为节约能源减少废气排放,铝合金等轻金属成为实现汽车轻量化的首选材料。然而,大量使用轻质合金会使成本增加,同时降低结构件的强度,部分结构件仍需与钢铁结合来保证强度。然而异种材料在物理及化学性能上的差异,使用传统的连接方法已无法满足需求。搅拌摩擦焊作为一种固相焊接技术能够有效地解决铝钢异种金属焊接难题。通常,搅拌头由轴肩与搅拌针组成,适宜的搅拌头成为焊接的关键,将直接影响到焊接过程中的材料流动行为及焊接接头质量。因此研究搅拌头形状对异种材料搅拌摩擦焊的材料流动行为以及接头性能的影响具有十分重要的意义。本研究采用PVC材料模拟铝合金,石英玻璃模拟钢铁材料,有效地实现了铝钢异种金属搅拌摩擦焊过程中材料流动行为的可视化。通过对比PVC模拟铝钢异种金属搅拌摩擦焊实验及A6063铝合金/45#钢搅拌摩擦焊实验,研究了粗螺纹、大沟槽、细螺纹大沟槽三种不同形状搅拌针对铝钢异种金属搅拌摩擦焊过程中材料塑性流动行为及力学性能的影响。研究结果表明,细螺纹大沟槽搅拌针能有效地应用于铝钢异种金属的搅拌摩擦焊。粗螺纹搅拌针促进水平方向上的材料流动,大沟槽搅拌针促进深度方向上的材料流动。而细螺纹大沟槽搅拌针既能促进材料在水平方向上的流动又能促进材料在深度方向上的流动,有效地扩大搅拌区。在焊接过程中,卷绕型轴肩为焊接材料提供向下的压力,在防止焊接材料溢出,填充焊缝材料上起了主导作用。轴肩将材料聚集到搅拌头中心后,材料沿搅拌针表面流向焊缝底部,随后从搅拌针结构边缘挤出。因此,越靠近焊接表面的材料流动速度越小。在焊接过程中,材料由焊缝的前进侧送入回转侧。相比与其他两种形状的搅拌针,细螺纹大沟槽搅拌针作用下的材料流动速度适中,在焊缝的前进侧速度约为20 mm/s,回转侧速度约为30 mm/s,既能有效促进材料流动,也有助于轴肩阻止材料溢出,有效填充焊缝。使用细螺纹大沟槽搅拌针进行搅拌摩擦焊实验时,细螺纹结构在刮擦钢铁表面上起主导作用,扩大了新生表面上塑化铝合金的接触面积,在充分的材料塑性流动基础上,有效地促进了塑化铝合金与钢铁发生结合,提高了接头强度。