双轴肩搅拌摩擦焊技术(Bobbin Tool Friction Stir Weding: BT-FSW)作为一种新焊接方法,是对常规搅拌摩擦焊接技术(Friction Stir Weding:FSW)的一种补充,其焊接技术在船舶带筋板、列车空调板、火箭燃料贮箱、飞机壁板等制造领域具有重要应用背景。然而,对于薄板2024-T3高强铝合金的BT-FSW研究几乎没有,尚属于起步阶段,且由于双轴肩设备控制及工艺的特殊性,极易出现焊接缺陷等问题,这些极大制约了BT-FSW在航空航天、高速列车、船舶军舰等领域的广泛应用。同时也将严重制约BT-FSW焊接工艺评定标准建立和完善。因此,本研究采用3mm薄板2024-T3高强铝合金的BT-FSW接头为研究对象,利用各种试验方法系统研究了 BT-FSW焊接工具设计对焊接受力、接头温度、组织与性能的影响,深入探讨了薄板高强铝合金BT-FSW特征及工艺改进技术。研究成果为BT-FSW接头质量控制、接头性能评价、搅拌工具结构设计提供理论指导和数据支撑。本文主要研究内容和结果如下:根据BT-FSW特征,利用浮动式BT-FSW专用设备,通过比较6种不同形式的搅拌工具,提出轴肩形式为同心圆环,轴肩搅拌针部分铣有三平面有利于焊接过程中材料的流动,焊缝易成型。经优化后的搅拌工具为非对称轴肩BT-FSW搅拌工具,显著提高了薄板2024高强铝合金焊接稳定性,抗拉强度可达394MPa,其强度可达母材81%。针对3mm薄板2024-T3高强铝合金,采用对称与非对称轴肩的BT-FSW搅拌工具焊接高强铝合金,分析了 BT-FSW焊接过程前进侧和后退侧前进抗力、扭矩力及接头前进温度场分布相互关系。结果表明:对称轴肩BT-FSW和非对称轴肩BT-FSW在转速不变的焊接过程中,随着焊接速度的增加,搅拌工具的扭矩力并未随之增加,而是峰值基本相同,均处于一个相对稳定的振荡幅度内。同时在测温过程中,相同焊接参数条件下,随着焊速的增加,焊缝下轴肩作用区的峰值温度温度高于上轴肩、相同位置特征点后退侧温度高于前进侧,且下轴肩的后退侧温度也要高于上轴肩的后退侧温度。相比对称轴肩BT-FSW搅拌工具,非对称轴肩BT-FSW搅拌工具的扭矩峰值减小,峰值温度也有所减小,为深入研究2024-T3高强铝合金的BT-FSW特性奠定了基础。通过固定的转速以及变化的焊速试验,揭示焊速对高强铝合金双轴肩搅拌摩擦焊拉伸以及断裂性能的行为。在BT-FSW试验中,随着焊接速度的增加,接头的抗拉强度、屈服强度均先增加后减少,其中在焊速200mm/min时,在非对称轴肩BT-FSW中,接头强度达到了最大值,可达母材81%,焊接速度显著影响了接头的力学性能,也为后续更好的描述BT-FSW接头特征奠定了基础。基于理论和试验研究发现并揭示了 BT-FSW接头微观组织、硬度及拉伸应变分布规律之间的关系。提出了利用对称轴肩和非对称轴肩比较,揭示了非对称BT-FSW接头在拉伸过程中应变分布规律,即阐明了在BT-FSW焊接过程中,非对称轴肩BT-FSW搅拌工具可以有效改变焊缝金属材料在垂直和水平方向的流动,使BT-FSW接头形状为明显非对称结构特征,显著提高了接头拉伸性能;阐明了非对称轴肩BT-FSW接头断裂前一帧拉伸试样上局部的主要应变应力分布呈倒“W”型分布,其峰间距比对称轴肩BT-FSW峰间距增大明显。优化后的非对称轴肩BT-FSW搅拌工具接头强度可达母材的81%,显著高于对称轴肩BT-FSW接头力学性能,性能最好接头断裂位置在前AS的HAZ。