轻量化设计一直是航空航天追求的发展方向,铝合金凭借密度小、比强度高的优异特性为轻量化设计提供了有效的途径。随着铝合金在航空航天工业的广泛应用,铝合金熔化焊存在的气孔、热裂纹等问题也引起了人们的广泛关注。搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术,在铝合金高质量焊接上具有独特优势,因此在航空航天领域得到了广泛应用。本文针对薄板蒙皮与高筋厚壁板连接时厚板散热严重、接头承载性能低的问题,设计强行变作用焊具来实现2.2mm与20 mm大厚度差异2A12-T4铝合金板搅拌摩擦搭接。验证了强形变焊具对大厚度差异接头的适用性并总结适用于大厚度差异搭接的针长选择规律,研究了工艺参数及界面包铝层厚度对接头微观组织及力学性能的影响规律,拓宽实现高承载性能接头的工艺窗口,并明晰界面的元素扩散行为以及接头的失效机制。大厚度差异铝合金FSLW接头分为四个区域:焊核区、热机影响区、热影响区、母材。搅拌针的膨大端部设计使得焊核区呈“哑铃”形貌,且焊核底部宽度大于中部,达到薄板厚度的3倍以上,有效的提高界面的承载能力。焊具的周向三缺口设计赋予了材料强形变作用并改善了材料的流动行为,使得材料由沿搅拌针外侧流动变为沿着内部的孔槽进行流动,从而消除了界面缺陷。端部内凹表面的设计增大了冶金结合面积,提高了接头热输入。在针长超过板厚0.2 mm时,接头的承载性能最佳,达到7.97 kN,为母材的73.2%,需要进一步优化工艺,提高接头性能。焊缝表面呈周期性排列的弧形纹形貌,弧形纹间距随着焊速增大而降低,表面存在包铝层时,低焊速下,弧形纹形貌消失,在高焊速下,弧形纹表面有凸起形貌,凸起内部呈以纯铝为基底的“2A12-T4—纯铝”的叠层结构,通过提高热输入可以消除凸起形貌。在转速800 rpm,焊速100 mm/min时,由于焊具的强形变作用以及热输入的合理调配,接头内部孔洞缺陷以及界面的“钩状缺陷”和“冷搭接缺陷”均被消除,接头成形良好。接头的搭接宽度达到了8.28 mm,为薄板厚度的3.76倍。随着界面包铝层厚度的增大,界面出现“钩状缺陷”以及“冷搭接缺陷”并且在厚度为0.2 mm时搅拌区底部出现了包铝层的偏聚;随着转速或焊速的增大,热输入不匹配使得接头内部出现孔洞缺陷。当包铝层存在时界面区域存在着“纯铝—2A12-T4”的叠层结构,在叠层结构间隙可以发现Cu、Mg元素的扩散行为,扩散层厚度在3μm以内。叠层结构的出现与焊具的强形变作用以及焊接热作用有关。在转速800 rpm,焊速100 mm/min时接头承载能力最好,达到母材的92.2%。拉伸过程中,裂纹均从“冷搭接”缺陷或者未结合界面顶端开始启裂,根据裂纹的扩展路径可以分为四种类型。第一类在低热输入、包铝层厚度较大条件下发生,裂纹扩展进入搅拌区,并穿过界面区域发生断裂;第二类是在高转速下发生,裂纹向下扩展进入搅拌区,沿着搅拌区内部孔洞缺陷向上扩展发生断裂;第三类在热输入较低、包铝层厚度较小条件下发生,裂纹沿着热机影响区与搅拌区界面向上扩展,并穿过搅拌区发生断裂;第四类是在热输入恰当时发生,裂纹沿着热机影响区和搅拌区界面扩展后,进入热机影响区,并最终在搅拌区发生断裂,此类断口有大量深浅不一的韧窝以及撕裂棱形貌,呈良好的塑性断裂,并在此时接头承载性能最好。大厚度差异铝合金搅拌摩擦搭接的焊接需要在针长超过板厚0.2 mm、焊机转速800 rpm以及焊接速度100~200mm/min的参数下选择强行变作用搅拌针进行施焊,以达到接头承载超过母材90%、搭接面积超过薄板厚度2倍,接头内部无缺陷的目的。