形成小孔是中厚板等离子弧焊接时获得大熔深和大深宽比焊缝的关键,小孔行为及其与焊接工艺参数之间的匹配关系是影响等离子弧焊接焊缝成形稳定性及接头质量的重要因素。因此,深入研究等离子弧焊熔池穿孔过程的动态行为,采用恰当的方法描述和追踪小孔界面,对于优化穿孔等离子弧焊的工艺参数,提高穿孔等离子弧焊接过程的鲁棒性和焊接质量的可靠性,具有重要意义。从宏观的焊接传热过程出发,将小孔效应体现在恰当的体积热源分布模式上。通过对穿孔等离子弧焊接传热过程的分析,分别建立了电弧固定和电弧移动时的等离子弧焊熔池形状的三维瞬态数学模型。通过分析Level-Set理论和等离子弧焊的特点,将Level-Set法用于追踪穿孔等离子弧焊小孔界面的动态演变过程。构建等离子弧流场和熔池流场的数学模型,利用Level-Set法对不锈钢试件等离子弧定点焊和连续焊熔池的穿孔过程进行了数值模拟,获得了多种工艺条件下熔池与小孔形状和尺寸的动态变化数据。通过测量熔池穿孔时刻的等离子弧尾焰电压信号,对数值分析结果进行了实验验证。