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作为自由电弧（GTA或TIG）的进阶技术，等离子弧是一种特殊形式的电弧(PA)，在能量密度和指向性上和自由电弧相比都有明显的改善，和激光、电子束并称三大高能束技术。穿孔等离子弧焊的能量密度处于激光焊和自由电弧焊之间，兼具自由电弧与高能束的优点，以其焊接变形小、焊后无缺陷、单面焊接双面一次成形等优势，成为航空航天领域首选的焊接方式;但等离子弧焊接始终存在过程相对复杂，对操作者要求高，控制精度的需求高，工艺区间较窄、工艺参数分散和对环境变化敏感等问题尚待解决。本研究主要内容包括： ⑴针对等离子弧穿孔熔池的稳定性控制问题，首先从实际焊接工艺试验出发，在总结了传统等离子弧焊接工艺参数研究的基础上，进一步发掘常规研究中忽略的问题，讨论了焊枪姿态对焊缝成形的影响和焊接过程中穿孔熔池的形态特征，依据最高温度点和最大熔宽截面对熔池背面进行分区和定义，提出了温宽偏离度概念以描述穿孔熔池状态及焊缝成形，并结合工程应用中的实际问题提出对熔池及焊缝成形的稳定性造成影响的关键因素。 ⑵获取焊接等离子弧在熔池端的力输出分布是穿孔熔池稳定性和等离子弧-熔池作用机制研究的基础和前提，根据焊接等离子弧力热分析的需求搭建了等离子弧压力分布、电流密度分布和平均能量输出的直接测量系统，以分裂阳极试验平台为硬件平台，采用环形分割算法得出等离子弧压力和电流密度分布，以量热法计算等离子弧的平均能量输出，利用搭建的等离子弧测量系统对等离子弧的力输出分布、电流密度分布和平均能量输出进行了定量测量，并结合测量数据对等离子弧焊接过程中工艺规范窄、稳定性较差等问题进行了分析讨论。 ⑶在测量分析了初始输出参数对等离子弧工件端热力分布的影响后，对等离子射流在运动过程中的物理状态、流动特征以及其运动过程中热物理参数的变化进行判断分析，以确定适用于等离子射流的本构方程和控制方程，采用CFD分析软件建立转移型Ar等离子弧的二维模型，通过已知的电源参数给定模型的入口参数，采用有限体积法对守恒方程进行求解以获得等离子体运动过程中的温度场、速度场、压力场、密度场以及电磁场等特性，以直接测量所得的熔池端数据对计算结果进行验证，进而分析等离子射流在运动过程中的热力传输机制。 ⑷在对焊接等离子弧的初始输出和等离子体射流的运动过程正确认知的基础上，从焊接电弧中电弧等离子体和电子流不同的物理特性和输运特性出发，对焊接电弧内部组分及焊接电弧行为进行更加清晰明确的描述;以焊接电弧内部组分的特性设计试验，发现电弧分离现象并对该现象进行定义，以外加力场和外加磁场干扰试验对分离现象的稳定性进行验证，结合焊接电弧中的最小电压原理和热力学中的最小熵产生原理，分析电弧分离现象的前提条件及实现分离的机制，并判断电弧稳定分离点、整体系统平衡移动过程。 ⑸以电弧分离现象为基础，对以分裂阳极试验平台为基础的电弧试验测量系统加以改进，从而实现对电弧组分力分布和能量分配的测量;设计试验方案研究等离子弧组分间的能量分配规律，并将自由电弧和等离子弧的能量分配进行对比，得出压缩作用对电弧组分能量输出的影响;通过测量不同工艺参数下等离子弧组分间的力分布状态，以及对工艺参数与各组分热力输出的关系进行具体分析，从而对等离子弧参数与传输特性之间的联系有了进一步的了解;并通过外置偏移阳极建立分体等离子弧，通过对等离子弧内电弧等离子体和电子流的分别调控，从而实现其对熔池热力输出在一定程度上的解耦，达到改进穿孔等离子弧焊接过程中的电弧和熔池的稳定性并扩大其工艺区间的目的。