电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种以焊接电弧作为热源,金属丝材作为原料的送丝增材制造技术,具有沉积速率高、成本低廉、成形件致密度高、能加工复杂形状零件的优点,因而受到工业界和学术界的广泛重视。一般来说,电弧增材制造的过程可以描述为CAD模型构建、切片、各层堆积路径规划和焊接参数设置、与机器人通信、从下到上逐层堆积成形金属零件。其中,切片与堆积路径规划都需要焊道截面形状的数据作为支撑。因此,获得不同焊接参数下焊道截面形状数据对于实现自动化电弧增材制造尤为重要。同时为了实现电弧增材制造定制化生产柔性和及时性,开展以全数字化电弧增材制造仿真模拟平台的研究就显得尤为必要。本文以探究焊接工艺参数对成形尺寸的影响作为出发点,结合建立的焊接工艺参数与成形尺寸方程,对成形焊道尺寸以及轮廓进行预测,并于MATLAB中搭建电弧增材制造焊道成形过程的数字孪生模拟。首先,利用MATLAB开发了基于图像处理和带预设数学函数模型的非线性拟合的图像分析系统,并通过实验验证了该系统具备良好的精度;着重探究了焊接速度与送丝速度对单层单道焊道成形尺寸的影响,获得了具备良好成形形貌的工艺参数区间,并将该区间内焊道成形轮廓划分为半椭圆函数与余弦函数模型。其次,建立了焊接工艺参数(焊接速度、送丝速度及焊接电压)与单层单道成形尺寸之间、多层单道最上层轮廓尺寸(层熔宽、总熔高、四分之一层熔宽处高度、最上层轮廓所在高度)与焊接工艺参数和堆积层数的二次回归方程,同时发现多层单道最上层轮廓更趋向于半椭圆函数。然后,基于面积守恒原则,采用抛物函数对多层单道堆积中重熔处轮廓进行建模,并利用MATLAB实现了全数字化驱动多层单道堆积过程中焊道成形动态仿真。综上所述,本文基于图像处理和带预设数学函数模型的图像自动分析系统,可以自动获取焊道截面轮廓及尺寸信息,确定相应焊接工艺参数下成形焊道轮廓的最佳数学模型;建立了四种堆积方式下工艺参数与焊道截面轮廓的数学关系,实现了焊道成形尺寸及形状预测,基于数字孪生理念初步构建了数字化的堆积过程中焊道形貌演变。