等离子弧焊是一种高能量束流焊接技术,尤其是小孔型焊接模式,可以在不开坡口的条件下实现中厚板的一次单面焊接双面成形,在工业领域应用潜力巨大。但是,小孔型焊接模式受工艺参数影响大、小孔稳定差等问题制约着其应用。等离子弧焊接物理机理复杂,其独特的电-磁-热-力耦合作用特性是形成小孔焊接模式的重要原因。因此,准确认识等离子弧焊接过程中电场、磁场、温度场及流场的耦合作用机理,对焊接质量优化有着重要的理论指导意义和工程实用价值。本文基于电磁学、传热学和流体力学等基础学科交叉,建立了轴对称的等离子弧数理模型。利用商业软件Fluent的二次开发功能,自编程耦合求解了整个计算区域的电磁场、流场和温度场守恒方程,分析了电弧的温度与速度及电磁场特性,并对比了两种电磁场计算方法对等离子弧电-磁-热-力特性的影响。针对小孔型等离子弧焊接工艺,建立了包含等离子弧和工件的轴对称等离子弧焊接一体化模型。基于实验和仿真计算,开发出了一个简单适用的电弧压力模型,将电弧压力作为源项作用于液相区,无需利用VOF等两相流方法计算实际小孔形状,大大降低了计算成本。利用该模型计算了从起弧至全焊透过程中电弧与熔池的温度场和流场瞬态演变行为,分析了焊接过程中等离子弧与熔池的界面热-力作用,获得了等离子弧和工件中的电磁场分布规律,并通过实验验证了一体化模型的正确性。利用该模型探讨了焊接电流、喷嘴孔径与电极间距对等离子弧焊接的影响规律。针对连续等离子弧焊接工艺,通过固定焊枪并移动工件实现等离子弧与工件之间的相对运动,建立了三维移动等离子弧焊接的电弧-熔池耦合传热模型。计算了移动焊接过程中等离子弧与熔池的动态演变,以及全焊透后的熔池形貌。研究表明,由于焊枪与工件之间的相对运动,等离子弧呈现前部向内收缩,后部向外扩展的非对称钟罩形态;熔池后方出现狭长的熔深较浅的熔池尾巴;熔池中心与焊枪中心线出现明显偏移;对所建模型进行了实验验证,实验所得焊缝横断面的熔合线与计算结果基本吻合,验证了模型的正确性。