穿孔等离子弧焊接过程中,实现稳定穿孔的工艺参数范围较窄。为解决这一问题,研发出受控脉冲穿孔等离子弧焊接工艺,拓宽了其应用范围。为了更好地实施受控脉冲穿孔等离子弧焊接的控制策略,需要同时对熔池和小孔进行视觉检测。但是,原有检测系统只检测小孔,不足以充分描述小孔与熔池动态耦合变化过程的细节。本研究采用视觉传感方法同步获取工件背面的小孔和熔池图像,同时观测不同工艺条件下熔池和小孔的动态变化过程。这对于研发新型的等离子弧焊接控制系统、优化焊接工艺、拓宽等离子弧焊接的工艺参数范围,都具有重要的理论意义和工程实用价值。搭建了双传感器测试系统,使用外触发控制CCD相机和红外热像仪同步拍摄等离子弧焊接背面小孔及其背面温度场。基于图像标定和空间坐标转换,将小孔和温度场图像进行融合,在同一坐标系下获得了带有小孔图像的背面温度图像。开展了基于热电偶测温的背面温度场标定和背面图像灰度分析,建立了灰度值和温度值的关系,并从温度场中提取了含有小孔的熔池形状与尺寸。基于等离子弧光谱分析和CCD相机成像原理,选取用合适的近红外窄带滤光片,只用单一CCD相机同时拍摄出工件背面的熔池和小孔图像。该传感系统可以在不加背光的情况下,对受控脉冲等离子弧焊接一个完整脉冲周期内的工件背面小孔和熔池图像进行采集：在脉冲电流峰值阶段,小孔形成,同时测试工件背面熔池与小孔的尺寸与位置信息；在基值电流阶段,小孔闭合,也可清晰地检测熔池尺寸与位置的动态变化信息。在不同焊接工艺参数下,观察和分析了等离子弧形态及其对焊接过程的影响。根据熔池和小孔形态,等离子弧焊接可以被定义为以下6个阶段：未穿孔阶段、不稳定小孔阶段、小孔长大阶段、熔池长大阶段、准稳态阶段和熄弧后的凝固与冷却阶段。在等离子弧焊接过程中,小孔位于熔池前部,小孔前壁处的液态金属层非常薄,小孔所处的位置决定了熔池的位置。小孔和熔池的热状态在时间上存在差异,小孔状态稳定之后,熔池才进入准稳态。在工件背面,相对于焊枪轴线,存在小孔位置偏移和背面熔池热场偏移。当焊接热输入恒定时,小孔的初始产生位置决定了熔池最宽处的位置。在受控脉冲等离子弧焊接时,使用单一CCD视觉传感系统拍摄一个完整周期内熔池和小孔的图像。通过灰体红外辐射理论分析图像并设计图像处理算法,成功提取出穿孔和盲孔两种情况下的小孔和熔池边界。在一个脉冲周期内,熔池-小孔尺寸和位置是动态变化的,而且相互影响。在每一个脉冲周期内,初始小孔的位置决定了在该脉冲周期内熔池最宽处的位置。小孔初始产生位置与熔池相交或包含于熔池内部时,相邻脉冲的熔池可实现良好搭接。因此,通过检测熔池前沿的位置和初始小孔的位置关系,可以在线判断相邻脉冲内焊接熔池是否良好搭接。以同步检测的背面小孔面积和熔池位置为反馈量、峰值电流和峰值作用时间为控制量,研制了基于模糊控制的受控脉冲穿孔等离子弧焊接系统。设计了平板-小孔控制、平板-小孔熔池控制、变厚度工件-小孔熔池控制、变焊接速度-小孔熔池控制的工艺试验,对焊接控制实际效果进行测试。控制实验表明：当引入熔池位置控制时,可有效改善不锈钢板厚板焊接时背面焊缝的连续性问题；当工件厚度或焊接速度发生改变时,系统可以根据反馈的背面小孔面积和熔池位置及时调整峰值电流大小及其作用时间。控制系统运行稳定,背面熔池有效搭接,熔深熔宽均匀,焊缝成形良好。