外部能场辅助搅拌摩擦焊接是一种改进型固相焊接方法，在航空航天、汽车制造、能源领域等方面得到了广泛应用，通过引入外部能场，可以改善焊接接头的组织和性能，提高焊接质量和效率。本文对外部能场辅助搅拌摩擦焊接技术进行了分类，综述了能场的选择和控制、工艺参数的优化等，阐述了外部能场对焊接温度、轴向载荷、接头组织性能的影响，最后总结了外部能场辅助搅拌摩擦焊接技术未来的发展趋势。

随着搅拌摩擦焊板厚增大，设备承载能力无法满足单侧搅拌摩擦焊的高顶锻力要求，因而难以形成质量良好的焊缝。为了降低设备所受顶锻力，本文提出了一种双机镜像搅拌摩擦焊工艺方法，研究了工艺过程中顶锻力的变化规律和影响因素，并验证了该工艺的可行性和优越性。首先，建立热力耦合的有限元仿真模型，得到顶锻力随板厚的变化规律，同时得到了双机镜像搅拌摩擦焊工艺能够减小顶锻力的结论；之后，建立顶锻力估计模型，并基于数据驱动对模型进行试验修正和验证，实现无传感器的顶锻力监测；最后，在搭建好的试验平台样机上开展了镜像焊接试验、3 组工艺参数的多因素试验及单侧搅拌摩擦焊对比试验，得到顶锻力随时间的变化规律和工艺参数的影响，验证了双机镜像搅拌摩擦焊工艺可以减小搅拌头所受顶锻力、降低设备承载能力需求的作用。

针对GH4169高温合金惯性摩擦焊过程，基于有限元方法研究了界面摩擦机制的转变、摩擦产热和温度场等热过程参量的分布特征及瞬态演化规律。利用试验数据对有限元模型的准确性进行了对比验证。结果表明，焊接初始整个界面均为库仑摩擦区，从0.54 s开始库仑摩擦区逐渐缩小并在9.60 s完全消失，剪切摩擦区从0.31R₀（R₀为工件半径）处开始形成并逐渐扩展至整个界面。根据模拟结果，提出了描述库仑摩擦区演化过程的解析公式。分析了摩擦机制转变引起的界面热流密度、摩擦应力和温度的耦合关系及变化规律。研究表明，界面上库仑摩擦机制向剪切摩擦机制的转变有利于焊接界面附近温度场的均匀化。

为了提高钛合金搅拌摩擦焊搅拌头的寿命，在搅拌头表面增加涂层，对比研究表面涂层的作用机理。本文选用无涂层搅拌头和带AlCrN 层搅拌头对TC4合金进行搅拌摩擦焊（FSW）试验，通过3D影像仪表征搅拌头的磨损情况，采用扫描电镜（SEM）及能谱仪（EDS）对接头的组织及成分进行分析，研究了AlCrN基涂层对搅拌头的寿命影响规律。试验结果表明，对比无镀层搅拌头，带AlCrN 基涂层搅拌头的有效焊接距离由600 mm增加到800 mm，且在焊接800 mm后，仍可获得成形良好，抗拉强度达到母材95.32% 的焊接接头。另外，带AlCrN基涂层搅拌头的搅拌针和轴肩磨损率分别减少50.41%和22.41%，AlCrN基涂层可有效提高搅拌头的寿命。对比分析搅拌头的磨损情况发现，无涂层搅拌头的磨损包括磨粒磨损、黏结磨损和氧化磨损，其磨损过程主要包含3个阶段：初始磨损阶段、剧烈磨损阶段和稳定磨损阶段。比较而言，带涂层搅拌头的磨损过程则为“打断”和“撕裂”两个阶段。

碳纤维增强树脂基复合材料与金属连接的异质构件是实现航空航天装备结构轻量化的有效途径之一。搅拌摩擦焊作为一种低热输入的固相焊接技术，可实现碳纤维增强树脂基复合材料与金属异种材料的高质量连接。本文总结了近年来碳纤维增强树脂基复合材料与金属搅拌摩擦焊方向的国内外研究成果，从基于搅拌摩擦焊的工艺探索、界面连接机制和接头性能调控3方面进行了系统性的综述，并从碳纤维增强树脂基复合材料与金属异质结构的多种连接技术联合使用，提高接头疲劳性能和探究接头腐蚀机理等方面展望了其未来的主要研究方向。

铝/钢异种金属结构以其质量轻、设计柔性大的特点在航空航天领域尤其是大推力液体运载火箭输送管路中有着重要应用。相比于熔焊、钎焊等其他焊接方法，旋转摩擦焊可以实现铝/钢异种金属高质、高强、高可靠连接。本文基于对铝/ 钢异种金属焊接性分析，从工艺参数优化、界面显微组织分析、界面不均匀性调控和添加中间层金属冶金调控等方面综述了铝/钢异种金属旋转摩擦焊接技术研究进展，并对铝/钢异种金属旋转摩擦焊接技术发展趋势及亟须解决的科学问题进行了总结。

为提高航空、航天运载工具异种高强度铝合金零部件搅拌摩擦焊接接头在腐蚀环境下的服役可靠性，采用金相分析、电子显微分析和四点弯曲应力腐蚀法，对经过T6处理的6 mm厚6082–T6/7075–T6异种铝合金搅拌摩擦焊接接头应力腐蚀行为进行了研究。结果表明，搅拌头转速1200 r/min、焊接速度80 mm/min条件下，6082–T6/7075–T6母材获得了具有“洋葱环”结构的致密、成形良好的搅拌摩擦焊接接头组织。6082–T6和7075–T6母材搅拌摩擦焊接接头四点弯曲应力腐蚀主要发生在后退侧的7075–T6铝合金一侧，而前进侧6082–T6铝合金一侧表现出较好的耐蚀性。这主要是由于异种铝合金母材电极电位差异导致焊接接头发生应力作用下的电偶腐蚀所致。此外，α–Al基体与第二相形成微区电偶对，以及焊接接头热机械影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材区（BM）存在的大角度晶界也是造成应力腐蚀的重要原因。

