搅拌头是搅拌摩擦焊接(FSW)工艺和设备的重要组成部分,也是决定焊缝质量的重要因素。大量的实验研究表明,搅拌头的形状会对焊缝的宏观形貌、微观组织以及焊接接头的力学性能等产生很大的影响。相对于传统的圆柱／圆台形搅拌针,复杂截面形状的搅拌针能显著提高焊接接头的性能并能改善搅拌头的受力状态。研究搅拌针形状对搅拌摩擦焊接热过程和塑性材料流动的影响,对于丰富FSW工艺理论和实现搅拌头的优化设计,具有重要的理论意义和工程实用价值。针对常规的CT搅拌针(圆台形搅拌针),建立了FSW焊接过程的数学模型,分析FSW焊接过程中产热、温度分布和材料塑性流动的基本规律。考察了界面状态参量(滑移系数和摩擦系数)对模拟结果的影响。根据搅拌头-工件界面上的受力特点,推导出了滑移系数和摩擦系数的表达式,该表达式中的搅拌头扭矩和轴向压力通过实验测得；轴肩／搅拌针底面与搅拌针侧面上的剪切应力比值,通过某些点的温度测量值与计算值的逼近而获得。基于这种测试-计算法,获得了不同工艺参数下的滑移系数和摩擦系数,避免了其取值的随意性,为提高数值模拟的精度奠定了基础。综合考虑了复杂截面形状搅拌针ST(有4个平面的圆台形搅拌针)和TT(有3个平面的圆台形搅拌针)的特点,建立了三维“准稳态动参考系”+“瞬态滑移网格”模型,该模型更接近实际的搅拌摩擦焊接过程,且能兼顾计算时间和计算的准确性。重点讨论和分析了ST和TT在搅拌针侧面平面区域的产热、材料流动速度及受力状态,并采用测试-计算法研究了搅拌针形状对滑移系数和摩擦系数的影响规律。基于建立的针对复杂截面形状搅拌针的FSW焊接过程数学模型,计算了CT、ST和TT三种搅拌头情况下焊接过程中的产热、温度分布和塑性流动行为,定量分析了不同时刻ST和TT搅拌针周围材料塑性流动的特点。研究发现,搅拌针形状对FSW焊接过程的总产热量和轴肩处的产热分布规律的影响很小,而对搅拌针侧面产热分布规律影响较大；搅拌针形状对最高温度的影响小于30 K,ST和TT搅拌针旋转过程中,搅拌针周围温度的波动振幅小于10 K；ST和TT搅拌针剪切层内的最大材料流动速度是CT搅拌针的2-3倍,ST和TT搅拌针对被焊材料的“搅拌作用”明显强于CT搅拌针。开展了搅拌摩擦焊接工艺实验,测试了焊接热循环、材料流动和焊缝横断面。数值模拟结果和实验结果吻合情况良好。