小孔型等离子弧焊接能够形成穿透工件熔池的小孔,在不开坡口的条件下可以实现中厚板的一次单面焊接双面成形,在工业领域应用潜力巨大。在等离子弧焊接过程中,小孔是形成大焊接熔深的关键,小孔的形态对焊缝质量有着至关重要的影响。但是,在小孔型等离子弧焊接中小孔受工艺参数区间窄、稳定性较差等问题的影响,极大地制约了等离子弧焊接技术的应用。等离子弧、熔池与小孔在焊接过程中始终相互影响,其热物理机制涉及复杂的电-磁-热-力多物理场耦合作用。因此,准确描述焊接过程中气-液-固多相间的多物理场作用机理对焊接质量优化有着重要的理论指导意义和工程实用价值。基于等离子弧焊接工艺特点,搭建了等离子弧焊接实验系统,并开展了一系列焊接实验,为后续的模拟计算提供验证数据。针对小孔型等离子弧焊接模式,建立了三维等离子弧-小孔-熔池一体化轴对称数理模型,考虑了Marangoni力、表面张力、电磁力、浮升力及重力等因素的影响,并应用VOF方法追踪电弧和熔池间的气液两相界面。利用焊接一体化模型模拟计算了定点等离子弧焊接情况下等离子弧与熔池的温度场、流场和电磁场以及小孔形态的动态演变。通过耦合求解流体力学方程组、传热学方程和电磁场方程组,准确描述了焊接过程中气-液-固多相间的各种物理作用,揭示了小孔型焊接模式下的传热特性和焊接熔池形成机制,并通过实验验证了一体化模型的正确性。针对移动等离子弧焊接工艺,考虑了焊枪相对于工件的运动,建立了三维移动等离子弧焊接一体化模型,详细分析了等离子弧、熔池与小孔之间的电-磁-热-力耦合作用。由于焊枪与工件的相对运动,等离子弧前部收缩、后部扩展,小孔中心与焊枪中心线存在显著偏差;熔池中小孔前后壁倾斜度不同;小孔壁面上等离子弧压力最大值位于底面小孔出口的前方;电流密度和电磁力在熔池表面上的最大值均位于小孔前部;开展了两组移动等离子弧焊接实验,验证了一体化模型的正确性。针对电磁场的计算,提出了采用磁矢量方程和毕奥-萨伐尔方程结合的方法计算磁感应强度B,详细对比分析了三种电磁方法对等离子弧焊接热物理特性的影响,发现有一定的定量差异。最后通过对比工件上表面电弧压力和熔合线形状与实验数据,验证了本文所提出的方法具有更高的计算精度。