焊接技术在现代生产中占据重要地位，被广泛应用于航天、船舶、建筑、制造等工业生产领域。电弧焊作为焊接生产中最早出现的焊接工艺，因其适用性强的特点在焊接领域中得到更为广泛应用。焊接电弧作为电能向热能转换的载体，其性质和状态直接对焊接质量产生重要影响。焊接电弧能量密度以及工艺特性成为先进焊接技术应对现代制造中“高精度控型”和“低损伤控性”产品质量要求的关键。改善传统焊接电弧的“热、力”物理属性并提升对电弧能量分布与传递的可控性，成为实现焊接电弧物理性质超越常规的一个新的途径。焊接TIG电弧因其较强的代表性和良好的适用性一直是电弧物理性质研究中首选的对象。传统TIG电弧的导电形式存在区域性差异，这种差异直接体现了电弧径向导电能力和能量分布的不均匀性。根据对电弧物理过程的观测结果,以电弧物理的相关理论为基础定义了TIG电弧导电区域的物理含义。从弧柱中心位置至边缘，电弧的导电区域依次被定义为以惰性气体原子的电离过程为主导的电离导电区域；以离子和电子的复合过程为主导的复合导电区域；以及以原子内电子的能级跃迁过程为主导的外层（气罩）发光区。文中结合电弧辐射的特点，通过光谱诊断手段建立了一种电弧导电区域边界位置的定量测定方法，克服了图像方法仅能作为电弧形貌定性观测的缺陷，实现了电弧放电机构及其尺度的定量化的认识需求。在电弧导电区域准确认知的基础上，结合电弧物理参数的测定结果综合得出电弧各导电区域内能量的分布。观测结果表明，弧柱中心电离区域承载了约70-80%的能量传导。同时，从阳极金属蒸气、电弧热源模型、熔池形态等三个方面讨论了与电弧导电性质相关的影响因素。从“弧-源”两个方面对提高焊接电弧能量传导能力进行了探讨，一方面是通过改变弧的电热转换机构而达到增强电弧收缩的效果；另一方面则是通过电源的能量输出方式来提升压缩电弧的效果，进而实现电弧能量的提高。根据电弧能量传导的特点，结合电弧自磁收缩效应理论，研究了三电极电弧导电通道建立的机理及其物理性质，研究发现在相同电源能量输入的条件下，与单电极TIG电弧相比，三电极电弧能量更为集中，并且随着焊接电流的增大，能量集中的效果更为明显。利用同步脉冲电源的电流峰值时段，使电弧的“自磁收缩”效应得到显著提高，进而提升电弧的能量密度。研究了在大电流条件下（总电流输入超过900安培时）三电极电弧的性能及状态，在三电极电弧中心出口的位置观测到了Ar线，并在电流增大过程中观测到ArI线的红移现象，结果表明焊接电弧在大电流输入条件下电弧弧柱收缩效果显著，其内部温度和承载的能量均得到大幅度提升，且远高于常规TIG电弧所能够达到的水平。研究了电极间距和脉冲工艺两方面因素对三电极电弧导电能力的影响。当电流输入平均值相同时，脉冲电弧不仅在峰值期间保证能量密度大幅提高，同时综合整个周期内的平均能量密度高于直流焊接过程，适当提高脉冲电弧峰值阶段的持续时间，电子密度的提升比例更为显著；脉冲电流频率在2.5—100Hz范围内，随脉冲频率的升高，电弧中心电离区域内的电子密度呈上升趋势，相应的电流密度以及该区域的能量传输能力均有提高。三电极电弧具有重要的工程应用意义，一方面它提升了电弧核心导电区域的能量密度，提高了电弧在焊接过程中的有效热输入；另一方面它提升了焊接过程中焊枪对电流的承载能力，使得在焊接过程中可以选择更大的电流输入，能够满足焊接速度提高的要求，同时扩大了焊接工艺参数的选择范围。