随着海洋资源的开发和利用,不锈钢因其良好的耐腐蚀性能在涉水结构中多有应用。不锈钢的水下湿法焊接作为此类结构建造、日常维护以及应急抢险中的关键技术,其焊材的选择对焊接质量起到决定性的作用。在水下湿法焊接材料中,氟化钙因其良好的去氢效果,使焊缝中气孔等缺陷减少,提高了焊接接头质量,因而得到了普遍的采用。但氟化钙在焊接过程中产生的氟离子对不锈钢材料有较强的腐蚀性,易形成贯穿性的腐蚀孔洞,使焊接结构严重破坏。因此,开发适于水下湿法焊接的无氟型药芯焊丝成为必要。为了在保证焊接质量的前提下,减少或杜绝氟化物在焊材中的使用,必须透彻了解氟化钙在水下焊接过程中的作用机理。为此,本文对含有不同氟化钙含量的药芯焊丝水下湿法焊接过程开展了相关研究,在探究了水下湿法不锈钢药芯焊丝焊接工艺的基础上,从传质过程和接头组织性能两方面对药芯中氟化钙在水下湿法焊接中的作用做了重点研究。自主研发了水下湿法焊接专用不锈钢药芯焊丝,并对焊接成形、微观组织及力学性能做了系统性的评价,结果表明熔渣保护性良好,焊接成形优良,无明显的缺陷。焊缝微观组织分布合理,且有较多细小颗粒区域出现。焊接接头力学性能优良,最大拉伸强度为545 MPa,最大冲击韧度为132 J/cm2。采用自主研发的X射线高速成像及电信号同步采集系统对不同CaF2含量焊丝水下湿法焊接过程中熔滴过渡图像、飞溅图像及电信号数据进行采集和分析。通过建立熔滴的受力模型,分析熔滴过渡和飞溅形成的原因,阐明了CaF2含量对水下湿法焊接传质过程的影响规律。结果表明本试验中熔滴过渡形式主要为:排斥过渡,表面张力过渡及类飞溅式过渡。类飞溅式过渡为本试验中首次提出水下湿法焊接独有的一种过渡模式,其所占比例与药芯中CaF2含量成反比。本试验焊接飞溅类型主要分为五种形式。其中,气体逸出型飞溅和熔池震荡型飞溅为主要的飞溅形式。熔滴旋转型飞溅和排斥型飞溅在CaF2含量较低时发生概率更大,而爆炸型飞溅较少出现。对于电弧稳定性,水下湿法焊接过程中均存在短路和断弧的现象,随着药芯中氟化钙含量的逐渐增多,短路比例和断弧比例均呈现先增加后减少的趋势。研究了药芯中CaF2含量对水下湿法焊接接头组织成分及力学性能的影响。结果表明,随着CaF2含量的增多,底部胞状晶区域面积比例加大,而顶部细晶区的面积比例逐渐减少。焊缝中各元素在镍基中均以固溶形式存在,且含量均随CaF2含量的增多而减少。在焊丝中加入少量CaF2后,强度和韧性等力学性得到了显著的提升。而随着加入的Ca F2含量继续增多,拉伸强度和冲击韧性均逐渐降低。