基于GMAW(熔化极气体保护焊)的电弧增材制造技术具有组织致密、化学成分均匀、熔敷效率高以及生产成本低等很多优势,广泛应用于大尺寸金属件的增材制造与修复。悬垂结构是复杂构件中非常常见的组成部分。在非金属增材制造中往往通过添加支撑实现悬垂结构的成形,其设计与制造已经较为成熟,而金属增材制造的支撑结构还处于初步研究阶段且面临很多困难与挑战。因此,研究无支撑悬垂结构成形的影响因素,探索悬垂结构良好成形的极限倾角,实现大角度悬垂结构的自支撑具有重要的研究意义。本文以解决无支撑悬垂结构制造过程中的一系列工艺问题、获得较为普适的工艺规范和加工策略为目标,通过熔池观察、理论分析及一系列工艺试验对悬垂结构展开研究,实现了大角度倾斜悬垂结构的良好成形并堆敷出了悬垂结构典型件。首先搭建了机器人GMA增材制造试验系统,研究了平焊时不同工艺下的熔敷道成形质量,获得了初步工艺参数区间并确定了熔敷电流和熔敷电压的匹配关系。通过建立的视觉传感系统观察了悬垂结构堆敷过程中的液态熔池,对熔池流淌现象进行了初步分析。建立了无支撑悬垂结构堆积模型,引入了悬垂角和焊枪倾斜角的概念,提出了堆积过程中材料缺失问题的解决方法,并确定了悬垂结构的成形标准。对液态熔池进行了受力分析,为较小热输入下焊枪倾斜角的选择提供了理论指导。在线能量450J/mm下,悬垂角30°时,倾斜角应为41.41°;悬垂角45°时,倾斜角应为61.25°;悬垂角60°时,倾斜角应为80.04°。以45°倾斜悬垂结构为研究对象,分别探索了熔敷电流、行走速度、焊枪倾斜角对悬垂结构成形的影响。通过正交试验确定了不同悬垂角对应的工艺参数区间,并制订了不同悬垂角下倾斜结构的加工策略,分别堆敷出30°、45°、60°多层单道倾斜结构。设计并完成了水平悬垂结构搭桥试验。最后选取螺旋桨模型作为典型件,针对该模型的特征进行了曲面分层切片与空间路径规划并生成了机器人执行程序。通过GMA增材制造获得的螺旋桨成形质量良好,无明显熔池流淌,有效厚度在5mm以上,验证了工艺规范及加工策略的适用性。