受控脉冲穿孔等离子弧焊接(PAW)新工艺采用特殊设计的脉冲电流波形,在焊接过程中通过改变脉冲下降沿两个缓降斜率,主动地控制熔池与小孔的热物理形态,使小孔发生周期性的“形成-长大-缩小-闭合”过程,能在最低的热输入状态下保证穿孔和熔透,有广阔的应用前景。但是,受控脉冲穿孔PAW焊接的工艺参数更多,熔池与小孔的热物理形态更为复杂。因此,深入研究受控脉冲穿孔PAW焊接热过程与熔池-小孔行为的瞬态变化过程,对于实现这一新工艺的优化,揭示其物理机制,具有重要的理论意义和工程实用价值。本研究首先利用不锈钢试件开展了受控脉冲PAW焊接工艺实验,测量了表征小孔形状与尺寸的等离子弧尾焰电压信号,在试件背面采集了小孔图像。焊后制备了焊缝横截面宏观金相图片,获得了不同工艺条件下的熔合区形状与尺寸。这些实验结果既为受控脉冲PAW熔池与小孔行为建模仿真提供了指导,也为模型和数值分析结果的实验验证打下了基础。采用“宏观热效应”法,通过建立适用的“双椭球体+圆柱体”组合式体积热源模型,对受控脉冲PAW焊接过程在一个脉冲周期内温度场和熔池形状的瞬态变化过程进行了模拟计算。在受控脉冲PAW焊接条件下,焊接电流按特殊设计的脉冲波形变化,焊接熔池相应的呈现“未熔透-全熔透”的周期性变化。与方波脉冲电流PAW焊接热过程相比,受控脉冲电流作用下PAW焊接熔池形状尺寸随脉冲电流的演变过程更为平稳,这从焊接热过程角度展现了受控脉冲PAW焊接工艺的优越性。根据受控脉冲穿孔PAW焊接过程中熔池表面的受力和变形特点,基于小孔形成和闭合的力学平衡条件,建立了熔池内部小孔形状的数理模型。在不同工艺条件下数值模拟了一个受控脉冲周期内,小孔“形成-长大-缩小-闭合”的瞬时演变过程。考虑到一个脉冲周期内熔池“未熔透-全熔透”的周期性变化特点,在小孔的求解过程中分两种情况分别进行处理和模拟。根据测试出的等离子弧尾焰电压信号与背面小孔图像,确定了不同工艺条件下小孔的形状尺寸和小孔处于穿孔状态的持续时间。工件背面小孔长度和宽度以及处于穿孔持续时间的计算数据与实验结果吻合。将计算出的PAW焊缝横断面熔合区形状与实验结果进行了对比,两者吻合情况良好。单纯基于力学平衡条件计算出的熔池表面变形和相应的小孔形状,在熔池尾部误差较大,该处液态金属表面隆起的计算值偏大。实际上,等离子弧作用于小孔壁面的“热-力”耦合作用,决定了穿孔过程及小孔形状尺寸。考虑小孔壁面上的“热学平衡”条件,对基于“力学平衡”条件计算出的小孔形状进行了修正,在一定程度上克服了熔池尾部液态金属表面隆起计算结果过大的问题。初步展示了热平衡条件在小孔形成过程中的作用。