轻质金属材料(如高强铝合金、镁合金、钛合金等)是国家重点发展的新型材料，是实现结构轻量化的主要途径之一，在航空、航天、汽车、高铁等工业领域具有广泛的应用前景。焊接是轻量化结构制造的关键技术手段之一。由于轻质金属材料自身结构和物理化学性能的特殊性，在焊接过程中存在氧化膜难破碎、不易实现可靠连接等问题，影响了轻质金属材料的推广和应用。变极性交流方波焊接工艺能够有效地克服这些问题,已成为轻质金属材料优质高效焊接方法之一。在国家自然科学基金项目（资助号：E51375173）和广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目（项目编号：2012A032300007）的支持下，本文研究开发了一种新型的全数字变极性多功能方波逆变焊机，具备直流、直流脉冲、方波、方波脉冲和脉冲方波等五种焊接模式。其中，方波、方波脉冲和脉冲方波焊接模式主要针对轻质金属材料及其合金的焊接需求，而直流和直流脉冲焊接模式能够应用于碳钢、不锈钢等多种材料的焊接。本文首先阐述了本课题的背景，分析了逆变焊机的现状与发展趋势；在此基础上，根据变极性方波焊接的特点以及工艺要求，对变极性方波逆变焊机进行了总体设计，包括各焊接模式的设计指标、主电路拓扑结构选择及工作原理、控制算法选择以及通信协议等；然后，根据控制精度与响应速度的要求，以基于Cortex-M4内核的ARM微处理器为核心，设计开发了适合双逆变结构主电路特性和焊接工艺特点的全数字控制系统，并开发了基于FreeRTOS实时内核的逆变焊机控制软件；此外，为满足变极性方波焊接工艺多参数精确设定和精细调节的需求，还研究开发了基于“ARM+CPLD”双芯结构的数字化面板。最后，利用汉诺威焊接质量分析仪、示波器、研制的全数字变极性多功能方波逆变焊机等构建了焊接工艺试验平台，并对直流、直流脉冲、方波、方波脉冲和脉冲方波等五种焊接模式进行了大量的焊接工艺试验，分析了一些关键参数对焊接工艺效果的影响。结果表明，研制的全数字变极性多功能方波逆变焊机性能稳定，控制精确，具备多种焊接功能，并能获得美观的焊缝成形。该多功能方波逆变焊机技术得到了企业的认可，已在工厂实现了小批量生产。