电弧是一种重要的焊接热源,广泛应用在航天航空、船舶、武器制造等领域。在单电极单电弧中,电弧压力与电弧产热随电弧电流同向耦合变化。也就是,电弧存在固有的热力耦合现象,不利于精确地调控熔池热力行为,制约了电弧焊在一些重要场合的应用。本文通过在喷嘴下安装外钨极构建压缩-自由双层复合电弧,希望实现对电弧热、力行为的独立调节,以提升电弧焊接工艺的适应性。本文就压缩-自由复合电弧的构建方式、电弧热力特性控制以及穿孔焊应用进行了研究。主要研究内容如下:（1）在常规等离子弧焊枪的基础上,通过在水冷铜喷嘴下安装一个与中心焊枪绝缘的外钨极产生自由电弧,构建了压缩-自由双层复合电弧的成弧装置。电弧图像显示,自由电弧汇入到中心压缩电弧中。以小孔法测量电弧压力,结果显示电弧压力对自由电弧电流的变化不敏感;增大自由电弧电流,中心压缩电弧逐渐向自由电弧一侧偏移。分析了复合电弧中力的作用,得出两电弧之间的洛伦兹力是影响复合电弧耦合状态的关键因素。（2）测试了外钨极安装位置和压缩喷嘴孔径对复合电弧的电弧热力特性的影响。发现:外钨极的位置在一定范围内调节均可以得到稳定的复合电弧,电弧压力和电弧产热对外钨极位置不敏感。增大自由电弧电流,由自由电弧产生的额外热输入主要作用于熔池上部,复合电弧的阳极产热非轴对称。喷嘴孔径影响中心压缩电弧拘束程度,进而显著影响复合电弧的电弧压力。（3）应用前置和后置两种外钨极方向的复合电弧在304不锈钢板上进行穿孔焊接实验,拍摄电弧、熔池形态以及背面小孔状态,对焊缝横截面及熄弧点纵截面进行分析。发现:双层复合电弧相较于单一等离子弧可以扩大稳定穿孔的工艺窗口、平整焊缝并提升最大焊接速度;自由电弧可以提升对熔池的热输入,后置外钨极产生的自由电弧引导电弧反翘,减小电弧反翘角度,减小电弧对小孔后壁的推力,改变熔池形态。