搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding,FSW）作为固相连接技术,具有接头质量高、焊件变形小等优点,广泛应用于铝、镁等轻质合金的连接。然而,大量工艺试验表明,在焊接工艺参数不匹配时,既会导致搅拌区的塑性材料流动不充分,易在接头内部产生孔洞缺陷,严重影响焊接接头的使役性能;又易导致搅拌头受力过大而发生断裂,严重影响搅拌头的服役寿命。这些问题都限制了搅拌摩擦焊接临界速度和焊接效率的提高。研究FSW接头孔洞缺陷的形成机理,可靠预测搅拌头的使役寿命,对优化焊接工艺参数、调控接头成形成性、提高焊接效率、降低生产成本都具有重要的理论意义和工程应用价值。根据搅拌头与工件之间的交互作用规律,定量描述了工件与搅拌头接触界面正压力的非均匀分布。在此基础上,基于工件-搅拌头之间的剪切力边界条件,采用计算流体力学方法建立了铝合金搅拌摩擦焊接过程的数值分析模型。应用离散粒子追踪方法表征孔洞缺陷,对比分析了该剪切力边界模型和三种经典速度边界模型（分别为滑移率为常数、与速度相关、与温度相关）的孔洞缺陷预测结果与实验测试结果,发现该剪切力边界模型能够较为合理地预测不同工艺参数匹配条件下FSW接头成形特征（有无孔洞缺陷,孔洞缺陷的尺寸、形貌和位置等）。随后,进一步通过接头的热力影响区的形状和典型位置的焊接热循环验证了该剪切力边界模型的合理性。最后,系统开展了不同焊接速度与搅拌头转速匹配条件下的搅拌摩擦焊接过程数值分析,并提出了预测接头出现孔洞缺陷的临界特征参量。为了更深入地理解孔洞缺陷的形成机理,恒定搅拌头转速为800 rpm,系统对比了焊接速度为20mm/min（未产生孔洞）和180mm/min（产生孔洞）条件下铝合金搅拌摩擦焊接过程的热力耦合模拟结果,定量对比分析了形成孔洞缺陷时塑性材料的热力变形过程和流动行为特征。结果表明:当焊接速度较低时,各平面上的材料均呈水平迁移,能够较好地填充搅拌头后方的空腔,接头无孔洞缺陷;随着焊接速度的提高,搅拌头后方的摩擦驱动力显著减小,塑性材料的流动性降低,导致焊缝下部的塑性材料从搅拌头后退侧绕过搅拌头后,难以向前进侧迁移,最终使得焊缝中下部的前进侧区域形成孔洞缺陷。当保持焊接工艺参数和搅拌针根部直径恒定时,增大搅拌针端部的直径,焊缝横截面上孔洞缺陷的宽度增大而高度减小。在流体动力学模型的基础上,建立了搅拌摩擦焊接过程的热-流-固耦合数值模型,将流体的温度和压力结果通过搅拌头与工件的流固耦合面导入结构计算模块,定量分析了工艺参数对搅拌头的温度、应力、应变分布的影响规律,探究了不同工艺参数条件下搅拌头的承载能力和疲劳寿命。结果表明,离T/W接触界面越远,搅拌头的温度越低。搅拌头上的最大等效应力随其转速的增大而减小,随焊接速度的增大而增大。当焊速较低时,搅拌头上的应力分布较均匀;随着焊接速度的提高,搅拌针根部出现明显的应力集中,且前方受拉应力、后方受压应力,导致搅拌头易从其根部断裂。搅拌头的使役寿命随焊接速度的增大而降低,随其旋转速度的增大而提高。此外,搅拌头上的平均法向应力呈周期性变化,且变化周期与搅拌头的旋转周期一致。