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回填式搅拌摩擦点焊(Refill Friction Stir Spot Welding,Refill FSSW)热输入低,能够细化焊点晶粒,并且能消除传统搅拌摩擦点焊设备的搅拌头回撤时不可避免的退出孔,其在铝合金等轻合金连接领域具有巨大优势。日本川崎重工和德国Helmholtz-Zentrum Geesthacht研究中心已经将该工艺用于铝合金和镁合金的连接上。另一方面,铝合金/钢异种金属连接技术能够实现汽车轻量化,提高能源利用效率,减少废气排放,保护生态环境。基于回填式搅拌摩擦点焊的优势和铝合金/钢混合结构广泛的应用背景,本文重点研究了回填式搅拌摩擦点焊的主要焊接参数(搅拌套下压量和旋转速度)和镀锌层对铝合金/钢异种金属接头的力学性能和微观组织的影响,并揭示了该工艺的连接机理。本研究不仅具有理论参考价值,还能够切实可行地指导工业生产。本文的主要研究对象是两种汽车用铝合金板(1.0 mm厚Novelis AC 170 PX和1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST铝合金板)和两种低碳钢板(1.0 mm厚ST16钢板和1.2 mm厚ST06 Z镀锌钢板)组成的异种金属回填式搅拌点焊双层搭接接头。焊点位于接头25mm×25 mm搭接面积的正中央,其直径为9.0 mm。通过拉剪测试和十字型拉伸测试评价接头的力学性能。另外,采用电子探针(EPMA)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和X射线衍射(XRD)方法对铝合金/钢接头的微观组织、成分、断口形貌以及断裂路径进行分析。Novelis AC 170 PX铝合金/ST16钢接头的最大平均拉剪和十字型拉伸断裂载荷分别为2495 N和337 N。对于Aleris Superlite 200 ST铝合金/ST16钢接头,其最大平均拉剪断裂载荷为3745 N,并同时达到最大平均十字型拉伸断裂载荷1073 N。所有拉剪和十字型测试的试样均失效于铝合金/钢接头界面位置。当搅拌套未接触钢板表面时,搅拌套下压量对拉剪断裂载荷影响不明显。焊点通过冶金反应连接,并在搅拌套作用区域形成Fe-Al金属间化合物层。但是搅拌套压入钢板后,由于铝合金板和钢板间的冶金结合和机械结合方式,接头的力学性能得到了显著的提升。同时这个过程也给搅拌套带来了严重的磨损,降低了其使用寿命。另外,旋转速度对接头力学性能的影响不明显。Novelis AC 170 PX铝合金/ST06 Z镀锌钢接头的最大平均拉剪和十字型拉伸断裂载荷分别为3044 N和301 N。对于Aleris Superlite 200 ST铝合金/ST06 Z镀锌钢接头,其最大平均拉剪断裂载荷为4500 N,并同时达到最大平均十字型拉伸断裂载荷359 N。所有试样失效于铝合金/钢接头界面位置。同铝合金/ST16钢接头相比,铝合金/ST06 Z镀锌钢接头表现出了更好的抗拉剪性能,并且所有拉剪试样在搅拌针作用区域均失效于铝合金/钢接头铝合金侧界面。在搅拌套作用区域发现厚度仅为0.68μm的金属间化合物层,其成分接近FeAl3。在铝合金侧界面观察到了Zn-O富集区,在该富集区内晶界位置出现有微裂纹并且Zn、O和Mg在该位置偏聚。结合断口分析结果,确定接头的薄弱位置为焊点中心位置的Zn-O富集区。在拉剪测试中,接头主要以脆性断裂为主,并带有沿晶断裂特征。通过Zn在铝合金/镀锌钢焊点中的分布可以推测回填式搅拌摩擦点焊焊缝中热塑性材料流动过程,并且以此可以将焊点分为搅拌针作用区域和搅拌套作用区域。