受控脉冲穿孔等离子弧焊工艺对传统工艺做出了新颖改进,具备获得优质接头并拓宽焊接工艺参数裕度的潜力。但是,原有系统通过检测等离子弧尾焰电压信号来间接反映小孔状态,不足以充分描述小孔动态变化过程的细节。本研究采用视觉传感方法获取工件背面的小孔图像,能够直观清晰地表现小孔特征参数随脉冲电流的瞬时演变过程。本文研究结果为深入理解小孔与熔池热状态的变化规律奠定基础,具有重要的理论意义和实际应用价值。构建了以普通工业CCD摄像机为核心的视觉传感系统,不仅可以测量背面小孔出口的长度和宽度等尺寸参数,而且可以测量背面小孔中心与正面焊枪中心轴线之间的偏移距离(即小孔中心偏移量)。在恒定参数穿孔焊接过程中,通过使用不同的焊接电流、焊接速度和离子气流量调节电弧穿透能力,观察背面小孔参数的变化。发现背面小孔中心偏移量对电弧穿透能力的变化更为敏感。电弧热输入变化时,小孔周围热状态发生变化；这不仅可以影响焊缝熔宽,而且可以显著地改变小孔前壁的倾斜程度。小孔前壁的倾斜程度决定了背面小孔中心偏移量的大小。因此,小孔中心偏移量可以很好地反映小孔前壁熔化状态。小孔热状态发生变化时,背面小孔中心偏移量可以比小孔尺寸更好地反映小孔的动态特性。背面小孔中心偏移量的大小,代表了小孔孔道的弯曲程度,是影响焊缝缺陷形成的关键因素之一。实验结果表明,如果小孔中心偏移量过大,焊缝中容易形成气孔,且焊缝表面成形质量差；如果小孔中心偏移量过小,熔池体积过度长大后,容易出现焊缝塌陷甚至烧穿。根据背面小孔中心偏移量可以预测焊缝成形不佳、焊缝气孔、焊缝塌陷和烧穿四种缺陷。研究发现,受控脉冲穿孔焊接过程中,每一个脉冲周期内,在穿透小孔形成瞬间,背面小孔中心偏移量最大；随后,小孔中心偏移量迅速降低。在闭合小孔阶段终了或者穿透小孔建立之初,小孔前壁倾斜程度最大。穿透小孔维持阶段越长,小孔前壁曲面倾斜程度越小,则背面小孔中心偏移量越小。通过调节脉冲电流后沿的下降斜率,可以控制穿透小孔维持阶段的时长,从而控制背面小孔中心偏移量。基于合适的预测控制算法,建立了以实时检测的背面小孔中心偏移量为被控制量、脉冲电流下降时间(表征脉冲电流后沿的下降斜率)为控制量的受控脉冲穿孔等离子弧焊控制系统。9.5mm厚度不锈钢板穿孔等离子弧焊接控制实验表明,控制过程稳定,每个脉冲内小孔可靠地穿透和闭合,焊缝成形和接头质量良好。