超窄间隙TIG焊焊接过程稳定,可精确调控线能量,接头变形小,力学性能好,在厚壁高强度钢结构制造领域有良好的应用前景。但TIG电弧在超窄间隙坡口中会沿侧壁分流导致底角熔合不良,形成焊接缺陷。针对这一问题,本文提出了一种脉冲电流与约束固壁联合调控的超窄间隙焊接工艺,并研究了脉冲电弧特性对焊缝成形的影响。设计了固壁约束片状钨极脉冲电弧超窄间隙焊枪,用于实现304奥氏体不锈钢的超窄间隙焊接,并结合不同脉冲电流频率、占空比和平均电流等脉冲电流参数下超窄间隙焊缝截面形貌和几何特征参数的对比分析,以及焊接热循环曲线、约束脉冲电弧压力峰值及电弧形态变化规律,明确了脉冲电流和绝缘固壁耦合作用下片状钨极电弧对超窄间隙坡口加热特性的调控机理。结果表明,固壁约束片状钨极脉冲电弧超窄间隙焊枪可以解决TIG电弧在超窄间隙坡口中沿侧壁分流导致底角熔合不良的问题,实现坡口宽度为4 mm的超窄间隙焊缝成形。脉冲电流频率、占空比、平均电流和绝缘固壁约束作用对片状钨极电弧的协同影响是调控电弧加热特性的主要因素;脉冲电流频率的增加会增强脉冲电弧尖峰作用和电弧自磁压缩效应,最终导致坡口底部加热效果加强而坡口侧壁加热效果减弱;改变占空比会引起脉冲电弧热作用和脉冲电弧尖峰作用产生此消彼长的变化趋势;当占空比增加时,强化的脉冲电弧热作用首先占据主导并增强其对超窄间隙坡口的加热效果;此后,一旦弱化的脉冲电弧尖峰作用使电弧压力显著降低时,片状钨极电弧对超窄间隙坡口的加热效果将随之减弱;平均电流和绝缘固壁的耦合影响不仅会大幅提升片状钨极电弧对坡口底部的热力作用,还会限制坡口侧壁加热效果的强化。基于流体力学和麦克斯韦方程组,建立了固壁约束片状钨极脉冲电弧的三维模型,并采用合理简化假设,选择合适边界条件,对脉冲电流作用下的TIG电弧进行了数值模拟,求解了固壁约束片状钨极脉冲电弧温度、压力、电流密度、等离子体流速等,通过分析峰值电流,基值电流以及基值电流与峰值电流转变过程电弧物理场的变化来研究脉冲电弧特性的变化机理,并通过电弧形态以及电弧压力测量试验对比验证模拟结果。结果表明,基值电流作用下脉冲电弧温度,电流密度,压力,流速等均较小,此时基值电流只起到维持电弧燃烧的作用。在峰值电流作用期间,脉冲电弧温度、电流密度、压力、流速等迅速增大。在脉冲电弧由基值向峰值转变的过程中,焦耳热和电弧压力会出现一个大于峰值电流作用时的尖峰值,然后逐渐下降到达稳定状态。