等离子弧焊接具有弧柱挺度大、能量密度集中、熔池内形成穿孔等特点,在中厚板连接方面有很大的应用潜力。但是,常规的等离子弧焊接仍存在穿孔能力不够、小孔稳定性差等问题。针对以上问题,将超声振动通过等离子弧焊枪的钨极施加到等离子弧和熔池中,研发了超声辅助穿孔等离子弧焊接新工艺（Ultrasound assisted Keyholing Plasma Arc Welding,U-PAW）。前期工艺实验已经证明施加超声以后,等离子弧挺度进一步增强,等离子弧的穿孔能力得到提高。但是,对于超声与等离子弧的相互作用机理,尚未进行深入系统的研究。研究超声在等离子弧中的分布和传播过程,定量分析超声振动对等离子弧内粒子运动状态、电离与复合等微观行为的作用机制,揭示超声振动对等离子弧宏观热-力特性的影响规律,对于促进超声辅助穿孔等离子弧焊接新工艺在中厚板焊接中的应用,具有重要的理论意义和工程实用价值。建立超声在等离子弧中传播的数理模型,以等离子弧流场和密度场为背景场,开展了超声场的数值分析。特征频率、频率和瞬态分析的结果表明,采用的超声工作频率25 kHz与等离子弧焊枪结构尺寸匹配良好,超声作用效果达到最佳。超声在等离子弧中的传播路径受到等离子弧喷嘴结构的影响,等离子弧焊枪喷嘴出口处的声场是反射声、直达声和混合声的叠加。超声场的声压幅值与等离子弧的密度密切相关;等离子弧的流动速度会影响超声场的分布,流速增加会促进更多的声能传到工件表面。推导了超声辅助等离子弧的传输系数计算公式。等离子弧超声作用于等离子弧,将对等离子弧传输系数产生影响。超声会影响等离子弧中粒子的速度分布函数,需要将速度分布函数从一阶近似（fi（0）+fi（1））拓展为二阶近似（fi（0）+fi（1）+fi（2））。根据玻尔兹曼方程和麦克斯韦速度分布函数,建立了超声振动与速度分布函数二阶近似项fi（2）的关系,利用新的速度分布函数推导了施加超声以后等离子体热导率和电导率的计算公式。将考虑超声影响的传输系数用于等离子弧数值计算。结果表明,超声会导致等离子弧的热导率增加和电导率降低,总的热导率最大增加幅度可达11.5%,电导率的最大减小幅度可达23.1%。超声对等离子弧传输系数的影响程度与所在位置的超声强度和等离子弧温度有关。建立了超声复合等离子弧的数值模型。综合考虑超声对等离子弧的影响,宏观上在控制方程中添加声辐射力和声能源项,微观上基于超声对粒子运动的影响（传输系数的变化）,计算并分析了超声对等离子弧热-力特性的影响。结果表明,宏观上声能对等离子弧作用较小,而声辐射力有利于提高等离子体的流动速度。微观上,超声增加了等离子弧的热导率,降低了电导率。相同焊接电流时,超声复合等离子弧的弧柱出现径向收缩。总体来看,施加超声使得等离子体流动速度增加,弧柱挺度增强,等离子弧压力升高,阳极表面上电流密度提高。因此,等离子弧的热-力特性增强,穿孔能力提高。分别采用静态小孔法和分裂阳极法测量了施加超声与否时阳极表面上的电弧压力和电流密度,并与计算结果进行了比较,两者基本吻合。在工件背面和侧面安置CCD相机,对小孔出口和电弧形态进行视觉检测,焊后制备焊缝横断面宏观金相试样,对超声辅助等离子弧的穿孔能力进行了实验验证。相同焊接条件下,等离子弧热-力特性有所提高,可以在较低电流或较高焊接速度下实现穿孔。