时效硬化态7075铝合金搅拌摩擦焊接头塑性较低，给进一步变形加工带来困难。本文采用3 mm厚的7075–O铝合金板进行搅拌摩擦对接焊，研究焊接速度对接头组织和强塑性的影响，为获得高塑性的搅拌摩擦接头提供解决方案。结果表明，7075–O铝合金接头焊核区为细小的等轴晶粒，随焊接速度的增加，焊核区平均晶粒尺寸呈先减小后缓慢增加的趋势，当焊接速度为40 mm/min时，焊核区晶粒尺寸最小，约为1.96 μm。不同焊接速度下接头横截面显微硬度呈“凸”形分布，接头区域发生明显硬化，其中焊核区硬度最高，约为145HV。7075–O铝合金搅拌摩擦焊工艺窗口较宽，焊接速度在20~80 mm/min范围内接头强度均高于母材强度，焊接件伸长率达母材的82%，采用7075–O铝合金不仅能够克服时效硬化态7075 铝合金搅拌摩擦焊接头的软化问题，而且能够获得更高的伸长率。接头弯曲试验结果表明，7075–O铝合金搅拌摩擦焊接头能够承受更大的弯曲角度，极限弯曲角达105°，具备更加出色的塑性变形能力。

采用NiNbCoWCrAlSiMo钎料，在1225 ℃/30min 钎焊条件下开展了DD26单晶高温合金的钎焊试验，分析了0.05 mm、0.20 mm两种钎焊间隙对应接头的微观组织和性能。研究发现，接头组织主要由颗粒状的γ+γ′双相组织，以及分布在颗粒相之间的富W 相和Ni–Nb（Si）相构成。当钎焊间隙为0.05 mm时，接头室温抗拉强度为614 MPa，达到DD26 单晶合金的75.9%；1000 ℃抗拉强度为466 MPa，达到DD26单晶合金的78.8%；1000 ℃/75 MPa条件下的持久寿命最高可达44.6 h。当钎焊间隙为0.20 mm时，接头室温抗拉强度为686 MPa，达到DD26单晶合金的84.8%；1000 ℃抗拉强度为479 MPa，达到DD26单晶合金的81.0%；1000 ℃/75 MPa条件下的持久寿命最高可达17.5 h。焊后热处理对间隙0.05 mm的接头持久性能影响不明显，间隙0.20 mm 的接头持久性能在热处理后有所提升。断口分析发现，接头断裂表现出裂纹沿颗粒状的γ+γ′双相组织边缘扩展的特征。

压合衬套冷挤压工艺是通过拉拔过盈芯棒穿过紧固孔将衬套安装至孔壁的一种冷强化方法。对压合衬套冷挤压后残余应力分布不均匀现象进行研究，提出了一种新型压合衬套冷挤压方法。该方法通过在传统压合衬套内侧添加带斜度的辅助衬套，从而在芯棒拉拔过程中可以沿孔轴向同步施加均匀干涉量。通过有限元仿真，得到该方法在干涉量为1.5%、1.8%、2.0%、2.3%、2.5%时的残余应力分布，并与传统压合衬套冷挤压方法进行对比。研究结果表明，该方法在孔端不会产生残余拉应力，且残余应力更加均匀，残余压应力区更深。与传统冷挤压工艺相比，新工艺在干涉量为2.5% 时疲劳寿命提高了33%，且该增益随干涉量增加而增强。

在金属材料中引入第二相粒子是提高金属材料力学性能的重要手段之一。本文提出一种Al6061铝箔包裹TiC和Al6061的混合粉末形成一种特殊填料焊丝的TiC/Al6061复合材料电弧增材制造的新方法，并分别研究质量分数为1%、2% 和3% 的TiC颗粒对制备的铝基复合材料组织与性能的影响。结果表明， TiC质量分数为3%的复合材料与基体材料相比，试样的平均晶粒尺寸由45.5 μm减小到25.3 μm，细化了44.4%；抗拉强度和屈服强度由148.5 MPa和118.0 MPa提升到178.1 MPa和157.3 MPa，分别提升了19.9 %和33.3%；平均显微硬度由50.5HV增加至65.2HV，提升了29.1%。理论结合及试验分析表明，TiC 的载荷传递强化和晶粒细化以及Orowan 强化机制，是材料力学性能提高的主要原因。

通过试验和数值模拟仿真的方法研究了玻璃纤维/ 环氧树脂增强镁合金层合板在不同孔径影响下的损伤演化和最终损伤模式，利用扫描电子显微镜分析了试件断口微观损伤模式。同时改进了纤维增强镁合金层合板的制备流程。结果表明，通过对AZ31镁合金层板进行表面处理能够有效减少分层效应，试件抗拉强度为347.62 MPa，相较于未处理过的试件提升了11.33%，微观层间结合形貌更为紧密、均匀。随着孔径的增大，试件拉伸剩余强度逐渐降低。纤维增强镁合金层合板在渐进损伤失效过程中，呈现从“X 形状”逐渐向“漏斗形状”扩展。层合板失效模式为金属层韧脆性断裂、纤维层拉伸断裂和层间分层为主的复杂混合失效模式。试验和有限元数值仿真结果吻合较好，验证了数值仿真模型的有效性，能够为工程实际上的应用提供参考。