电弧增材制造技术是集成多种技术于一身的新型加工技术,由于其设备简单,灵活的制造路径和较高的成形效率,受到国内外航天设备、军用器械、交通运输等制造行业的广泛关注。单道电弧增材中熔池“下塌”缺陷尤为突出,影响工件成形精度。本文从熔池所受热力作用展开研究,揭示多层增材与单层焊接在电弧传热和熔池金属流动的差别,采用响应曲面方法分析了因素对成形尺寸的影响规律,获得了成形尺寸关于各因素的回归方程。具体研究如下。针对丝材电弧增材制造电弧物理过程导致熔池表面热力环境复杂问题,建立了基于磁流体理论的传热、流体流动、电流及磁场在内的多物理场非线性耦合模型。分析了不同熔积层高度下高温等离子体对熔积层热力作用的影响。结果表明,熔积层高增加改变了电弧形态。由“钟罩型”转化为“鱼尾型”,电弧对熔池顶面的热流密度随高度增加而增大。熔积层增高改变了高速等离子体的流动轨迹,在熔积层边缘处产生了低压,并且随着高度增加,相对压力由正转负。多层增材顶面电流密度增大,在熔积层内部径向电流减小,导致侧壁上产生较大的磁通密度,熔池内部电磁力径向分量减小,轴向分量增大。为了了解丝材电弧增材复杂热力加载条件下熔池金属流动过程,利用Lever set方法捕捉气液表面,采用孔隙率方法追踪固液融合界面,通过水平集函数对气液两相材料物性参数进行平滑处理,同时考虑熔化潜热和材料相变过程。建立包含熔滴过渡,熔池自由表面和流动金属凝固过程的固、液、气三相耦合模型。研究了单层和多层熔池在熔池形成、熔池震荡和熔池凝固过程的能量传递和金属流动方式。研究表明,多层增材散热能力弱于单层熔池,单层熔合线呈“碗型”而多层熔池呈“双峰型”,多层熔池熔合线落差较小,对熔池金属的约束能力减弱。熔池震荡过程是熔池向径向扩张的主要流动方式,在熔合线外端点金属流动速度方向周期性改变。由于多层熔池熔合线外端点下移,对熔池的约束能力较弱,外端点附近金属沿着熔池表面流入熔合线,造成熔池“下塌”缺陷。随着熔池中金属凝固,熔合线上散热能力逐渐减小,熔合线上移速度反而增大。采用Box-Behnken响应曲面设计方法对熔积层成形尺寸进行了因素分析并且构建了各尺寸的多元回归方程,以预测成形尺寸。研究发现送丝速度、熔滴温度和层间温度的提升对熔积层熔深、熔宽、熔池下塌量的增加有促进作用,对余高的增加有削弱作用,熔滴过渡频率对成形尺寸的影响较小。对熔深的影响程度大小为熔滴温度＞层间温度＞送丝速度,对熔宽的影响程度为送丝速度＞层间温度＞熔滴温度,对余高和熔池下塌量的影响程度为层间温度＞熔滴温度＞送丝速度。