铝合金厚板在制造业有广泛的应用，研究厚板焊接技术，以提高厚板作为结构件的整体强度，具有重要的实用价值。搅拌摩擦焊技术自发明以来，得到长足发展，国外厚板搅拌摩擦焊接技术已经在工业生产中广泛应用。国内的研究尚处初步阶段。在厚板搅拌摩擦焊中，存在的主要问题是沿板厚方向温度梯度较大，下层金属温度偏低、金属塑性流动不充分，因而下层是接头性能的薄弱环节。 本论文针对14mmLF21厚板采用搅拌摩擦焊技术对接，开发出了适合铝合金厚板对接的搅拌头及焊接工艺。本论文的主要研究内容为：铝合金厚板搅拌摩擦焊搅拌头设计制造、铝合金厚板搅拌摩擦焊对接工艺优化、厚板对接接头分层性能研究。试验中分别采用拉伸试验、金相试验及显微硬度等试验对接头性能及组织进行评定。 本论文试验研究中，分别采用GCr15轴承钢、W18Cr4V工具钢和9341高速工具钢三种材料制作搅拌头，几何形状设计成螺纹开槽型和Whisk螺纹开槽型（搅拌针顶部加工成搅拌器形状）。试验表明，采用GCr15、W18Cr4V制作的搅拌头在一定工艺条件下发生针扭弯、断折现象，不适合厚板焊接工艺。 在焊接工艺参数组合优化试验中，对搅拌摩擦焊的产热途径进行了探索，研究表明，搅拌摩擦焊的热输入主要包括两部分：摩擦产热和塑性变形潜热。当焊接速度小于某一临界值时，塑性变形产热影响明显，随焊接速度的增大，塑性变形热在焊缝热输入中所占的比例提高，“温度效应”显著，此时增大焊接工艺参数有利于焊缝成形。当焊接工艺参数超过一定的值时，塑性变形热在焊缝热输入中所占的比例降低，“温度效应”减弱，且由于焊接速度的提高使得焊接线能量减小。此时，焊接速度的增大不利于焊缝成形。 试验中，分别改变焊接速度和旋转速度，确定工艺参数对接头抗拉强度的影响。当采用Whisk螺纹开槽搅拌头，旋转速度选定1200R/min，焊接速度在120mm/min至190mm/min间变化时，接头抗拉强度均能达到母材的97％以上；选定焊接速度F＝150mm/min，旋转速度在1000R/min至1400R/min间改变时，其接头抗拉强度均在母材的96％以上。而选用螺纹开槽搅拌头，选定旋转速度1200R/min，得到成形较好的焊缝的焊接速度可调范围比Whisk搅拌头小。焊接速度从130mm/min增至170mm/min时，其接头抗拉强度先减小后增大，最小值为母材的84.3％，远低于采用Whisk螺纹开槽搅拌头。而选定焊接速度F＝150mm/min，旋转速度从1000R/min增至1400R/min时，接头抗拉强度随旋转速度的增加而减小，抗拉强度的差值约20MPa。由此可见，Whisk螺纹开槽搅拌头比螺纹开槽搅拌头工艺适应性好，有利于得到抗拉强度性高的对接接头。 本文研究中还进行了接头分层性能测试、金相组织及显微硬度试验。将采用Whisk螺纹开槽搅拌头焊接的接头加工成分层拉伸试样，进行拉伸试验，接头下层的抗拉强度与上层、中层基本一致。金相试验中，可以观察到LF21厚板搅拌摩擦焊对接接头主要区域为焊核区(Nugget)、热机械影响区(Thermal Mechanical Affected Zone,简称TMAZ)、热影响区(Heat Affected Zone,简称HAZ)、母材(Base Material)。其接头是在摩擦及搅拌综合作用下形成的，塑性金属的流变关于焊缝中心不对称。焊缝区域非稳态流场的“洋葱环”形貌贯穿整个板厚方向，焊缝中心中、下层为细小的等轴晶。显微硬度试验表明，中层显微硬度略高，上、下层数值相近，中层约高出4HV。这与分层拉伸试验结果一致，接头各层性能较均一。 搅拌摩擦焊接头是在摩擦和搅拌综合作用下形成的，螺纹开槽及搅拌针顶端加工成搅拌器形状有助于加强搅拌作用，促进塑性变形潜热释放，减小板厚方向上的温度梯度，同时使下层塑性金属流动充分、促使焊缝晶粒发生动态再结晶，从为有效地解决了接头各层性能不均的问题。