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双轴肩搅拌摩擦焊(简称BT-FSW)是在传统搅拌摩擦焊基础上改进并提出的一种新型焊接方法。BT-FSW的特点在于既能获得质量良好焊接接头,又克服了常规搅拌摩擦焊需要垫板支撑的局限性。针对ZK60高强镁合金的材料性质,本文设计了新型专用BT-FSW搅拌头,并利用该搅拌头进行焊接试验,在一定范围的工艺窗口获得成形良好的接头。揭示了不同工艺参数对接头成形,微观组织演变以及力学性能的影响与联系,为高强镁合金的实际工程化应用奠定了基础。试验分析了不同轴肩以及不同搅拌针形貌对接头成形的影响,采用优化设计的平面带螺纹轴肩配合锥状平台带螺纹搅拌头进行焊接试验,最终获得成形良好、无缺陷的接头。同时对焊接过程典型特征进行实时监测,获得焊接过程典型特征点温度热循环曲线以及主轴、X轴电机扭矩。通过建立焊接过程特征参数与焊接工艺参数的联系与规律,以期通过根据过程参数调控焊接接头质量。研究发现随着热输入量增大(搅拌头转速的提高或者焊速降低),特征点温度循环峰值温度将显著上升,稳定状态下主轴与X轴电机扭矩均有所下降。反之热输入降低(搅拌头转速降低或者焊接速度升高),特征点峰值温度降低,材料软化程度降低。进而引发主轴与X轴需要更强的扭矩进行焊接。上下轴肩同时作用,导致ZK60镁合金BT-FSW焊缝区域呈“沙漏状”。将直接受到搅拌头搅拌,由等轴晶构成的区域称之为焊核区(WNZ);位于WNZ两侧,被WNZ塑性金属挤压带动,主要由细长条状晶粒组成的区域称之为热机影响区(TMAZ);未受到直接或者间接机械作用的区域称之为热影响区(HAZ)。接头不同区域的晶粒尺寸大小随热输入的升高而增大。ZK60镁合金属于典型沉淀强化镁合金,在BT-FSW过程剧烈热力作用下,焊缝沉淀相发生不同程度的固溶或者破碎,导致接头的沉淀强化被破坏。在接头显微硬度测试中,母材区硬度值最高,焊核区由于沉淀强化被严重破坏,硬度值最低,接头硬度软化区域形状大小受焊接热输入的影响;在拉伸性能测试中,无缺陷接头抗拉强度最优达264MPa,延伸率为9.6%,分别为相当于母材的95%与65%,无缺陷接头拉伸断裂位置位于前进侧焊核区与热机影响区交界处,接头断口呈韧性断裂。当热输入过低或过高时,由于接头内部或者表面存在缺陷,拉伸时在缺陷处形成应力集中,导致裂纹在此萌发并扩展,进而强度大幅降低,断裂位置均位于焊缝缺陷处,在缺陷处拉伸断口SEM图像无明显塑性变形,导致接头整体SEM呈现为韧-脆-韧的混合模式。经过BT-FSW过程,接头WNZ与HAZ冲击功较之于母材都略有上升,其中HAZ冲击功最高。不同工艺参数对接头的WNZ冲击功影响较大,对HAZ冲击功无显著影响,主要原因在于不合理工艺参数导致在WNZ中产生缺陷,将严重影响其冲击功。