在穿孔等离子弧焊接(PAW)过程中,小孔的形成与维持涉及复杂的物理机制,其动态演变过程(形成、维持、闭合)对焊缝熔深大小以及焊接质量有着决定性的影响。熔池中出现小孔时,小孔与熔池相互影响相互作用,小孔形状和尺寸的改变,直接影响到熔池中的流体流动和传热过程；而熔池液态金属流场与热场也反过来影响小孔的形状与尺寸。目前,对等离子弧焊接熔池与小孔相耦合的流动与传热问题,研究的还很不深入。通过数值分析,研究PAW焊接熔池与小孔的交互作用以及流场与热场的特点,对于优化焊接工艺参数和过程控制,提高PAW工艺的裕度和过程稳定性,具有重大的理论意义和工程实用价值。采用不锈钢试件开展了穿孔等离子弧焊接工艺试验。利用图像采集系统测试了不同工艺条件下工件背面的小孔形状与尺寸,焊后制作了焊缝横截面的金相照片,获得了焊缝轮廓形状和尺寸。探讨了工艺条件对穿孔过程和焊缝成形的影响机制。在深入分析等离子弧熔池流体流动以及传热规律的基础上,考虑熔池与小孔的耦合、交互作用,建立了三维瞬态熔池和小孔热场与流场的数学模型。模型中采用双椭圆的电弧压力分布模式,考虑了电磁力、浮力、重力以及表面张力的影响。采用流体体积函数法(VOF)计算小孔的形状与尺寸,利用焓孔隙度法处理凝固熔化过程中相变潜热以及动量损耗问题。控制方程采用有限体积法进行离散,采用PISO算法求解离散的控制方程组。对FLUENT软件进行了二次开发,实现了穿孔等离子焊接过程的数值分析。针对穿孔等离子弧焊接的工艺特点,建立了随小孔深度动态调整的组合式体积热源模式。考虑等离子弧焊接电弧的挖掘作用而形成的倒喇叭状的焊缝形貌,体积热源模型上部分采用双椭球体热源,下部分采用锥体热源。计算过程中,在每个时间步后,根据小孔的深度变化对组合式体积热源的有关分布参数加以动态调整,描述了随小孔变深等离子弧沿工件厚度方向的热作用。利用建立的三维瞬态熔池和小孔热场、流场的数学模型,采用动态的组合式体积热源模式,分别对6mm和8mm板厚的不锈钢工件进行了穿孔PAW焊接数值模拟,获得了等离子弧焊接过程中从熔池出现、小孔形成、流场与热场演变、工件熔透、穿孔等动态过程的基础数据,展示了小孔穿孔前后熔池流体流动规律,以及穿孔前后小孔表面压力的变化情况。将计算得到的工件背面小孔形状尺寸以及焊缝横断面与实验测试结果进行了对比,结果表明,两者基本吻合,验证了所建立的模型在不同工艺参数下的适应性。