本课题设计了内凹型、小通道凹型、大通道凹型、侧通道凹型和外凸型五种轴肩形貌的搅拌头,选用铝箔作标识材料,采用水平、纵向和横向镶嵌的方法将铝箔与2A12铝合金薄板进行搅拌摩擦焊的叠层试验,通过观察焊缝三维截面的标示材料形态,研究轴肩形貌对焊缝金属塑性流动的影响,总结其影响规律,建立不同轴肩形貌的搅拌头下获得的焊缝金属三维流动物理模型,并分析塑性流动对组织性能的影响,为控制搅拌摩擦焊缝成形提供实践依据。研究结果表明:轴肩下方金属受到的作用力发生变化,影响焊缝金属的塑性流动形态,进而改变焊缝横截面的形貌。增加轴肩锻压力可增大塑化金属层之间的摩擦力,有利于焊缝金属的塑性流动,减少了疏松缺陷,提高了焊缝的致密性。采用小通道凹槽轴肩的搅拌头焊接,可增大轴肩作用区内的塑化金属流动速度;同时增强了“抽吸-挤压”效应,单位时间内轴肩驱动至搅拌针作用区及焊缝下部的塑化金属量增多,焊核宽度增大。通道过大,轴肩包裹的高温塑化金属过多,金属粘性过低,不利于焊缝金属的迁移,出现疏松或孔洞缺陷。轴肩结构为侧通道凹槽,可增大焊缝金属水平运动的锻压力,向下迁移的金属流截面积增大,焊核尺寸随之增大。轴肩形貌为外凸时,有利于驱动塑化金属向搅拌针根部流动,与螺旋内凹结构共同作用,驱动塑化金属的迁移量最多,焊核宽度最大,洋葱环中心高度最低。采用侧通道凹槽轴肩搅拌头获得的接头平均抗拉强度最高,为278.95MPa(达母材的64.3%);外凸轴肩的接头抗拉强度最低,为196.04MPa。侧通道凹槽轴肩驱动塑化金属辐射状向下迁移,阻止了包铝层向上伸入;在外凸轴肩的驱动作用下,塑化金属向焊缝底部迁移时产生的挤压力最大,包铝层向上伸入高度最大,焊核边界的包铝层成为接头受拉伸载荷的起裂和扩展区。