铝合金搅拌摩擦焊技术已被广泛应用到航空航天和造船等领域,但常规的搅拌摩擦焊技术会不可避免地产生根部缺陷及焊缝减薄现象,造成接头力学性能的下降。因此,需要一种无根部缺陷、无减薄的搅拌摩擦焊工艺。本文首先研究只采用开槽背部垫板时,不同凹槽尺寸和下压量对接头组织与性能的影响,从而优化出较优的凹槽尺寸;其次,基于优化的凹槽尺寸,同时采用与母材同质的上层薄垫板,设计正交实验,分析不同参数对接头的成形、组织及性能的影响,从而优化出最佳工艺参数。最后,选取最佳工艺下的接头,进行焊后热处理（人工时效和固溶+时效处理）,分析不同热处理工艺下接头的组织与力学性能变化。在只采用开槽背部垫板进行铝合金搅拌摩擦对焊时,可以发现只有在下压量和槽深相匹配时,才可以得到焊缝表面成形良好,内部无宏观缺陷的接头,否则接头会因热输入不足或飞边形成太多,而产生隧道、孔洞等缺陷。此外,根部缺陷的垂直长度随着槽深的增加而增加,但随下压量的增加而减小,当槽深为0.40mm,下压量为0.45mm时,经去除焊缝背部“余高”后,接头内部是无任何缺陷的,其在拉伸试验中断裂在热影响区硬度最低值处,可达最大抗拉强度246MPa,约为母材的86.9%。接头断口形貌由大量的韧窝和撕裂棱构成,为典型的韧性断裂,此外,有部分Mg₂Si沉淀相分布在韧窝底部。弯曲性能测试表明,焊接接头中有无根部缺陷对接头抗正弯性能影响不大,但在背弯试验中,根部缺陷会成为裂纹源,导致接头抗弯性能显著下降。基于优化的凹槽尺寸,通过添加与母材同质的上层垫板,研究搅拌头旋转速度、焊接速度及倾斜角对焊接接头成形的影响。所有接头经去除背部“余高”后,均可实现焊缝中无根部缺陷和无减薄现象,甚至出现了不同程度的增厚。由于上层垫板及背部凹槽的存在,改变了材料流动方式,从而使接头横截面焊核区的宏观形貌可分为层状结构和洋葱环结构两种。通过对正交结果进行极差分析发现,倾斜角对接头抗拉强度影响最大,焊接速度影响最小,最佳工艺方案为旋转速度1000r/min,焊接速度65mm/min,倾斜角2.5o,其抗拉强度达到238MPa,约为母材的84.1%。拉伸断裂可分为焊缝中心断裂和热影响区最低硬度处断裂两种,接头不同厚度的断口形貌不同,当发生焊核区缺陷断裂时,焊接接头为准解理断裂和韧性断裂的混合断裂,否则为典型的纯韧性断裂。焊后人工时效对接头横截面宏观形貌及晶粒尺寸没有明显影响,而固溶+时效则能有效改善热机影响区组织,使热机影响区与焊核区界限模糊、热影响区组织与母材组织相似,两种热处理工艺对接头中的根部缺陷并未有显著影响。力学性能测试结果表明,固溶+时效处理不仅显著提升了接头的抗拉强度,其值达到269MPa,约为母材的95.1%,也改善了接头的塑性,且使整个接头的硬度分布更均匀。