本文采用6种不同形貌的搅拌针和添加辅助热源的方式对20mm厚的2024-T4铝合金板材进行搅拌摩擦焊试验。通过改变搅拌针形貌研究其对焊接时接头温度的影响,并测量了焊核区的形状尺寸,分析了不同搅拌针形貌对焊缝塑性金属流动行为的影响;利用有限元分析软件ANSYS对不同初始温度下的焊缝温度场进行模拟,探讨了温度场的变化规律以及其对焊缝金属流动的影响。为优化搅拌针的设计和厚板铝合金的焊接提供理论参考。研究结果表明:搅拌摩擦焊焊接20mm厚2024铝合金时,合适的焊接工艺参数范围较小。焊接热输入对厚板铝合金材料的成形有较大影响,在旋转速度为375r/min、焊接速度为37.5mm/min时,可获得无缺陷的焊接接头。搅拌针形貌对塑性金属流动有很大影响。在搅拌针锥度为25°至15°范围内,减小搅拌针基体锥度对焊缝金属充分流动有促进作用。当锥度减小至15°时,搅拌针表面螺纹对塑性金属的驱动力减小;但搅拌针端部直径增大、摩擦面积增加、产热增加,致使接头底部高温区变宽、焊缝中塑化的金属量以及搅拌针所携带的金属量增多,从而焊核区塑性金属挤压作用增加。宏观表现为焊核高度、宽度和面积都增大。多头螺纹搅拌针会增强焊缝塑性金属的流动。相比单头和双头螺纹,3头螺纹搅拌针的金属流动通道更多,焊缝塑性金属在轴向方向上的抽吸挤压作用增强,搅拌针端部脱离的高温金属量增多;但焊核周围母材金属的温度未随螺纹头数的增减而变化,即焊核金属周围母材的抗变形能力相同。因此随金属量的增加,焊核区金属向焊缝表层扩张趋势增强,焊缝中的孔洞及疏松等焊接缺陷减少。采用合适的辅热温度对2024-T4铝合金进行焊接,可改善焊缝的孔洞缺陷,获得无缺陷的焊接接头。当辅助热源温度为40℃时,2024-T4铝合金焊缝整体温度升高,高温区变宽,金属软化程度提升,塑化金属量增多,搅拌针向焊缝底部抽吸的金属量增加,使焊核区金属横向挤压力增强,阻力减弱;焊缝中“抽吸挤压”作用增强,塑性金属会更趋向于在横向方向流动,向上流动动能减小。宏观表现为焊核区的面积、宽度和高度增加。