目前,国内对纵缝焊接机的研究大部分集中在小型通用型焊机上,对于适用于大型焊件的纵缝焊接机研究相对较少。本文针对大型薄壁构件的焊接制造以及焊件在焊接后有较大的残余应力和变形的问题,以核主泵屏蔽套这类有着极端制造要求的焊件作为典型焊件,设计了一种基于多外场协同作用的纵缝焊接机。通过多外场随焊调控装置与夹具的配合,实现了焊接残余应力及变形的焊中综合控制,满足大型薄壁构件的极端制造要求。同时采用有限元分析软件对纵缝焊接机及其随焊调控装置的关键零部件进行力学性能分析,验证了所设计的纵缝焊接机的可行性及合理性。主要研究内容及结果如下:首先,对纵缝焊接机进行总体结构设计。根据系统分析法将纵缝焊接机划分成了四个子系统并对各子系统的零部件进行了设计。设计了随焊超声冲击装置和随焊激冷装置协同作用的多外场装置,并配合夹具实现了对焊后多维残余应力和变形的综合控制。确定了机架的结构及各零部件的布局,设计了一种剪叉辅助支撑机构,避免了焊件装夹过程中产生的变形。其次,利用ANSYS Workbench有限元软件对焊接机的关键零部件进行有限元分析。分析各零部件在施加外部静载荷的情况下的受力及变形情况,验证了其满足刚度和强度要求。对关键零部件进行模态分析,获得了固有频率及振动模态。对安装了三种不同直径工具头的超声变幅杆进行模态分析,确定了合理的工具头直径为5mm。最后,对芯轴进行结构优化设计。基于响应面优化算法,改进了芯轴的直径、螺栓孔直径及芯轴末端直径的尺寸参数。优化后的芯轴所受最大应力减小了58.5%,最大变形减小了46.5%,总体优化结果良好。