微束等离子弧焊在中厚板的焊接及弧焊三维焊接快速成形方面具有明显的优势,但是焊丝熔化速度较低,影响生产效率。为了提高微束等离子弧焊生产效率及实现熔化母材热量与熔化焊丝热量的解耦控制,本文基于试验研究及旁路耦合电弧的理论,提出旁路耦合微束等离子弧焊(double-electrode micro-plasma arc welding,DE-MPAW)方法,通过理论分析及所做的相关试验表明所提出的方法的可行性和有效性。根据旁路耦合微束等离子弧焊的特点及为进行试验研究的方便,基于x PC的实时目标环境,利用快速控制原型技术,建立了主要包括快速原型系统、焊接系统、视频采集系统和热信号采集系统的旁路耦合微束等离子弧焊快速原型试验系统。利用建立的试验平台进行平板堆焊试验,研究了部分焊接参数对焊缝成形几何参数的影响,结果表明,旁路耦合微束等离子弧焊中,随焊接总电流的增大,焊缝宽度增加,焊缝高度降低,焊缝宽高比基本呈正比形式逐渐增大;随焊接速度的增大,焊缝宽度和焊缝高度均减小,焊缝宽高比也逐渐减小且具有与焊缝宽度相似的变化趋势;随送丝速度的增大,焊缝宽度和焊缝高度开始时以基本相同的速率增大,随后焊缝宽度几乎没有增加,而焊缝高度以比开始时较小的增加速率逐渐增大,焊缝宽高比一直逐渐较小;随离子气流量的增大,焊缝宽度增大,焊缝高度减小,焊缝宽高比以正比例形式迅速增大;随旁路电流的增大,焊缝宽度逐渐减小,焊缝高度逐渐增大,焊缝宽高比逐渐减小。在工艺试验的基础上,选用匹配的焊接参数,通过建立的试验系统对旁路耦合微束等离子弧焊的熔敷率、母材热输入及焊缝成形质量进行了试验研究,结果表明,旁路耦合微束等离子弧焊既保持了传统微束等离子弧焊的优点,又在提高焊丝熔敷率的同时降低母材的热输入。在其它焊接参数保持不变时,随旁路电流的增加,焊缝的熔深和稀释率减小,成形系数增大。焊缝成形质量及焊接过程的稳定性受熔滴过渡的影响较大,因此对旁路耦合微束等离子弧焊不同旁路电流、送丝速度和离子气流量下的熔滴过渡图像,使用视频采集系统进行了拍摄,采用静力平衡理论,分析了熔滴所受的主要作用力及不同参数下熔滴所受作用力的变化情况,并计算了不同参数下的熔滴过渡频率。结果表明,在旁路耦合微束等离子弧焊过程中,当焊接总电流一定时,随着旁路电流的增大熔滴过渡频率呈减小趋势,熔滴尺寸随之增大,旁路电弧对熔滴过渡起阻碍作用;熔滴过渡频率随离子气流量的增大而增大,随送丝速度的增大先增大后减小;当焊丝在等离子弧边缘熔化时,重力是促进熔滴过渡的主要作用力,且由于斑点力在水平方向上的分力大于电磁力在水平方向上的分力,熔滴呈排斥过渡;当焊丝在等离子弧中心熔化时,等离子流力是促进熔滴过渡的主要作用力。采用旁路耦合微束等离子弧焊在所搭建的三维运动平台上进行三维焊接快速成形试验,采用游标卡尺测量堆垛层高度,并采用CCD工业相机实时拍摄整个堆垛过程,分析了中间稳定段和收弧位置的熔滴过渡变化及熔池中液态金属的流动情况,并分析了熔池所受作用力及焊接参数对塌陷的影响,结果表明,采用旁路耦合微束等离子弧焊进行三维焊接快速成形过程中,在焊接总电流相同的条件下,随旁路电流的增大,熔敷层的混层现象逐渐减弱,相邻层间的分界线越来越明显;收弧位置塌陷是由熔池中填充金属不足及熔敷金属的流淌造成的,而产生的焊瘤加剧了液态金属的流淌;并且随着堆垛层数的增加,中间稳定段与收弧端的高度差越来越大,熔滴不能稳定过渡到熔池进一步加剧了收弧端的塌陷。熔敷金属的流淌主要是由等离子流力、重力和电磁力的作用引起的。焊接电流、焊接速度、送丝速度和离子气流量是影响旁路耦合微束等离子弧焊三维焊接快速成形过程堆垛塌陷的主要因素。