2014-T6铝合金是航天工业中应用广泛的一种有色金属材料，采用传统熔焊技术焊接容易产生气孔、裂纹等缺陷。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，以下简称FSW）是英国焊接研究所发明的一种新型固相连接技术，与熔化焊相比，具有许多显著的优点。采用FSW技术焊接铝合金，研究搅拌头和焊接工艺参数对接头微观组织、力学性能及焊接过程焊缝金属塑性体流动的影响，对于揭示搅拌摩擦焊接头形成机理和开发FSW工艺具有重要的理论意义和实际应用价值。　　成功地焊接了8mm厚2014-T6铝合金。对接头进行微观组织分析表明，接头横截面存在4个典型分区：焊核区和轴肩挤压区发生了动态再结晶，形成了细小的等轴晶组织；热机影响区在搅拌针机械挤压和热循环的双重作用下发生了较大程度的变形；热影响区仅受热循环的作用，组织有粗化现象。当焊接速度100mm/min，旋转速度400rpm时，接头最高抗拉强度可达360MPa，约为母材的78％。将接头分为上中下三层，每层的力学性能不同，当接头存在缺陷时，拉伸强度受缺陷的影响而急剧下降，无缺陷时，上层强度最高，中间层强度最低，其强度差异可以达到50MPa左右。接头不同部位的强度和断裂位置与微观组织变化和显微硬度分布有关。　　设计了不同形状及尺寸的搅拌头，在相同的焊接参数下，研究了搅拌头形状和尺寸对焊缝外形、接头微观组织及接头力学性能的影响。研究结果表明：搅拌头是FSW技术的关键，对焊缝的微观组织和力学性能具有重要影响。对于中等厚度的2014-T6铝合金板材，采用圆锥螺纹搅拌针+内凹锥面轴肩的搅拌头是一种合理的选择，搅拌针直径与板材厚度之比约为1:1，轴肩直径与搅拌针直径之比约为3:1～4:1时，得到性能良好的接头。　　采用“标记嵌入技术”实现了FSW过程中塑性材料流动的可视化，分析了搅拌头形状和焊接工艺参数对材料流动的影响。结果表明：焊缝金属材料流动相对于焊缝中心线是非对称的，在前进边一侧，既有材料向前流动也有材料向后流动；在回撤边一侧，材料只发生向后运动。采用三维图像重建技术对得到的试验数据进行分析表明，在焊缝中存在一个垂直方向上的塑性体流动，前进边的金属向下运动，回撤边的金属向上运动，两者的相互运动形成一个循环。搅拌头形状直接影响 FSW过程中材料的流动。当采用圆柱和圆锥搅拌针焊接时，材料在垂直方向上的流动不明显，且存在一个“空白”。当采用圆锥螺纹搅拌针进行焊接时，“空白”消失，材料在焊缝垂直方向上有一个比较明显的循环运动。焊接工艺参数对FSW过程中材料流动也具有重要影响，减小WP（Weld Pitch，搅拌头旋转一周所前进的位移），会使材料在垂直方向上的混合加剧。　　基于流体力学理论，建立了FSW焊缝金属塑性体流动的三维数学模型。模拟结果表明，前进边和回撤边的材料均从回撤边绕过搅拌针而流动；前进边中下部材料向下运动，回撤边材料向上运动。模拟结果与上述“标记嵌入技术”可视化试验结果吻合较好。对模拟结果分析发现，在一定的焊接工艺参数下，搅拌针周围粘度随着与搅拌针距离的增大而增大。在0η（4×105kg·m-1·s-1）粘度等值线附近，材料粘度发生突变，搅拌针与0η等值线之间的区域对应于实际接头的焊核区。该区域外围，存在一个材料粘度剧烈变化的1η粘度带，在很窄的区域内粘度值迅速增大一倍(1～2×107kg·m-1·s-1)。　　η等值线与1η粘度带之间的区域对应于接头的TMAZ区。这种划分方法与实际接头中的焊核区和TMAZ区形状相一致。0模拟了不同形状搅拌头的塑性流动，结果表明，搅拌头形状影响模拟结果中的速度场分布。采用圆柱和圆锥搅拌针时，在焊缝底部易流动区附近，材料易产生分离运动，这种材料的分离运动容易造成孔洞缺陷，实际焊接中也在相应位置发现了孔洞缺陷。平轴肩模型中，轴肩下方易流动区附近也发现了材料的分离运动。　　研究了焊接工艺参数对塑性材料流动的影响。旋转速度对0η易流动区和1η变形区都有影响，而焊接速度主要影响1η变形区。当旋转速度减小时，η易流动区内材料运动不均匀，流动性差，1η粘度带变窄且向搅拌针靠近，同时搅拌针受力增大；增大焊接速度或减小旋转速度时，焊缝中部和底部1η变形区减小，搅拌针受力增大。焊接工艺参数对1η变形区的影响与标记材料的迁移距离结果吻合较好。