自1991年搅拌摩擦焊发明以来,就得到了社会各界的广泛关注,相比于熔焊,搅拌摩擦焊的固相连接避免了大多焊接缺陷,是一种绿色无污染的连接方法。搅拌摩擦焊的过程中,搅拌头直接与被焊金属接触,承受较高的温度及较大的应力循环,搅拌头是搅拌摩擦焊技术的关键。搅拌头的脆性断裂是FSW过程中常遇到的现象,21世纪初期就有诸多学者通过理论计算FSW过程中的受力对搅拌头进行分析,从而辅助搅拌头的设计工作;亦有学者通过实际测量搅拌头的受力,预期获得影响搅拌头受力及断裂的规律。但无论是理论计算还是通过试验测量,对于全过程的搅拌头受力研究都较为困难,因此设计搅拌头的尺寸依然停留在经验公式,搅拌头能够工作的参数范围也只能是试验验证。因此本文提出采用有限元计算软件,建立FSW全过程有限元模型,通过有限元模拟的手段对FSW过程中搅拌头的受力进行研究,进而研究搅拌头的断裂行为。本文详细介绍了CEL模型构建时采用的关键技术及参数,通过预实验测定了FSW过程中被焊金属的温度曲线以及搅拌头的温度分布,矫正了所建立的有限元模型。得到了FSW全过程中搅拌头的温度场、应力场以及等效塑性变形场,并通过Von Mises强度理论进行搅拌头的断裂性评估。后续开展模拟从搅拌头形状设计和焊接工艺参数两个角度模拟了搅拌头的受力及其断裂属性。结果表明:搅拌针根部直径与焊接工艺参数是影响搅拌头断裂的重要参数。同时本文给出了典型尺寸搅拌头的参数应用范围。之后本文设计了不同根部直径的搅拌头进行了FSW焊接试验。拉伸性能规律显示,在合理的搅拌针根部直径参数范围内,随着搅拌针根部直径的增加,焊接接头的抗拉强度及断面延伸率都有所增加。各接头都遵循FSW接头硬度分布,呈现出典型的“W”形,根部直径越大,焊核区的范围越大,焊缝底部硬度区域显示出了较为明显的差别。本文的最后通过响应曲面法建立了抗拉强度与搅拌头和焊接参数之间的二维模型,工艺参数优化表明,在低热输入即低转速和高焊速情况下,搅拌头根部直径对于抗拉强度的影响较大,根部直径越大抗拉强度越高。模型预测采用7mm根部直径的搅拌针在818rpm-248mm/min的焊接参数下焊接后得到的抗拉性能为347MPa,实际焊接得到的性能为345MPa,预测精度较高。