搅拌摩擦焊（friction stir welding, FSW）是英国焊接研究所（TWI）于1991年针对铝合金开发的一种先进的固相连接技术。与传统的焊接方法相比具有优质、高效、低耗、变形小、无污染、成本低等特点。搅拌摩擦焊作为一种新型的固态焊接技术，还存在着许多问题需要更深入广泛地研究，如材料的流动、温度场、接头的残余应力等。目前国内外许多学者通过试验手段及数值模拟方法对搅拌摩擦焊接热过程及焊接残余应力进行了许多研究，但针对铝合金薄板失稳变形的研究较少，因此通过试验与数值模拟相结合的方法来研究铝合金薄板搅拌摩擦焊接头的残余应力和失稳变形规律，对在大型铝合金薄板结构制造中推广和应用搅拌摩擦焊技术具有重要工程应用意义。本文采用盲孔法对3mm LY12铝合金薄板在不同焊接参数下进行搅拌摩擦焊对接后的残余应力进行了测量和分析。为了消除孔边塑性变形对测量精度的影响，建立了三维有限元法模拟了应变释放系数的测试试验，使用基于孔边形状改变比能S的A、B系数修正法对盲孔释放系数进行修正。结果表明：接头残余应力呈不对称分布，前进侧应力高于返回侧；纵向残余应力总是高于横向残余应力，但是横向残余应力并非在零附近，而是有一定的大小，约为焊前母材强度的12.7%；在一定范围内，搅拌摩擦焊接接头残余应力随旋转速度先增大后减小，随下压量和焊接速度的增加而增加。其次建立了三维有限元模型并分析搅拌摩擦焊过程中温度场的分布。在温度场模型中施加边界条件，确定搅拌摩擦焊热源模型，得到整个焊接过程中的热循环曲线，最高温度值均在各自的高塑性温度区间。最后采用间接热耦合法把在温度场中得到的热载荷施加到构件模型中，获得了薄板焊后的残余应力及焊接热弹塑性失稳变形分布特征。同时研究了焊接速度、旋转速度等焊接参数对温度分布及残余应力分布的影响。模拟结果与相关实验吻合良好。残余应力计算分析表明，LY12铝合金薄板搅拌摩擦焊对接接头的纵向残余应力数值较大，接近材料的屈服强度，与试验测量值有较大差异。但基于残余应力计算的固有应变法和间接热耦合法得到的残余应力结果，与用盲孔法的试验测量结果趋势相同，同时相对变形量吻合较好，误差控制在20％以内。失稳变形分析结果表明铝合金薄板搅拌摩擦焊后存在较大的残余应力，明显高于测量值，但残余应力的数值分析结果与试验测量值具有相似的应力分布趋势，说明间接热耦合模型预测铝合金薄板搅拌摩擦焊接残余应力是基本可行的，并且采用固有应变法与热力耦合相结合的方式预测焊接变形和残余应力比只用热力耦合方法更节省时间。