摘要：讲述了不锈钢和耐候钢异种材料孔内角环焊缝的焊接方法，生产过程遇到的问题，详细记述了试验过程和解决的方法，使用的保护气体。为试验新的材料、新的方法提供了参考数据。
关键词： 异种材料 混合气体 焊接 孔内角焊缝
在地铁生产的过程中，车体要求采用不锈钢结构。但是由于不锈钢的强度较低，车下底架牵枕缓部位受力较大，需要较高强的材料。因此，牵枕缓采用碳钢材料焊接而成，和车体接触部位采用了外包不锈钢的新结构方式，这种方式既保证了车体在运行过程中耐腐蚀的性能，又保证了车体的整体强度，还降低了整体结构的造价。由于牵枕缓以及外包不锈钢的厚度相对较大，并且此结构承受较大载荷，使用传统的电阻点焊无法保证焊接质量。经过研究实验选择了在碳钢工件上钻孔，采用孔内角环焊焊接方法能够达到所需的连接要求，并且可以保证较高的工作效率和产品质量。
一、结合题目阐述立题的由来和依据或问题产生的原因等
1.耐候钢开孔最小应为25mm。若开孔太小，在标准的焊接规范下焊接无法达到要求。电流小时母材根部无法融透，电流大时焊丝融化过快，瞬间 就能填满圆孔。所开圆孔过大则将可能导致结构强度降低，影响使用。因此要正确掌握开孔大小，建议25-30mm为最佳
2.焊接过程要注意焊丝指向位置。因为在耐候钢工件上面所开的圆孔较小，即使扩大到25mm直径，焊接位置依然很局限，对焊工的水平要求很高，一旦焊丝偏离正确位置就得不到理想中的焊缝，不能满足生产需要。
3.焊枪角度应保持与水平成45°夹角，焊丝准确指向焊缝的根部，并且焊接过程中焊枪角度的转换以及焊接速度要求很快。由于耐候钢工件上的圆孔较小，在标准的焊接规范下融敷金属会很快填充焊缝区域，如不能快速移动焊枪跟进焊接速度，就会造成焊缝金属过多堆满工件圆孔或高出工件表面，不符合标准规范。要求焊工在正式工作前要经过培训和工作试件的考核。
4. 不能产生焊枪推动熔池金属的操作。焊枪推动融化金属使得融敷金属阻碍了电弧与工件的直接接触，吸收了大部分热量，导致母材无法完全融化形成理想中的焊缝，造成“假焊”现象，就会出现根部不融合或边缘未溶的现象。
二、阐述解决的问题及所使用的方法等
1 焊接材料以及连接形式
1.1 焊接材料
母材为不锈钢SUS301L-LT与耐候钢09CuPCrNi-A，焊材选用309L(Φ1.0)焊丝，保护气体为98%Ar+2%CO2。
1.2 连接形式
在碳钢工件上钻圆孔，在孔内部与不锈钢进行焊接，形成孔内角环焊缝，其焊接接头示意图如图1-1所示：
图1-1 孔内角环 焊缝示意图
2 技术性指标及操作过程
2.1 焊接参数
采用唐山松下数字控制焊接设备，焊接主要参数如表1所示：
表1
2.2 焊接操作过程：
2.2.1焊接方法的改进：由于此种焊接工艺方法在工程上初次应用，没有可以参考的应验依据，因此在实际操作的过程中经过了多次失败后，首次试验采取了在耐候板上
图2-1 图2-2 结构断面示意图
图2-1 实际焊接组装钻孔直径20mm，采用不同的焊接参数进行焊接试验，都没有能达到欧洲焊接体系15085设计要求。总结了经验教训，改进了设计方案和焊接工艺参数，才得到满足不锈钢地铁使用要求的的焊缝。其具体操作过程如下
第一次采用塞焊结构，对碳钢进行钻孔，钻孔直径为20mm。焊前组织了有不锈钢焊接资质的多名焊工按照EN15085标准对碳钢及不锈钢焊缝周边的氧化物及油污等进行清理，并进行焊接实验。具体焊接组装如图2-1所示。图中小孔部分为焊接所需钻孔，经过多人，多次焊接实验，改变焊接电流，电压，焊丝干伸长度等焊接参数，发现此种焊接方法使用此连接方式均不能达到EN15085焊接体系标准。不能实现焊缝根部溶透和焊缝外观优良的技术要求，因此需要改进连接形式。
经过多方分析得出因为圆孔直径太小，不能在短时间内实现快速转换焊枪角度和保持均匀快速移动，融敷金属在很短的时间就会填满焊缝位置，因此整个焊接过程中，热量不能达到溶透的需要，焊缝根部存在未融合、未焊透等焊接缺陷，依然无法达到EN15085的焊接体系标准，不可进行实际生产。不能保证其根部溶透的要求。
经过反复对多种改进方案进行试验，最后确定增加圆孔直径的解决方案。确定了扩大了碳钢工件上的圆孔的方案，并进行了改进不同钻孔直径的焊接实验，确定出了一种钻孔直径配合相应的焊接参数和工艺方法。经过设计、工艺部门同意后，把设计钻孔直径确定为到∮25mm。
下面详细介绍改进和试验过程，应用改进后的方案完了多个试件的焊接，把每个试件焊缝外观合格的焊接试件沿圆孔中心用电锯切开，得到如图所示的结构断面示意图：图2-2 结构断面示意图
采用细砂纸精细打磨试件断面，将打磨好的试件放在硝酸水试剂中3-5分钟，用清水冲洗干净后用酒精溶液喷洒焊接断面，可使断面显示出试件焊缝和母材的溶透情况。使用专业焊缝检测放大镜对经过处理的试件进行检查，工作试件达到工艺技术标准，由工作试件考试合格的焊工对其施焊的工件进行实际焊接生产，将此项技术应用到天津地铁生产线的生产过程中。
2.2.2焊接设备的选择
在改进后的试验过程中，依然存在个别溶透性和外观成形不满足质量要求的问题，为了使生产更加简易化，高效化，需要继续改进焊接工艺或设备。最后选定了唐山松下焊接设备，进行焊接，经过多次焊接试验，找到了最佳焊接规范（表1）和操作方法，使工作试件的外观质量和根部溶透达到了15085的要求标准。并且焊工经过培训后均能快速，合格完成此项焊接生产。
三、阐述提高多少工作效率或创造多少效益等
此种焊接方法已在天津地铁生产过程中，车体生产焊接中普及应用，具体工作效果如图1、2所示：
可以看出，焊缝外观良好。经过整体组装后的牵枕缓焊接经过检测也可达到标准要求缩短了工作周期。通过天津地铁焊接工艺实施过程，增强了车间对15085焊接体系的认识。通过这次异种材料焊接实践提高了对新材料，新工艺操作能力，为以后新产品试制打下了良好基础，也保证天津地铁牵枕缓的焊接工作顺利完成。
随着不锈钢材料在地铁车辆中的应用愈加广泛，使用耐候钢与不锈钢的配合保证了车体的强度，克服了不锈钢硬强度较低的特点同时也降低了生产成本。
四、总结
将不锈钢外包于耐候钢上，在耐候钢上开孔，孔直径d≥25mm，采用内角环焊的方法，在合适的焊接工艺规范下可实现有效连接，达到设计强度要求。采用异种材料完成的天津地铁已经生产完成，经过运营试验各项指标和焊接部位质量达到设计要求。这种结构节约有色金属用量，降低了制作成本。
参考文献：
[1] 史春元 于启湛.异种金属的焊接［M］.北京：机械工业出版社，2012.