搅拌摩擦焊(FSW)技术被广泛应用于铝合金焊接中,其具有接头强度高、残余应力低、焊接变形小等特点,但仍然存在内部缺陷难以预测、工艺参数试验周期长、接头组织性能不均匀等问题。本文以轨道车辆用7N01铝合金作为研究对象,采用热-流耦合模拟与试验相结合的方式,开展了搅拌摩擦焊焊接缺陷预测方法以及接头组织性能研究。本文主要研究内容包括:7N01铝合金性能与本构关系测试。298 K～773K拉伸试验表明材料表现出明显的温升软化现象;通过等温热压缩试验测试发现材料具有稳态流变特征和动态软化趋势,获得了含Z参数的材料高温流变应力本构关系;热物理性能测试结果表明在573 K时材料比热及热导率达到最大值。材料的性能测试结果和本构关系方程是开展FSW热-流耦合分析的基础。缺陷预测方法与工艺窗口制订。建立了搅拌摩擦焊接过程热-流耦合模型,通过热电偶测温对焊接温度,以及微弧氧化层标记材料嵌入技术对材料迁移行为分别进行了模型有效性验证;分析了焊接工艺参数对温度场、速度场和材料迁移行为的影响;基于接头在厚度方向上高温区域面积和旋转粒子数目的特征,阐明了孔洞型缺陷形成条件并建立了缺陷预测方法,进一步制订了7N01铝合金无缺陷搅拌摩擦焊接工艺窗口。接头组织与性能关系研究。接头微观组织分析表明,焊核区顶部的平均晶粒尺寸、小角度晶界比例、第二相尺寸等均高于中部与底部;接头性能分层测试结果表明,焊核区顶部显微硬度明显低于中部和底部,接头顶层拉伸性能也明显低于中下层。结合仿真分析得到接头顶层到底层的温度分布规律,认为接头顶层焊接温度高、应变大,导致了顶部再结晶晶粒异常长大,第二相严重析出与长大,顶层显微硬度和拉伸性能显著降低,是焊接接头的薄弱部位。综上,本文在材料本构关系、缺陷预测方法及组织性能关系等方面的研究,丰富了FSW技术的基础理论,对提高搅拌摩擦焊接头质量以及搅拌摩擦焊技术在铝合金成型中的推广应用具有重要的工程指导意义。