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摩擦叠焊是由英国焊接研究所(TWI)发明的一种新型固相连接技术，材料的成型加工尤其是钢结构的水下损伤维修方面具有巨大的应用潜力。目前，国内在摩擦叠焊连接机理方面的相关研究处于起步阶段。摩擦液柱成型(FHPP)足摩擦叠焊的单元成型过程，一系列沿着焊接轨迹在给定间距内相互搭接的FHPP就构成了摩擦叠焊。因此，对FHPP过程中的力、热等问题进行理论或实验研究，对揭示摩擦叠焊的成型机理和连接特性具有重要意义。
本文首先结合经典接触力学理论中刚性压头在无限大半平面上法向应力分布的情况，借助有限元软件MSC．Marc建立了正确的接触计算网格模型，在此基础上分别利用二维轴对称接触模型和三维接触模型对不同轴向压力、材料和几何组合下FHPP初始阶段的接触应力、应变情况进行了分析。同时对两种模型的计算结果进行了对比。由于三维计算模型考虑了Z方向上的应力和应变，计算值比二维轴对称模型更为接近实际值。上述研究为开展FHPP过程的接触数值模拟奠定了有限元模型的网格基础。
本文最大的创新点在于，首次利用二维轴对称和三维热力耦合模型对FHPP初期阶段塑性金属对焊孔填充过程中的温度场、应力场进行了数值模拟，得到了接触面上各节点的温度和应力变化情况，并对影响FHPP过程的焊接参数(轴向压力、转速和几何组合)进行了初步探讨。分析表明，轴向压力对焊接过程的影响最为明显，随着轴向压力的提高，温度迅速升高，金属的塑性化时间也相应变短。转速的提高虽然也可以使温度卜升较快，但塑性化金属的产生时间并未显著缩短。焊孔与金属棒之间半径间隙变化的并不能使焊接过程中的温度以及产生塑性化金属的时间发生明显变化，只是在塑性化金属生成之后，对焊孔的填充时间略有影响。通过上述分析，为确立合适的摩擦焊接工艺参数奠定了基础。
在对目前国内首台摩擦叠焊实验装置的组成和系统参数进行详细介绍的基础上，简单描述了围绕FHPP单元成型过程的初步试验研究结果。最后，就开展FHPP过程中温度场、应力场的测量以及塑性金属流动的示踪研究确立了初步实验方案。