英国焊接研究所（TWI）发明的摩擦叠焊是一种新型的固相连接技术,是海洋结构物修复的新方法。本文以摩擦塞焊为研究对象,结合数值模拟技术,对焊接过程做定性和定量的分析。为了能够对摩擦塞焊这一复杂的热力耦合过程进行数值模拟,构建了Norton-Hoff本构方程,并分别建立轴对称模型和三维模型,其中轴对称模型利用UEL、FRIC子程序和重画网格技术,而三维模型则通过热流模型代替摩擦生热。对材料为D36高强钢的圆柱形试样进行焊接试验,并通过温度巡检仪采集焊接过程中热循环曲线,与数值模拟结果对比后发现轴对称模型的模拟结果与试验结果符合较好。对不同形状的塞棒/塞孔进行焊接试验,结合有限元模拟技术,分析了塞棒/塞孔形状对摩擦塞焊的影响,发现塞孔形状对焊接缺陷的产生起着决定性作用,圆锥形试样能够促进金属的塑性流动,有利于焊接接头的成形。讨论了倒角尺寸对圆柱形试样的影响,发现当倒角尺寸达到4mm时,可以保证圆柱形试样焊接接头的拉伸强度。选用不同的转速/压力对圆柱形和圆锥形试样进行了数值模拟,温度的变化与塞棒转速和焊接压力成正比关系,而与应力分布成反比。焊接压力直接决定着等效应变开始的时间和轴向位移的大小。对无倒角的圆柱形塞棒试样进行了正交模拟,靠近摩擦面的塞棒金属受到剪切应力的影响,而在摩擦面处,这种剪切应力几乎为零。塞棒塑性变形区的大小受焊接应力的影响而与塞棒转速无关。利用镍棒作为跟踪材料,对焊接过程中塞棒金属的塑性变形行为进行研究,发现塞棒金属经历了剧烈摩擦与简单墩粗相互交替的过程,与空气中焊接相比,水下环境的散热系数较高,增大了焊接的难度。从单轴拉伸试验结果上看,只有在空气中焊接的圆锥形焊接接头断裂位置在母材。结合有限元模拟技术对塞棒断裂导致新填充阶段出现这一特有的现象进行了分析,发现塞棒首先从边缘处发生开裂,继而在中间处出现断裂,并向四周扩展,直到整个塞棒完全断开。