因其独特的电弧特性和小孔效应,穿孔等离子弧焊能够在不开坡口,填丝或者不填丝的条件下单次焊透较大厚度的工件,实现单面焊双面成形焊接工艺,所得焊缝深宽比较大,热影响区窄,力学性能优良。此外,作为三种高能束焊接方法之一,相比较于电子束焊和激光焊,穿孔等离子弧焊接设备成本较低,且焊前准备工作少,焊接生产效率高。因而穿孔等离子弧焊接技术在航空航天等诸多工业领域都有着广泛的应用前景。但是随着待焊工件厚度增加,熔池下塌倾向增大,焊接工艺区间变窄,极大地限制了等离子弧焊接的应用范围。利用对焊接过程中熔池的受力分析,通过调整焊枪的空间姿态改变熔池所受等离子弧压力的作用方向,减少焊接飞溅以及减小焊接过程中熔池的下塌倾向,经大量实验对比,焊枪的最佳倾角为2.75度。通过对比不同脉冲波形对焊缝成形的影响,归纳总结大熔深穿孔等离子弧焊所用波形需具备调整速度快、连续变化以及变化幅度小三个特征。通过对比不同控制策略尤其是控制量与被控制量的选择对焊缝成形的影响,归纳总结控制策略需满足被控制量能准确及时反映小孔状态、控制量能够及时调整焊接热输入两个要求。基于以上分析,提出14 mm不锈钢穿孔等离子弧焊的恒定背面穿孔受控脉冲工艺,即初次穿孔后小孔一直处于开启状态。通过自适应尾焰电压阈值判断尾焰大小,使用变频脉冲及时调整热输入以达到维持小孔稳定的目的。通过开展14 mm厚不锈钢板的穿孔等离子弧堆焊实验,最终得到成形美观、性能优良的焊缝。围绕增强焊接过程稳定性与提高电弧穿透力两个方面,从设备改良的角度研究钨极端部形状、瓷套表面导流槽走向以及喷嘴内腔体末端结构对电弧形态以及焊缝成形的影响。结果表明钨极末端圆台使电弧略微发散,螺旋形导流槽能显著增加电弧穿透力,改进结构的喷嘴能进一步拘束电弧。其中,使用改进喷嘴后,电弧直径最大同比收缩30.23%,电弧扩散角最大同比减小45.89%,所得焊缝熔深最大同比增加30.43%。使用改进喷嘴和带平台的钨极进行焊接实验,最终在平均焊接电流减小14.6%的情况下,以更小的焊接热输入完成14 mm厚不锈钢的穿孔等离子弧焊,所得焊缝正背面成形良好,为更大厚度的大熔深穿孔等离子弧焊的实现打下基础。