由于对低压和真空环境良好的适应性,空心阴极电弧（Hollow Cathode Arc,简称HCA）焊接具备在宇宙空间中作业的能力,于上世纪70年代起受到了广泛研究。作为非熔化极气体保护焊的一种,HCA焊接具有TIG焊接的操作简易、适用范围广和装配精度要求低的优点,却又能获得更大的焊接熔深。与同样能进行空间作业的电子束焊接与激光焊接相比,HCA焊接具有更低的设备造价与更少的焊前准备工作,这些特点使其在宇宙探索中具有广阔的应用前景。本课题对低真空条件下HCA进行了研究。首先通过COMSOL软件对HCA进行数值模拟,得到了它的等离子体性质、传热性质和流动性质。进一步,在此模型基础上,探究了HCA的电弧行为随焊接工艺参数变化的规律及原因。最后通过试验探究了电弧形态和焊缝形貌随工艺参数的变化,验证了数值模拟结果的可靠性。首先,本文使用COMSOL软件建立了二位轴对称的HCA模型,对电弧等离子体的求解采用漂移扩散近似的方法,同时在模型中耦合气体传热、固体传热和气体流动方程。模拟结果表明,空心阴极内外皆存在电弧等离子体,阴极内壁发射的热电子与氩气碰撞产生电离是HCA实现自持放电的原因。空心阴极内部的等离子体具有更高的电离度、电子密度与电子温度,带电粒子与气体原子的碰撞加热了中性气体,气体温度的升高使空心阴极内部具有远高于外部的气压,阴极内外气压差的增大导致气体流速的增大。空心阴极电弧的各物理量高度耦合。在上述模型基础上,探究了焊接工艺参数对电弧行为的影响。焊接电流的增大提高了带电粒子的数量与能量,进一步提高了气体温度与压力;弧长仅对外部电弧产生影响,弧长在20 mm内变化时,电弧物理性质改变较大,弧长在20 mm以上变化时,物理性质改变不明显;气压的升高使电子温度减低,这是电弧热输入降低的主要原因;大的气体流量提高了带电粒子的数量,但也降低了其能量,小的气体流量能够带来更高的焊接热输入,但过小的气体流量反而起到相反效果;阴极内径的增大能带来更高的阳极热输入,但这削弱了空心阴极效应,电弧电压因此提高,阴极功耗提升,阴极寿命降低。最后通过试验探究了焊接参数对电弧形态及焊缝形貌的影响。对电弧拍摄的结果表明,低真空下的HCA呈现以阴极尖端为中心的球形,电弧边界不清晰,亮度较低,但稳定性较强。电流的增大提高了电弧的亮度与范围;弧长的升高不影响电弧的稳定性,但降低了阳极热输入;较大的气体流量使HCA不具备焊接能力,且削弱了HCA的稳定性;气压影响着HCA的形态,1×10~5 Pa时HCA形态类似TIG电弧形态。平板堆焊的焊缝形貌表明,大电流、小气流、低气压和小弧长的焊接条件下,焊接热输入提升,阳极熔化量增大。熔丝堆焊的结果表明,大电流、高焊速和低送丝速度有助于熔化金属在母材上的铺展。