ZK60镁合金作为轻质、高强变形镁合金,在电子通讯、轨道交通和航空航天领域有着广泛的应用前景。双轴肩搅拌摩擦焊（Bobbin Tool Friction Stir Welding）作为常规搅拌摩擦焊接技术的一种改良,不仅能够解决镁合金在传统熔化焊连接过程中容易出现的热裂纹、气孔、氧化物夹杂以及冶金元素烧损等问题,还消除了普通搅拌摩擦焊在中厚板焊接时出现的未焊透缺陷;此外,下轴肩的引入可以使双轴肩搅拌摩擦焊技术应用到中空及空间无支持型结构的焊接。本文对4mm厚ZK60镁合金进行双轴肩搅拌摩擦焊接试验,结合数值模拟手段进行适合于镁合金双轴肩搅拌头的优化设计,系统地探究了搅拌针结构对于被焊工件温度场分布以及塑性金属流动状态的调控机制;研究了工艺参数对于接头焊缝成形、材料流动行为的影响规律。通过开展工艺试验,分析了ZK60镁合金双轴肩搅拌摩擦焊接接头组织的区域特征,以及不同工艺参数对于焊缝成形、接头微观组织演变与力学性能的影响,并且揭示了典型参数下接头的断裂机理。本研究为获得优质的ZK60镁合金焊接接头工艺规范、满足其工程应用奠定了基础。针对ZK60镁合金进行双轴肩搅拌摩擦焊材料流动行为的研究,建立了该过程的数值计算模型,得到特征点的热循环曲线与焊接实测结果基本吻合。通过模拟焊具优化设计,发现圆台+铣三平面形搅拌针的产热要高于柱形搅拌针和圆台形搅拌针产热,并且该搅拌头使得焊接过程中前进侧搅拌头后方材料流动加强,减薄量更小。接头流场显示:在250mm/min、300mm/min等较低焊速下,该搅拌头所焊接头焊缝成形良好,无沟槽、未焊合等缺陷。双轴肩搅拌摩擦焊接头截面的宏观形貌呈“哑铃状”,并按显微组织的不同分为焊核区、热机影响区、热影响区和母材四个区域。焊核区晶粒组织发生连续动态再结晶,等轴晶粒尺寸随焊接速度的增大而减小。热机影响区表现为变形的拉长晶粒以及部分等轴晶。热影响区和母材为粗大的板条状轧制组织,热影响区晶粒尺寸随焊接速度的增大有所减小。接头焊核区向母材的依次过渡当中,区域组织的塑性变形程度依次降低,晶粒内位错和小角度晶界的含量逐渐增多,基体内沉淀相的平均尺寸变大;晶粒取向趋于更加明显的排布,织构的最大极密度依次增大。ZK60镁合金双轴肩搅拌摩擦焊接头的显微硬度呈“上凸”形分布,焊核区域硬度值最高,硬度分布主要受到细晶强化和沉淀相固溶、析出的影响。在不同的焊接速度下,接头的抗拉强度与延伸率均呈现先增大后减小的变化趋势,接头拉伸强度在300 mm/min时达到最大值,为195MPa,接头延伸率在350mm/min时达到最大值9.71%,为母材的64.7%。断裂位置均位于接头前进侧临近热机影响区。微观断口表明,存在缺陷的接头在孔洞缺陷处萌生裂纹,接头呈现仍韧混合断裂模式,无缺陷的接头呈现韧性断裂模式。