中厚管道纵缝的打底焊接主要依靠传统的TIG焊接或等离子弧焊方法来实现,但传统的TIG焊接方法熔深小且焊接速度低,等离子弧焊具有深熔的能力,但焊枪结构限制了其应用。打底焊接时,为了使焊枪伸进焊接位置,母材往往需要开较大的V形坡口。K-TIG焊相较传统TIG焊其具有深熔的优势,相较等离子焊接其焊枪结构与电源系统更为简单。为此,减小坡口使用K-TIG焊接进行打底的方式相应提出,然而其目前的焊炬结构均为回转式的水冷结构,这就造成焊枪的尺寸较大,为实现较小坡口的打底焊接,为厚板焊接提供了坡口优化的高效深熔打底焊接方法。本课题对K-TIG焊枪结构进行改进,进行了非平衡水冷式K-TIG焊接工艺及电弧熔池行为的研究。首先,在传统的回转式水冷焊枪上进行结构改进,将焊枪改造成只在沿焊接方向两侧对钨极施加强制水冷的板状焊枪,经过优化,非平衡水冷式的K-TIG焊枪能在不锈钢板上实现稳定的穿孔焊接。在测试焊枪效果后,进行了6mm厚304不锈钢的平板堆焊与平板对接焊接试验,通过改变不同的焊接参数得到非平衡水冷K-TIG焊接6mm不锈钢板形成稳定小孔的工艺区间。对不同参数下的焊缝成形与熔深熔宽情况进行了分析,得到不同焊接参数对焊缝成形与熔深熔宽的影响。在摸索出试验区间后进行了平板对接试验,并对接头进行了金相观察与力学性能检测,对接焊缝的力学性能良好。然后,对不同焊接参数的非平衡水冷K-TIG焊接过程背面小孔进行了研究。为避免焊接热源移动时对拍摄图像造成扰动,采用固定CCD相机与焊枪,试板随移动平台运动的方式进行拍摄,得到了不同焊接参数（焊接电流、焊接速度、焊接高度）对小孔动态行为的影响,发现随着焊接电流的增大、焊接速度的降低、焊接高度的增加,小孔的尺寸变大;从引弧开始到出现稳定小孔的时间减小。为进一步表征小孔的变化过程,对拍摄到的小孔进行边缘提取并换算出了椭圆形小孔沿焊接方向与垂直焊接方向的尺寸,发现小孔在焊接过程中尺寸是动态波动的,但变化的幅度很小。同时在其他条件不变的情况下,随着焊接电流的单一增加、焊接速度的单一降低、焊接高度的单一增加,小孔沿焊接方向与垂直焊接方向的尺寸均增大。最后,探究了不同焊接参数对电弧形态的影响,得出电弧形态对焊枪水冷温度最不敏感,5～15℃内的焊接电弧并未出现太大变化,对比穿孔与未穿孔状态下的焊接电弧形态与熔池的流动性,并对熔池流动进行了解释。