穿孔等离子弧焊接(PAW)可以在熔池中形成穿透工件的小孔,实现单面焊双面成型,是中厚板制造中的一项重要连接技术。但是,PAW存在工艺窗口窄、小孔稳定性差、适应性不高等问题。等离子弧的热-力特性是PAW形成穿透小孔的重要原因,等离子弧、熔池和小孔三者之间相互作用,相互影响,其物理机制耦合在一起。因此,深入了解PAW工艺机理,需要分析PAW过程中,等离子弧、小孔与熔池间的热-力传递机制。这对于优化PAW焊接工艺和拓展其工艺应用范围有重要意义。建立了轴对称等离子弧的数值模型,计算区域包括钨极、喷嘴及弧柱区。利用Fluent 6.3及其二次开发功能,耦合求解电磁场和流体力学守恒方程,分析了等离子弧的热-力特性。考察了离子气流量和喷嘴直径对等离子弧温度、速度及电流密度等热-力特性的影响规律。针对定点PAW,建立了轴对称等离子弧-熔池-小孔的一体化模型。将“局部热平衡-扩散近似法(LTE-diffusion approximation)"用于一体化模型中,处理等离子弧-熔池之间的非局部热平衡区域—鞘层；通过在阳极表面使用合适的网格尺寸,避开对鞘层内复杂物理现象的求解,解决等离子弧-熔池间电场连续性问题；在界面层网格的能量控制方程中添加鞘层区域发生的热通量源项。模拟了工件穿孔的过程中,熔池表面下凹变形、盲孔扩大、等离子弧-小孔壁面间的热-力耦合作用以及熔池与弧柱区电磁场、温度场和流场的瞬态演变行为。着重考察和分析了焊接穿孔过程中随等离子弧与熔池界面的不断变化,熔池表面上电流密度、等离子弧压力、热流密度的变化规律。在轴对称一体化模型中,考虑了金属蒸气的影响。采用粘度近似法处理金属蒸气质量分数方程中扩散项系数。计算定点PAW焊接过程中金属蒸气的产生与扩散。分析金属蒸气扩散至等离子弧中后,等离子弧的温度场,流场和电场的变化规律。等离子弧热-力性质的改变引起了等离子弧-熔池界面上的热流密度分布的变化。在模型中考虑金属蒸气时,预测的熔池温度场减小,熔池尺寸更接近实验数据。针对连续PAW,使用滑移网格技术处理工件与等离子弧之间的相对移动,建立了运动的热源-力源作用下等离子弧-熔池-小孔的三维一体化模型。数值分析结果表明,随着等离子弧沿焊接方向移动,不断熔化的液态金属环绕小孔壁面快速流向熔池尾部；小孔前壁与熔池前部固液界面几乎重合,此处液态金属层较薄；液态金属主要集中于等离子弧后部的熔池区域；穿透小孔的轴线向后偏离焊枪轴线,小孔的形状相对于焊枪轴线不再对称；等离子弧施加于小孔前后部壁面上的热-力作用也不再对称。采用水平阳极表面上的等离子弧压力、电流密度、焊缝横断面和穿透小孔背面尺寸等实验数据,对所建立的模型进行了实验验证。实验与计算结果基本吻合。