随着我国轨道交通行业的高速发展,对车体的轻量化、高速化提出了更高的要求。为了解决这些问题,越来越多的车体采用了铝合金、镁合金、铝基金属复合材料等轻质材料。对于这些轻质材料的焊接,传统熔化焊焊后常常出现缺陷,对焊接部件的力学性能产生巨大影响。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)作为一种新型的固相连接技术,可以更好的保证焊接接头的质量,提高列车运行的安全性能。搅拌头作为FSW的核心部件,其几何形状不仅决定了焊接过程中的热输入量,还影响搅拌头附近塑性金属的流动形式,因而设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键。因此研究搅拌头几何特征对搅拌摩擦焊的影响具有重要意义。本文采用全热力耦合方法,建立AZ91镁合金板材的全热力耦合刚粘塑性有限元模型,对搅拌头几何特征对焊接过程中温度场、变形场、搅拌头受力和磨损展开研究,主要内容如下:首先,基于两种接触方式和两种边界处理方法建立了三种搅拌摩擦焊焊接模型对FSW过程进行模拟,分别讨论了焊接过程中焊件的温度场、变形场和搅拌头的受力情况并对其结果进行了对比分析,得出最优的模拟方案。其次,在焊接参数、轴肩直径和搅拌针长度相同的条件下,重点讨论了轴肩凹角和搅拌针锥角的独立变化对焊接过程中温度、材料变形以及搅拌头受力的影响规律,并讨论了转速、焊速对凹面轴肩搅拌头和锥形针搅拌头受力的影响。最后,基于Archard磨损理论,建立了4种搅拌头的有限元磨损模型,分析了轴肩形状(平面轴肩和凹面轴肩)、搅拌针形状(圆柱形和圆锥形搅拌针)以及转速、焊速对搅拌头磨损分布、磨损量的影响。通过模拟不同形状搅拌头的搅拌摩擦焊过程,得到了凹面轴肩、锥形搅拌针对温度场、材料变形以及搅拌头受力和磨损的影响规律,为搅拌头的设计提供理论参考。