随着航空航天、轨道交通、新能源汽车以及电子封装等制造领域逐步走向轻量化发展道路,薄壁结构件在工程应用领域的需求也与日俱增。沉淀硬化型铝合金作为薄壁结构件具有广阔的应用前景,而在使用传统熔焊方式对焊接性较低的铝合金薄壁结构件焊接时,接头极易出现各类严重缺陷。如何提升铝合金薄壁结构接头成形品质与力学性能成为当下热门的科研议题。微搅拌摩擦焊接（μFSW）作为一种先进的纯机械固相连接方法,被认为是最适合超薄铝合金高效焊接的方法之一。搅拌头作为微搅拌摩擦焊技术的“心脏”,其轴肩形貌对焊接接头的成形和性能起决定性作用。本课题设计并制造了三种轴肩形貌不同的搅拌头对厚度为0.5mm的6061-T6超薄铝合金微搅拌摩擦焊对接工艺展开系统研究。通过改变搅拌头轴肩形貌和焊接工艺参数对接头宏观形貌、微观组织、拉伸性能以及焊接过程中热和力的分析,明确不同轴肩形貌的搅拌头产热机制的差异,进而探索超薄铝合金焊缝横截面塑性金属流动特征并建立流动特征模型,阐明搅拌头轴肩形貌对塑性金属流动行为的影响机理。接头成形宏观观测结果表明,焊缝表面的成形效果受焊接热输入量的显著影响。当主轴转速过慢或焊接速度过快时,焊缝容易产生“沟槽”、“飞边”等缺陷;当主轴转速过快或焊接速度过慢时,焊缝容易产生“焊穿”、“过度软化”等缺陷。轴肩形貌为三渐开线导流槽带针的Ⅰ型搅拌头在工艺窗口内更容易获得表面成形良好的焊缝。接头力学性能测试结果表明,三种不同轴肩形貌搅拌头所得接头硬度分布趋势均呈明显的“W”型,接头硬度随主轴转速上升而增强,随焊接速度加快而提高,轴肩形貌为三渐开线导流槽无针的Ⅱ型搅拌头所得接头硬度最低值和焊核区中心处硬度最高值均高于Ⅰ型和Ⅲ型。轴肩形貌为三渐开线导流槽带针的Ⅰ型搅拌头所得接头的抗拉强度达到241.7MPa,可达母材的82.8%,屈服强度为180.5MPa,断后伸长率为3.8%,其拉伸强度、屈服强度和断后延伸率均对比Ⅱ型、Ⅲ型搅拌头更好,拉伸断口断裂形式主要为韧性断裂。热循环及力的测量与分析结果表明,焊缝处塑性金属要达到软化状态需要更多的热输入量,热源一部分来自轴肩摩擦作用,另一部分来自轴向力和横向力的做功。轴肩形貌为三渐开线导流槽带针的Ⅰ型搅拌头产热潜能最大,其焊缝中心处焊核区热循环温度峰值最高,达到438℃,焊缝外侧热影响区热循环温度峰值也是最高,达到305℃。Ⅰ型搅拌头所得接头焊接连续性和稳定性均优于Ⅱ型、Ⅲ型搅拌头。接头显微组织观察和横截面塑性金属流动行为分析结果表明,焊核区主要发生完全的动态再结晶,再结晶晶粒为细小的等轴晶粒,热机影响发生非完全动态再结晶,细小的再结晶晶粒数量减少,粗大的变形晶粒数量增多。热影响区仅受温度影响形成粗大的变形晶粒。搅拌头轴肩主要驱动焊缝上部分前进侧与后退侧塑性金属流动;搅拌针主要驱动焊缝塑性金属由上到下的流动。轴肩形貌为带针三渐开线导流槽的Ⅰ型搅拌头所得焊缝横截面的流动性比无针三渐开线导流槽的Ⅱ型搅拌头和带针内凹型Ⅲ型搅拌头更为充分和均匀。