深熔K-TIG焊（Keyhole Tungsten Inert Gas,K-TIG）作为一种高能量输入的焊接方式,在中厚度的金属板材的对接焊接工艺中起重要作用。深熔K-TIG焊接无需加工坡口,对板材一次焊透,正面与背部同时成型,能加快中厚板焊接的生产速度,在船舶与大型容器制造行业中应用广泛。为了提高焊接生产率,深熔K-TIG焊接过程的自动化成为目前实际生产中的发展方向,而熔池状态的检测则是实现自动化的关键。熔池状态包括熔池相对待焊间隙的位置偏移以及熔池的熔透程度。然而深熔K-TIG焊接过程伴随高能量电弧带来的强烈弧光,在焊接过程的视觉检测中覆盖了大部分熔池的信息;同时深熔K-TIG焊熔池中所形成的锁孔形态很大程度上决定了焊接接头的质量,现有的焊接检测手段难以完全克服弧光影响来观测熔池内部的成型情况。本文以KTIG焊接的熔池状态变化作为研究对象,研究了焊接高动态成像技术,以实现深熔KTIG焊接过程对熔池偏移的检测、对熔池熔透性的预测,并从数值模型角度研究了熔池状态变化的深层机理。首先,提出一种基于相机的响应曲线的焊接场景的辐照度分布测量方法,探究了目前视觉检测手段不适用的根本原因。在此基础上提出焊接高动态成像技术,并对该技术在不同使用场景下的通用性进行研究,得出参数设定的最佳工艺窗口。最后通过对比试验证明高动态成像技术对焊接图像的动态范围的提升作用。然后研究基于高动态成像技术的熔池偏移检侧方法。利用熔池中心位置与电弧中心的位置存在同步性的特性,使用高动态成像技术下的电弧中心来定位熔池位置。分别设计算法来提取电弧中心位置和待焊间隙中心位置,然后开展试验对高动态成像技术与普通相机成像技术下的熔池偏移检测结果进行对比,验证高动态成像技术对熔池偏移检测的提升作用。接着研究基于高动态成像技术的熔池熔透程度预侧方法。通过设计基于一维像素点的特征提取算法、设计三维空间的标定方法,获取到了在不同焊接电流、焊接速度与工件厚度下的深熔K-TIG焊接熔池和锁孔的尺寸。通过建立BP神经网络,输入特征参数来预测出熔池熔透性。经过对比不同的特征参数输入,发现基于高动态成像技术下所能获取到的特征具有最高的预测精度与模型收敛速度。最后研究了高动态成像下熔池状态的变化机理,探究了不同焊接参数下导致熔池偏移改变、熔池熔透程度变化的深层影响原因。采用自动跟踪自由界面的双椭球热源模型对深熔K-TIG焊接过程进行CFD数值模拟仿真。发现不同工艺参数下的热输入与电弧压力是改变熔池形态的重要因素,并深入分析了熔池偏移对熔池形态造成的变化,同时解释了不同参数下导致不同熔池熔透性的原因。