穿孔等离子弧焊接在焊接中厚板时有着独特的优势,其电弧挺度大、电弧温度高、能量密度高,可以在不开坡口的情况下实现单面焊双面成形工艺,生产效率高。随板厚增加,大熔深穿孔等离子弧焊工艺窗口窄,可调裕度低,焊接过程中容易出现熔池液态金属飞溅、塌陷等问题,焊缝中相应出现气孔、烧穿等焊接缺陷。本文通过对大熔深穿孔等离子弧焊接熔池及电弧进行视觉检测,总结焊接电流参数窗口随工件厚度的变化规律与机理,验证“受控恒定穿孔”控制策略的优越性,揭示了焊接缺陷出现时熔池及电弧的变化规律,对于提高穿孔等离子弧焊接质量具有重要的理论意义和实践指导意义。针对大熔深穿孔等离子弧焊接过程,搭建了以高速摄像机、数据采集卡为核心的视电信号同步采集系统,通过对采集系统的标定以及熔池图像的边缘提取,获得了熔池的特征尺寸。在恒定工件厚度实验中,观察不同的焊接电流下焊接过程中熔池特征尺寸的变化规律。发现随着被焊工件厚度的增加,熔池的长度和熔池宽度均有不同程度增加。探究不同工艺条件下电流合理参数窗口范围的变化规律。当工件厚度为6mm和8mm时,焊接速度在100～300mm/min范围内时,焊接速度越高,焊接电流参数窗口越大。当焊接速度恒定时,随着工件厚度的增加,焊接电流参数窗口减小,当工件厚度达到14mm时,焊接电流参数窗口小于5A,难以获得全熔透的良好焊缝成形。针对14mm厚度的工件进行焊接实验,分析了影响电弧穿透力的工艺参数,确定了参数范围。对“背面恒定穿孔”控制策略验证分析发现,该控制策略能够很好地维持熔池的稳定状态,在焊接14mm厚度工件时具有良好的适应性。同时利用视觉检测方法,分析了大熔深穿孔等离子弧焊接过程中的熔池行为规律,以及焊接缺陷产生时的熔池电弧行为,依据熔池尺寸的变化规律,焊接过程可分为稳定盲孔阶段、不稳定盲孔阶段、穿孔阶段和维孔阶段,且随着焊接电流的增加不稳定盲孔阶段变短;焊接缺陷总是伴随着电弧与熔池尺寸的波动出现,其中焊接气孔的出现往往伴随着电弧不稳定,烧穿伴随着电弧形态出现拖尾的特征。采用视觉检测方法分析了填丝穿孔等离子弧焊过程中的熔滴过渡行为和熔池流动行为。填丝穿孔等离子弧焊接中熔滴过渡形式主要为大滴自由过渡;相比较于不填丝的方式,填丝时熔池流动速度较低,从电弧区域到熔池尾部区域,熔池流动速度按照“增大-减小-增大-减小”的规律变化。