等离子弧焊接在不开坡口条件下可以一次性焊透中厚板钢材,实现单面焊双面成形,在中厚板钢材高效焊接中具有广阔的应用前景。等离子弧焊接实现单面焊双面成形的前提是形成贯穿工件厚度的小孔,小孔状态对等离子弧焊接过程和焊接质量有着重要的影响。然而,小孔对工艺参数变化敏感,小孔稳定性差,这些问题制约着等离子弧焊接在制造业中的广泛应用。研究等离子弧热-力作用随穿孔过程的动态演变,数值模拟等离子弧焊接熔池热场-流场及小孔的动态演变过程,这对于揭示等离子弧焊接工艺机理和丰富等离子弧焊接工艺知识,具有重要的理论意义和实际应用价值。等离子弧焊接过程是一个涉及等离子弧向工件传热、熔池内流体流动和小孔界面动态演变以及三者相互耦合的复杂物理过程。本研究结合等离子弧焊接工艺过程的特点,通过对ANSYS Fluent软件进行二次开发,在VOF方法追踪小孔界面的基础上通过δ函数界定焊接过程的物理界面,将小孔壁面上的等离子弧热-力条件进行源项化处理,建立了基于“传热-熔池流动-小孔”耦合关系的三维瞬态等离子弧焊接数理模型。等离子弧通过小孔壁面将热量传递给工件。本研究根据穿孔过程中等离子弧热作用的特点,建立了随小孔动态变化的曲面热源模型,研究了穿孔过程中等离子弧热流密度在小孔壁面上的分布规律。工件受到的等离子弧压力是高速运动的等离子体撞击工件产生的。根据连续等离子体的撞击理论,推导出等离子弧压力解析公式,定量描述等离子弧压力和焊接工艺参数(焊接电流、离子气流量、喷嘴尺寸、电弧电压等)之间的关系。并针对穿孔过程中等离子弧力的作用特点,建立了随小孔动态变化的等离子弧压力分布模型,分析了等离子弧压力在小孔壁面上的分布规律。基于建立的等离子弧焊接数理模型和等离子弧热-力作用模型,数值模拟了等离子弧焊接过程中工件温度分布、熔池内金属流动和小孔动态演变过程。研究了穿孔过程中熔池内的流线分布。数值模拟结果展示了后向倾斜的小孔孔道。计算了小孔壁面上等离子弧热流密度分布和等离子弧压力分布。定量分析了焊接电流和离子气流量对穿孔时间的影响。开展等离子弧焊接工艺实验,在焊接过程中检测了穿孔时间、背面小孔中心的偏移量、小孔长度、小孔宽度；焊后通过制备焊缝横断面拍摄宏观金相图得到了焊缝熔合线。将测量结果与计算结果进行对比,两者基本吻合。