以高强铝合金为代表的轻质金属构件己在航空航天、轨道交通、舰船等领域广泛应用。铝合金具有热导率大、线膨胀系数大、易氧化、固液相氢溶解度差别大等特点,在焊接时极易出现变形、气孔、裂纹等缺陷,迫切需要先进的自动化焊接工艺及设备的支撑。变极性等离子弧(VPPA)焊接技术具有焊接缺陷少、可焊厚度大、工件变形小等优点,被称为铝合金“零缺陷”焊接方法。目前,国内的机器人VPPA焊接电源普遍依赖进口,不仅价格昂贵,而且还面临核心技术输入受限等问题;而国产化的VPPA焊接电源在功率级别、调控性能、可靠性以及工艺窗口范围等方面与国外先进水平还存在较大差距,严重限制了这一先进技术在我国铝合金焊接中的推广应用。本文从提高VPPA焊接工艺稳定性的角度出发,将大功率高频逆变技术和数字化控制技术相结合,研制了一款全数字化的600A级大功率机器人VPPA焊接电源,并对铝合金脉冲穿孔焊接工艺进行了研究。论文首先分析了 VPPA焊接工艺及焊接电源的研究进展,阐述了VPPA焊接电源的发展趋势。然后,对等离子弧特性进行了数值模拟,探索了关键工艺参数对其温度场和压力场分布的影响;在此基础上,提出了改善等离子弧工艺稳定性的控制方法;针对穿孔VPPA焊接成形稳定差问题,研究了穿孔熔池受力状态并给出了保持熔池稳定的必要条件,提出了变极性脉冲等离子弧(P-VPPA)穿孔焊接波形控制新方法。针对铝合金穿孔焊接工艺对焊接电源的性能要求,提出了机器人P-VPPA焊接电源的总体设计方案;探讨了主电路拓扑结构的换流机理,计算了主电路的关键参数并对关键器件进行了选型;构建了以DSC级ARM微处理器STM32F405RGT6为核心的焊接电源全数字化控制系统;开发了基于FreeRTOS内核环境的焊接电源数字化控制软件。最后,将研制的P-VPPA焊接电源与焊接机器人、高速摄影系统、数字送丝机、等离子焊枪等有机集成,构建了机器人P-VPPA穿孔焊接实验平台;测试了焊接电源的性能;探索了关键工艺参数对等离子弧特性以及铝合金穿孔焊接成形的影响。结果表明,所研制的机器人P-VPPA穿孔焊接电源性能稳定可靠,可实现所需焊接波形的精确调控;焊接电流、离子气流量、变极性频率、钨极内缩量等关键工艺参数对等离子弧特性的影响规律与数值模拟结果基本吻合;通过对焊接电流、离子气流量、焊接速度和送丝速度等铝合金脉冲穿孔焊接关键工艺参数的优化匹配,可在较宽的工艺窗口范围内获得较好的焊缝成形,焊接接头性能要比常规VPPA穿孔焊接的更好。