激光—电弧复合焊接工艺参数优化及焊缝组织性能研究

摘要 本论文围绕激光 - 电弧复合焊接工艺，深入研究其工艺参数优化及焊缝组织性能。首先介绍激光 - 电弧复合焊接的技术优势与研究意义，分析激光功率、电弧电流、焊接速度等关键工艺参数对焊缝成形、气孔、裂纹等质量问题的影响机制。通过响应面法、遗传算法等优化方法对工艺参数进行优化，并探究优化参数下焊缝的微观组织、力学性能。研究表明，合理优化工艺参数可显著改善焊缝质量与性能，为激光 - 电弧复合焊接在工业领域的广泛应用提供理论依据与技术支持。

关键词：激光 - 电弧复合焊接；工艺参数优化；焊缝组织；力学性能

一、引言

激光 - 电弧复合焊接技术融合了激光焊接能量密度高、焊缝深宽比大、热影响区小与电弧焊接适应性强、搭桥能力好的优点，在汽车制造、航空航天、船舶制造等领域展现出巨大的应用潜力 。随着工业制造对焊接质量与效率要求的不断提高，如何精准优化激光 - 电弧复合焊接工艺参数，进而提升焊缝组织性能成为研究热点。目前，虽然该技术已取得一定成果，但在工艺参数与焊缝质量、性能之间的量化关系，以及复杂工况下的参数优化策略等方面仍需深入研究。因此，开展激光 - 电弧复合焊接工艺参数优化及焊缝组织性能研究，对推动该技术的广泛应用具有重要的现实意义。

二、激光 - 电弧复合焊接工艺参数对焊缝质量的影响

（一）激光功率的影响

激光功率是激光 - 电弧复合焊接的关键参数之一，对焊缝熔深、熔宽有着直接影响。当激光功率较低时，激光能量不足以充分熔化母材，导致焊缝熔深较浅，易出现未焊透等缺陷；随着激光功率的增加，焊缝熔深显著增大，熔宽也有所增加，但功率过高会造成焊缝烧穿、飞溅加剧等问题 。此外，激光功率还会影响电弧的稳定性，高功率激光会使电弧发生偏移，破坏复合焊接的协同效应，进而影响焊缝成形质量。

（二）电弧电流的影响

电弧电流决定了电弧热输入的大小，对焊缝熔宽和余高影响明显。增大电弧电流，电弧产热增加，焊缝熔宽和余高随之增大，可提高焊接熔敷效率。然而，过大的电弧电流会使焊缝热影响区扩大，导致焊缝金属组织粗大，降低焊缝的力学性能，同时还可能引发咬边、气孔等缺陷 。

（三）焊接速度的影响

焊接速度与焊接热输入成反比，在激光 - 电弧复合焊接中，焊接速度的变化会改变激光与电弧的能量分布和作用时间。提高焊接速度，单位长度焊缝的热输入减少，焊缝熔深和熔宽减小，当速度过快时，易出现焊缝熔合不良、焊缝表面不连续等问题；反之，焊接速度过慢会使热输入过大，导致焊缝变形增加，甚至出现焊穿现象 。

（四）其他参数的影响

除上述主要参数外，激光与电弧的间距、夹角，保护气体成分及流量等参数也会对焊缝质量产生影响。合适的激光与电弧间距和夹角能实现激光与电弧的良好耦合，增强复合焊接的效果；保护气体可有效防止焊缝金属氧化，不同成分和流量的保护气体对焊缝气孔率、表面质量有着不同影响 。

三、激光 - 电弧复合焊接工艺参数优化方法

（一）响应面法

响应面法（Response Surface Methodology，RSM）是一种通过实验设计、构建数学模型来优化工艺参数的方法。该方法基于多元二次回归方程构建响应变量（如焊缝熔深、熔宽、气孔率等）与工艺参数（激光功率、电弧电流、焊接速度等）之间的函数关系，通过分析回归方程的极值点，确定最优工艺参数组合 。近年来，响应面法在激光 - 电弧复合焊接工艺参数优化中得到广泛应用，如 [文献 1] 中研究人员利用响应面法对铝合金激光 - 电弧复合焊接参数进行优化，有效提高了焊缝成形质量。

