随着高速铁路技术的发展，铝合金在高速动车组列车制造中得到了越来越多的应用。作为轨道车辆生产制造的核心技术，铝合金的焊接技术直接影响车辆的质量、生产成本和行车安全。然而，使用传统的熔化焊方法焊接铝合金存在的主要焊接性问题为：焊缝中的气孔、焊接热裂纹、接头变形及软化等。这些焊接性问题与铝合金的物理性质等因素有关，很难得到根本的解决，这一定程度上制约了铝合金在高速列车制造中的更广泛的应用。搅拌摩擦焊（FSW）是一种新型的固相连接技术，被认为是解决铝合金焊接性问题最为有效的方法之一。因此，开展高速列车用6005A-T6铝合金FSW接头的组织与性能研究，具有重要的理论意义和实用价值。本文首先系统、深入地研究了6005A-T6铝合金FSW接头的组织与性能特点。研究结果表明，6005A-T6铝合金FSW接头可分为焊核区（NZ）、热机械影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材（BM）。BM组织呈纤维状，晶粒内部分布着大量细小的针状β’’相，β’’与-Al基本呈共格关系，在BM晶界上连续地分布着单质Si相和Q相，沿晶界存在较宽的沉淀无析出带（PFZ）。NZ在FSW过程中经历了动态再结晶，同时还有沉淀相的溶解。TMAZ的突出特点为沿一定方向弯曲变形的晶粒，基体中存在着高密度的位错。在NZ和TMAZ的晶界上仅存在极少量的单质Si相。HAZ的微观组织是不均匀的，靠近TMAZ的HAZ（记为HAZ1）中为较均匀的近等轴晶粒，而靠近BM的HAZ（记为HAZ2）晶粒仍具有纤维状特点。HAZ晶粒内部的主要沉淀相为棒/板状β’相、板状Q’相和针状β’’相，β’相和Q’相与-Al基体呈半共格关系。随着距焊缝中心距离减小，HAZ中β’’相减少而β’相和Q’相增多且明显粗化。HAZ晶界上非连续地分布着单质Si和Q相，晶界两侧的PFZ宽度有所减小。6005A-T6铝合金FSW接头的显微硬度分布呈W型。BM具有最高的硬度值，NZ的硬度较TMAZ更高，硬度最小值位于HAZ1内，随着距焊缝中心距离的增加，HAZ硬度显著升高。显微硬度的变化主要与晶内沉淀相的种类、尺寸和密度有关。拉伸性能测试结果表明，FSW接头的抗拉强度可达到母材强度的70%以上，延伸率可达母材的75%以上。FSW接头具有较母材更高的抗晶间腐蚀性能。母材晶界大量的第二相（单质Si相和Q相）与两侧的PFZ易形成原电池，导致其抗晶间腐蚀性能明显降低。NZ晶界上的第二相明显减少，因此显著提高了其抗晶间腐蚀性能。较系统地研究了焊接参数（焊接速度、旋转速度、下压量）和焊后时效处理对6005A-T6铝合金FSW接头微观组织及力学性能的影响规律。焊接速度的增大、搅拌头旋转速度的减小或下压量的降低，将导致焊接热输入减小，NZ和HAZ1晶粒细化，HAZ1沉淀相（β’相和Q’相）有细化的趋势，NZ硬度略有升高；反之则焊接热输入增大，NZ和HAZ1晶粒粗化，HAZ1沉淀相（β’相和Q’相）有粗化的趋势，NZ硬度略有降低。不适当的焊接参数导致产生孔洞、飞边等焊接缺陷，明显影响接头的拉伸性能及焊接质量。焊后自然时效处理对接头组织及硬度具有一定的影响。随着时效时间的延长，NZ和TMAZ发生自然时效现象，由过饱和固溶体→团簇→GP区，宏观表现为硬度的逐渐提高，而HAZ的组织和硬度在自然时效过程中无明显变化。焊后人工时效处理可使基体中固溶的溶质原子以沉淀相的方式析出，因此有利于提高接头的整体硬度水平和抗拉强度。优化焊接参数是提高接头力学性能的有效途径。采用二次回归正交试验方法优化的6005A-T6铝合金FSW参数为：焊接速度370mm/min，搅拌头旋转速度为1381r/min，下压量为0.11mm，FSW接头的抗拉强度计算值为222.4MPa，FSW接头抗拉强度的试验值为212.7MPa，计算值与试验值的误差为4.36%。依据粘着摩擦机制，建立了FSW过程的产热方程，计算表明，在FSW过程中对产热的贡献依次为轴肩凹端面（83.9%）、搅拌针侧面（11.0%）、轴肩外侧面（2.7%）、搅拌针底端面（2.4%）。因此，在温度场的有限元模拟计算时考虑轴肩外侧面的产热作用是必要的。在此基础上，通过ANSYS有限元模拟软件对FSW热过程进行了数值模拟分析。数值模拟得到的FSW接头不同位置的热循环曲线与实测结果基本吻合，并且能够较好的反映出焊接参数对接头温度场的影响规律。根据6005A-T6铝合金FSW接头沉淀相形貌的研究结果，将沉淀相形貌假定为更接近于实际情况的圆柱形，以析出热力学、生长动力学和强化理论为基础，建立了6005A铝合金组织演变模型和强化模型，从而实现了6005A-T6铝合金FSW接头组织的定量描述及接头显微硬度分布的预测，预测结果与试验结果基本一致。