随着对海洋资源的开发和利用,大量涉水结构的组装、建造、维修及维护亟需成熟的水下湿法药芯焊丝焊接（FCAW）技术来完成,但目前湿法焊接过程及质量的稳定性与可控性相对较差,无法满足目前日益增长的技术需求。焊接冶金行为贯穿整个焊接过程,对焊接过程稳定性、熔滴过渡特征、熔池行为、焊缝成形以及焊接质量起到决定性作用。因此,从冶金角度探究湿法焊接过程稳定性差的本质以及相应的改善措施是改善焊接过程稳定性、提高接头质量的有效途径。本文从探究湿法焊接冶金反应特征着手,建立冶金与熔滴过渡过程、熔池动态行为之间联系,提出改善焊接过程稳定性的策略,进而开发水下湿法焊接过程稳定、焊接接头质量优良的自保护药芯焊丝。本文基于热力学反应原理,探究了陆上焊接和湿法焊接药芯反应区、熔滴反应区和熔池反应区的冶金反应,并结合对焊接前后环境介质的分析,对焊接过程不同阶段的熔滴及熔渣成分的探究,阐明了湿法焊接冶金主要特点:水下湿法焊接过程中有大量气体的参与和形成,致使熔滴呈空心状态及熔渣内侧存在较多气孔。在此基础上,分析了冶金特征对熔滴过渡过程和熔池动态行为的潜在影响,为建立焊接冶金与焊接过程的关系提供了基础。分析了湿法焊接熔滴过渡特性。采用X射线高速成像系统,对湿法焊接熔滴过渡过程进行了观察与分析,揭示了湿法焊接熔滴特征:熔滴在形成、过渡及落入熔池中均始终进行着充气-排气过程,获得了三种常见的熔滴过渡模式:排斥型过渡模式、表面张力型过渡模式及类飞溅型过渡模式,通过对现有熔滴特征及现有受力模型的分析,建立了更为准确的水下湿法焊接熔滴受力模型,揭示了气体动力在湿法焊接熔滴过渡过程中不可忽视的作用。探究了焊接冶金对焊接过程的影响机理。基于电信号同步采集系统,分析了陆上焊接和水下焊接电弧特征,建立了熔滴过渡和电弧稳定性间联系,阐明了湿法焊接短路和断路现象较多的原因。通过焊接过程原位观测,阐明了水下湿法焊接飞溅形成过程,提出了四种水下湿法焊接常见的飞溅模式,并通过建立受力模型分析了各种模式下飞溅形成机理。通过对熔滴过渡过程、电弧稳定性及焊接飞溅的综合分析,确定了焊接冶金特征对焊接过程稳定性的影响机理,阐明了造成湿法焊接过程稳定性较差的本质:熔滴中频繁的气体充入和排出,使得电弧不稳、熔滴易于排斥飞出及飞溅增多。进而从周围环境介质和冶金反应角度分析,揭示了熔滴中气体的充气-排气过程形成机理,并通过改变药芯中主要冶金组分进行了验证试验,阐明了熔滴中气体的主要来源。对水下湿法焊接熔池内部形态开展了开创性研究。采用X射线高速成像系统,对陆上和水下焊接熔池进行了采集和对比分析,揭示了湿法焊接熔池主要特征:熔池内部主要由气泡组成,液态金属以气体壁形式存在。探究了熔池的动态行为,通过分析熔滴冲击和熔池内部气泡演化对熔池金属运动的影响,揭示了湿法焊接熔池波动较为剧烈的原因,并结合焊后形貌,阐明了熔池动态行为对焊接成形的影响机理。同时,为了定性和定量评价熔池波动稳定性,采用了熔池上固定点高度波形图对陆上焊接和水下焊接熔池波动进行了评价,湿法焊接波形图的标准差（1.7168）约为陆上熔池的（0.9038）两倍。通过对比分析不同焊接参数焊接熔池动态行为与该方法的评价结果,证实了该评价方法的合理性。分析了熔渣在熔池表面的动态行为,探究了电弧气囊及其熔池中排出气体对熔渣动态行为的影响,阐明了液态熔渣在焊接过程中所起作用:促进熔滴过渡、减少飞溅并通过抑制熔滴、熔池中气体含量从而改善熔滴过渡及熔池波动的稳定性。揭示了液态熔渣在湿法焊接中的重要性,为后续新的冶金体系的开发奠定了基础。开发了新型水下湿法焊接药芯焊丝。基于对焊接过程和焊接熔池的研究成果分析,设计了一种高熔点相CaTiO3渣系的药芯焊丝,药芯中以CaF2和TiO2为主,设计其比例为1:1。通过对新型药芯焊丝焊接过程的观察和分析,阐明了其焊接过程特性:液态熔渣不仅覆盖了熔池凝固区域,还包裹了电弧和熔滴等整个焊接区域,达到了类似于埋弧焊效果。并对其焊接过程稳定性进行了评价,结果表明焊接过程十分稳定,焊接过程中没有断弧现象发生,短路时间占比仅为0.1%,熔滴在较小尺寸时就完成过渡,熔滴和熔池不存在明显的气泡,整个焊接过程基本没有飞溅的产生。进而对其焊接接头质量和熔渣物相结构进行了探究,证实了熔渣主要含有CaTiO3。焊缝成形美观,焊缝组织以胞状晶和胞状树枝晶混合区为主,且其扩散氢含量较低,在现有焊丝的基础上约减少了25%,达到3ml/100 g。