水下焊接作为一种重要的技术手段,在海上石油平台、水下矿产开发,管道修复、核电站建设与维护等海洋工程项目应用不断增多。基于自保护药芯焊丝的水下湿法焊接不需要额外的排水设备,操作方便、通用性强,更加易于实现自动化和智能化,是水下焊接技术发展的重要趋势。但是,周期性上浮的气泡会不断地对熔滴过渡过程造成干扰,导致熔滴直径较大,且过渡频率较低,不利于焊接过程的稳定。本文利用同步检测视觉信号和电信号的手段,深入揭示了水下熔滴气泡的相互作用机理,并提出对熔滴过渡和气泡行为进行一体化调控,显著提高了焊接过程的稳定性,并改善了水下焊缝的组织和性能。通过合理的光路设计和背景光源的选择,搭建了一套水下湿法焊接过程中熔滴、电弧、气泡的同步视觉检测系统,并结合电信号同步技术,研究了起弧阶段、气泡生长阶段、气泡分离阶段电弧、熔滴的动态行为。在水下起弧时,电子发射和气体电离过程均在由电阻热产生的气泡中进行,由于气泡内气体温度经历了一个骤升和骤降的过程,这导致了气泡的体积瞬间增长和随后的瞬间缩小溃散。在气泡生长阶段,由于气泡内气流相对稳定,电弧和熔滴波动较小。在气泡分离阶段,缩颈处高速流动的气体对电弧和熔滴产生较大的干扰,导致电弧长度增大,不利于焊接过程的稳定。在空气中焊接时,由于没有外界因素的干扰,熔滴过渡过程较为平稳,而在水下,周期性上浮的气泡对熔滴过渡造成了强烈的干扰。为实现对熔滴、气泡二者动态行为的一体化调控,首先揭示气泡对熔滴过渡的阻碍作用机制至关重要。探究了不同电弧电压条件下熔滴、气泡的动态变化规律,详细描述了熔滴气泡的相互作用关系,从气泡阻碍熔滴过渡的角度的讨论了低电压条件下熔滴尺寸大、过渡频率低的原因。在两气泡分离阶段的缩颈处对熔滴过渡的影响最大,当熔滴位于缩颈上方时,极易被分离的气泡带走形成飞溅,同时,偏离焊丝轴心上浮的气泡以及不规则的气泡均会造成熔滴过渡时偏离焊丝距离较远。在相同的焊接参数下,水下电弧相比于空气中发生明显的缩短,并从水环境的快速冷却作用、气泡内高含量的氢气成分、气泡内气流的干扰、水压等方面,综合分析了水下电弧柱收缩的机理。为了将熔滴过渡频率和脉冲电流频率相匹配,优化了基于LabVIEW的脉冲电流焊接程序,在脉冲频率最低为8 Hz条件下实现稳定焊接过程。通过在脉冲峰值电流前添加不同斜率的上升沿,得出当上升沿与峰值电流前相平齐时,气泡的形态最为规则,并在该波形下初步实现了“一脉一滴两泡”稳定的熔滴过渡过程。在“多脉一滴多泡”熔滴过渡模式下,一个脉冲周期内没有足够的热量来过渡熔滴,且气泡对熔滴的干扰作用无明显规律,飞溅较为严重。在“一脉一滴两泡”熔滴过渡模式下,脉冲电流频率和熔滴过渡频率相同,熔滴热量输入更加均匀,且气泡的频率相对固定,一定程度上弱化了气泡对熔滴的干扰作用,焊接过程更加稳定。对比了在在大滴排斥过渡、“多脉一滴多泡”、“一脉一滴两泡”熔滴过渡模式下的焊缝成形、金相组织、硬度、拉伸性能。在大滴排斥过渡、多脉一滴多泡模式下,焊缝成形较差,飞溅较多,金相组织主要由块状铁素体组成;在“一脉一滴两泡”熔滴过渡模式下,焊缝成形无明显的缺陷,更加较为均匀、连续,更加接近空气中的焊缝形貌,金相组织由块状铁素体和针状铁素体组成,组织成分有一定的改善。三种熔滴过渡模式下的焊缝部位的硬度均与母材相当,在大滴排斥过渡模式下的焊接接头热影响区硬化最为严重,在“一脉一滴两泡”模式下,焊缝部位的硬度略低于另外两种熔滴过渡模式下的焊缝硬度。大滴排斥过渡模式下,断裂位置出现在焊缝或热影响区,在“一脉一滴两泡”模式下,断裂位置均出现在焊缝,抗拉强度值提升不够明显。