穿孔型等离子弧焊接属于高能束焊接的一种,其能量密度集中程度高,焊接质量高,已经越来越多被应用到各行各业。焊接过程中,加入热丝填充系统对焊丝提前预热,能够提高热丝熔敷速率,并且电弧温度具有单独可控等特点,因此在保持较低线能量输入的同时,大幅度提高生产效率。但加入热丝之后,电弧等离子体的离子运动轨迹及碰撞、过渡的熔滴对熔池的流动状态及小孔稳定性作用机理更加复杂。因此深入探究预热焊丝在过渡过程中熔池流场、小孔稳定性、电弧形态的变化规律,对热丝填充穿孔型等离子弧焊在工业上的应用前景具有深远的理论指导意义。焊接电弧等离子体作为焊接过程中的热源与力源的载体,对焊接过程中熔滴过渡及穿孔条件的形成有重要的影响作用。本文基于流体力学中的质量连续、动量守恒、能量守恒及磁矢量分量方程,建立了三维等离子弧焊接电弧数学分析模型,对电弧等离子体的温度场、等离子流速度场、电弧压力场、电磁场及氩等离子体粘滞系数随焊接工艺参数的变化规律进行了分析。然后基于VOF方法,考虑了重力、表面张力、等离子流力及电磁力建立了三维熔滴过渡的数学模型,分别对送丝速度为1.0m/min与1.5m/min的情况进行了数值模拟。与此同时,为了验证数值模拟结果的准确与否,进行了大量的无填丝、填丝及热丝穿孔型等离子弧焊接工艺试验,利用高速摄像系统采集了不同工艺参数条件的电弧形态及熔滴过渡演变过程。分析试验及数值结果表明:等离子电弧的数值模拟中电弧温度、等离子流速度、电弧压力、磁场强度、电流密度在喷嘴的约束作用下,随着焊接电流、离子气流量、钨极内缩量增加而增加,氩等离子体粘滞系数随温度升高而减小。其中焊接电流对焊接电弧能量密度的影响较大,当焊接电流分别为120A、140A、160A时,电弧等离子体的温度分别21980K、24200K与26130K,等离子流速度分别是308m/s、392m/s、489m/s。工艺试验中,当焊接电流为140A、离子气流量为3.0L/min、焊速为140mm/min、钨极内缩量为3.0mm、送丝速度为0m/min时,形成的焊缝正反面成形较好,但有咬边缺陷产生。当送丝速度为1.0m/min,热丝电流为0A时,焊缝正反面成形美观,无咬边、气孔等缺陷产生。但当热丝电流为50A时,却没有形成穿孔,当热丝电流增加到100A时,形成了稳定的穿孔。随着送丝速度增加,熔滴过渡周期与熔滴直径减小,但熔滴过渡过程中,电弧发生收缩,小孔与电弧反翅发生减弱或消失。通过对比模拟与工艺试验结果,电弧与熔滴过渡行为吻合良好。热丝电流对电弧-熔滴的耦合作用机理较复杂,影响了焊接过程的稳定性,降低了焊接工艺参数可调裕度,但在一定程度上提高了生产效率,为后续的数值分析及实践应用提供了理论基础。