搅拌摩擦焊是一项先进的固相焊接技术,在航空航天等精密制造领域有广阔的应用前景。但目前该方法在热及力学过程方面的研究并不完善,严重影响了人们科学和准确地认识和应用这项先进技术。基于此,本文深入研究搅拌头和被焊材料的相互作用,建立了计算焊接生热功率的生热方程,理清了热载荷和搅拌头机械载荷对接头残余应力和变形的影响,实现了工程结构焊后残余应力和变形的高效预测。本研究具有基础研究和生产指导两方面的重要意义。设计和开展不同工艺参数条件下的铝合金搅拌摩擦焊试验,通过测量搅拌头扭矩和焊接温度场的变化,系统分析了转速、焊速和下压力对搅拌摩擦焊生热功率的影响规律,发现搅拌摩擦焊能始终保持固相过程的根本原因在于其生热和温度具有反馈平衡作用。以搅拌摩擦焊中的功热转换为基础,结合工艺参数对生热功率的影响规律,建立了能体现固相焊接过程并能全面反映转速、下压力和焊速影响的生热方程,实现了直接依据工艺条件计算焊接热输入量、预测焊接温度场、预测焊接所需主轴扭矩等目标。针对铝合金薄板在搅拌摩擦焊后残余应力和变形与电弧焊结果显著不同的现象,利用数值模拟工具深入探索搅拌头机械载荷对被焊结构瞬态应力应变的影响规律和机制。发现搅拌头下压力具有增加搅拌区材料受力状态中的静水压力成分、增大试板下表面和垫板之间的摩擦力、使搅拌区内靠近试板上表面的材料产生面内附加膨胀等作用,是铝合金薄板搅拌摩擦焊后残余变形与电弧焊结果相反的根本原因,同时对残余应力和变形的减小也有贡献,而搅拌头扭矩主要导致焊接残余应力产生不对称的分布特征,对残余变形影响较小。根据搅拌头与被焊材料之间相互作用的研究结果,建立了合理的搅拌摩擦焊应力和变形数值分析模型,为提高残余应力和变形数值预测的效率,开发了以温度为控制变量、并且温度载荷分段添加的温度函数法。对于大型薄壁结构件的焊接残余应力和变形,温度函数法计算结果与移动热源法计算结果的差别在15%以内,但计算时间可以减少到移动热源法的10%以内。利用温度函数法实现了铝合金薄壁结构搅拌摩擦焊残余变形的高效预测。