搅拌摩擦焊是一种新型固态材料连接技术,焊接过程中材料没有发生熔化,因而接头可以避免气孔、裂纹等金属凝固缺陷,接头强度高;同时由于焊接能量输入比较低,可以实现焊后工件的小变形。因此搅拌摩擦焊一被发明很快就被投入到工业化应用之中,如美国的宇航制造工业和汽车工业、北欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造工业等。在其他如兵器工业、建筑、电力、能源、家电等领域,搅拌摩擦焊也具有广阔的应用前景。2024铝合金具有高的比强度和良好的工艺加工性能,在飞机、汽车、船舶等结构中有着广泛的应用。但由于其熔焊时接头容易形成气孔、裂纹等缺陷,使接头性能降低,因而被定义为熔化焊方法不可焊材料,但该材料采用搅拌摩擦焊却具有优良的性能,因此适合作为本论文的研究对象。本文自主设计搅拌头,通过选择合适的工艺参数,成功实现了硬铝合金2024-T4板材搅拌摩擦焊接;通过对接头成形和微观组织的研究得到可以实现焊接的工艺参数范围和工艺参数对接头成形的影响规律,并结合接头力学性能研究形成了接头性能与工艺参数之间的关系,并据此建立了优化工艺参数窗口,优化工艺参数下接头的抗拉强度可达到母材的80%以上。论文还采用小孔法对接头的残余应力进行了测试,得到搅拌摩擦焊接头残余应力分布规律,发现纵向残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,前进侧拉应力值较高,返回侧拉应力值较低;纵向残余应力峰值出现在前进侧轴肩作用边缘处,且显著低于熔化焊接头纵向残余应力峰值;在本文研究条件下,焊接速度越高,接头纵向残余应力峰值越大。在试验研究的基础上,建立了搅拌摩擦焊过程数值模型,该模型同时包含温度场和搅拌头作用力以及夹具的影响;依据该模型能够对搅拌头扭矩、焊接输入功率进行预测,并能较好地反映搅拌摩擦焊接头残余应力不对称分布的特征;分析发现,搅拌头作用力的影响降低了纵向拉伸残余应力并使其在焊缝两侧呈不对称分布。