扩散连接技术具有接头组织均匀稳定、界面结合质量高、近净成型、材料适用范围广等特点,广泛应用于航空航天、电子器件、机械制造等领域。扩散连接过程总体上分为三个阶段:第一阶段是初始物理接触,待焊表面在压力作用下接触发生塑性变形并形成孤立的初始空洞;第二阶段是扩散、蠕变机制作用下空洞的逐渐闭合;第三阶段是原始界面迁移和空洞消失。其中初始物理接触阶段所形成的界面初始空洞大小和形状是决定扩散连接所需时间和最终界面结合质量的基础,有效调控界面初始空洞尺寸是优化扩散连接工艺参数和提高连接件质量的重要途径。经典扩散连接界面演化模型对初始物理接触阶段的分析主要建立在塑性力学的基础上,考虑压力、温度和待焊表面形貌的影响,采用复杂的数学模型讨论初始空洞的变化规律,但囿于其形式的复杂性,需要借助专业数学软件才能获得特定焊接体系的解析解,工程易用性差。本文以固相扩散连接初始物理接触阶段为研究对象,基于有限元数值模拟方法,系统研究了压力、温度、待焊表面形貌对界面初始空洞大小的影响规律,进而选取多种焊接材料体系研究材料本征力学性能参数对初始物理接触阶段界面演化的影响,由此构建适于工程应用的初始物理接触本构回归模型。基于有限元多场耦合数值模拟方法,在界面引入电流,对比研究了有/无电流条件下界面接触行为,探讨了电流的作用机制。主要研究内容及结论如下:(1)基于有限元接触模拟方法,研究了压力、温度对界面初始空洞大小影响规律。结果表明,初始空洞宽度随连接压力增大近似线性减小;初始空洞高度随连接压力增大加速减小;形成的初始空洞形状接近狭长的透镜形。温度对初始空洞缩小的促进作用表现出对连接压力的依赖性:压力越大促进作用越显著。有限元数值解与经典模型解析解吻合较好,证明了有限元方法的可行性。(2)考虑了待焊表面垂直和水平方向上的粗糙度,用微凸体高宽比表征待焊表面的微观平整度,系统研究了待焊表面形貌参数对初始空洞演化的影响。结果表明,表面形貌参数和连接压力协同影响初始空洞的演化:连接压力较小时,粗糙度对初始空洞宽度影响不显著;连接压力较大时,粗糙表面的等效塑性应变较高,塑性变形程度更剧烈,所形成的初始空洞宽度更小。而初始空洞高度主要取决于待焊表面垂直方向上的粗糙度,粗糙度越大初始空洞高度越大,空洞体积越大。同时减小微凸体高度和波长有利于形成细小的初始空洞,为后续扩散机制创造有利条件。(3)选取铜、TC4合金、304不锈钢、AA7020铝合金、C22合金5种扩散连接常用金属材料进行多组数值模拟,考虑了表面形貌参数和材料本征屈服强度对初始物理接触阶段界面演变的影响,建立了适于工程应用的,包含材料本征屈服强度和表面形貌参数的初始物理接触多项式本构回归模型;并运用该模型对试验值和理论值进行了对比,结果表明模型对预测一定工艺条件下界面初始空洞大小具有指导作用。(4)基于多场耦合数值模拟方法在界面引入电流,解耦电流热效应和电效应,分别研究了其对界面接触过程影响规律。结果表明,实际微观界面温度场分布均匀,电流未造成界面热软化作用的不均匀性,界面在均匀一致的温度场变形;纯电致塑性效应导致界面局部屈服应力降低,初始空洞宽度进一步减小,其减小幅度随压力增大而减小,而初始空洞高度相比无电流时变化不显著;有电流条件下界面接触行为与无电流时表现出不同特征,空洞表面由以纵向折叠接触为主导转变为以横向扩展为主导。(5)基于等离子活化烧结技术设计并进行了有/无电流快速初始物理接触试验,研究了同一温度下电效应对初始空洞大小影响。结果表明有电流作用时界面实际接触面积相比无电流得到提高,初始空洞宽度进一步减小。