微束等离子弧焊电弧是一种非转移型弧(维弧)与转移型弧(主弧)同时存在的混合型等离子弧,所以在实际焊接过程中通常需要有两个独立电源供电来分别产生这两个电弧。微束等离子弧焊电弧呈细小的针状,电弧能量集中,挺直度高,热输入小。由于喷嘴的拘束作用以及维弧的存在,使得电流在小至0.1A时,微束等离子弧焊电弧仍能稳定燃烧,适用于焊接超薄的焊件。已有学者对微束等离子弧焊电弧的物理场进行了数值模拟的研究,但未考虑到维弧的作用,而在实际焊接过程中是有维弧的存在的。因此,对微束等离子弧焊电弧的维-主弧耦合的研究,更符合实际的焊接过程,有必要对这种混合型电弧的物理过程作进一步地研究,以便揭示维-主弧耦合的电弧的物理本质,为实际焊接生产过程中的控制和应用提供理论依据。本研究首先建立了微束等离子弧焊电弧维弧的三维数值分析模型,对直流作用下的微束等离子弧焊电弧维弧的物理量进行计算,并在对模型中所存在的问题进行分析和解决后,对维弧模型进行了改进,使计算结果更加准确。基于改进后的维弧模型,重新计算得到微束等离子弧焊电弧维弧的温度场、流场、电流密度、电磁力以及电弧压力的分布。研究结果表明:距钨棒端面0.25 mm处维弧温度最高,维弧电流密度和电磁力也均在此处达到最大,维弧流场的流速在0.6 s后达到稳定,电弧中心处的电弧压力最大,最大电弧压力为29 Pa。其次,在对维弧的物理过程进行计算的基础上,采用物理环境耦合法,将维弧的各物理场的计算结果作为环境载荷传递到主弧的环境中进行求解,对微束等离子弧焊电弧的维弧与主弧进行耦合,研究维-主弧耦合的温度场、流场、电场强度、磁感应强度、电磁力以及电弧压力的分布,并研究了维弧对电弧的温度场、流场、电磁力以及电弧压力的影响。研究结果表明:维-主弧耦合的最高温度在距钨棒端面0.25 mm处,电流密度、磁感应强度以及电磁力也仍均在此处达到最大,维-主弧耦合的流场在0.8 s左右达到稳定。由于维弧的存在,喷嘴出口处的维-主弧耦合的温度高于主弧在此处的温度,维-主弧耦合的温度在钨棒与喷嘴之间也有温度的分布而主弧的温度分布主要集中在钨棒与工件之间的区域;喷嘴内维-主弧耦合的轴向流速较主弧的轴向流速大,在喷嘴外靠近喷嘴出口处的维-主弧耦合的轴向流速较主弧轴向流速小,喷嘴外轴向流速基本一致;喷嘴内维-主弧耦合的电磁力更集中地分布在电弧轴中心线上且较主弧的电磁力大;维-主弧耦合的阳极电弧压力较主弧的阳极电弧压力大。进一步地,在对直流微束等离子弧焊电弧的维-主弧耦合物理过程分析的基础上,研究了脉冲电流作用下的微束等离子弧焊电弧维-主弧耦合的温度场、流场、电磁力以及电弧压力的动态分布,并与脉冲电流作用下主弧温度场、流场、电磁力以及电弧压力的动态变化过程进行了对比。研究结果表明:随着焊接电流在基值电流和峰值电流间周期性地交替变化,微束等离子弧焊电弧维-主弧耦合的各物理过程呈动态变化,存在着非同步性和惯性,且与主弧各物理量随脉冲电流的动态变化过程相比具有差异性。最后,基于高速摄影图像信息处理的轴向光辐射强度信息采集和处理以及基于电弧光谱采集的温度场计算,对直流和脉冲作用下的微束等离子弧焊电弧维-主弧耦合的轴向和径向温度分布的数值模拟进行了检测试验验证。结果表明:直流和脉冲作用下微束等离子弧焊电弧的维-主弧耦合数值模拟计算所得的温度场分布与基于高速摄影电弧图像信息处理的电弧光辐射强度分布均具有一致性,在喷嘴外靠近喷嘴出口处出现“峰”;维-主弧耦合的数值模拟所得的径向温度分布与电弧光谱检测所得到的径向端面电弧温度分布也均具有一致性。