铝合金挤压型材具有刚度大、比强度高、平整度好和耐腐蚀性强等优点,被广泛应用于城轨车辆制造领域。搅拌摩擦焊(FSW)作为固相连接技术,能够消除传统熔焊产生的焊接问题,适用于铝合金型材的焊接。但关于型材FSW的研究开展较晚,目前主要存在两个问题:结构尺寸设计缺乏理论指导,焊接效率亟待提高。针对这两个问题,本文构建了顺序热-力耦合模型,结合承载能力和结构重量等因素,设计了FSW接头结构;研制了变螺旋槽深的大轴肩搅拌头,实现了铝合金型材的高速搅拌摩擦焊接,阐明了高速FSW接头微观组织和力学性能的演变规律。提出了FSW优化产热模型,并研究了物性参数对热场模拟的影响。与传统产热模型相比,优化产热模型将产热体积细分为若干层,各层采用不同的屈服强度计算热流密度,并且考虑了搅拌头倾角,给出了轴肩产热面积和搅拌头下扎速率的数学关系式,使热输入逐渐加载,消除了温度突变。对比各测温点的实测和模拟热循环曲线发现,优化产热模型具有更高的模拟精度。此外,赋予每个物性参数四种数值:函数值(数值随温度发生变化)、室温值(20℃)、中温值(300℃)和高温值(600℃),并将常数值对应的焊接热循环曲线与函数值进行对比,结果发现屈服强度对热场模拟影响显著,而质量密度、比热容和热导率对热场模拟影响不大。确定了型材FSW的优化接头结构和最佳接头类型。首先,构建顺序热-力耦合模型对焊接过程中型材内部的应力场进行分析,发现扎入阶段主支撑筋前进侧圆弧过渡处的焊接应力集中程度最大,是焊接过程中的“最危险”位置。增大主支撑筋宽度(SW)或圆弧半径(AR)能够显著降低焊接应力,优化接头结构中SW=6mm,AR=5mm。然后,采用不同针长的搅拌头对固定厚度的板材进行焊接,设计了未透对接、已透对接和对-搭组合三种接头。其中,未透对接接头根部对接面处会形成未焊合缺陷,对-搭组合接头焊核区两侧会产生“钩”状缺陷,两种缺陷附近均存在应力集中,且减小了接头的有效承载面积,会显著降低接头力学性能;已透对接接头内部无焊接缺陷,具有最高的拉伸性能,是型材FSW的最佳接头类型。实现了铝合金型材的高速搅拌摩擦焊接,并阐明了型材高速FSW接头不同区域的微观组织演变规律。本课题所研制搅拌头的轴肩直径为工件厚度的5倍,平轴肩表面加工有自外至内深度逐渐变浅的阿基米德螺旋槽,搅拌针侧面加工有两套导程不同的右旋锥螺纹,采用该搅拌头实现了对铝合金型材的高速搅拌摩擦焊接。基于微观组织观察和热场模拟结果可知,高速FSW接头热影响区的晶粒形态与母材相似,但发生粗化,高焊接速度导致高温停留时间大幅缩短,抑制了β′′相的溶解和粗化,晶内主要沉淀相为低于母材密度的β′′相和略高于母材密度的β′相。热机影响区晶粒沿一定方向弯曲变形,晶内位错密度最高,β′′相全部溶解,主要沉淀相为与热影响区密度相近的β′相。焊核区在剧烈的塑性变形和高热输入的联合作用下,发生了连续动态再结晶,形成细小的等轴晶粒,晶内含有较高密度位错,所有β′′相和大部分β′相溶解进入基体,极少量β′相转变为平衡相β。随着焊接热输入的增加,热影响区β′′相的溶解程度明显增大,焊核区β相的含量小幅增加。揭示了型材高速FSW接头力学性能与微观组织的内在联系,研究了焊接缺陷对高速FSW接头力学性能的影响程度,并优化了高速FSW的工艺参数。无缺陷接头的拉伸性能取决于显微硬度,焊核区显微硬度的变化受细晶强化和位错强化的控制,热机影响区显微硬度的变化取决于位错强化和沉淀强化的综合作用,热影响区显微硬度的变化则受到沉淀强化和固溶强化的共同作用。随着主轴转速、轴向压力或焊接速度的增加,接头各区两种强化作用的变化趋势相反,显微硬度在它们的综合作用下不同程度提高,接头的拉伸性能也随之增加。当焊接参数选择不当时,焊缝下部易产生未焊合和孔洞等焊接缺陷。未焊合可以细分为弱连接和未连接,弱连接对接头的拉伸和疲劳性能无影响;尺寸小于0.1mm的未连接对接头的拉伸性能无影响,但它的存在会严重削弱接头的疲劳性能。当孔洞尺寸小于0.3mm时,接头的拉伸性能不受影响;但含有孔洞缺陷的接头的疲劳性能显著低于无缺陷接头。采用响应面法建立了接头抗拉强度与工艺参数间的响应模型,结合接头性能和焊接效率需求,确定了优化工艺参数为:主轴转速2200r/min,焊接速度2000mm/min,轴向压力19kN。所得优化接头的抗拉强度为219MPa(强度系数为75%),同时接头疲劳性能良好,95%存活率对应的条件疲劳特征值为125.5MPa。本课题所设计的FSW接头结构已被用于国内城轨车辆的地板,且所研制的搅拌头和优化工艺已被用于地板焊接。