GMAW电弧增材制造以成本低和效率高等优势被广泛应用于金属制造等领域,但其较大的热输入影响其成型形貌和性能并限制其成型效率的进一步提高,316L不锈钢GMAW电弧增材制造有多种工艺和电弧模式,提升其成型效率和质量尚缺乏充分研究。本文将316L不锈钢作为试验材料,以提高增材制造的成型效率为目标,在建立电弧增材制造质量定量综合评定系统的基础上,采用MIG和CMT两种工艺,从单丝工艺参数、双丝不同模式及辅助气体工艺,系统地研究了提高成型效率和性能的工艺优化方法。论文的主要研究内容如下:(1)综合利用电参量波形、成型形貌和显微组织的图像分析以及力学性能表现,建立了增材制造的多信息融合定量化评定系统,为增材制造的工艺试验研究提供制件成形质量的评定工具。采用沉积过程稳定性、成型质量、成型效率和性能四个一级和多个二级评定指标构建了电弧增材制造质量的评定标准与准则体系;利用统计学方法提取电压和电流概率密度集中度K值;基于横截面图像识别采用截面法、差值法和粒子测距法提取增材制造件成型效率、三个方向的成型粗糙度S_a、S_b和S_c和微观组织特征;基于模糊量化方法获得成型缺陷和弯曲性能等特征值,对这些特征值进行归一化处理,实现对增材制造质量的多指标融合定量综合评定。(2)利用MIG焊开展了316L不锈钢单丝电弧增材制造的多工艺参数对比试验,结合评定结果揭示上述工艺参数对成型、晶粒生长和性能的影响机理,在保证性能达标的条件下,着重提升“效率”,优化工艺参数。结果表明:底部渐变减小电流可稳定沉积过程并优化底部成型,而增大扫描速度或冷却时间可以降低热输入从而提高性能。直径1.2mm焊丝高速电弧加强焊的有效沉积率高于其它电弧模式,且比0.8mm焊丝提高约82.2%。在此工艺基础上进行相同电源功率的单双丝对比试验,结果表明:双丝制件的总沉积率达到1.15kg/h,而有效沉积率达到0.82 kg/h,比单丝件提升约23.2%。由于双丝填丝量的增加以及电弧力对熔池的搅拌作用,使中上部显微组织细化,制件的平均拉伸强度提高20.4MPa。所有试样的显微组织呈现柱状晶形态,由于前层对后层的预热及后层对前层的热循环处理,使底部硬度大于中上部,并且在拉伸性能上都具有各向异性,抗拉强度各向异性最高达14.38%,其断裂微观形貌为典型的韧性断裂。(3)探究双电弧相互干扰的影响机理,提出双丝采用同相位电流及非同步起弧和收弧的工艺方法,从而降低电弧相互干扰和改善增材制造样起弧和收弧端成型。通过开展对CMT焊不同电弧模式的沉积及拉断金相分析试验,揭示CMT+P模式对熔池的搅拌作用及电弧增材制造拉伸各向异性断裂机理,验证了该模式不仅有利于成型,又可连续沉积提高效率。结果表明:水平拉伸使柱状晶沿垂直于主轴方向被拉宽,晶粒产生变形,使断裂发生在晶界处;而垂直拉伸的柱状晶未发生明显变形,断裂发生在层间重熔胞晶处,说明水平方向塑性优于垂直方向。而柱状晶晶界是拉伸疲劳的薄弱环节,故具有更多晶界的水平拉伸试样的拉伸强度小于垂直强度。通过开展CMT+P不同速度的沉积试验,进一步得到双丝电弧增材制造316L不锈钢良好成型的送丝速度与扫描速度比例关系约为4.2,当扫描速度为120cm/min时,最高沉积率和有效沉积率分别为5.41kg/h和3.91kg/h。(4)构建双丝CMT+P不锈钢电弧增材制造双向辅助气体新工艺试验平台。从单层单向辅助气体沉积到多层双向辅助气体沉积,探究辅助气喷嘴角度、辅助气流量和辅助气喷嘴距离基板高度对双丝316L不锈钢电弧增材制造熔池的冷却和搅拌作用机理。在此基础上,为进一步探究辅助气体工艺参数与成型和性能间关系,利用评定系统和BBD响应曲面法建立沉积综合评定结果与辅助气体三个工艺参数间的回归方程。经模型预测得到最优辅助气体工艺参数为辅助气喷嘴角度17.4°、气体流量25L/min和喷嘴高度10.44mm。利用最优辅助气体工艺参数开展的50层沉积试验表明:由于受辅助气体气流外力的搅拌和冷却作用,与无辅助气体工艺制件相比,最优辅助气体工艺制件的微观组织得到细化,其有效沉积率、硬度和最大抗弯曲力分别提升约24%、6.85%和12.96%,同时各向异性减弱,其中抗拉强度的各向异性仅为3.7%。当送丝速度和扫描速度分别提高至5.5m/min和1.5m/min,最优辅助气体工艺沉积的50层制件成型良好,其平均硬度和抗拉强度分别达到167±5.01HV和521.45±10.25MPa,总沉积率和有效沉积率分别高达5.95kg/h和4.61kg/h,从而实现316L不锈钢的高效电弧增材制造。