焊接工艺参数对焊缝质量的影响研究

一、引言

传统焊接工艺参数选择依赖经验（误差超 15% ），存在参数匹配失衡（如电流与电压不匹配）、未结合母材特性（如高强钢用普通参数）等问题，导致焊缝质量波动大（不合格率 ≥8% ）：一是力学性能不足（抗拉强度低于母材 80% 、冲击韧性≤27J），易引发焊接结构断裂；二是成形缺陷多（余高超标、未焊透、气孔率超 5% ），降低焊缝密封性与耐久性；三是稳定性差（同批次焊缝质量偏差超 10% ），难以适配高端装备（如压力容器、工程机械）对焊缝质量的严苛要求（合格率 299.5% ）。

二、焊接工艺参数与焊缝质量的关联现状及研究目标

2.1 现存核心问题

参数调控面临三方面瓶颈：一是参数匹配粗放，未建立 “电流 - 电压 - 速度” 协同关系（如电流过高而电压不足，导致飞溅量大），焊缝成形合格率 <90% ；二是影响机制不清，对多参数交互作用（如保护气体与电流共同影响气孔）研究不足，单一参数优化难以兼顾多质量指标（如提升熔深同时导致余高超标）；三是适配性弱，同一套参数用于不同厚度母材（如 6mm 与 12mm 钢板），焊缝质量偏差超 15% ，未实现 “母材 - 参数” 精准匹配。

2.2 核心研究目标

研究需围绕三方面目标：一是明确影响规律，建立关键参数与焊缝质量（熔深、抗拉强度、气孔率）的定量关系，参数调整对质量指标的影响量化误差 ≤5% ；二是优化参数区间，确定不同母材（低碳钢、高强钢、铝合金）的最优参数组合，焊缝力学性能达标率 ≥98% 、成形缺陷率 leq2% ；三是提升稳定性，同批次焊缝质量偏差 leq5% ，不同操作人员调控一致性 295% 。

三、关键焊接工艺参数对焊缝质量的影响机制

3.1 焊接电流的影响

决定熔合与力学性能：一是对熔深与熔宽的影响，电流增大（如从 180A 增至220A），电弧热输入增加，熔深加深（增幅 15%-20% ）、熔宽扩大（增幅 10%-15% ）；但电流过高（超母材适配阈值，如低碳钢 >250A ），易导致烧穿（薄板）或晶粒粗大（厚板），抗拉强度下降 10%-15% ；二是对缺陷的影响，电流过低（如低碳钢 <160A) ），热输入不足，易出现未焊透（缺陷率超 15% ）、夹渣（率超 8% ）；电流波动（ Γ(±10A) 会导致熔深不均（偏差超 20% ），影响焊缝一致性；三是适配原则，根据母材厚度确定基准电流（如 6mm 低碳钢 180-200A、 12mm 低碳钢 220-240A），结合焊接位置（平焊取上限、立焊取下限）微调。

3.2 焊接电压的影响

调控电弧形态与成形质量：一是对电弧与成形的影响，电压增大（如从 22V 增至26V），电弧变长，熔宽扩大（增幅 20%-25% ）、余高降低（降幅 15%-20% ）；电压过低（如 <20V ），电弧集中，熔宽窄、余高过高（超 3mm ），易产生应力集中；二是对飞溅与气孔的影响，电压与电流不匹配（如电流 200A 时电压 <21v 或 >27V; ），飞溅量增加 30%40% ；电压过高（超 28V），电弧不稳定，空气易侵入熔池，气孔率超 8% ；三是匹配规律，电压与电流呈线性关联（如低碳钢 MAG 焊，电流每增 10A，电压增 0.5-1V），确保电弧稳定（飞溅率 ≤5% ）。

3.3 焊接速度的影响

平衡效率与质量：一是对热输入与成形的影响，速度加快（如从 20cm/min 增至30cm/min ），单位长度热输入减少，熔深减浅（降幅 15%-20% ）、熔宽变窄（降幅10%-15% ）；速度过快（超 35cm/min ），熔池冷却过快，易出现未熔合（缺陷率超 12% ）、裂纹（尤其高强钢）；二是对力学性能的影响，速度过慢（ <15cm/min) ），热输入过大，焊缝晶粒粗大，冲击韧性下降 20%-30% （如低碳钢冲击韧性从 40J 降至 30J 以下）；三是优化区间，根据母材厚度与接头形式确定速度（如 6mm 低碳钢对接焊20-25cm/min，角接焊 25-30cm/min) ），确保熔合良好且力学性能达标。

四、焊接工艺参数优化与质量控制方法

4.1 参数优化方法

实现精准调控：一是单因素优化法，固定其他参数（如电压、速度），调整目标参数（如电流），测试焊缝质量（熔深、强度），确定单参数最优区间（误差 leq5% ）；二是多因素正交试验，采用正交表（如 L9 (3⁴ )）设计试验方案，分析电流、电压、速度、气体的交互作用，通过极差 / 方差分析确定最优组合（如低碳钢 MAG 焊最优参数：电流 200A、电压 24V、速度 22cm/min 、气体 18L/min) ，焊缝合格率提升至 98% 以上；三是智能优化算法，基于机器学习（如 BP 神经网络）建立参数 - 质量预测模型（预测误差 ≤3% ），结合遗传算法寻优，兼顾多目标（如 “高强度 - 低缺陷 - 高效率”），优化效率比正交试验提升 40%-50% 。

4.2 质量检测与反馈控制

保障参数落地：一是实时监测，采用焊接过程监测系统（如电弧电压 / 电流传感器、高速摄像），实时采集参数数据（采样频率≥1kHz），超限时预警（响应时间≤1s）；二是质量检测，焊后开展外观检测（余高 _0-3mm 、咬边深度 ≤0.5mm ）、无损检测（UT/RT检测内部缺陷，合格率 298% ）、力学性能试验（抗拉强度≥母材 90% 、冲击韧性≥27J）；三是闭环调整，根据检测结果反向修正参数（如发现未焊透，适当增大电流或降低速度），形成 “参数 - 质量” 反馈闭环，同批次质量偏差控制在 5% 以内。

五、结论

焊接工艺参数通过热输入、电弧形态、熔池行为影响焊缝质量，核心在于 “电流 -电压 - 速度 - 气体” 协同匹配，单一参数优化无法兼顾多质量指标。当前需进一步突破多材料（如异种钢）参数适配、极端工况（高温 / 低温）参数调控等技术瓶颈。

未来，需推动参数优化与数字孪生（构建焊接过程虚拟模型）、AI（实时参数自调整）深度融合，开发智能焊接系统（参数调整响应时间 ≤0.5s) ，完善焊缝质量在线监测标准，为高端装备焊接结构安全可靠提供支撑，助力制造业高质量发展。

参考文献

[1] 刘 庆 志 . 焊 接 工 艺 参 数 优 化 对 焊 缝 质 量 的 影 响 研 究 [J]. 模 具 制造,2025,25(6):168-170. DOI:10.13596/j.cnki.44-1542/th.2025.06.055.

[2] 王德军. 焊接工艺参数对焊接质量的影响研究[J]. 时代汽车,2025(2):154-156. DOI:10.3969/j.issn.1672-9668.2025.02.051.

[3] 阚野,董可意. 电气焊接技术参数对焊缝质量与强度的影响研究[C]//建筑科技发展论坛论文集. 2024:1-5.