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搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术,能够有效避免熔焊过程中产生的热裂纹、气孔等冶金缺陷。铝/铜异种材料的物化性能存在较大差异,导致其搅拌摩擦焊接头成形质量差、易生成硬脆的铝铜金属间化合物相。本课题主要针对4mm厚的5A06铝合金和T2紫铜异种材料搅拌摩擦焊工艺进行了研究。首先对搅拌头进行优化设计。其设计结果为:搅拌头的工具钢材料进行表面渗氮处理;搅拌轴肩为内凹形,尺寸为Φ20mm;搅拌针为无螺纹圆台形,根部为Φ6mm,上部为Φ4.2mm,搅拌针长度为3.7mm。经优化设计后的搅拌头可以成功实现铝/铜异种材料的搅拌摩擦焊连接。考虑到异种材料搅拌摩擦焊工艺的特殊性,重点研究搅拌针扎入位置相对与焊缝配合面的偏移量以及母材的放置位置对铝/铜异种金属搅拌摩擦焊对接接头组织性能的影响,并深入分析对接接头的宏观形貌、微观组织、显微硬度及抗拉强度等。工艺试验结果表明:焊接过程中,熔点较高的T2紫铜试板放置在返回侧,5A06铝合金试板放置在前进侧,搅拌针扎入位置相对于焊缝配合面偏向铝合金一侧的距离为0.2~1.0mm,可以得到外观成形美观且焊缝内部无缺陷的优质接头。焊缝上层出现紊乱混合区,中间层呈现铝、铜层迭状混合态,焊核底部出现典型“洋葱环”形貌。当铜板置于返回侧时,接头抗拉强度的平均值高于铜板置于前进侧,其最大抗拉强度可达236MPa,为紫铜母材的79.8%。试样拉伸断口呈现四种特殊形貌,当铜板放置在返回侧时,断面光滑且与拉伸方向呈45度夹角或是断面呈铝/铜交替层状形貌。断裂位置多位于前进侧热影响区或焊核区,断口SEM微观形貌多呈塑性韧窝状。接头XRD物相分析及EDS成分分析的结果表明,焊缝区主要形成Al2Cu、AlCu金属间化合物,致使焊核区硬度值波动较大。通过对焊缝“洋葱环”特征进行分析,进一步研究搅拌摩擦焊接头的产热机制及成形机理,认为在合适的工艺参数下得到的接头焊核区中,铝/铜分界线明显,在焊核区底部可以清晰地观察到“洋葱环”区域中呈现的塑性金属流动轨迹。焊核区组织经历了回复再结晶过程,晶粒细小;热机影响区的晶粒组织受到摩擦热和搅拌力的耦合作用,被拉长变形;热影响区组织受到摩擦热的作用,晶粒出现粗化现象。另外,铝/铜异种金属的搭接搅拌摩擦焊工艺试验结果表明,当熔点较高、导热性较好的紫铜作为搭接的上层板时,能够成功获得成形美观、搭接界面处无缺陷的优质接头。