搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是一种新型固相连接技术,由英国焊接所(TWI)于1991年发明并申请专利,目前正在世界范围内受到越来越多的关注,是自激光焊接技术发明以来最具革命性的一项焊接技术。该技术的发展对于提高现代制造技术,尤其是航空制造技术具有十分重要的意义。搅拌摩擦焊接技术的一系列优点,已经完全成为传统熔焊技术无法相比的焊接技术,在一定层面上,搅拌摩擦焊已经迅速取代了传统熔焊,在各大应用领域发挥着其不可代替的作用。搅拌摩擦焊接过程是一个十分复杂的过程,其中搅拌头轴肩的下压力(焊接压力)和下压量是十分重要而又关系密切的两个工艺参数。经过研究发现,在搅拌头旋转速度和焊接速度等条件不变的情况下,搅拌头轴肩的下压力和下压量呈一定的正相关关系,而且在稳定焊接状态下,两者之间甚至存在某种固定的函数关系。本文以东北大学材料科学与工程学院自主研发设计的龙门式搅拌摩擦焊试验机为载体,提出了搅拌摩擦焊接过程当中搅拌头轴肩下压力和下压量的测量方法,并进行了一些机床相关的研究工作。本文的主要研究内容包括:(1)试验机的三维建模与仿真分析。对试验机整体进行三维建模,并结合搅拌摩擦焊接过程的力学特点,对试验机中几个承载较大的零部件进行力学分析,校核其是否满足焊接过程中的强度和刚度要求,并对主轴和试验机整体进行模态分析。(2)无线测力刀柄的设计。针对焊接过程下压力的测量需求,对焊接过程中搅拌头的受力情况进行了分析,结合搅拌摩擦焊的工艺特点,提出了无线测力刀柄的设计思路,对刀柄内部传感器进行理论分析,制作出测力刀柄实物。(3)刀柄传感器的静态加载实验研究。针对焊接过程中搅拌头的复杂受力情况,通过设计实验夹具对所选用的称重传感器进行不同受力条件下的静态加载实验,探究称重传感器在各个受力状态下的实际信号输出变化规律,并分析其对最终测量结果的影响。(4)无线测力刀柄的实验。通过无线测力刀柄的静态加载试验和焊接实验,探究测力刀柄的实际测量精度,并进行误差分析。(5)搅拌头轴肩下压量测量控制系统的设计。针对焊接过程下压力的测量需求,对焊接过程中搅拌头的运动过程进行了分析,提出基于光栅尺和PLC的搅拌头位置闭环控制系统的设计思路。