随着我国航空航天事业的不断发展,该领域中的制造技术发展迅速,在无人机、卫星、火箭制造过程中,为了节能和降低成本,结构轻量化已成为设计制造的一个重要方向,对板材的厚度及连接技术产生了新的需求。对于薄板材料及特定的加工件,要求窄的连接缝,因此传统的熔化连接方法和铆接方法已经无法满足这些工业产品的结构件制造要求,需要在传统搅拌摩擦连接的基础上进行改进。本文通过实验研究和数值模拟相结合的方法,开展航空铝合金微细搅拌摩擦连接技术(Meso Friction Stir Joining,简称MFSJ)基础研究,来解决1mm及以下铝合金板材搅拌摩擦连接问题,本文完成的主要工作及取得的主要成果如下:(1)MFSJ过程中的仿真研究建立了MFSJ热源模型,通过搅拌头轴肩半径推算出连接区宽度与热量输入之间的关系式,并进行了实验验证;通过分析转速和进给速度对峰值温度的影响,发现常温下热输入不足,峰值温度达不到要求,加热后可增加热量输入,保证连接质量;利用ANSYS有限元软件对1mm厚6061铝合金板的温度场、流场和应力场进行数值模拟,发现加热后薄板MFSJ温度场拖尾现象更明显;流体流动呈现上下不同的流动方式,加热后,流体流动性更强,连接区金属被热塑化,材料的成型主要依靠轴肩的下压作用,在工作台的联合作用下,将塑化的金属挤压成型。(2)MFSJ设备的研制设计并制造了一台用于薄板连接的MFSJ设备,连接材料为铝合金,板厚为1mm以下;对设备进行需求分析,对主体结构进行设计,包括辅助加热系统及控制系统的设计;并对设备进行温度场和应力场的仿真研究,对振动性能及加工精度进行了测试。(3)MFSJ工艺研究初步得到1mm以下不同厚度板材的MFSJ工艺参数,发现表面弧纹同普通搅拌摩擦连接存在不同;通过Matlab分析高转速情况下表面弧纹的变化特征,得到转速与表面形貌的变化规律;通过大量的基础实验,得到不同材料的加工难易程度,验证了不加热情况下极限轴肩的实际大小;在加热和常温两种情况下,对MFSJ实验数据进行了对比,发现辅助加热条件下连接区域表面平滑,抗拉强度高;最后通过正交试验得到了优化的工艺参数组合。(4)MFSJ过程作用力研究根据作用力的测试结果,拟合了纵向、横向及轴向的作用力公式;通过对作用力的测试结果进行分析,发现其周期性变化规律只与搅拌头转速有关,与进给速度、连接材料以及材料的厚度均无关;提高加热温度会使轴向力变小,但对轴向力的周期性变化规律没有任何影响。(5)MFSJ连接接头微观组织与性能评价对优化的MFSJ接头进行微观组织观察、电化学腐蚀性能及拉伸性能、弯曲性能、磨损性能和维氏硬度等力学性能评价;将实验板材和母材进行性能对比,分析加热后进行MFSJ各项性能的变化,发现加热后板材接头各项性能均接近母材。