在航空航天装备的生产的众多复杂工序中,焊接技术将直接影响其质量和使用,只有科学、完备的焊接工艺才能保证得到高质量的焊缝,才能让航空航天装备具有的较高的质量。将拉锻式摩擦塞焊技术应用于飞机外贮箱焊接缺陷的补焊,可提高外贮箱的生产效率和外贮箱工作的可靠性。针对现阶段缺少能够应用于现场制造的拉锻式摩擦塞焊装备,工艺参数优化大都通过试错确定,缺少相应的理论依据,因此本文从以下几个方面进行了研究。(1)对拉锻式摩擦塞焊设备进行了设计,主要对塞焊主轴的支撑架、拉锻支撑结构和塞棒的转接头结构进行了初步的设计和使用要求的分析。其次对选用的机器人本体的参数进行了介绍,最后对焊接工装夹具进行了设计。(2)在分析拉锻式摩擦塞焊成型过程的基础上,建立了拉锻式摩擦塞焊的力学解析模型,通过力学解析模型来描述塞棒的扭矩、轴向力、功率以及能量在焊接过程中的变化。基于塞棒的产热模型和工件的吸热模型相等,建立了塞焊过程的能量守恒方程。在对转速、塞棒锥角和进给速度参数的灵敏度分析基础上,得到各指标值随设计变量的变化趋势,转速越高,锥角越大,进给速度越大,能量越小,材料挤出率越大。(3)针对拉锻式摩擦塞焊设备的四腿支撑结构开口较小,刚度较弱,对四腿的支撑结构进行了拓扑优化设计,经优化后设计为三腿支撑结构。分别对四腿支撑结构和三腿支撑结构进行了静力学分析和模态分析,经过分析得到,三腿支撑结构较四腿支撑结构更适应于焊接现场的工况。(4)利用DEFORM-3D软件对拉锻式摩擦塞焊进行了工艺过程的仿真,通过将CREO中建立的三维模型导入到DEFROM-3D软件中进行了拉锻式摩擦塞焊力学过程的分析以及温度场的分析。通过正交仿真分析与理论计算进行比较,得到扭矩、轴向力、功率以及能量的仿真最大值与理论最大值之间的相对误差均小于25%。在自主研发的设备上进行拉锻式摩擦塞焊工艺试验,通过拉锻式摩擦塞焊工艺试验得到了塞焊过程的扭矩、轴向力、功率以及能量曲线。通过试验与理论的扭矩、轴向力、功率以及能量最大值比较,试验与理论之间的相对误差小于7.2%。因此通过仿真和试验验证了本文所建立的理论力学解析模型。