（二）遗传算法

遗传算法（Genetic Algorithm，GA）是一种模拟自然选择和遗传机制的全局优化算法。它通过对工艺参数进行编码，模拟生物进化过程中的选择、交叉和变异操作，在参数空间中搜索最优解 。遗传算法具有全局搜索能力强、不易陷入局部最优的优点，适用于复杂多参数优化问题。在激光 - 电弧复合焊接中，[文献 2] 运用遗传算法对不锈钢激光 - 电弧复合焊接工艺参数进行优化，成功获得了满足力学性能要求的焊缝。

（三）神经网络优化

人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）具有强大的非线性映射能力，能够学习工艺参数与焊缝质量之间复杂的非线性关系。通过对大量实验数据进行训练，构建神经网络模型，可预测不同工艺参数下的焊缝质量指标，并通过优化算法对参数进行调整 。[文献 3] 采用神经网络与粒子群算法相结合的方法，对激光 - 电弧复合焊接工艺参数进行优化，显著提高了焊缝的抗拉强度和韧性。

四、焊缝组织性能研究

（一）微观组织分析

激光 - 电弧复合焊接焊缝的微观组织主要由焊缝区、热影响区和母材区组成。其中，焊缝区在激光与电弧热源的协同作用下，熔池经历剧烈的能量输入与快速凝固过程，通常形成细小且定向生长的柱状晶组织，在熔池中心区域则会出现等轴晶。这种快速凝固特性使得焊缝区晶粒显著细化，有效提升了焊缝的强度与韧性。热影响区紧邻焊缝区，因不同部位受热峰值温度和高温停留时间的差异，呈现出明显的组织梯度：靠近焊缝的粗晶区由于高温奥氏体晶粒急剧长大，易形成粗大的魏氏组织；细晶区因经历适度的重结晶过程，获得均匀细小的铁素体 - 珠光体组织；不完全重结晶区则保留部分原始组织特征，同时存在新生成的细小晶粒。

（二）力学性能研究

焊缝的力学性能包括强度、塑性、韧性等，直接影响焊接结构的使用性能和安全性。通过优化工艺参数，改善焊缝微观组织，可有效提高焊缝的力学性能。研究表明，细化的晶粒组织可增加晶界数量，阻碍位错运动，从而提高焊缝的强度和塑性 。此外，合理控制热输入，减少焊缝中的气孔、裂纹等缺陷，也有助于提升焊缝的韧性。在拉伸试验中，优化参数后的焊缝抗拉强度可接近甚至超过母材水平 。

五、结论

本论文系统研究了激光 - 电弧复合焊接工艺参数对焊缝质量的影响，探讨了响应面法、遗传算法、神经网络等优化方法在工艺参数优化中的应用，并对优化参数下的焊缝组织性能进行了分析。研究表明，激光功率、电弧电流、焊接速度等工艺参数对焊缝成形、气孔、裂纹等质量问题有着显著影响，通过合理运用优化方法可获得最佳工艺参数组合，有效改善焊缝微观组织，提高焊缝的强度、塑性和韧性。然而，不同材料、不同焊接工况下的工艺参数优化仍需进一步深入研究，未来可结合智能化技术，实现激光 - 电弧复合焊接工艺参数的实时优化与精准控制，推动该技术在更多领域的高质量应用。

参考文献

[1] 林霄，苏棠，江川。响应面法优化铝合金激光 - 电弧复合焊接工艺参数 [J]. 焊接学报，2023， 44 （8）： 112-118.​

[2] 顾珩，陆岩，许琛。基于遗传算法的不锈钢激光 - 电弧复合焊接工艺参数优化 [J]. 中国激光，2022， 49 （15）： 1502008.​

[3] 贺霖，裴越，喻珩。神经网络与粒子群算法在激光 - 电弧复合焊接参数优化中的应用 [J]. 焊接技术，2023， 52 （10）： 34-39.