耗散结构理论何以重塑非标焊接工艺优化范式：面向熔池非平衡热力学的熵产最小化策略与实验验证

2026/08/06企业新闻新闻中心行业新闻 80

非标焊接工艺优化长期依赖经验试错与热力学平衡假设，然而焊接熔池本质上是一个开放且远离平衡态的耗散系统，传统平衡热力学框架难以准确描述其动力学行为。本文以“耗散结构理论何以重塑非标焊接工艺优化范式”为设问，系统阐述将熔池视为耗散系统的理论基础，建立非平衡热力学框架下的熵平衡方程，提出熔滴过渡模式与焊缝成形的熵产判据，并论证以熵产最小化为目标的工艺优化策略。研究表明，耗散结构理论为非标焊接从“经验试错”走向“理论驱动”的工艺优化提供了统一的热力学标尺。

一、引言：焊接工艺优化的理论困境

非标焊接——面向异种材料、非标厚度、复杂空间位姿的焊接作业——面临的工艺优化挑战远超标准化焊接。标准焊接工艺参数表在非标场景中往往失效，工艺人员不得不依赖大量试焊实验来摸索可行参数窗口。这种“试错式”优化不仅耗时耗材，更缺乏理论指导——面对一个新的非标焊接任务，该从哪里开始试？往哪个方向调整？这些问题至今缺乏系统的理论答案。

传统焊接工艺研究将熔池视为热传导的载体，关注温度场分布与熔池几何尺寸。其理论工具主要是平衡热力学与传热学——假设焊接过程在局部处于热力学平衡状态。然而，大量实验证据表明这一假设与实际情况严重不符。焊接熔池是一个持续接受电弧能量输入、不断接收填充金属、同时向母材和环境散热的开放系统；其内部温度梯度可达数千度每毫米，浓度梯度与速度梯度同样巨大——这是一个典型的远离平衡态的系统-。

平衡热力学的失效呼唤新的理论框架。耗散结构理论——由普利高津建立的非平衡热力学理论——正是为描述远离平衡开放系统的自组织行为而生的-。将该理论引入焊接研究，或许能为非标焊接工艺优化提供期待已久的理论指南。

二、耗散结构理论的基本原理与焊接熔池的适用性

耗散结构理论的核心洞见在于：一个远离平衡态的开放系统，通过与外界交换物质和能量，可能从混沌无序的状态自发演化为在时间、空间或功能上有序的结构——这种结构被称为“耗散结构”-。耗散结构的形成需要满足四个条件：系统开放、远离平衡、内部存在非线性动力学、外部参数达到某个临界阈值（分岔点）。

焊接熔池满足上述全部条件。它是开放的——电弧持续输入能量（热流与电流），焊丝/焊剂持续输入物质，保护气体持续冲刷，热量持续向母材散失。它是远离平衡的——熔池中心温度可达2000°C以上而边缘接近熔点，温度梯度极大；熔池内成分因填充金属与母材混合而高度不均匀。其内部存在强非线性动力学——Marangoni对流（表面张力梯度驱动）、浮力对流、电磁搅拌等均为非线性过程-。当焊接参数（电流、电压、速度）跨越特定临界值时，熔滴过渡模式会发生突变——这正是耗散结构理论描述的分岔现象-。

将焊接熔池视为耗散系统，意味着从根本上转变认知框架：熔池不是被动响应热输入的“热对象”，而是一个具有自组织能力的主动系统——在给定的外部条件下，它会自发地选择某种稳定的熔滴过渡模式和熔池流动形态。这一认知转变的工程意义在于：工艺优化的目标不是“找到一个能焊好的参数”，而是“理解系统自组织的规律，引导其走向最优的耗散结构”。

三、熵平衡与熵产判据：非标焊接工艺优化的热力学标尺

在耗散结构理论中，熵是描述系统有序程度的定量指标。对于开放系统，熵的变化由两部分组成：熵流（系统与外界交换物质和能量引起的熵变化，可正可负）与熵产生（系统内部不可逆过程产生的熵，恒为正）-。耗散结构得以维持的关键条件是：负熵流的绝对值足够大，以抵消内部熵产生，使系统保持低熵的有序状态-。

将这一框架应用于焊接熔池，可以建立熔池系统的熵平衡方程。不同的熔滴过渡模式对应着不同的熵产率特征-。短路过渡中，熔滴与熔池频繁短路，每次短路都伴随剧烈的能量释放和物质混合，熵产率较高。射流过渡中，熔滴呈细小的射流连续过渡，过程平稳，熵产率较低。研究表明，焊接过程越稳定，其电信号的近似熵值越小；过程越不稳定，近似熵值越大-。

基于此，本文提出熔滴过渡模式的熵产判据：在给定的焊接系统（材料、保护气体、焊丝规格）中，不同的熔滴过渡模式对应不同的熵产率；稳定的过渡模式是系统在给定外部条件下使熵产率局部最小化的自组织选择。具体而言：热输入较低时，系统熵产率高，只能维持高耗散的短路过渡；热输入达到第一个临界值时，系统可转变为熵产率较低的滴状过渡；热输入跨越第二个临界值时，系统进入熵产率最低的射流过渡模式。

这一判据的工程价值在于：熵产率可作为工艺参数优化和工艺窗口界定的热力学目标函数。最优工艺窗口对应于熵产率较低且稳定的过渡模式区间。对于非标焊接而言，无论焊接何种材料、何种厚度，都可以通过熵产率的计算来评估工艺参数的合理性——这提供了一个不依赖于具体材料经验的热力学标尺。

四、实验验证与非标焊接工艺优化的实践路径

耗散结构理论在焊接研究中的应用已有初步探索。李晓泉等学者首次将非平衡耗散结构理论引入焊接化学冶金研究，以埋弧焊接方法为对象，用非平衡热力学方法对钢-渣界面化学冶金行为进行了定量化研究。研究表明，焊接钢-渣界面反应体系具有开放且远离化学平衡的特性，用传统平衡热力学方法研究焊接冶金反应存在与实际情况严重不吻合的缺陷。该研究进一步用李雅普诺夫稳定性理论证明了这种非平衡定态在特定焊接工艺条件下对边界条件扰动具有稳定性。

在工艺优化的实践层面，熵产最小化策略的实施路径包括三个步骤。第一步，建立熔池系统的熵平衡模型——将热输入、物质添加、散热等过程量化为熵流和熵产的数学表达。第二步，计算不同参数组合下的熵产率——通过焊接电信号的时间序列分析提取近似熵等特征量，建立熵产率与工艺参数的映射关系-。第三步，以熵产率最小化为目标进行工艺参数寻优——在满足熔深、熔宽等几何约束的前提下，选择熵产率最低的参数组合作为最优工艺窗口。

对于非标焊接而言，这一路径的价值尤为突出：它使工艺优化从“试焊-观察-调整”的经验循环，转变为“建模-计算-寻优”的理论驱动过程。