电弧增材成形是采用电弧作为成形热源的一种金属增材制造技术，具有熔积效率和能量利用率高，设备成本低等优点，因此在航空航天、国防军工、轨道交通等领域高强度、大中型金属零件低成本、高效快速制造方面具有独特的优势，是最可望实现与激光、电子束增材制造方法优势互补的金属增材制造技术。相比传统的电弧熔积连接工艺，电弧增材成形过程具有更加复杂的堆叠熔积和搭接熔积方式以及微观组织演变过程，但目前关于电弧增材成形不同熔积方式和磁场辅助熔积过程中复杂的传热传质现象，以及熔积过程中微观组织演变过程的数值模拟和实验研究基本处于空白或者不完善状态。　　本文建立了基于GMAW的多场复合的电弧增材成形过程中宏微观数值仿真模型，主要包括电弧增材成形过程中电弧和金属输运的电磁、热、流体流动耦合分析的三维数值模型，提出了电弧和金属熔池之间的弱耦合建模方法，同时还建立了电弧熔积-微轧制复合增材成形过程中微观组织演变的数值模型，力图揭示电弧增材成形过程中的多物理场耦合作用下的复杂传热传质现象以及微观组织演变机理，为电弧增材制造提供理论指导。　　首先，基于磁流体动力学的基本理论，建立了电弧增材成形过程中纯氩保护气电弧的三维数值模型，研究了电弧增材成形过程中不同的熔积方式下不同的熔积层形貌对电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布规律的影响。针对搭接情况下电弧速度与压力不对称造成保护气体对熔积区域出现保护不完备的现象，提出了采用偏转焊枪或者施加随焊方向的横向稳态磁场的方法调控电弧形态以平衡电弧两侧电弧压力和气流，模拟和实验结果表明适当的焊枪偏转角度或一定强度及方向的横向稳态磁场能够有效平衡电弧压力，获得理想的保护气流分布。　　其次，率先提出了一种电弧熔积成形的电弧和金属弱耦合建模方法，即基于实验观测结果发现熔积过程中熔池形貌和尺寸保持稳定，首先根据熔池和焊道的实际形貌将熔池简化为固态，建立电弧仿真模型并对熔积过程中电弧进行仿真，并提取熔池电磁力数据以及熔池表面热流、等离子剪切力、电弧压力数据导入所建立的金属输运模型进行金属过渡和熔池动态仿真。借助上述弱耦合建模方法建立电弧增材成形过程中单道和搭接熔积的电弧和熔池金属输运模型，其熔池和焊道的初始形貌采用电弧模型相同的方法进行初始化，模拟结果揭示了单道和搭接熔积过程中复杂的传热传质现象。模拟结果与实验结果很好的吻合，证明本文所提出的弱耦合建模方法的有效性。　　再次，基于上述弱耦合建模方法，建立了外加纵向和横向稳态磁场辅助的电弧增材成形单道熔积电弧和熔池输运数值模型。与普通熔积相比，外加纵向稳态磁场能扩张电弧以及在熔池中形成周向的电磁搅拌，推动了熔融金属向熔池边界运动，最终形成宽高比大的熔积层形貌。横向磁场使熔池中产生沿头部至尾部的强制对流，熔池中熔融金属被更多被输运至熔池后方，从而利于直接冲刷熔池的固液结晶面。普通熔积和外加纵向稳态磁场辅助的熔积的对比实验不仅验证了纵向磁场能够改善搭接，提高熔积层表面精度，还发现纵向稳态磁场能够细化晶粒，提高铁素体占比，抑制冶金缺陷，以及提高成形样件力学性能、减小各向异性。此外，还采用实验方法对比研究了频率随层变化的纵向和横向交变磁场对单道多层熔积各层微观组织的影响，并提出了一种磁控梯度晶粒材料的电弧增材成形方法并进行了实验验证。　　最后，基于元胞自动机和有限体积耦合的方法建立了电弧熔积-微轧制复合增材成形过程中微观组织演变的数值模型，模拟了单道两层熔积过程中第一层熔池和第二层熔池凝固结晶过程，并对单道的轧制过程中的动态再结晶的形核和晶粒长大过程进行了模拟，模拟结果揭示了电弧熔积-微轧制复合增材成形过程中微观组织动态演变的过程。相同工艺参数的实验结果表明模拟结果和实验结果在晶粒形貌和尺度上都很好的吻合。　　总之，本文对电弧增材成形过程的电弧和金属输运、外加磁场对电弧和金属输运及成形过程的影响，以及熔积-微轧制复合增材成形微观组织演变过程进行了数值模拟和实验研究，揭示了多场复合电弧增材成形过程中电弧熔积的复杂的传热、传质、微观组织转变现象，以及熔积-微轧制复合增材成形过程中微观组织的动态演变过程。研究结论可为“形”和“性”并行控制的电弧增材制造技术提供了理论基础及工艺决策、优化指导。