窄间隙MAG焊是针对厚板焊接的一种高效焊接方法。窄间隙MAG焊有许多具体的焊接方式,其中高速旋转电弧方法焊接过程稳定;双丝方法焊接热输入范围大,适于全位置焊。所以这两种方法是窄间隙MAG焊中最常用的方法,涵盖了窄间隙MAG焊的所有应用领域,且二者具有各自的优势和适用领域,不能相互替代。高速旋转电弧方法由于电弧旋转频率较高,因而具有独特的电弧特性、熔滴过渡特性以及焊丝熔化特性;双丝方法由于两个电弧间的干扰,电弧稳定性较差。所以本文针对这两种方法的电弧行为以及电弧行为对焊缝成形的影响规律进行了研究。通过本文的研究,实现了钢材料在窄间隙坡口中的稳定焊接,丰富了窄间隙MAG焊接电弧理论,为规范参数的优化选择奠定基础。首先提出了焊丝双锥摆旋转方式,在此基础上设计了高速旋转窄间隙GMAW焊炬。焊炬较好地解决了导电嘴磨损和侧壁熔合不良的问题。根据流体力学计算和烟气试验设计了插入式保护气喷嘴,能够对深坡口焊接进行有效的保护。为进一步研究窄间隙高速旋转电弧行为和实际应用奠定了基础。采用高速摄像对窄间隙中直流反极性高速旋转电弧的熔滴过渡行为进行了观测,并对电信号进行采集。结果表明:由于侧壁和熔池表面形状的影响,旋转过程中弧长变化,引起焊接电流波动,导致熔滴过渡形式和焊丝熔化速度发生周期性变化。对比不同旋转频率下的熔滴过渡形式和尺寸,证明旋转电弧能够促进熔滴过渡,但熔滴尺寸并不一定减小,并揭示了离心力在促进熔滴过渡中所起的作用。根据高速摄像,计算了坡口中不同位置的熔滴过渡时间和过渡速度,指出高速旋转电弧飞溅较少的原因在于靠近侧壁时熔滴过渡时间很短;在坡口中间时虽然过渡时间增大但熔池后部较长,从而保证熔滴落入熔池中。熔滴过渡过程中等离子流力对其加速作用很小。采用高速摄像对电弧形态观测表明:窄间隙旋转电弧跟随焊丝端部液柱发生偏转摆动。随着旋转频率增加,电弧摆动角增加;焊接电流增加,摆动角略有减小。电弧摆动角增加,导致电弧旋转半径增大。通过对电弧和金属液柱受力分析,以及对比有无液柱时的电弧形态,阐明了电弧摆动是液柱与电弧间电磁力以及液柱与侧壁间可以形成导电通道引起阴极斑点移动共同作用的结果。试验表明高速旋转电弧方法仅适用于直流反极性。系统的研究了直流反极性旋转电弧对焊缝成形的影响规律和机理。提高旋转频率和降低保护气中CO2含量能够增加焊缝表面弯曲和侧壁熔深。窄间隙旋转电弧还可以增大焊接规范区间,但对焊丝熔化效率影响不大,因而旋转电弧改变焊缝成形完全是由于电弧热量的合理分配,而不是通过改变整体焊接热输入。进而指出侧壁熔深增加主要是电弧旋转半径增大和靠近侧壁时焊接电流增加共同作用的结果;侧壁热输入增加,侧壁与熔池的润湿能力增强,导致焊缝表面弯曲增大。另外旋转频率增加,焊丝端部金属液柱的摆动幅度增大,容易造成液柱与侧壁短路,频繁的短路过渡恶化焊缝成形,所以规范选择的前提是液柱与侧壁不发生短路过渡。最后针对双丝(电弧不旋转)窄间隙MAG焊电弧稳定性进行了研究。较大的送丝速度可以获得更宽的稳定规范区间。电弧不稳定主要体现在由于电弧间干扰导致断弧严重。通过试验得到了焊接规范对断弧的影响规律,分析了断弧的发生过程及电信号变化规律。在此基础上建立窄间隙焊接模型和电弧受力模型,阐明了焊接规范对断弧的影响机理。通过对比焊缝成形及改变双丝倾角试验,揭示出电弧断弧的机制是电弧间电磁力和熔池波动共同作用的结果。双丝近距离时电弧稳定是因为在电弧力及熔池流动的作用下使两个电弧间熔池波动很小,不能形成导电通道引起阴极斑点移动,从而抑制了电弧偏移。进而提出了保证电弧稳定的解决对策。