静轴肩搅拌摩擦焊（SSFSW:Stationary Shoulder Friction Stir Welding）是基于搅拌摩擦焊（FSW:Friction Stir Welding）衍生而来的一种改进焊接技术,在焊接过程中,仅搅拌头旋转摩擦生热,而外部静轴肩只沿焊接方向进行摩擦滑动,在轴向力的作用下,对焊缝进行挤压成形,获得致密焊缝。本文以铝合金货车的在线焊接修补为具体应用场景,使用SSFSW进行现场焊接修补试验,根据现场实际焊接效果及拉伸试验、断口SEM分析等机械强度检测和微观组织分析,并通过产热模型解析、数学拟合计算及温度场分析验证等对静轴肩搅拌头的主要结构尺寸进行设计。针对铝合金货车车体破损修复问题,设计研发了一套专用的可移动式非刚性支撑铝合金搅拌摩擦焊修复设备。为了解决非刚性支撑焊接修复过程中支撑力不足、大变形等问题,设计了旋转伸缩臂、花瓣式砧板等结构,并对不同支撑条件下铝板的变形量及花瓣式砧板与焊缝的接触状态进行仿真计算分析,结果表明:在200-350kgf的主轴压力下,焊缝背面采用花瓣式砧板结构实现非刚性支撑焊接时,铝板的变形量较小,且采用坡度角为3°的花瓣砧板可使得顶撑力有效集中在焊缝区域,获得相对平整的焊接平面。为了解决非刚性支撑条件下传统单轴肩搅拌头易陷入被焊接板材而导致的焊接失败问题,设计研发了静轴肩焊接结构并进行现场试验研究,对焊接完成的焊缝试样进行拉伸试验及断口SEM分析,检测分析结果表明:现用静轴肩搅拌头结构焊接完成的焊缝试样抗拉强度约为母材的71%,延伸率约为母材的30%;通过断口SEM分析,焊缝断口有明显的分层现象,靠近搅拌头轴肩的上层区域呈脆性断裂特性,下层呈延性断裂特性。通过建立SSFSW焊接过程的热输入模型并进行解析得知:搅拌头轴肩在焊接过程中摩擦产热量最多,约占总产热量的77%。与传统的单轴肩搅拌头一样,由于搅拌头轴肩旋转持续摩擦生热,靠近焊缝上表面区域受热-力循环作用较大,焊接接头在焊缝厚度方向发生不均匀应变,导致其力学性能的不均匀性,进而影响焊接接头的整体强度。根据现用静轴肩搅拌头的焊接缺陷及其成型原因,对其主要结构尺寸进行重新设计。以稳态焊接过程中,静轴肩搅拌头的产热量等于近似临界散热面的散热量进行数学拟合计算分析,确定重新设计后的静轴肩搅拌头的主要结构尺寸,并对其焊接过程的产热模型进行解析得知:搅拌针侧面在焊接过程中摩擦产热量最多,在主轴压力250-300kgf、主轴转速800r/min、c轴转速0.08r/mm的焊接工艺参数下,其产热量约占总产热量的86%。对重新设计前后静轴肩搅拌头的焊接稳态温度场进行有限元仿真分析对比,结果表明:现用静轴肩搅拌头焊接过程中,在焊件厚度方向的温度场分布不均匀,靠近搅拌头轴肩区域温度最高,且前进侧（AS）材料的温度梯度稍大于后退侧（RS）材料的温度梯度;重新设计后的静轴肩搅拌头焊接过程中,在焊件厚度方向的温度场分布均匀,呈与搅拌针形状类似的圆台型;其前进侧和后退侧温度梯度分布均匀,其余各区域关于焊缝中心对称,有利于获得良好的接头质量;主轴转速和进给速度是影响焊接稳态温度场的主要焊接工艺参数。本文的研究内容及成果拓宽了搅拌摩擦焊的应用范围,并且为静轴肩搅拌头的结构设计提供了可借鉴的设计方法,为形成高质量焊缝提供一定的工程参考价值。