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针对焊接生产中应用广泛的GMAW（Gas Metal Arc Welding）方法,增大焊接电流能够大幅提高其焊接效率,但是不稳定的熔滴旋转射流过渡阻碍了大电流GMAW在工业生产中的应用。为了改善大电流GMAW熔滴过渡行为,采用外加交变轴向磁场的方式引入外加电磁力,使其作用在焊接电弧和液流束上,提高电弧挺度并控制液流束旋转偏角,从而达到控制焊接飞溅和改善焊缝成形的目的。由于适用于GMAW的试验检测手段非常有限,直接测量熔滴和电弧中的电流密度、电磁力等关键参数非常困难,而这些参数对于研究大电流GMAW熔滴旋转射流过渡机理以及电弧-熔滴耦合行为至关重要。本课题将基于磁流体动力学的数值模拟方法与高速摄像试验手段相结合,对复杂的焊接物理过程进行适当简化,求解质量、动量、能量、金属蒸气组分输运方程,获得包括焊丝、熔滴和电弧在内的整个计算域中的温度场、流场、电场、压力场等结果,并在此基础上考虑外加磁场,研究了外加不同频率轴向磁场对大电流GMAW电弧和熔滴过渡行为的影响,为磁控高效GMAW工艺开发与应用提供理论基础。对传统GMAW焊机进行改造,改造后的送丝速度可达50m/min,达到常规送丝速度的2倍以上,最大焊接电流超过600A。设计了结构与装配简便的磁控装置,试验测量并计算了励磁线圈在电弧区域激发磁场的分布与强度特征,还研究了励磁电流大小、频率对磁感应强度的影响。采用带铁芯的励磁线圈能够有效提高电弧区域的外加轴向磁场的磁感应强度。由于存在涡流效应,相同励磁电流下,磁场频率越高,磁感应强度越小。对于本研究中使用的120匝带铁芯的励磁线圈而言,当励磁电流为10A,交变频率为500Hz时,电弧区外加轴向磁场的磁感应强度能够达到0.01T。研究了焊接电流、干伸长、焊接电压和保护气体对GMAW焊丝熔化速率的影响规律,总结得到了大电流GMAW焊丝熔化速率经验公式。借助高速摄像系统研究了焊接电压50V,干伸长30mm,不同焊接电流下大电流MIG（Metal Inert Gas）/MAG（Metal Active Gas）焊熔滴过渡行为,发现纯氩保护气氛下的大电流MIG焊熔滴过渡为单一的旋转射流过渡形式,随着送丝速度的不断增大,液流束旋转偏角逐渐增大到55°左右,旋转频率逐渐从700Hz减小到500Hz。当往保护气中混入20%CO2后,大电流MAG焊接过程中除了旋转射流过渡外还会出现摆动射流过渡,摆动时偏角能够达到90°,随着送丝速度的不断增大,旋转/摆动频率从开始的400Hz逐渐增大,当送丝速度达到40m/min,部分电弧潜入母材,液流束旋转/摆动频率能够达到500Hz。在大电流GMAW熔滴过渡行为研究的基础上,外加不同频率的轴向磁场后发现焊接电弧均有不同程度收缩,液流束的旋转运动方式与外加磁场频率有关:外加直流磁场使液流束旋转偏角增大;外加低频100Hz磁场能够周期性改变液流束的旋转方向,其变换频率与外加磁场频率一致,液流束最大旋转偏角在旋转方向改变时明显减小;提高磁场频率到200Hz,液流束不再改变旋转方向,而是改为一半周期内旋转被抑制,最大旋转偏角减小,另一半周期内旋转被加强,最大旋转偏角增大;外加高频500Hz磁场后,存在电弧收缩现象的同时,液流束旋转方向不再改变,也不存在旋转加强和抑制周期。考虑熔滴/液流束金属中的主要作用力,借助VOF（Volume of Fluid）方法,建立了适用于GMAW熔滴滴状过渡、射流过渡和旋转射流过渡的熔滴过渡数值模型。对比分析了不同焊接电流下液态金属的受力和流动情况,还通过改变电弧区域电导率,近似表征大电流MIG/MAG焊电弧导电行为,研究了MIG焊熔滴旋转射流过渡形成机理,并指出了混合气体保护下MAG焊熔滴摆动射流过渡形成的原因。分析认为,电磁收缩力的不平衡是导致液流束旋转和摆动的主要原因,当非平衡电磁收缩合力较小时液流束旋转,旋转时液流束中呈螺旋结构的电流能够感应产生轴向磁场来维持液流束的旋转运动,当非平衡电磁收缩合力较大时液流束摆动,摆动时具有弯曲结构的电流能够感应产生横向磁场维持液流束的摆动运动。为了研究外加磁场对焊接电弧的影响,单独建立了GTAW（Gas Tungsten Arc Welding）和不考虑熔滴的GMAW电弧数学物理模型,对比分析了外加直流轴向磁场前后的电弧行为、电弧收缩机理和金属蒸气传输行为。外加直流轴向磁场与径向电流相作用产生环向电磁力,焊接电弧在这一附加力的作用下旋转,形成内外压力差导致电弧收缩。对于GMAW而言,无论是外加直流轴向磁场还是金属蒸气辐射行为都会导致电弧中心温度降低。将前面建立的基于VOF方法的GMAW熔滴过渡模型与电弧模型相结合,建立了统一的GMAW电弧-熔滴耦合模型。研究了滴状过渡、射流过渡和旋转射流过渡时的电弧-熔滴耦合行为和金属蒸气行为,以及外加轴向磁场对熔滴过渡行为的影响。结果表明,达到旋转射流过渡临界电流后,液流束开始旋转,尽管焊接电流增大了50A,熔滴最高温度以及电弧最大速度都低于射流过渡时的最大值。不同频率的外加轴向磁场对大电流GMAW熔滴过渡行为影响的数值模拟结果与试验结果吻合良好,其中外加交变轴向磁场作用下的电弧收缩以及液流束周期性旋转被抑制是磁控高效GMAW应用的基础。