本论文针对现有搅拌摩擦焊接技术的应用并不十分理想等问题，提出了载流-搅拌摩擦焊接新方法，以弥补了单一摩擦热源因热输入的不足而造成的各种焊接缺陷，本文在搅拌摩擦焊接实验的基础上，针对载流-搅拌摩擦焊接的特点，根据载流-搅拌摩擦焊接热量组成：搅拌头轴肩与材料摩擦界面产热，搅拌针与与材料摩擦界面产热，材料塑性变形产热，搅拌头与材料之间的接触电阻热四部分热源，建立了载流-搅拌摩擦焊接热源模型，定义随温度的导热系数、热膨胀系数、摩擦系数曲线及导电率曲线等非线性材料模型，应用热传导理论，结构力学理论，粘着/滑动摩擦理论，接触电阻理论和有限元分析技术，进而构建载流-搅拌摩擦焊接多场数学物理模型。对载流-搅拌摩擦焊接过程温度分布、应力应变及焊后残余应力、接头疲劳寿命，材料流动、焊接缺陷和搅拌头磨损寿命等几方面进行动态模拟，分析了电流对搅拌摩擦焊接焊接行为的影响，为载流-搅拌摩擦焊接新技术提供的理论指导，对于认清载流-搅拌摩擦焊的焊接机理至关重要。利用所建立的载流-搅拌摩擦焊接数理模型，经数值模拟求解，通过对仿真结果分析，得到如下结论：①引入了M. Song和R. Kovacevic提出的移动热源模型，采用的局部网格加密技术和网格跟随技术对建立载流-搅拌摩擦焊接模型进行仿真，通过反求法和批量参数化扫描策略确定临界轴向压力。当轴向压力低于临界轴向压力时，辅助以电流，同样可以达到实现搅拌摩擦焊接有效连接所需的总体温度，弥补了常规搅拌摩擦焊接由于热输入量的不足，导致无法实现工件的有效连接。②转速比的变化通过搅拌头轴肩、搅拌针的产热量以及对流冷却速度随着转速比影响焊接接头温度场的发展变化。对于常规摩擦焊接，其转速比为1400/300r/min,即焊接速度为300mm/min时，才能达到搅拌摩擦焊接母材良好连接所需要的热输入量；而对于载流-搅拌摩擦焊接，其转速比为1400/400r/min,即焊接速度为400mm/min时，就可以实现工件之间的良好连接所需要的热输入量，因此，载流-搅拌摩擦焊接对于提高焊接速度和改善工作效率十分有帮助的。③电流对残余应力的影响相比于焊接速度影响因子对残余应力的影响要小得多，但是电流的加入确实也降低并改善了残余应力的分布。应变沿横向的分布呈现双峰性和不对称性，应变的峰值分别出现在前进侧与后退侧，前进侧的应变峰值大于后退侧的应变峰值，加入电流其等效应变有所降低，且应变双峰也没有常规摩擦焊接尖锐。加入电流后，其焊接接头的疲劳寿命略有提高，加入电流其接头疲劳安全性比没加入电流接头的疲劳安全性要高，并且分布比较均匀。④根据刚粘塑性力学方程，材料本构关系和有限元变分理论，结合Heurtier关于材料流动的半解析模型和Jacquin关于滑动摩擦接触边界描述，建立关于搅拌摩擦焊接材料流动的动力学半解析模型。仿真结果表明：材料随着搅拌头的运动沿着前进侧大致沿着一个半圆形的路径运动，而靠近工件上表面的材料经过搅拌头的搅动之后不仅从搅拌针前部绕道到搅拌针的后部，最终还会拖曳到后退侧沉积下来。电流的引入可以在一定范围内提高材料的流动速度，但是对其流动路径影响不大，转速比和搅拌头与工件之间的摩擦状况对材料材料路径及速度起到决定性作用。⑤利用搅拌摩擦焊接的刚粘塑性三维模型预测出没有加入电流的常规搅拌摩擦焊接的未焊合、飞边、孔洞、隧道、沟槽等缺陷，并与焊接缺陷进行对比，从而验证了本文所建立的搅拌摩擦焊接模型的正确性。在搅拌头旋转速度与焊接速度等焊接工艺参数相同的条件下，引入电流到搅拌摩擦焊接工艺中，发现焊接件在常规摩擦焊接过程中出现的缺陷得到了明显的改善，并获得了表面情况和截面状况良好的焊缝，这充分说明了载流-搅拌摩擦焊可以很大程度上减小焊接缺陷，得到较高质量的的焊缝，弥补常规搅拌摩擦焊中所产生的缺陷。⑥本文设计7种类型的搅拌头，基于改进的Archard理论建立了搅拌头磨损模型。根据数值模拟结果发现，磨损最小的搅拌工具为同心圆内凹轴肩同心环锥形搅拌头，与磨损量最大的平轴肩圆柱螺纹搅拌头相比，其磨损减小量最大可达83.4%。6#、7#搅拌头具有内凹轴肩、三斜面锥形螺纹搅拌针能够焊接得到无缺陷的焊缝；而1#~5#搅拌工具在数值模拟过程中，不能形成完好的焊缝，出现了未焊合、沟槽、空洞等焊接缺陷。加入电流后，其搅拌针的磨损量得到大幅度降低，尽管搅拌头轴肩的磨损情况增大，但由于搅拌头轴肩的磨损对搅拌头失效是没有影响的，因此电流的加入在很大程度上减小了搅拌头搅拌针的磨损，大大延长了搅拌头的使用寿命。