金属零件三维焊接快速成型技术存在的主要问题之一是焊接热输入过高以及电弧压力较大,导致其成型质量差,成型精度较低。而旁路耦合电弧焊接方法能够在保持焊丝熔敷率不变的情况下降低焊接热输入,从而可以提高其成型质量。针对目前大多数旁路耦合电弧焊接工艺研究采用双电源,其存在参数调节及过程控制较为复杂的问题,本文基于单电源旁路耦合电弧的焊接快速成型方法进行了深入研究,主要进行了以下几个方面的研究工作。首先,设计与搭建了焊接快速成型工艺研究试验平台,包括单电源双丝旁路耦合电弧GMAW与单电源旁路耦合电弧TIG焊接两种形式的试验平台,介绍了系统各组成部分工作原理,并对旁路分流原理进行了理论分析。其次,先后在两种形式的试验平台上进行了单道堆积成型工艺研究,确定了各自的最佳焊枪组合几何参数,获得了稳定焊接过程的旁路送丝速度匹配区间,同时在焊接过程中进行了热循环曲线测试。成型结果表明:随着旁路电流增大,母材热输入逐渐降低,使单道截面宽高比减小,焊缝熔深减小,焊缝过热区变窄及其晶粒直径明显减小,而显微硬度变化不大。将两种方法对比发现,单电源旁路耦合电弧TIG焊接过程更稳定,焊缝成型较好,但焊丝熔敷率相对较低。第三,通过相邻焊道搭接模型与层间高度计算模型求得最佳中心距与层间高度,然后进行了多道堆积成型工艺研究。在试验中发现,采用往复堆积方式可以较好地降低引弧与熄弧对成型精度造成的影响,有利于提高成型精度。试验结果没有达到预期的效果,说明旁路耦合电弧焊接方法能够应用于焊接快速成型中,但仍不能较好地解决其成型质量差和成型精度低的问题,还需要进一步研究。最后,为了探究旁路电流和电弧对主路电弧的热量分配及基体金属热输入的影响规律,进行了单电源旁路耦合电弧TIG焊接温度场有限元模拟。结果表明:模拟热分析结果和试验温度测试结果大致相同,说明热源模型建立正确,假定的热量分配方式合理,热源模型较为准确反映旁路耦合电弧焊的特点。