水下湿法焊接技术以其低成本、可操作性强、适应程度高等优势被广泛应用于海上石油钻井平台、核电站、石油管道等近岸海洋结构的建造与维护领域。其中药芯焊丝焊接技术由于其焊接效率高且自动化程度高等优势,在深水焊接领域具有更广阔的应用前景,受到日益广泛的关注。然而由于水下湿法焊接过程直接暴露在水中,复杂的水环境会对焊接过程中的传质与传热过程产生交互作用,显著降低焊接电弧稳定性、改变熔滴过渡类型,进而直接影响焊接接头质量。关于水环境介质与焊接过程交互作用机制等领域的研究在国际上尚属空白。为此,本文揭示了水环境对整个焊接过程的影响机制,阐明了焊接气孔及氢致裂纹等常见缺陷的形成机理,并在此基础上提出改善焊接过程质量的措施与方法,对于推动水下湿法焊接技术发展具有十分重要的参考价值。本文比较了浅水环境下的焊接过程与陆上焊接的区别,分析了水环境介质对焊接过程产生的影响。借助于X射线高速摄像系统,明确了水下湿法焊接过程中电弧气囊的形成-上浮-破裂机制。揭示了电弧气囊在不同阶段的形态行为变化对电弧稳定性、熔滴过渡行为乃至焊接飞溅产生的影响机制。观察到了水下湿法焊接过程中熔池内部大量气体析出并逸出熔池的现象,并以此为切入点,分析了导致水下湿法焊接接头气孔率及扩散氢含量偏高的原因。对比了水下焊接与陆上焊接焊缝成形质量、微观组织演变以及接头力学性能的差异。总结出水下湿法焊接过程中存在的主要问题,指出高扩散氢导致的氢致裂纹增多是导致水下湿法焊接接头性能恶化的主要原因之一。研究了包括流速、流向、水温与盐度等因素变化对熔滴过渡、熔池形态及流动行为的影响规律。研究发现流速的增加会降低焊接过程的稳定性,以顺流焊接为例,随着水流速率增大至2.5m/s时,焊接飞溅的比例由4.23%增加至56%。这是由于水流推力改变了熔滴原有的受力模式,使熔滴收到的排斥力增大,导致了排斥过渡的比例增加,使部分熔滴因无法过渡进入熔池而形成的的熔滴型飞溅比例增大。同时,水流推力的存在改变了熔池的形状与位置,对焊缝成形质量造成了不良影响。在同样流速条件下,逆流施焊获得的焊缝熔宽显著减小而深宽比显著增大,其原因是逆流施焊时,水流直接作用于电弧,导致电弧进一步收缩,电流密度增大。研究发现,当焊枪与轴线夹角为36°时,熔滴最大排斥角度由150°降低至115°。说明可以通过倾斜焊枪角度,利用电弧力的水平分量抵消掉部分熔滴所受的水流推力,从而减小熔滴排斥角度,改善熔滴过渡过程,提高焊缝的成形质量。揭示了不同流速条件对焊缝接头的金相组织及性能演变的影响规律。发现由于E40钢的碳当量较高,导致其淬硬性较高,因此焊缝组织中存在较多的下贝氏体及马氏体等硬脆组织。而且,焊接接头对冷裂纹的敏感性较高,这使得其水下湿法焊接工艺参数的选择范围较窄。基于不同流速对熔滴过渡过程及焊缝组织性能影响的研究,针对碳当量为0.40wt.%的E40钢,能够进行焊接作业的流速临界值应为1.0m/s。阐明了深水高压环境对电弧气囊形态、熔滴过渡过程、熔池内部气体演变行为以及焊接接头质量的影响机理。随着水深增大,电弧燃烧的稳定性降低、短路与断弧现象出现的几率明显增加。电弧气囊与熔滴尺寸都出现了随水深增大而减小的变化趋势。电弧气囊尺寸的减小虽然在一定程度上减小了熔滴过渡受到的排斥力,但熔滴尺寸的减小显著降低了促进其过渡的自身重力。这导致了熔滴过渡时的偏离角度更大,增大了大角度排斥过渡与排斥型飞溅所占的比例。而环境压强的增加导致了熔池内析出的气体无法及时从熔池中逸出,使焊缝气孔率及扩散氢含量显著增加。当焊接水深为150m时,气孔率从由0.67%增加到8.67%,扩散氢含量由23.3ml/100g增加至66.3ml/100g。焊接接头的力学性能随水深增大显著降低,焊接气孔与裂纹是导致深水焊接接头性能与可靠性降低的主要原因。开展了提高水下湿法焊接过程稳定性及焊接质量的新型工艺探索与研究。基于电弧气囊动态的对熔滴受力影响的研究,开发了一套通过约束气囊行为,从而被动式降低熔滴受到的气体拖曳力,进而改善熔滴过渡行为的装置。该装置通过减少电弧气囊不稳定破裂导致对熔池的冲击,改善焊缝的成形质量。同时,降低电弧气囊自由上浮造成的热量散失,增加焊接有效热输入,减少硬脆相出现的比例。基于超声射流效应开发了一套能够主动控制熔滴过渡过程的辅助装置,使不稳定的熔滴排斥过渡和排斥型飞溅的比例分别降低了23%和4%;此外通过向熔池中引入超声能量,利用超声空化效应在熔池中产生大量负压空化泡,吸收金属熔体中的游离氢,有效降低了焊接气孔率及扩散氢含量;利用超声振动破碎枝晶使焊缝组织得到细化,提高了焊缝金属的力学性能。