搅拌头是搅拌摩擦焊工艺和设备的重要组成部分,是决定焊缝质量的重要因素。目前多采用搅拌头结构设计与焊接实验相结合的试错法开展搅拌头的设计研究,不但缺乏系统性和理论支持而且人力物力浪费较大。鉴于此,本文基于理论推导,科学构建了多平面搅拌头热源模型,可对多平面搅拌头焊接过程中温度场、流场进行有效数值模拟,并通过数值模拟与焊接实验相结合的方法,探讨了搅拌头平面数量对焊接温度场、焊接接头组织及力学性能的影响规律。本文主要研究内容包括:多平面搅拌头热源模型。基于搅拌摩擦焊产热原理及多平面搅拌头结构特点,构建了多平面搅拌头产热模型,通过焊接急停试验手段,分析确定了平面区域等效滑移系数,建立了搅拌摩擦焊稳态焊接过程热-流耦合模型,并采用示踪因子法进行了模型有效性验证。模拟结果表明:当平面等效滑移系数取0.85时,多平面搅拌头模拟结果与焊接实验温度场、流场较为吻和。搅拌头平面数量对焊接接头温度场、压力场、流场的影响规律。搅拌头周围高塑性区面积随搅拌头平面数量增加而呈上升趋势。多平面搅拌头/工件界面压力场显著大于圆台搅拌头,并随着平面数量的增加,界面压力逐渐减小。平面的存在改变了搅拌针周围材料的流动方向,使部分材料产生水平移动趋势。搅拌头平面数量对焊接接头组织的影响规律。接头微观组织分析表明:圆台搅拌头、三平面搅拌头、四平面搅拌头焊后接头均呈现上层晶粒平均尺寸高于中部与底部;在同一截面下,三平面搅拌头焊核区晶粒最小。本文认为平面的存在加强了搅拌头对材料的挤压作用,使焊核区晶粒尺寸减小,但随着平面数量的增加,搅拌头对材料的挤压作用逐渐减弱。搅拌头平面数量对焊接接头性能的影响规律。接头性能分层测试结果表明,三种搅拌焊接接头显微硬度均呈U型分布,上层硬度值最低,是影响焊接接头性能的薄弱区域,同一水平面上,三平面搅拌头显微硬度值最高,力学性能最优,抗拉强度为413MPa,为母材90%,随着平面数量增加,焊接接头抗拉强度呈下降趋势。综上所述,本文在多平面搅拌头热源模型建立、搅拌头平面数量及作用原理等方面进行了较为深入的研究,研究成果对搅拌头优化设计及多平面搅拌头工艺设计提供理论依据,具有重要的理论意义和工程实用价值。