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等离子弧丝材增材制造以等离子弧为热源、焊丝为增材材料,快速直接成型致密度高、力学性能好的金属材料复杂几何构件,可极大提高材料的利用率、缩短产品的生产周期,大幅提高生产效率和制造技术的核心竞争力。课题基于机器人等离子弧增材制造工艺技术,以碳钢薄壁构件为研究对象,对增材制造工艺的成形特性及关键尺寸的控制开展研究。首先开展了等离子弧单道单层堆覆工艺研究,确定了堆覆基层的成形工艺参数窗口,并进行了工艺参数与堆覆层宏观尺寸之间的影响规律研究。堆覆速度在20～50cm/min范围内变化时,堆覆层宽度随堆覆速度增大,呈上凸形态。受水冷喷嘴的机械压缩的限制,堆覆层宽度尺寸随堆覆速度的增加逐渐趋近于喷嘴孔径3.2mm。恒定填丝速度条件下,堆覆层宽度与堆覆层高度随堆覆速度的变化表现相反的敏感性。接着进行了直壁体增材工艺试验,并运用MATLAB软件进行了关键成形尺寸建模分析。堆覆层高度影响建模分析表明：增大堆覆电流可以减小堆覆层高度,且中大电流(90～100A)堆覆时的堆覆层高度减小效果比小电流(80～90A)堆覆更明显。参数对堆覆层高度的影响顺序如下：堆覆速度>堆覆电流>层间等待时间。堆覆层宽度影响建模分析结果表明；当层间等待时间小于60s时,可不考虑层间等待时间对堆覆层宽度影响。参数交互响应曲面分析表明,堆覆速度对堆覆层宽度的影响随着电流的增大而逐渐加强。然后对直壁体的显微组织及力学性能进行试验分析。组织主要由四个典型晶区组成,分别是基板侧由细珠光体及铁素体组成的多次重热层带组织区；中部的细等轴铁素体、少量珠光体及碳化物组成的均匀组织区；顶部结合区域重熔多组态组织区及顶部过热区。不同规范下试样的室温拉伸强度均超过460MPa,屈服强度均高于340MPa,性能与Q345级别钢材相当,断口形貌分析发现拉伸断裂形式均为韧性断裂,与试样中存在的硬质夹杂有关。堆覆层数大于10层,直壁体硬度趋于稳定。最后基于双轴变位机器人等离子弧自动增材制造系统,建立了旋转薄壳件三维几何模型,确定了单矢量+倾斜角度组合成型策略,编制了机器人薄壁锥形体自动增材制造程序,制造了三维旋转薄壁变结构锥形体。测量结果表明,薄壁变结构锥形体的平均壁厚为5.175mm。等离子电弧增材制造工艺精度约为0.2mm,材料的利用率可达96.5%。