针对石油、化工、电力、核工业等行业中采用中厚板制造的特殊容器及管道,焊接制造时涉及封装焊缝的打底焊问题,因结构特殊、焊接位置受限等因素无法对其背部进行施焊。而传统加衬板打底焊工艺会给焊缝带来应力集中和腐蚀的隐患,导致焊缝性能下降。高质量的打底焊要求焊缝必须在自由状态下单面焊双面成形,技术难度很大。常用的手工TIG和焊条电弧打底焊对焊工技能要求很高,且劳动强度大,自动化打底焊的实现尽管能提升焊接效率,但焊接中厚板时均存在电弧能量密度有限,熔透能力低下的缺点,效率仍然不高。等离子焊可在不开坡口的情况下实现对3~6mm厚钢板高效稳定的单面焊双面成形,若对20mm左右的中厚板打底焊时则需开坡口,相比较普通TIG焊枪,等离子焊枪尺寸较大,且可达性差,开坡口去除的金属量很大,会对填充盖面焊造成很大的负担。在此背景下,本文重点从提升传统TIG电弧的能量密度、优化TIG打底焊工艺方面进行研究,提出“恒流-高频脉冲”叠加型打底焊工艺方法,该方法熔透能力强,可达性好,过程稳定,将显著提高中厚板结构件打底焊的质量及效率,从而为高效自动化打底焊接技术的实现提供参考依据。为探究打底焊接过程中TIG电弧动态变化对打底焊缝成形及稳定性的影响规律,在现有脉冲TIG焊接方法研究的基础上,在平板上进行了焊接工艺实验,对不同频率下的脉冲电弧特性进行了分析和论证。通过高速摄像采集的电弧形貌特征和电型号采集系统得到的电流电压波形,分析了脉冲TIG电弧动态变化时的热、力、电磁学特性,并验证了脉冲电弧的“高频收缩效应”,找到了使电弧收缩最显著的焊接参数。将恒流电源和高频脉冲电源叠加进行焊接,发现在有效电流相同时,叠加型焊接电弧收缩效果比单个高频脉冲电弧焊接时更好,熔透能力更强。将该叠加型TIG方法应用到16MnR中厚钢板的对接打底焊过程中,得到了高效、稳定的单面焊双面成形效果。借助高速摄像系统对打底焊接过程中的电弧形貌变化进行了记录分析,并提出了通过观测电弧特征变化来预判焊缝成形的构想,同时观察了打底焊接时电弧穿过焊缝的形貌、熔池中液态金属的流动方向。通过对熔池受力状态的分析以及对熔池凝固时形貌的观察,构建了打底焊过程中孔状熔池的形貌,为研究打底焊时单面焊双面成形过程控制提供了参考依据。通过大量工艺实验,分别得到了低频脉冲TIG、高频脉冲TIG、恒流-高频脉冲叠加型TIG以及等离子焊在填丝和不填丝状态下能稳定成形的打底焊接参数,对比了各打底焊方法的优缺点,并对各工艺参数下焊缝的低温冲击性能、微观组织、Mn元素含量进行了比较,分析了影响焊缝低温韧性的原因,并提出了切实可行的优化恒流-高频叠加型打底接工艺的方案。