工专用工装进行定位点焊，以保证装配位置满足图纸要求：法兰座的待焊圆柱与外壳上ΦC的小圆孔同轴（如图4左所示），轴线位置距离外壳圆柱底面的距离为12.8±0.1 mm（如图4右所示）。

图4 外壳体部件焊接示意图
Fig.4 Schematic diagram for welding of outer shell assembly

由于外壳与法兰座待焊部位的壁厚分别为3.2 mm和1.5 mm，属于不同壁厚的薄壁件焊接。且外壳体部件整体尺寸较小，导致散热慢。由于焊接过程是一个不均匀的加热与冷却过程，材料在焊接热的作用下经历了复杂的物理与化学作用，这种过程的结果直接影响了焊接接头的冶金及力学性能，并可引发焊接结构的应力与变形，从而导致图纸要求的12.8±0.1 mm (图4右所示）尺寸难以保证。

如图5所示，外壳体部件配好后，法兰座轴向方向与外壳轴向方向并不垂直，而是有一个15°的偏角，且外壳的四方台阶面与法兰座的距离较小，使得此处位置焊枪可达性差，施焊时易出现电弧不稳、气体保护效果差等问题，导致焊缝表面成型较差，出现裂纹，弧坑，飞溅，表面氧化等缺陷。

图5 外壳体部件俯视示意图
Fig.5 Vertical view of outer shell assembly

1)设计焊接定位工装。依据“牢、正、快、简”的设计原理，设计了专用定位点焊工装，如图6所示。

图6 定位工装装配示意图
Fig.6 Assembly drawing of positioning tool

利用此工装可以很好地保证图纸中对于装配精度的要求，并且便于操作，很好地保证了生产效率以及合格率。如图6所示，定位工装由底座、挡板、紧固螺栓三部分零件组成。将外壳体部件按图示装配好后，在待焊部位裸露一侧均匀点焊三个点进行定位，定位点焊完成后拆下工装，测量装配尺寸是否满足图纸要求，满足要求则进行整周焊接，如不满足要求则重新定位。

2)设计焊接散热工装。焊接散热工装如图7所示。

图7 焊接散热工装示意图
Fig.7 Drawing of welding heat radiation tool

焊接散热工装材料为黄铜，具有良好的热导率，焊接时将焊接散热工装塞入外壳的圆孔内，起到快速散热作用，防止产品发生局部焊接变形。焊接散热工装圆周面上铣一个方槽作为反面保护气的流道，避免憋气。圆周底座下面铣成平面是为了：一方面，焊接时焊接散热工装不随意转动，保证气体流道的位置不发生变化；另一方面，装配好后，此平面与外壳的四方面配合对齐，便于定位。焊接完成后，将散热工装继续保持在外壳的圆孔内，直至产品空冷至室温，再将其拆卸，可以防止在冷却过程中的焊接变形。

异种钢焊接时，为了确保焊缝成分合理（保证塑性、韧性和抗裂性），必须正确选择焊接填充材料和适当控制焊缝熔合比（母材熔化重量占焊缝金属重量的百分比）和稀释率。舍弗勒组织图（图8）是一种简单适用的方法。

图8 舍弗勒组织图
Fig.8 Schaeffler organization chart

该图用钢中所有能够缩小奥氏体温度范围的合金元素（称为Cr当量，Cr%=(Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb）%）和所有能够扩大奥氏体温度范围的合金元素（称为Ni当量，Ni%=(Ni+30C+0.5Mn）%）来分析图中的某一区域的组织，即通过用合金元素重量百分比来计算和分析焊缝金属及钢中合金元素对显微组织的影响。应用舍弗勒组织图可以方便地帮助我们分析和预测复杂合金系统的焊缝组织分布^[9-13]。

表4列出了两种母材0Cr18Ni9Ti和1J116以及填充材料H08Cr19Ni10Ti的铬镍当量。由图8可知，如果不添加填充金属焊接0Cr18Ni9Ti和1J116时（熔合比为100%），接头熔化面积相等，因而焊缝的铬镍当量应为线段ab的中点d点，焊缝组织为奥氏体+马氏体+铁素体。

表4 0Cr18Ni9Ti，1J116 及填充金属的铬镍当量
Tab.4 Chromium nickel equivalent of 0Cr18Ni9Ti, 1J116 and welding stick

采用H08Cr19Ni10Ti焊丝焊接0Cr18Ni9Ti和1J116时，焊缝的铬镍当量将沿着c-d线变化，其中c点为焊丝H08Cr19Ni10Ti的铬镍当量点（可视为焊丝熔化，母材不熔化的极限情况，即熔合比为0）。如图可知，不同熔合比焊接时会出现不同组织，当熔合比小于40%时，组织为奥氏体+少量铁素体双相组织；而当熔合比大于40%时，焊缝会出现马氏体，马氏体作为一种淬硬组织容易引起冷裂纹。由相关资料查的钨极氩弧焊合理的熔合比范围为10%~100%，所以为了使焊缝获得奥氏体+少量铁素体双相组织，应将熔合比控制在10%~40%之间^[14-17]。

因此，0Cr18Ni9Ti和1J116异种钢焊接时，焊接工艺参数的选择应以减少母材金属的熔化和提高焊缝的堆积量为主要原则。焊接工艺参数对熔合比有直接影响。一般来说，焊接线能量越大，母材熔入焊缝越多。为了减少焊缝金属的稀释率，将熔合比控制在10%~40%之间，在保证图纸要求焊接接头强度及密封性的情况下，一般采用小电流和高焊接速度进行焊接。

受产品结构限制，不能一次完成整周焊缝，故需使用分段焊的方法。为了避免焊接过程中的残余应力导致产品变形，需要合理设计焊接顺序，以满足设计图纸中尺寸的要求。工艺攻关之后的焊接顺序如图9所示。

图9 焊接顺序示意图
Fig.9 Schematic diagram of welding sequence

先焊接图中位置（1）是因为此处距离图纸要求尺寸12.8±0.1 mm基准面距离最近，第一段焊缝热输入最少，引起的变形也最小；紧接着焊接图中位置（2）的焊缝，因为此处焊接产生的残余应力方向与位置（1）焊接产生残余应力的方向相反，可以抵消一部分应力与变形；最后焊接图中位置（3）和（4），此两处焊接顺序可调换。焊接时利用焊接散热工装进行散热，并且从法兰座的通孔处接通反面保护气体，起到更好的保护效果。

受产品结构限制，部分区域焊枪可达性差，如果焊枪喷嘴选择不当，将引起钨极伸出长度过长，对保护效果和焊接操作均有不良影响。为此，操作人员首先使用较小规格的喷嘴进行试焊，焊后焊缝发蓝，保护效果不好。于是经工艺人员与技能人员商讨，改用内径尺寸较大的焊枪喷嘴，焊接时将钨极伸出长度适当加长，同时加大保护气体流量，焊后焊缝的保护效果明显得到改善，焊缝颜色为金黄色。