水下焊接作为一种高质量的连接方法,在海洋工程结构的制造与修复方面具有十分重要的作用,是海洋资源开发利用等领域不可或缺的共性关键技术。由于水下焊接环境恶劣,施工难度大,尤其是在深水条件下焊接时,周围水环境和大水压均会对焊接过程造成不利影响。为研发高质量、低成本的水下焊接技术,针对深水条件下的水下焊接新方法和新材料展开研究,具有重要的理论意义和工程应用价值。近年来提出的水下埋弧焊接,相比传统的水下湿法焊接展现出了明显优势。为将该方法应用于80 m深水条件下的极端环境,本文围绕深水焊接关键物理过程和接头组织性能变化规律开展了研究工作,研制了多种新型药芯焊丝,揭示了工艺参数和药芯成分对接头组织性能的影响。本文研究了 80 m深水条件下焊接工艺参数对焊缝成形及气孔率的影响,分析了接头气孔率偏高的原因。在相同参数下,相对0.3m浅水条件下的水下埋弧焊接,80m深水时的焊缝成形差、气孔多。试验发现,减慢焊接速度对减少气孔率的作用最大。但在最佳焊接工艺参数条件下得到的堆焊焊缝仍有少量气孔集中在焊缝顶部,气孔率为0.71%。同时对接接头内部有微气孔,导致其综合力学性能较差。研究发现,在焊接过程产生的气体中,H2体积分数最大,为77.3%,证明气孔类型主要为氢气孔。为了解决氢气孔的问题,研究了焊丝药芯中不同质量比例的CaF2对深水埋弧焊接的影响,研制了适用于80m深水条件下添加CaF2的新型药芯焊丝。研究发现,随着焊丝药芯中CaF2含量的增加,焊接过程中产生的氢气的体积分数呈现先减小后增加的趋势,焊丝药芯中加入55 wt%CaF2时,氢气的体积分数最小,仅为27.1%。同时,电弧稳定性先增强后减弱,焊接过程中的产气速度先减小后增加,焊丝药芯中加入45 wt%CaF2时,电弧稳定性最好,产气速度最慢,焊缝内部无气孔,对接接头的平均抗拉强度达到了 587.10 MPa,平均延伸率为16.31%,正弯与背弯均可达到180°。但由于对接接头的焊缝区的晶粒粗大,存在大量珠光体组织,导致其冲击韧性不理想,常温冲击韧性为 36.04 J/mm2。开展了提高焊接接头冲击韧性的探索性研究,研究了焊丝药芯中不同质量比例的Al2O3纳米颗粒对埋弧焊接接头性能的影响规律。研究发现,在焊丝药芯中加入纳米颗粒后,阻碍了晶界移动并限制了晶粒长大,堆焊焊缝和对接接头的晶粒尺寸均减小,尤其是对接接头细晶区的平均晶粒尺寸从7.02 μm减小至4.11 μm。焊丝药芯中加入5 wt%纳米颗粒时,对接接头的综合力学性能最好,常温冲击韧性提高了 12.8%。