搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术,很好解决了高强铝合金传统熔焊难以焊合的问题,在焊缝组织结构和力学性能上也有着明显的优越性。然而,受制于焊后热处理中焊核区细晶结构异常晶粒长大现象,航空航天、列车、汽车制造等领域的一些工艺条件下搅拌摩擦焊接头成型性能和力学性能会有所下降。提高焊核区细晶结构稳定性成为本领域研究的关键问题之一。本文采用添加焊料的搅拌摩擦焊接新方法,通过改进工艺条件在焊核区引入弥散分布的第二相颗粒,对焊核区细晶结构晶界产生钉扎作用。通过光学显微镜、扫面电子显微镜、透射电子显微镜等表征手段,研究了焊料与基体原为化合反应机理,和第二相颗粒的分布及其对焊核区晶粒结构的影响,并验证了焊接新方法对提高焊核区细晶结构热稳定性的作用。通过表征和分析,发现焊料与基体发生原位反应生成纳米级金属间化合物粒子。搅拌摩擦焊过程中瞬时高温和强变形的特性是引发金属间化合反应的直接因素。金属间化合反应是高温引起的扩散型固态相变,材料流动的机械作用大大加速了相变的进行。由于搅拌摩擦焊接过程中材料宏观流动剧烈而微观流动有限,微米级金属颗粒与纳米级金属间化合物颗粒在焊核区弥散行为存在差异。微米级别金属颗粒随着焊接道次数的增加,弥散程度明显加剧,在四道次后由原始的聚集状态转为弥散分布于焊核区,而纳米粒子大多仍呈聚集状态。焊料的添加使得焊核区第二项浓度明显高于母材。分析第二相颗粒的分布和焊核区晶粒结构可知,第二相颗粒浓度越大的区域,再结晶晶粒在长大过程中所受到的钉扎作用越强,越能保持细小的晶粒结构。热处理实验结构表明,整个焊核区未发生异常晶粒长大。第二相颗粒浓度高的区域,晶粒正常长大程度低于无第二相颗粒或颗粒浓度较低的区域。理论上应该发生异常晶粒长大的细晶区域,由于第二相颗粒的存在,细晶结构得以保持。晶粒结构较大的区域由于本身不具备异常晶粒长大的条件也避免了异常长大的发生。结果表明添加焊料在焊核区引入第二相颗粒对焊核区再结晶晶粒长大和焊后热处理中异常晶粒长大起着双重限制作用。