镁合金是最为轻质的金属结构材料,具有广泛的应用前景。将焊接应用于镁合金结构制造,能有效推动镁合金作为结构材料的应用。双轴肩搅拌摩擦焊（Bobbin friction stir welding,BTFSW）作为搅拌摩擦焊的变体,适用于中空结构焊接。目前镁合金BTFSW面临热塑性金属流动性差、易出现缺陷、焊具易断裂、搅拌区（The stirred zone,SZ）强织构等问题。针对以上问题,本文以ZK60合金为材料,结合工艺试验与数值仿真,在焊具设计、成形机制、组织演变与织构调控等方面进行深入研究,突破了镁合金BTFSW技术瓶颈,为BTFSW在镁合金中空结构制造领域的应用提供理论支撑。采用ABAQUS基于Lagrangian-Eulerian耦合算法建立了BTFSW力-热耦合模型,实现了BTFSW温度场、金属流动场与应变场数值仿真。从焊缝成形、温度分布以及金属流动三方面开展了模型精度验证,并分析了BTFSW接头缺陷形成机制。被剪切热塑性金属由焊具后方的后退侧向前进侧逐层回填时,上、下轴肩作用区金属回填快,且回填周期一致,具有高度对称性;中部搅拌针作用区金属流动慢,回填滞后。因而上、下轴肩作用区层状回填金属在中部回填滞后区汇聚时,层状金属的间隙易汇合形成隧道缺陷。揭示了焊具结构对热塑性金属变形与流动行为的影响规律,明确了焊具优化设计准则。搅拌针为锥形时,焊具后方金属回填呈现非对称特征。非对称回填造成上、下轴肩作用区层状回填金属在中部回填滞后区汇聚时产生一定程度的空间错配,有效提升了回填金属致密度,减小了形成隧道风险。其次,锥形搅拌针旋转时扫略范围相较于底径相同的圆柱形搅拌针小,形成的SZ小,有利于金属充分回填,进一步抑制了缺陷形成。结合EBSD与流场仿真分析了搅拌针添加螺纹对SZ组织演变的影响。螺纹使金属产生轴向变形,同时螺纹尖端附近局部区域金属应变速率提高。随焊具转动,螺纹搅拌针周围剪切金属层各局部区域变形被周期性扰动,使剪切金属层变形状态复杂化。复杂变形使基面滑移系发生刚性或塑变地转动并激发锥面滑移{10-11}＜1-210＞\＜-1-123＞与柱面滑移{10-10}＜1-210＞这两种变形机制同基面滑移{0001}＜1-210＞共同协调应变,进而在SZ引入P1 fiber及C1 fiber织构组分,弱化B fiber织构。其次,螺纹引发的高应变率可提高SZ再结晶率,细化其晶粒。针对镁合金BTFSW工艺稳定性差、焊接过程载荷高的问题,通过优化焊具设计,有效降低了径向力、扭矩,减小了焊具断裂风险,获得了良好焊缝成形,实现了4 mm厚ZK60合金BTFSW稳定焊接速度由200 mm/min提高至600mm/min。基于优化设计的焊具,研究了接头成形、组织演变与力学性能,发现经优化设计的焊具可在较宽工艺区间内得到成形良好的接头,而接头内部组织演变涉及多个阶段。热机影响区（Thermo-mechanically affected zone,TMAZ）晶粒在应变几何化效应下发生变形,取向由＜0001＞//ND逐渐向＜0001＞//TD偏转,晶粒内{10-12}＜10-11＞孪生大量激活;受热循环影响,此区域β1’和β2’相大量溶解、分布密度降低。TMAZ/SZ界面区域发生广泛连续动态再结晶,此区域基面＜a＞和锥面＜a+c＞位错在位错重组中占比较高,因而初始连续动态再结晶晶粒具有＜0001＞//TD且＜11-20＞//WD的择优取向。在搅拌针剪切作用下,初始再结晶晶粒向＜0001＞//WD转动,形成＜11-20＞～＜0001＞//WD织构。SZ内部晶粒演变还涉及几何动态再结晶与不连续动态再结晶,且晶界取向差演变与织构演变密切相关;SZ峰值温度达460℃,导致β1’、β2’相全部溶解,仅残留少量β相。接头抗拉强度达266 MPa,强度系数0.992。TMAZ和SZ/TMAZ界面为接头薄弱区域,断裂发生于TMAZ的接头拉伸性能更优。对接头断裂机理进行分析,发现TMAZ晶粒具有易发生{0001}＜11-20＞滑移与{10-12}＜10-11＞孪生的取向,这种特殊取向与此区域β1’和β2’相的溶解导致TMAZ软化并成为拉伸时首先发生变形的区域;TMAZ晶粒内部位错密集,其次SZ/TMAZ界面两侧晶粒尺寸梯度大,这两点导致TMAZ难以将应变传导到临近地具有次高施密特因子的区域,造成TMAZ应变局域化并断裂。另一方面,SZ织构导致拉伸时SZ内部不同区域变形机制具有差异,SZ边缘晶粒具有高施密特因子拉伸孪生,而其相邻区域晶粒具有高施密特因子基面滑移,这种变形机制的差异导致两个相邻区域变形不协调而诱发应力集中,使断裂沿SZ/TMAZ界面发生。接头SZ/TMAZ界面处冲击韧性较高,为5.9-7.0 J/cm~2;SZ冲击韧性较低,为4.8-5.8 J/cm~2。接头弯曲角达54.5°,与ZK60合金挤压态板材相当。