水下湿法焊接（Underwater wet welding,UWW）因具有成本低、操作简单及适用能力强等优点,在水下海洋结构件建造与维修中获得了广泛应用。在UWW过程中,电弧周围营造的局部气相区,称为电弧气泡。由于电弧气泡与周围水介质的相互作用,其动态行为会影响电弧稳定性,进而将直接决定焊接过程质量,所以如何改善电弧气泡动态行为是UWW稳定施焊的重中之重。鉴于功率超声在焊接领域广泛应用,利用其特有的声学特性来影响焊接过程具有很好的发展潜力。因此,本文从电弧气泡行为研究的角度出发,提出超声辅助水下湿法焊接（Ultrasonic wave-assisted UWW,U-UWW）这一新方法,通过声辐射力控制电弧气泡动态变化来保证焊接过程稳定性。文中依次分析声场作用下气泡演变过程、电弧稳定性及焊缝成形的变化规律,结合空间声场模拟结果,详细地探讨超声的引入对电弧气泡的影响,揭示电弧气泡的改变对电弧稳定性及熔滴过渡行为的影响机制,并从热过程变化的角度,阐明U-UWW接头性能的改善作用。本文的研究不仅为实现声调控气泡技术提供理论基础,还对提升水下焊接质量具有重要意义。分析了常规UWW和U-UWW电弧气泡行为。采用高速摄像装置和电信号分析系统,对不同焊接参数下常规UWW电弧气泡演变过程进行观察与分析,获得了四种不同的电弧气泡演变模式。以电弧气泡几何尺寸变化为依据,确定常规UWW形成稳定电弧气泡的条件,并通过机械约束方式验证了电弧气泡稳定性评价的可行性。同时,研究了声场作用下不同电弧气泡演变模式的影响规律,发现其形状及运动过程发生变化,其中常见的缩颈现象被消除,气泡的动态稳定性得到改善,其改善程度受焊接参数和声场参数的影响。研究了U-UWW电弧稳定性的变化规律,发现不同焊接参数和声场参数下,U-UWW电弧稳定性均优于常规UWW。借助焊接过程电信号特征和高速摄像等方式研究熔滴过渡行为的变化规律,分析电弧气泡的变化对熔滴过渡过程的影响,着重从熔滴特征尺寸、形态及过渡过程稳定性等方面探究超声所带来的影响。施加超声后熔滴排斥现象减弱,熔滴直径由4.5mm减小到3.83mm,过渡频率由7.9Hz增加到10.5Hz,熔滴过渡周期缩短且过渡过程相对稳定。基于焊缝成形的变化,建立了U-UWW过程稳定性与焊缝成形之间的对应关系,电弧稳定性与熔滴过渡变化对焊缝成形产生影响。在超声作用下,熔池表面始终附着稳定的大尺寸气泡,减少了水介质的冷却散热,使得更多的热量转移到焊接熔池中,焊缝熔深和熔宽均增加。此外,气泡-声相互作用程度也与声场参数、焊接参数有关,导致焊缝几何形状发生变化,在不同焊接参数下,U-UWW的熔合比均增加。结合相应的试验数据,建立平面声场轴对称模型,提取声压、时间平均势及声辐射力等数据,研究了水介质空间内声场分布状态。发现气泡的存在使得水中声压分布明显改变,气泡表面方向向下的轴向声辐射力是约束气泡上浮的主要因素。随后分析了声辐射力与电弧气泡的作用机制,声辐射力改变了常规UWW电弧气泡受力平衡情况,使得电弧气泡在运动过程中存在不同程度的横向偏移。结合水中气泡的运动特征分析声辐射力的作用效果,阐明了声辐射力的影响本质,揭示了四种电弧气泡演变模式在超声作用下出现差异的原因。电弧气泡运动特征的改变使得气体拖曳力和气泡浮力对熔滴过渡的阻碍作用减弱,这是熔滴尺寸和排斥角度减小、过渡频率增加的主要原因。对比分析了常规UWW和U-UWW接头组织和力学性能,从声调控气泡的角度出发,研究了超声对焊接接头组织和力学性能的影响机制。在U-UWW焊缝区相变组织中观察到针状铁素体的存在,在完全相变热影响区,马氏体含量减少而上贝氏体含量增加。与常规UWW相比,U-UWW焊缝和熔合线处冲击韧性均呈现不同程度的提升,接头具有良好的力学性能。对于接头硬度而言,U-UWW焊缝区和热影响区硬度值均低于常规UWW,并且硬度值的跳动减小。对比研究了超声加载方式对焊接熔池凝固过程的影响,并结合热循环特点,揭示了U-UWW接头性能改善的作用机制。将超声加载在母材表面并通过母材传递到熔池中,焊缝相变组织产物与常规UWW的相似,但是晶粒尺寸和形貌产生差异,热影响区组织并没有发生变化,这与超声加载在电弧气泡上方时气泡声调控作用机制不同。声调控作用下气泡演变特征的改变使得焊接热过程明显改善,导致热影响区冷却速度呈现不同程度的降低,熔合线附近热影响区t_8/5冷却时间由4s增加到6.4s,最终焊接接头微观组织产生变化,其变化趋势与焊接热过程的特点基本一致。在U-UWW中焊接热过程的变化是造成焊接接头组织和性能改善的最本质原因。