熔化极电弧增材制造(Gas Metal Arc-Additive Manufacturing,GMA-AM)以生产成本低、熔敷效率高等优点而受到关注。目前,对GMA-AM过程中的热积累问题主要通过减小熔敷电流或延长冷却时间予以解决,这在一定程度上削弱了该工艺本身的优势。基于此本文提出对GMA-AM过程的能量调控,通过引入旁路电弧,在不改变熔敷效率的前提下减少GMA-AM成形件的热输入。本文将钨极惰性气体保护电弧(Gas Tungsten Arc,GTA)作为旁路引入GMA增材制造,并对其工艺成形特性、熔敷尺寸调控、熔敷热过程以及成形件组织性能等进行了深入的研究。首先建立了旁路GMA增材制造试验系统,利用GTA旁路实现电弧的分流。分析了GTA焊枪位置对成形过程的影响,当GTA焊枪在前,GMA焊枪在后时可以获得更好的熔敷形貌。在此基础上进行单道单层旁路GMA熔敷试验,获得成形良好的工艺规范区间。试验表明,随着熔敷电流的增大,可以在更大的堆积速度下采用区间更大的旁路电流获得良好的熔敷成形。在相同的熔敷电流和速度下,随着旁路电流的增大,熔敷宽度减小,熔敷高度增大,熔深减小。在不同的熔敷电流下,引入旁路电弧后均能有效地减少母材金属的熔化量及热影响区的面积,并且随着旁路电流的增大,其减小的程度也更显著。按照熔化面积的计算,在相同熔敷电流和堆积速度下,母材的热输入最大可以减少20%以上。研究了多层单道旁路GMA增材制造成形特性。在小熔敷电流(160A)下,只有在一定的旁路电流范围内(40A~80A)才能获得良好的熔敷成形。引入旁路电弧后,单墙体起、熄弧端高度差异减小,有利于提高材料利用率,并且在相同的层间温度下,所需要的层间冷却时间减小,在旁路电流80A时层间冷却时间缩短15%。在大熔敷电流(大于200A)下,传统GMA-AM过程电弧压力、熔滴冲击力以及熔池本身的重力较大,导致液态熔池金属容易流淌,多层单道熔敷成形差。通过降低层间温度以及增大堆积速度的方法也难以获得良好的成形。引入旁路电弧可以减少成形件的热输入以及电弧压力等,因此可以在250A的熔敷电流下获得良好的熔敷成形,扩大原来GMA熔敷电流的范围。建立了GTA旁路GMA熔敷工艺参数(包括旁路电流、堆积速度和电压)与熔敷层宽度、高度及熔深的二次回归模型。通过该模型可以分析各参数对熔敷尺寸的影响,预测不同工艺参数下的熔敷尺寸。在此基础上,通过改变旁路电流和堆积速度两种方式堆积相同熔敷宽度的单墙体,结果发现,在堆积时增大旁路电流,相比于增大堆积速度,熔敷相同宽度和高度的单墙体其堆积层数减少35%,堆积时间减少达到25%。通过调整旁路电流大小,可以得到变熔敷宽度的单墙体,其可调整的宽度范围为6~8.5mm。采用红外热像仪温度实测与有限元数值模拟相结合的方法对旁路GMA多层单道堆积的动态热过程进行研究。实测和模拟结果均表明,旁路电弧有利于减小成形件的热积累而不减少熔敷效率。在相同的熔敷电流和层间冷却时间下,引入旁路电弧后熔池尺寸相对减小,熔池长度减小超过25%。随着堆积层数的增加,多层单道熔敷时成形件的高温区域逐渐增大,热积累程度加重。引入旁路电弧后,熔敷相同层数时,高温区域减小,在较高层数时高温区域减小15%。在相同的冷却时间下,引入旁路电弧后成形件的平均温度更低。最后,将旁路GMA增材制造用于熔敷800MPa级别的H06MnNi3CrMoA高强钢材料。在多层单道熔敷时,在相同的熔敷效率下,引入旁路电弧可以减小T8/5和T8/3冷却时间,从而使单墙体组织性能发生变化。熔敷得到的单墙体在较低层熔敷金属主要为粒状贝氏体和马氏体,随着堆积高度增加,由于散热条件变差和后热作用,马氏体减少,出现针状铁素体组织。因此,随着堆积高度的增加,熔敷金属的显微硬度值先迅速减小,后基本趋于稳定。引入旁路电弧后,成形件的热输入减少,熔敷层金属马氏体组织增多,并且成形件的屈服强度和抗拉强度均有所提高。对比发现,在无旁路电弧时,降低层间温度和增大堆积速度只能在一定程度上提高高强钢成形件的屈服强度(约680MPa),难以满足实际使用要求,并且延长了堆积时间和减小了熔敷效率。而引入旁路电弧后,在旁路电流90A时单墙体屈服强度提高到789MPa,基本满足实际需要,而且熔敷效率不变,堆积时间减少17%。