微束等离子弧具有能量密度大、拘束度高、挺直度好等特点,特别适合于超薄超细结构件的精细高精度焊接。微束等离子弧焊电弧作为焊接过程的热源之一,其温度、流速、电磁力、电弧压力等的分布决定着等离子体中各个粒子的运动状态以及阳极工件各个物理场的分布,并直接影响到被焊工件焊接接头的微观组织和性能。对微束等离子弧焊电弧物理过程进行研究,可以帮助确定微束等离子弧焊接工艺参数,提高焊接过程稳定性。本文研究首先根据热电磁流体动力学原理,建立三维微束等离子弧焊电弧数值分析模型,研究直流作用下微束等离子弧焊电弧温度场、流场、电磁场、电弧压力,得到微束等离子弧焊电弧轴向、径向的温度分布、电弧等离子体中各个粒子轴向、径向的流速分布、电磁力以及电弧压力的分布。结果表明:距钨棒端部0.25mm处电弧温度达到最大,电弧流场在计算时间达到0.8 s后达到稳定,电磁力在喷嘴口处达到最大,阳极压力在稳定时达到40 Pa。在对微束等离子弧焊电弧的物理过程进行数值分析时,由于存在较多的参数,参数的不同设置对电弧的物理过程影响较大,因此本文研究了不同工艺参数(焊接电流、离子气流量、保护气流量、焊距高度)和焊枪结构参数(钨棒端面半径、钨棒锥度、、喷嘴口径)对电弧温度、等离子体流速、以及电磁力、分布的影响。结果表明影响因素最大的为:钨棒端面半径为0.03 mm时,轴中心处的电弧最高温度达到15000 K;钨棒锥度为45°时,径向端面最高温度达到8000 K;离子气流量为0.6 L/min时,轴中心处的等离子体最大流速为4 L/min;喷嘴口径为0.8 mm时,径向等离子体最大流速为6.5 L/min;焊接电流为3 A时,最大电磁力达到0.04 N。其次,在分析直流微束等离子弧焊电弧物理过程的基础上,对脉冲微束等离子弧焊电弧物理过程作了进一步的研究。由于焊接电流在基值电流与峰值电流间周期性地交替变化,因此研究了在脉冲电流作用下电弧的温度场、流场、电磁力以及电弧压力分布的动态变化过程,并对不同脉冲参数下的电弧动态物理过程进行分析研究。结果表明:在基值电流向峰值电流跃变时,电弧有一定的收缩不同的脉冲参数下电弧各个物理过程的变化均滞后于焊接电流的变化,微束等离子弧焊电弧的流场、温度场、电磁场、电弧压力等均存在惯性。最后,本文进一步从基于电弧光谱采集的温度场计算和基于高速摄影的电弧光辐射强度图像信息处理两个方面对上述微束等离子弧焊电弧的可见部分(喷嘴之外)温度分布特征的计算进行了验证,归一化后数值模拟的电弧端面径向和轴向温度分布分别与光谱检测和高速摄影电弧图像处理的电弧光辐射强度分布一致。