搅拌摩擦焊接（Friction stir welding,FSW）作为一项新兴的固相连接工艺在铝合金薄板及中厚板焊接方面表现优异且已实现多项成功应用,使得其近年来在铝合金厚板和中空型材的焊接中备受期待。一方面,厚板FSW与薄板及中厚板FSW存在很大不同,其在温度场和材料流变上均存在极大不均匀性,通常双面FSW（Double-side FSW,DS-FSW）可有效解决以上问题。然而,目前关于厚板FSW的研究仍然不够深入,其中温度场分布及材料流变对微观组织演变的影响机理仍不明晰,缺少微观组织演变与力学性能之间具体关系的建立。另一方面,中空型材的焊接无法采用常规FSW（Conventional FSW,C-FSW）进行,双轴肩FSW（Bobbin tool FSW,BT-FSW）的出现解决了中空型材的焊接问题,并可避免C-FSW中底部缺陷的产生。尽管BT-FSW已有较多研究,但仍然缺少与C-FSW本质差异的揭示以及微观组织的优化调控。本文围绕上述两个方向展开研究。一、针对厚板FSW的现状与问题,采用DS-FSW对80 mm 6082Al超厚板进行对接焊接,分析了焊接工艺对接头局部区域和整体微观组织演变、力学性能的影响,并建立了微观组织演变与力学性能之间的关系,建立了适于厚板FSW接头的模型,分析探讨了焊接工艺及微观组织对接头高周疲劳性能及疲劳断裂形式的影响。结果表明:（1）焊核区（Nugget zone,NZ）沿厚度方向存在一定的晶粒尺寸梯度,中心重叠区具有最小晶粒尺寸和较高比例的小角度晶界,最低硬度区呈现“双曲线”型分布并扩展至中心区,两次热-机耦合使得中间部分的最低硬度值低于靠近上下表面处,依据显微硬度分布提出的“等温软化层”模型,合理解释了“双曲线”型最低硬度区（Lowest hardness zone,LHZ）的分布特征,且两次热-机耦合使得NZ中心产生特征区域并引起对应区域析出相粗化,是特征区域产生低硬度、强度的本质原因。（2）对接头进行厚度三等分取样,中间层试样HAZ最低硬度值低于其他两层样品,而拉伸测试结果显示,三层接头处于等强度水平（～226 MPa）,达母材强度的71%。中间层试样HAZ具有更低的硬度值却未获得强度降低,有限元模拟结果很好的解释了分层接头获得等强度水平的原因:中间层试样“双曲线”型分布的HAZ可有效抵抗应变集中并可提高试样屈服强度,弥补了低硬度可能造成的强度损失。整体和局部微观组织形貌与力学性能有很好的对应关系。（3）高周疲劳测试结果表明,三层分层测试样品具有相同的疲劳极限（110 MPa）与疲劳比（0.49）,接头疲劳极限和疲劳比分别达母材的61%和88%。中间层与底层样品疲劳断裂沿LHZ,与静态拉伸断裂路径一致,而上层样品异常断裂于NZ,进一步的微观组织观察与残余应力测试结果显示微观组织并非异常断裂的主导因素,而上层接头NZ残余拉应力的存在为导致上层接头异常断裂于NZ的关键因素。二、基于BT-FSW的研究现状,对6 mm厚6061Al-T4中厚板分别进行C-FSW和BT-FSW,对两种焊接工艺进行详细对比,结果显示:（1）NZ为等轴状细晶组织,相同焊接参数下,C-FSW与BT-FSW两种接头NZ晶粒尺寸差异不大,而BT-FSW接头NZ小角度晶界（LAGBs）和位错密度比例要高,并随着焊速提高而增高;相同焊接参数下,BT-FSW接头热影响区（HAZ）由于高温停留时间更长而导致该区析出相粗化比C-FSW严重,通过提高焊接速度可明显减轻HAZ沉淀相粗化程度,达到控制微观组织形貌的目的。（2）焊接参数的系统对比表明,两种工艺接头抗拉强度随着焊接速度的提高而增大,几乎不受工具转速影响,与最低硬度值有很好的对应。对于BT-FSW,焊接速度提高到300 mm/min时,将会在前进侧焊核区/热-机影响区（NZ/TMAZ）边界处产生孔洞式缺陷,这是由于在高焊速下,塑性材料在前进侧NZ/TMAZ处呈现出上下分层式流动行为,导致材料横向回填困难而产生孔洞。（3）在优化的BT-FSW接头基础上进行焊后时效处理,结果表明,接头显微硬度值和抗拉强度均随时效时间延长而升高,在12 h时达到峰时效。HAZ硬度值由焊接态的59 HV提高到焊后峰时效态的73 HV,母材由初始态的71 HV提高到峰时效态的97 HV,接头抗拉强度由焊接态的208 MPa提高到焊后峰时效态的235 MPa。进一步研究表明,焊后峰时效（T4-BT-PWA）与传统T6态板材焊接态（T6-as-welded）接头微观组织与力学性能存在明显差异,T4-BT-PWA接头HAZ析出相密度低并含有针状强化相,而T6-as-welded接头HAZ析出相大量析出并粗化,二次析出能力很弱,HAZ析出相的本质差异使得T4-BT-PWA接头抗拉强度（235 MPa）明显高于T6-as-welded接头强度（211 MPa）。