水下湿法药芯焊丝电弧焊接(简称水下湿法FCAW)是一种操作简便、适应性好、生产效率高、成本低廉的水下工程结构制造和修复技术。在当今水下工程结构数量越来越多、体量和复杂性不断上升的趋势下,它具有良好的应用前景。但是,水下湿法FCAW工艺过程中,电弧、熔滴、气泡、熔池和水在数十毫米的狭小空间尺度内相互作用,涉及的物理和化学现象复杂,导致焊接过程稳定性差、调控困难。目前,该工艺还难以保证焊缝成形的质量和接头性能的可靠性,限制了其在重要结构制造中的应用。深入了解水下湿法FCAW工艺涉及的物理现象和过程规律,分析水下湿法FCAW过程中熔池流动与传热行为、气泡与电弧的动态演变以及电弧-气泡间的相互作用,有助于对该工艺过程的调控和优化提供理论支撑,具有重要意义。搭建了水下湿法FCAW物理过程检测平台。实时采集了水下湿法FCAW过程中的电弧电压和焊接电流波形。通过视觉检测系统拍摄了熔滴过渡、气泡动态变化以及电弧状态的高帧率图像。使用热电偶检测了工件的热循环曲线,提出了改进的红外测温系统。获得了典型工艺条件下的焊缝成形。基于上述实验数据,初步分析了水下湿法FCAW工艺过程的特点以及水环境对其的影响。从热传导的角度,综合考虑水下湿法FCAW过程中水环境对电弧的压缩以及对工件表面散热的影响,利用有限元分析软件SYSWELD,建立了水下湿法FCAW热传导过程的数值分析模型,计算了水环境中的工件温度场。上述模型计算的焊缝熔合线尺寸与实验结果吻合良好。分析了水深和水流速度对水下湿法FCAW焊接热过程的影响规律,预测了不同水深和水流速度情况下的焊接温度场。考虑水下湿法FCAW 工艺过程中电弧热、电弧压力、工件热损失条件和熔滴冲击现象的差异,建立了该工艺过程熔池流动与传热过程的三维瞬态模型,定量分析了其熔池行为以及熔池所受的热力作用。结果表明,水下湿法FCAW的熔滴动量较大,可推动熔池流体较强烈地向下运动。但由于熔滴过渡周期较长,前后熔滴对熔池流动和热量传递的影响难以叠加。水下湿法FCAW过程中,熔池纵截面存在从电弧下方先朝下、再向后的环流,对维持和增加熔深起主要作用;同时,熔池上表而存在由电弧中心先朝外、再向后的环流,这对维持和增加熔宽有重要影响。水下湿法FCAW工件表面的对流换热对工件冷却起主要作用,限制了水下湿法FCAW的熔宽。在所采用的模型中,熔渣对熔池流动和热分布的影响有限。建立了水下湿法FCAW焊接电弧与气泡动态演变过程的数值模型,获得了不同时刻水下电弧热流和电流的分布状态以及气泡的瞬态变化过程,定量分析了水下湿法FCAW焊接电弧与气泡之间的相互作用机制。结果表明,每个周期内包裹电弧的气泡会经历“长大-底部收缩-缩颈分离”三个阶段的动态演变过程,模型预测的不同时刻气泡的形态与高速摄像机检测结果基本吻合。药芯受热反应释放的气体在电弧中电离、解离产生等离子体,在电弧电磁场作用下,持续高速地流向工件表面,是维持气泡笼罩住电弧的关键因素。气泡的水平半径发生收缩时,首先使电弧外围的低温区域宽度减小,再逐渐依次压缩较高温度的区域。气泡体积和形态的变化对电弧中心电流密度较高区域的影响不明显。预测气泡的形态和体积对电弧的热传导加热作用和电弧剪切力分布有一定影响,但对电弧压力分布和电子逸出传热的影响较小。