等离子弧焊接过程中，强烈的电弧压力穿透熔池，形成一个充满高温气体的小孔，极大地增强了沿焊件厚度方向的热量传输和利用。因此，清楚认识该过程中的传热机理极为重要。本文仿照实际的热物理过程，开发出一种新颖的动态热源模型，能量密度分布随小孔变化而动态增长。模型上部采用高斯平面热源，下部采用耦合小孔增长的动态锥体热源，能够有效地表征热量沿厚度方向传输过程。同时应用体积流函数(VOF)方法追踪小孔界面，并通过将小孔深度作为热源高度参数调控热源分布，实现了传热过程和等离子弧穿孔过程的动态耦合。采用该热源模型，建立了等离子弧焊接熔池传热、流动、相变和小孔演变的三维数理模型，研究焊接熔池和小孔在热-力耦合作用下的形成过程。数值模拟获得了穿孔过程中动态演变的能量密度分布和相应的焊接温度场，同时考察了小孔界面及其周围熔融金属流动的演变过程。上述分析详细揭示了小孔效应对熔池内传热和流动的影响，有效地认识了等离子弧焊接形成独特的“倒喇叭”焊缝形状的成因。最后开展了等离子弧焊接实验测试，实验获得的焊接熔池横截面形状、尺寸以及等离子弧完全穿孔的时间都与模拟结果吻合较好，验证了本文数学模型和所提出的动态热源模型的正确性。