作为一种固相焊接方法,搅拌摩擦焊为解决轻合金焊接提供一种新的思路。但搅拌摩擦焊要求被焊材料必须刚性固定,且对焊接设备刚度有较高要求。特别是在焊接高强铝合金厚板时,设备刚性不足可能导致焊接过程稳定性差、焊缝根部出现未焊合缺陷等问题。针对以上问题,本文提出了小轴肩搅拌摩擦焊,即通过减小搅拌针及轴肩尺寸,降低焊接过程中焊具承受载荷,从而减小对焊接设备的刚度要求,实现高强铝合金厚板的焊接。本文以9mm厚2A14-T4铝合金为试验材料,综合考虑焊接过程中的热输入及材料流动等因素,提出周向铣三平面搅拌针拓扑结构以及小尺寸内凹轴肩的焊具结构,并设计了Ⅰ型、Ⅱ型两种不同尺寸的焊具。对稳定焊接过程中焊具承载的特点进行分析并计算了搅拌针根部载荷,分析结果表明搅拌针根部的最大正应力为133 MPa,最大剪应力为35 MPa。模拟了不同过渡圆角半径条件下的焊具应力分布状态,结果表明焊具最大载荷出现在搅拌针与轴肩过渡界面处,增大过渡圆角能够使焊具承受的载荷分布更加均匀,并据此优化了焊具结构。使用不同尺寸的焊具进行了焊接试验,结果表明Ⅱ型焊具的焊接质量更为优异。探究了焊接参数对材料成形、微观组织、力学性能的影响。在选定的焊接参数范围内焊缝横截面均无未焊合、沟槽等缺陷,在焊核区存在明显的“洋葱环”结构,说明周向铣三平面和螺纹结构能够促进材料流动。接头处沉淀相以棒状θ相为主,焊核区和热机影响区内的沉淀相都发生了破碎和溶解。焊核区上表面再结晶晶粒尺寸较大,沉淀相溶解程度较高;下表面晶粒尺寸较小,沉淀相主要呈现短棒状。拉伸试验结果表明,在R500W150P0.3工艺参数条件下获得的接头强度最高,可达368MPa,是母材抗拉强度的85.8%,且接头失效主要发生在接头后退侧热机影响区处。拉伸试件的断口形貌表明低转速条件下焊缝根部承受拉伸正应力形成等轴状韧窝,上部材料承受撕裂作用形成撕裂型韧窝。通过数值模拟的方法对9mm厚2A14铝合金FSW温度场进行研究。轴肩直径的增加使得焊接热输入明显增加,焊具转速提高使得焊核区峰值温度明显提高,焊接速度提高使得焊核区经历的高温停留时间显著缩短。揭示了热循环特征与接头组织、力学性能的相关性,为2A14铝合金FSW接头性能优化提供了依据。