针对现有窄间隙熔化极气体保护电弧焊方法存在导电嘴磨损大、空间位置焊缝成形难、环境适应性差等问题,本研究以摇动电弧窄间隙焊接方法为研究对象,在研制摇动电弧窄间隙焊炬及控制系统的基础上,研究了摇动电弧电特性、力学特性、热学特性及焊缝成形机制,建立了通过电弧摇动参数选用和焊缝偏差控制的摇动电弧窄间隙GMAW焊缝成形调控途径,为提高厚板窄间隙GMAW接头质量、促进摇动电弧窄间隙GMAW应用奠定了基础。为提高摇动电弧窄间隙焊接方法适应性,设计了双单片机分时控制的摇动电弧窄间隙焊炬系统,提出了一种可伸缩调节的窄间隙焊接喷嘴,提高了焊炬气体保护效果,可靠地实现了对摇动频率、侧壁停留时间及摇动角度的数字化设定与实时显示、电弧摇动轨迹中点的自动定位、电弧摇动频率的实时检测,为后续摇动电弧窄间隙焊接提供可靠的试验平台。建立了摇动电弧弧长的数学模型,研究了摇动频率和停留时间对电弧弧长和焊接电流的影响规律,并通过焊接试验验证了模型的有效性。电弧弧长在I型焊接坡口内呈现中间长两侧短,相应的瞬时电弧电流呈现中间小两侧大的变化规律,增大摇动频率和侧壁停留时间可提高平均电弧电流,有利于促进坡口两侧壁熔合。进行了药芯焊丝摇动电弧窄间隙平焊试验,研究了摇动参数对药芯焊丝窄间隙焊缝成形、脱渣性及电弧稳定性的影响规律。随着摇动频率和侧壁停留时间的增大,药芯焊丝焊接坡口侧壁熔深增大,焊缝脱渣性变差。通过电弧高速摄像及电信号采集系统,对比观测了药芯焊丝与实心焊丝熔滴过渡过程。焊丝药芯滞熔使得熔滴总是沿焊丝轴向过渡,同时较快摇动频率能促进熔滴过渡,提高了药芯焊丝电弧稳定性。此外,提出了摇动电弧窄间隙单面焊双面成形方法,较低的摇动频率配合较长的侧壁停留时间,能形成稳定的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形。经过多层单道焊接,成功获得了50mm厚高强钢摇动电弧窄间隙单面焊双面成形接头。提出了摇动电弧窄间隙立向上自由成形焊接方法,建立了电弧力冲量概念,通过平均电弧力数学模型,研究了导电杆折弯角度和坡口间隙对立向上焊缝成形的影响规律。增大折弯角度和减小坡口间隙,使得向上的平均电弧力分量增大,可抑制熔池下淌,另一方面指向坡口侧壁的平均电弧力分量减小,使得坡口侧壁熔深减小。同时,建立了电弧停留期间与运动期间电弧力冲量比和电弧热输入比的数学模型,揭示了电弧摇动频率和侧壁停留时间对焊缝成形的影响规律。增大电弧摇动频率和侧壁停留时间,一方面平均电弧热输入比增大,使得坡口中部的焊接热输入相对减小,抑制熔池下淌,另一方面电弧力冲量比增大,使得熔池液态金属排向坡口中部,易导致熔池下淌,这两方面因素共同影响了立向上焊缝自由成形。相比实心焊丝,药芯焊丝摇动电弧窄间隙立向上焊接时,低熔点的熔渣可有效抑制熔池下淌,焊缝表面成形下凹。据此,通过折弯导电杆配用合适的摇动参数,实现了摇动电弧窄间隙立向上自由成形焊接。建立了摇动电弧窄间隙焊接热场与熔池流场的三维数值分析模型,分别模拟计算了药芯焊丝和实心焊丝平焊和立向上焊接时的熔池动态行为,揭示了摇动电弧窄间隙焊接熔池流动行为及其对焊缝成形的影响规律。药芯焊丝摇动电弧窄间隙焊接时,产生的熔渣在坡口中间聚集,这种粘度大且熔点低的熔渣抑制了立向上焊接熔池下淌,并促进形成下凹的焊缝金属表面。通过焊接试验,验证了数值计算模拟的合理性。研究了焊缝偏差对窄间隙焊缝成形的影响规律,建立了焊缝偏差的被动视觉传感实时检测方法。当焊缝偏差达到0.5mm以上时,离电弧摇动中心较远的坡口侧壁熔深急剧减小,同时坡口对侧出现明显咬边缺陷,对焊缝横截面成形产生了显著的不利影响。相应地,提出了基于电弧摇动位置和脉冲电弧电流基值期同步触发的焊接区域图像被动视觉传感方法,建立了基于坡口边缘和焊丝位置局部模式识别的焊缝偏差检测算法,阐明了焊接过程干扰对特征提取的影响规律,在焊接飞溅、弧光及烟尘等强干扰条件下焊缝偏差检测精度高于±0.1mm,且单纯检测一次焊缝偏差的时间消耗小于30ms,实现了对焊缝偏差的实时监控,并为今后焊缝跟踪控制奠定了技术基础。