焊接目前被认为是永久连接金属材料最重要的方法，工业实践中有多种不同的焊接工艺[1,2]。在各种冶金和机械连接技术中，焊接因其能够产生结构完整性高的接头、与多种材料的兼容性、成本效益以及快速施工等优点而尤为突出[3,4]。这些优势使其在造船和海上油气勘探与生产等关键行业中得到广泛应用[3,4]。
这些行业面临的主要挑战之一是金属部件因腐蚀而退化，这会显著影响其性能和服务寿命[5,6,7,8]。为缓解这一问题，需要开发具有优异机械性能和耐腐蚀性的设备，尤其是在高温环境下[9,10]。然而，用高性能合金制造整个结构可能在经济上不可行。一种更可行的替代方案是使用低成本材料（如碳钢或低合金钢）作为基材，然后通过焊接工艺施加耐腐蚀涂层[11]。
奥氏体不锈钢（如AISI 316L和317L）由于其优异的性能（包括高延展性、出色的耐腐蚀性和良好的可焊性）而被广泛用于制造这些防护涂层[12,13,14]。
除了结构连接外，焊接工艺还广泛应用于表面改性，包括零件修复、切割和功能涂层的施加[4,11,15]。在这种情况下，堆焊技术——即将材料沉积到基材上以创建具有特定性能的表面——已被证明是一种有效的解决方案[16,17]。
气体钨极电弧焊（GTAW），也称为钨惰性气体（TIG）焊接，特别适用于涉及高性能材料（如不锈钢和反应性合金）的堆焊应用，因为它能够更好地控制热输入和电弧稳定性[18,19,20]。然而，传统的GTAW工艺在大规模或自动化环境中可能无法满足生产效率要求[21]。为克服这一限制，可以通过引入自动送丝系统来实现工艺的机械化。这些系统可以采用冷丝技术（在室温下送丝）或热丝技术（通过电流加热预加热丝材[22]）。
最近的研究进一步强调了热输入、工艺动态和统计参数化在基于电弧的堆焊中的关键作用。Bose和Das[23]表明，精确控制热输入和焊缝形态对提高焊接堆焊的功能性能起着决定性作用。同样，Mitelea等人[24]报告称，通过基于TIG的表面改性技术显著提高了高合金铸不锈钢的抗空化腐蚀性能。Aslam等人[25]实现了在低碳钢上无缺陷的多层TIG堆焊，观察到磨损率相对于基材显著降低。他们的研究还发现了与改善摩擦性能相关的碳化物和金属间相的成分证据。采用GTAW焊缝-板材实验和响应面方法（RSM）的补充研究也表明，焊接参数对焊缝几何形状和功能行为有显著影响，从而突显了统计指导的工艺优化的实际意义[26]。这些研究再次强调了控制热输入和统计设计实验在实现可重复的高质量不锈钢堆焊中的关键作用。
尽管在结构钢上应用耐腐蚀堆焊已得到广泛应用，但在堆焊过程中优化工艺参数仍然是一个持续的科学研究课题，特别是在确保表面质量、尺寸一致性和工艺重复性方面，对沉积焊缝的几何控制至关重要。在现有的技术中，冷丝气体钨极电弧焊（CW-GTAW）工艺在精确沉积和热控制方面取得了良好的平衡。与热丝变体不同，CW-GTAW在无需电阻预加热的情况下将填充金属引入电弧中，从而能够更精细地控制熔合过程，减少过度热输入或稀释的可能性[27,28,29,30]。
在CW-GTAW过程中，金属通过机械送丝方式送入由非消耗性钨电极和工件之间形成的熔池中。与消耗性电极工艺不同，不会有熔融液滴穿过电弧；相反，焊丝尖端进入液态熔池，在局部热量作用下瞬间熔化并融入凝固的焊缝中。没有液滴脱落，消除了气体金属电弧焊（GMAW）中的短路和喷射传输模式，从而实现了极其稳定的金属沉积和精确的稀释控制[31,32,33]。从电弧到焊丝的热传递主要通过熔池传导实现，部分也通过焊丝尖端直接暴露于电弧等离子体实现，熔化程度受送丝速度、电弧长度和电流强度的影响[34,35]。这种受控的熔池中介导的熔化机制是CW-GTAW的特点，能够实现具有优异几何一致性的高质量堆焊。
CW-GTAW的机械化实施进一步增强了其在堆焊应用中的吸引力，特别是在自动化、可重复性和几何一致性至关重要的情况下。通过独立调节送丝速度和焊接电流，该工艺能够生成均匀的焊缝，同时保持对基材的低热输入——这是减少变形和保持基材完整性的关键因素。尽管其在工业上的应用广泛，但关于CW-GTAW参数对焊缝形态影响的科学文献仍然零散，对其潜在的工艺-响应关系的系统研究有限[36,37]。
在将奥氏体不锈钢堆焊应用于碳钢基材的具体背景下，主要挑战之一是实现一致且可接受的焊缝几何形状，这些参数通常由焊缝高度、宽度及润湿角定义。这些属性直接关系到涂层的功能性能及其后续多道沉积的适用性。以往关于CW-GTAW的研究主要集中在冶金表征或机械性能上，且往往基于有限的实验条件[38,39]。因此，关键工艺参数（如焊接电流、电弧长度和送丝速度）对焊缝几何形状的综合影响尚未得到充分理解。
本研究通过采用全因子实验设计进行了严格的统计分析，以阐明CW-GTAW参数对焊缝几何形状的主要影响和交互效应。据作者所知，这是首次将这种全面的统计方法应用于通过机械化CW-GTAW在碳钢上沉积的不锈钢涂层的几何表征。本研究的新颖之处在于其方法论，它结合了高精度实验控制和强大的统计建模，直接为工艺优化提供了预测性见解。通过将焊缝形态作为主要输出变量，本研究对工业应用具有实际意义，特别是在尺寸精度、工艺重复性和表面质量至关重要的领域。
本研究旨在评估关键焊接参数——即送丝速度（WFS）、电弧长度（LA）和焊接电流（I）——对使用CW-GTAW工艺在碳钢基材上沉积的不锈钢堆焊焊缝几何形状的影响。通过这种方法，研究旨在建立定量关系，以支持工艺参数的优化，从而提高涂层均匀性、增强沉积控制并提高堆焊操作的重复性。
