激光增材制造技术（如激光金属沉积技术LMD）的诞生使金属零件的设计与制造迈入了新的纪元。依托逐层添加式制造方法,激光增材制造的零件往往具有高度复杂的空间结构以及定制化的功能梯度,在航空航天、航海、核工业以及石油化工领域有着巨大的应用前景。然而,由于激光增材制造过程中的应力集中、微观组织混乱、裂纹、气孔等缺陷缺少有效的监测和调控手段,严重的制约了该技术的发展及应用。本文以LMD增材制造316不锈钢为研究对象,从在线监测、过程调控以及后处理强化三方面对上述问题展开研究,旨在揭示激光金属沉积的应力、组织演变机理,建立工艺参数与机械性能间的联系,实现制造质量在线-离线的连续控制,进而全方位的提高构件的质量。论文的研究取得了下列创新性成果:（1）提出了“位移法”在线应力监测方法,实现了LMD增材制造沉积层应力变化的在线监测。首先,通过提出“位移法”在线应力测量的应力叠加理论,融合机器视觉技术、空间坐标标定技术,同步采集沉积过程中熔池高度变化以及熔池冷却后凝固材料的形貌。其次,基于熔池的形态和运动轨迹实时生成材料的几何模型。将熔池与凝固材料的表面位移差值作为应变载荷,加载至生成的模型上进行计算,进而得出沉积层内部的应力变化。研究结果表明:“位移法”测得的应力变化趋势与传统的热力学分析计算结果一致。材料的收缩变形发生在熔池凝固后极短时间内,在沉积过程中,熔池和凝固层的形状总体保持一致。每一次熔池的凝固收缩都对其后方的材料形成一定的牵引力并在材料内部形成应力叠加,通过估计扫描路径中关键点的应力叠加次数可以快速判断激光扫描路径的合理性。（2）建立了基于光谱信号的LMD增材制造316不锈钢微观组织、随机缺陷位置以及高度变化的在线诊断方法。首先,通过奇异谱分析（SSA）,提取出信号的主成分,重构光谱信号。然后,根据Hammar-Svensson公式,对影响奥氏体钢凝固模式的相关元素谱线进行筛选提取,形成训练数据集,以元素谱线为特征,凝固模式为响应,通过支持向量机（SVM）对铁素体-奥氏体（FA）和奥氏体-铁素体（AF）两种凝固模式进行预测;接着,对重构信号的均方值、斜率、以及平均值的突变位置进行计算,利用磨削法逐层标定沉积层内部随机缺陷的位置,建立了光谱信号的统计学特征与缺陷位置分布之间的联系,实现了对随机缺陷位置的预测;最后,通过Boltzmann线图法和Stark展宽法研究了电子密度、等离子体温度以及光谱信号强度在等离子体羽辉内部的空间分布,建立了三者与沉积层高度变化之间的关系。结果表明电子密度和光谱信号强度与沉积层高度的变化具有较好的线性关系,可以用于沉积过程中高度变化异常的监测。（3）利用自制的电磁辅助装置实现了LMD增材制造奥氏体不锈钢凝固模式及残余应力的在线调控。研究了静止与旋转的电场、磁场对沉积过程中奥氏体钢凝固模式的影响,结果表明:洛伦兹力、电场力、以及电磁场的Hartmann效应的能够影响材料的冷却速率,改变奥氏体不锈钢的形核顺序进而调控材料凝固后的微观组织和残余应力。研究结果表明,旋转电场将材料的凝固模式由原本的铁素体-奥氏体凝固模式（FA模式）转变为奥氏体-铁素体凝固模式（AF模式）,而在旋转电磁场中,材料的凝固模式则表现为奥氏体凝固模式（A模式）。电磁场通过对凝固模式的调控,改变了材料最终的显微组织,抑制了残余拉应力的产生并提高了材料的显微硬度。（4）提出了LMD增材制造初始应力与激光冲击应力的叠加理论,通过激光冲击技术对LMD试样的残余应力及微观组织进行了调控。基于提出的理论建立了激光冲击调控LMD试样的残余应力预测模型,该模型的计算结果与实验结果取得了较好的一致性。研究结果表明:制造过程中产生的热致残余应力能够影响激光冲击在试样表面和深度方向的作用范围及效果。同时激光冲击能够显著地提高LMD试样的机械性能。激光冲击处理后,试样的表面及表面以下1mm处的显微硬度分别提高了7%和22%,并且材料的屈服强度提升了16%。