铝锂合金作为最轻的铝合金,不仅具备常规铝合金轻质高强的特点,而且耐腐蚀、抗疲劳性能优良,广泛应用于航空航天等领域。铝锂合金广泛需求对其连接技术提出了新的技术要求。搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术,可以解决熔、钎焊存在的元素烧损、气孔、热裂纹、难以找到匹配的钎剂等问题,然而沿厚度方向仍然存在热梯度与减薄现象,造成接头力学性能下降。静轴肩搅拌摩擦焊采用不旋转的外部轴肩,热输入减小的同时沿厚度方向比较均匀,可有效改善上述问题。本文对1.5 mm厚的2A97铝锂合金进行静轴肩搅拌摩擦焊接试验,设计并采用了分体式焊具,揭示了焊接过程参数变化特征,分析了工艺参数对接头微观组织与力学性能的影响,明确了微观组织演变机制并建立微观组织与力学性能的联系,为获得优质焊接接头工艺规范、满足焊缝实际应用需求提供理论指导。针对铝锂合金薄板的特点与静轴肩搅拌摩擦焊接实际要求,参考常规搅拌摩擦焊具对轴肩与搅拌针结构、尺寸进行设计,选用H13钢作为焊具加工材料;焊接过程参数测定结果表明,随着搅拌针转速的增加或焊速的降低,焊接热输入与特征点峰值温度增加,材料软化程度相应增加,主轴扭矩降低。基于Abaqus软件得到整个焊接过程接头各区域温度场分布特征,与实测温度场拟合效果较好,中心高温区范围随焊速的减小或搅拌针转速的增加而扩大,同时焊接温升趋势随焊速的减小逐渐趋于平缓。静轴肩搅拌摩擦焊接过程稳定,焊缝成形美观,基本无飞边产生。当工艺参数不合理时,接头截面内部出现孔洞缺陷。与常规搅拌摩擦焊接类似,接头截面组织分为焊核区、热机影响区、热影响区以及母材区四个区域;焊核区宽度随焊速的增加或搅拌针转速的降低逐渐减小,其晶粒尺寸随着搅拌针转速的增加变化差异较小,随焊速的增加呈现先减小后增大的趋势。热机影响区晶粒尺寸随焊速增加呈现先减后增的趋势,随搅拌针转速增加始终处于减小的趋势;热影响区晶粒随焊速增加或搅拌针转速降低长大趋势逐渐减弱。接头区域自母材向焊核区过渡,其平均晶粒尺寸逐渐细化,晶粒取向由趋于一致逐渐变得随机无规则,织构极密度最大值逐渐减小,原始铸造织构逐渐被再结晶织构取代。同时晶粒通过连续动态再结晶与几何动态再结晶实现小角度晶界向大角度晶界的转变。与常规搅拌摩擦焊接类似,静轴肩搅拌摩擦焊接头硬度分布呈现“W”形分布,铝锂合金接头各区域硬度值主要受沉淀相影响,细晶强化对硬度值的提升占据次要因素;随着搅拌针转速、焊接速度以及轴肩下压量的增加,接头抗拉强度与焊后延伸率均呈现先增大后减小的变化趋势;接头存在孔洞缺陷时裂纹自孔洞处萌生发生脆性断裂;接头存在未焊透缺陷时,裂纹沿中心焊核区进行扩展,断裂机制为韧性断裂;无缺陷接头断裂于后退侧热机影响区附近,断口SEM图像表明接头呈现韧脆混合型断裂模式。