水下湿法焊接作为海洋工程等领域的重要技术,在沉船打捞、海难救助、海底石油管道铺设等工程中有很广泛的应用。为了提高现有水下湿法焊接材料在复杂海洋环境的适用性、降低电能消耗和提高焊接生产效率,本课题基于热剂反应产热量大的优势,通过设计和研制产热型自保护药芯焊丝,着重分析了产热型自保护药芯焊丝水下湿法焊接传热过程的特征,并系统地研究了热剂的类型及含量对水下湿法焊接电弧稳定性、熔滴过渡过程及冶金行为的影响机理,在较低热输入下实现了E40钢和Q460钢的水下湿法焊接过程,获得了焊接质量良好的水下湿法焊接接头。通过理论分析及工艺试验验证,确定水下湿法自保护药芯焊丝基础配方,并阐明选择热剂体系的原则。针对碳当量(C_eq)为0.39wt.%的低合金钢E40,选择以TiO₂为渣系主要成分的低碳钢自保护药芯焊丝,在此基础上设计了含有Al/CuO的产热型低碳钢药芯焊丝;针对C_eq为0.46wt.%的低合金钢Q460,选择以CaF₂为渣系主要成分的镍基自保护药芯焊丝,并设计含有Al/NiO的产热型镍基药芯焊丝。采用X射线高速摄像系统和焊接电信号实时采集系统探究了热剂对水下湿法焊接电弧稳定性及熔滴过渡行为的影响机理。明确了热剂类型及含量与水下湿法焊接电弧稳定性的对应关系,通过静力平衡理论建立了液态熔滴的受力平衡模型,重点分析了Al/CuO体系对水下湿法焊接熔滴过渡行为的影响机制。发现热剂在一定含量范围内可以提高电弧稳定性,当含量超过30wt.%时,飞溅增多,使电弧稳定性变差。Al/CuO体系可以降低排斥过渡比例,并细化熔滴,提高焊缝成形质量。采用低碳钢自保护药芯焊丝,深入研究了热输入对E40钢水下湿法焊接电弧稳定性及焊缝金属组织性能的演变规律。在此基础上,分析了Al/CuO体系对焊缝金属凝固结晶行为的影响,建立了焊缝金属抗拉强度及冲击韧性与热剂含量之间的关系。发现热剂反应产物Cu是Al/CuO体系焊缝金属组织发生变化的主要因素。铜显著提高过冷奥氏体稳定性,使焊缝金属强韧性匹配变差,并增加焊缝金属产生热裂纹倾向。分析了产物铜在焊缝金属中的分布规律,发现在焊缝端部易形成沿晶界连续分布的富铜相,进而在接头残余拉应力作用下形成热裂纹。为了实现碳当量大于0.45wt.%的Q460钢的水下湿法焊接过程,采用镍基自保护药芯焊丝,系统分析了焊接工艺参数对镍基药芯焊丝电弧稳定性及接头质量的影响,确定了镍基药芯焊丝最优的工艺区间,并获得了焊接质量较高的Q460钢水下湿法焊接接头,揭示了镍基填充金属焊接C_eq大于0.45wt.%钢的优势。但研究发现Ni基自保护药芯焊丝的工艺规范区间比较窄,受到热输入限制。因此本课题进一步采用热剂Al/NiO,分析其对镍基自保护药芯焊丝水下湿法焊接电工艺性能的影响,阐明Al/NiO对焊缝金属冶金行为的影响规律。研究了热剂对水下湿法焊接传热过程的影响,揭示了焊接接头冷却速度与热剂组分的关系。结合实验测量及理论计算,研究了热剂对放热反应化学热、电弧产热及焊丝熔化系数的影响。发现热剂的添加改变了药芯焊丝的焊接热过程,Al/CuO及Al/NiO系药芯焊丝通过放热反应,化学热占比增加,减少了电能消耗,药芯焊丝的熔化系数变大。通过测量水下湿法焊接接头热影响区的热循环曲线,分析了热剂含量对冷却速度的影响,建立了冷却速度与焊接过程热输入的对应关系。通过热剂药芯配方设计改善了接头的微观组织和力学性能。产热型低碳钢焊丝药芯热剂含量约为20wt.%,焊缝金属在获得672MPa抗拉强度的同时,保持了较高的冲击韧性值为45J/cm²;产热型镍基自保护药芯焊丝热剂含量约为30wt.%,焊接电弧稳定性得到显著改善,焊缝金属抗拉强度为522MPa,冲击韧性值达到115J/cm²。为了进一步研究产热型自保护药芯焊丝的热量传输机制,明确热剂的反应产热在焊丝熔化中的作用。以焊丝干伸长为研究对象,定量地分析了水下湿法焊接过程中干伸长段焊丝的产热及散热平衡。电弧热、化学热及电阻热是焊丝熔化主要的能量来源,并分析了液态熔滴与电弧气泡的对流换热作用。在此基础上,对比同一焊接参数的空气焊接过程,定量地分析了热剂对电弧热效率的影响。最后,采用有限元数值模拟的方法,预测产热型自保护药芯焊丝水下焊接接头的冷却速度,模拟结果与实测值的对比验证了模型的可靠性。