本课题研究来源于国家自然科学基金项目：载流-搅拌摩擦焊接热效应及其组织结构变化规律（51075413）。载流搅拌摩擦焊接是针对传统搅拌摩擦焊接存在的产热不足而造成焊接范围局限的问题而提出的。作为载流搅拌摩擦焊接的核心技术之一，搅拌工具的设计对塑性材料的流动和接头的力学性能紧密相关。在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌工具承受高温、顶锻压力、摩擦扭矩、行进阻力等联合作用，长时间加工会导致搅拌工具失效，缩短寿命。磨损会对搅拌工具的寿命产生影响，是搅拌工具失效的主要方式之一。搅拌工具的磨损会影响焊接效率、生产成本和使用寿命。载流搅拌摩擦焊接结合了电阻焊和传统搅拌摩擦焊的优点，创新地形成了一种新的复合热源焊接方法，有望改善焊接过程中搅拌工具的工作环境。本课题针对载流搅拌摩擦焊接过程的搅拌工具进行了设计制造，并以ZK60镁合金为焊接材料进行实验和数值模拟研究。设计了5种具有不同几何特征的搅拌工具：水平轴肩四平面圆柱螺纹搅拌针搅拌工具（1#）、水平轴肩圆柱螺纹搅拌针搅拌工具（2#）、内凹同心圆凹槽轴肩同心环槽圆锥螺纹搅拌针搅拌工具（3#）、内凹轴肩圆锥螺纹搅拌针搅拌工具（4#）和内凹轴肩三斜面圆锥螺纹搅拌针搅拌工具（5#）。应用增材制造技术进行搅拌工具的制造。分析了理想情况下搅拌工具的承载情况，结果表明，下压阶段搅拌工具只承受沿轴线的正压力和与旋转方向相反的摩擦扭矩，且随着下压深度的增加，正压力和摩擦扭矩逐渐增大；稳定焊接阶段搅拌针侧面除了前半部分承受压力和扭矩，还会承受与焊接方向相反的阻力以及由它产生的弯矩。当焊接过程进入稳定阶段时，搅拌工具承受的载荷只与轴肩和搅拌针的尺寸有关。搅拌工具的优化实验表明前进侧和后退侧的热机械影响区由于经历的热影响和搅拌作用不同，微观组织的晶粒尺寸和形态不同；水平轴肩圆柱螺纹搅拌工具（2#）在两种焊接速度下（33mm/min和50mm/min），得到的焊缝表面光滑、飞边较少，焊合区微观组织细小均匀、无方向性，综合力学性能最优。正交试验法优化载流-搅拌摩擦焊工艺参数发现旋转速度、焊接速度和外加电流三组工艺参数对接头的力学性能都有影响，其中外加电流的影响最大，接着依次为搅拌工具旋转速度和焊接速度；对实验数据的方差分析结果表明，在显著性水平为0.2的条件下，外加电流和搅拌工具旋转速度对焊接结果的影响显著，而焊接速度的影响相对较小；优化后的载流搅拌摩擦焊工艺参数为旋转速度1400r/min，焊接速度72mm/min，外加电流30A。在优化工艺参数组合下，焊缝的抗拉强度达到母材的82.6%，延伸率达到5.36%。基于Archard磨损理论，通过数值模拟方法分析载流搅拌摩擦焊接ZK60镁合金过程中外加电流对搅拌工具磨损的影响。结果表明，随着外加电流从30A增加到150A，5种搅拌工具的最大磨损深度均呈现出逐渐减小趋势；其中具有柱状搅拌针的搅拌工具（1#、2#）在5组外加电流作用下的最大磨损深度均比锥形搅拌工具大（3#、4#、5#），最大磨损深度的减小速率经历了较快到平缓的变化过程；4#和5#搅拌工具的内凹轴肩外围表面与塑性材料接触充分，因此在该区域形成了环形磨损区。载流搅拌摩擦焊接通过复合外加电流内生电阻热以提高焊缝温度、降低塑性材料的热变形流变应力、增强材料流动性、降低搅拌工具与焊接材料间的相对滑动速度，从而减小搅拌工具在焊接过程中的机械载荷和磨损。