作为一种工业制造中常用的换热装备,管壳式换热器在石油化工、舰船制造、食品医药等领域具有广泛的应用,其中的管板连接接头是整个设备中最为关键的结构之一。目前为止,该结构的生产加工仍然以胀接和熔化焊接等传统方式为主,环保性差且接头性能有待提高,因此,开发一种更加绿色、高效、可靠的管板结构连接新技术一直是工程技术领域的一个热点问题。针对此需求,基于搅拌摩擦焊接技术,本文提出了适用于管板结构连接的胀焊一体化新方法,并以5083-H112铝合金管和316L不锈钢管板为研究对象开展相关研究。进行了铝/钢异种金属胀焊一体化工艺可行性探索,研究了胀焊一体化过程中大塑性变形对界面原子快扩散行为的诱导机制,评价了铝/钢管板结构胀焊一体化接头的综合性能并进行了小型工程试样件的研制。通过铝/钢异种金属胀焊一体化探索性实验,证明了胀焊一体化方法对铝管和钢板具有良好的机械胀接和冶金结合作用。接头表面成形的主要影响因素为下压量,而内部成形的主要影响因素为挤压深度,并确定了二者合适的工艺参数区间。分析了典型接头的宏观成形特征和微观组织形貌,由于受到热机影响作用的不同,焊后铝合金区域可根据不同微观组织形貌分为焊核区、热影响区和热机影响区。在大塑性变形的作用下,铝原子和铁原子发生快扩散行为,铝/钢界面处形成了以Fe2Al5和Fe4Al13为主的连续分布金属间化合物层,且有部分金属间化合物在生长过程中发生“颈缩-断裂-移动”过程并以颗粒形式存在于铝基体中。采用分子动力学模拟手段,对胀焊一体化过程中发生的大塑性变形诱导界面原子快扩散机制进行了研究,设计了合适的模拟模型,在微观尺度上探究外加压缩和剪切作用对界面原子扩散行为的影响。在自由扩散的对照组实验中,铝铁界面耦合稳定,原子扩散过程缓慢;外加压缩作用可以使得界面处产生大量位错,为铁原子向铝原子中快速扩散提供通道;外加剪切作用可促使剪切层附近同样产生位错,使铝基体中位错密度进一步增大,原子扩散速率显著提高。外加压缩和剪切的大塑性变形作用为铝原子和铁原子扩散提供了形变能,诱导位错产生的同时使得原子的均方差位移显著增加,此条件下的扩散系数达到1.52×10-13 m~2/s,相比自由扩散条件提高了2个数量级以上。温度和剪切速率是影响快扩散速率的重要因素,温度升高时,快扩散速率先上升后下降,剪切速率升高时,快扩散速率先上升后趋于稳定。对胀焊一体化接头进行力学性能测试,受热循环的影响,接头热影响区硬度较低,界面处由于金属间化合物的产生硬度显著提高。接头的拉拔性能随旋转速度的增加呈现先上升后降低的趋势,在旋转速度为1500 rpm时等效拉拔强度最高,达到176.5±13.7 MPa,为铝合金母材的73.5%。接头的断裂模式为韧脆混合型断裂。对胀焊一体化接头耐腐蚀性能进行评价,接头整体结构具有优良的耐腐蚀性能,其底部密封结构能有效的防止腐蚀介质流入及缝隙腐蚀的发生。金相试样的腐蚀行为以点蚀和剥落腐蚀为主,界面处形成的铝/钢和铝/金属间化合物电偶对会加快接头的腐蚀速率,铝合金作为阳极发生析氢腐蚀,界面处腐蚀沟槽随时间的增加逐渐变宽。电化学腐蚀结果表明,随着旋转速度的增加,接头的腐蚀倾向先减小后增加,但腐蚀速率减小,耐腐蚀性能有所增加。面向实际应用需求,为探索胀焊一体化方法的加工效率和工艺稳定性,制备了典型管板结构多接头试样件。在旋转速度1500 rpm,停留时间20 s,管伸出量1mm,挤压深度0.3 mm的最优参数下,能够在30 min内实现包含19个接头试样件的优质焊接,证明胀焊一体化技术具有广阔的工程应用潜力。