水下湿法药芯焊丝电弧焊(FCAW)技术具有焊接效率高,适用于自动化焊接等优势,受到日益广泛的关注。与空气中焊接相比,水下湿法焊接稳定性差,飞溅数量较多。基于熔滴过渡控制技术开发专用焊接设备是提升焊接质量的一条重要途径,但由于水下焊接作业环境中的水体对光线的吸收、气囊的干扰等因素使水下湿法熔滴过渡过程的光学观测变得困难,水下湿法焊接熔滴过渡控制技术研究工作难以顺利开展。本文利用基于X射线高速成像技术,突破水环境对熔滴过渡观测研究的制约,进而获得了清晰的水下湿法焊接过程动态影像。在此基础上系统地研究了水下湿法药芯焊丝熔滴过渡过程,并以准确高效地评估焊接过程稳定性为目的,对各类焊接过程稳定性评估指标进行筛选,确定了以电弧电压变异系数为主的焊接过程稳定性评价指标,实现了对焊接过程稳定性的定量分析。研究了水下湿法药芯焊丝焊接的熔滴过渡过程,将其分为排斥过渡、表面张力过渡和短路过渡三类。分析了焊接参数对水下湿法焊接熔滴过渡过程的影响:增大焊接速度、电弧电压或者降低送丝速度均会增加排斥过渡发生的几率;加快送丝速度或降低电弧电压则易于发生短路过渡。研究结果表明,持续的短路过程易于引起熔滴爆炸,对焊接过程稳定性不利;排斥过渡时熔滴长时间悬挂于焊丝端部,易于发生断弧现象,也不利于实现稳定的焊接过程。从焊接过程稳定性角度考虑,适宜的焊接参数为电压30-34 V,电流180-220 A,焊接速度1.5 mm/s。揭示了水下湿法焊接过程中常见的飞溅类型并分析其发生机理,水下湿法焊接时主要存在排斥型飞溅、气体逸出型飞溅和爆炸型飞溅等三类飞溅。研究了熔滴过渡与飞溅类型之间的关联,在适宜电弧电压条件下,排斥过渡过程中易于发生飞溅的频率最高,达到4 Hz以上,且飞溅量随着排斥过渡比例的上升而增加。确定了通过抑制排斥过渡所占比例,提高焊接过程稳定性的策略。鉴于不同环境条件下熔滴过渡过程差异显著,从保护气囊、焊丝、电弧等三个角度入手,对比分析电弧周围环境差异对焊接过程的影响规律:保护气囊体积随着焊接参数的增加而增加,受气囊保护的区域随之扩大;水环境中电弧热量易于散失对焊丝的熔化过程影响较大,因此水下药芯焊丝熔化过程与空气中差异显著;受水环境影响,水下电弧收缩程度较大。电弧电阻率上升,与空气中相比,水下药芯焊丝电弧焊静特性曲线向左上方偏移。通过对比分析电弧周围环境差异对熔滴受力的影响,解析了水下湿法焊接排斥过渡发生机理:由于水环境引入的气体压力和气体拖拽力等对于水下湿法平焊熔滴过渡过程的阻力,加之受水下激冷环境影响而增加的表面张力,熔滴所受的阻碍力增加,过渡困难;由于阴极斑点和气囊生成区域位置漂移不定,熔滴在水平方向所受外力促使其朝外力合力方向排斥,直至熔滴脱离焊丝。上述原因导致了水下湿法焊接过程中存在大量排斥过渡过程。为抑制排斥过渡比例,开展了脉冲电流技术在水下焊接中应用研究。试验发现脉冲电流方式主要是通过周期性地改变电磁收缩力抑制排斥现象,促进熔滴过渡,实现了对水下焊接过程的改善。尽管由于电弧压缩,水下湿法电弧包裹熔滴区域的面积减少,但考虑到水下焊接时熔滴尺寸以及电弧包裹角的综合影响,总体上电磁收缩力起到了促进熔滴过渡的作用。提出了“电磁收缩力周期作用程度”这一指标综合评估脉冲电流参数,并利用焊缝余高变异系数考核不同条件下焊接质量,当脉冲频率在15-20 Hz,峰值电流350 A,脉冲频率20 Hz左右时,余高变异系数低于10%,焊接效果较好。为进一步抑制排斥过渡比例,改善焊接过程稳定性,设计了受控送丝系统并开展相关研究。在脉冲送丝方式的研究中发现:送丝停顿时刻熔滴所受的惯性力是加速熔滴过渡的原因,脉冲频率越高,停顿时间越长,惯性力作用效果越明显。对于脉冲送丝方式,较优参数为:脉冲频率30 Hz,占空比50%。开展了焊丝回抽方式在水下湿法焊接应用研究,发现利用机械外力回抽焊丝,可以加快熔滴过渡过程,减小排斥角度,能更好地实现抑制排斥过渡的目的。但是在焊丝回抽过程中由于强制拉长电弧,熔池波动程度剧烈,与脉冲送丝方式相比焊接过程稳定性变差。对比分析了不同熔滴过渡控制方式下焊接过程,研究结果表明脉冲电流方式更适合水下湿法焊接。与传统方法相比,脉冲电流方式在热输入量不变的前提下,排斥过渡比例降低50%,焊缝组织及力学性能得到优化,适用于水下湿法药芯焊丝焊接过程。