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双轴肩搅拌摩擦焊(Bobbin tool friction stir welding:BT-FSW)是一种新型固相焊接技术,在火箭燃料贮箱、飞机蒙皮等制造领域具有重要应用背景。然而,针对薄壁高强铝锂合金的BT-FSW研究尚处于起步阶段,且由于焊接设备控制复杂、易出现孔缺陷、甚至工艺失稳等问题,严重制约了该技术的应用推广。因此,本文采用实验与数值模拟相结合的方法,在焊接设备、工艺、接头成形机制、组织与性能等方面进行了相关研究,深入探讨了薄板铝锂合金BT-FSW特征及工艺改进技术。本文的主要研究内容和结果如下:基于BT-FSW特性研究,分析了薄板材料焊接主要失稳机制,开发了可调间隙式BT-FSW设备,提出了搅拌头分体安装和一体卸载设计思路,显著降低了搅拌头在工装过程中的断裂风险;发现了焊接初始“冷”接触阶段,搅拌头受力难以达到平衡引起的搅拌头断裂原因,优化了搅拌头设计并指出了焊接起始阶段低速焊接的必要性;提出了“位移控制为主,压力控制为辅”的位移和压力协同控制焊接方法,显著提升了薄板焊接稳定性,为深入研究铝锂合金的BT-FSW特性奠定了基础。针对3.2mm厚AA2198-T851铝锂合金,分析了不同焊接热输入对接头组织与力学性能的影响规律,并分析了接头局部与全局力学性能的关系。结果表明:BT-FSW接头焊缝截面为上下对称的沙漏形,焊核区(SZ)晶粒内部含有大量位错和亚晶界,导致了大角度晶界(HAGB)比例分数较低(约36%)的特殊现象。由于搅拌头与被焊工件的特殊空间关系,在焊件厚度方向,轴肩作用区远大于搅拌针作用区(<0.5mm),接头以单剪切C织构{001}<110>和少量A织构组成,并在焊缝中心厚度区形成织构取向不连续区域。焊缝区沉淀相发生不同程度溶解或粗化,导致硬度显著下降。增加焊接转速时,搅拌针作用区材料流动变化不大,但是轴肩作用区材料流动明显加强,且在厚度中心线上硬度分布由U型转变成W型。在拉伸试验过程中,接头热影响区(HAZ)和SZ最容易形成应变集中,而在母材区几乎不发生塑性变形,导致了接头整体延伸率显著低于局部延伸率。BT-FSW接头断裂模式与焊接热输入和材料流动密切相关,在热力影响区(TMAZ)和HAZ交界处断裂时接头力学性能最优。采用耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian:CEL)计算方法,克服了计算过程网格畸变问题,建立了BT-FSW焊接过程的三维热力耦合有限元模型,实现了极端变形条件下BT-FSW过程中的温度场、应变场与流场的预测。研究表明:接头前进侧(AS)温度低于后退侧(RS),而AS等效塑性应变梯度高于RS,并与实验结果吻合良好;基于焊接过程流场分析,发现了接头AS搅拌针后方形成流动弱区的现象,建立了焊缝材料在搅拌区的迁移模型,并揭示了BT-FSW接头及孔缺陷成形机制。最终,提出了常规BT-FSW接头对称成形的模型:由于上下轴肩具有完全对称的作用效果,使焊接成形材料流动亦高度对称,直接导致了上下轴肩作用区层状回填金属具有相同的周期和厚度,当两部分层状金属的间隙位置重合时,接头内易形成大体积封闭空腔,是导致常规BT-FSW接头易出现孔缺陷的本质原因,该模型在模拟与试验结果中均得到了良好验证。针对常规BT-FSW成形易产生孔缺陷的问题,通过数值模拟和实验研究,提出了新型差速双轴肩搅拌摩擦焊(DBT-FSW)工艺。研究表明,DBT-FSW可有效改变焊缝金属材料层状流动周期及厚度,使搅拌头后方空腔在材料回填闭合时形成空间错配,减小了焊接内部封闭空腔原始体积,并利用材料迁移的不同步性,使上下轴肩对工件产生不平衡作用力,从而增强了材料在水平和垂直方向的材料流动性,有效消除了焊接孔缺陷,显著扩大了焊接工艺窗,提升了焊接稳定性。在400~1000rpm焊接转速条件下,常规BT-FSW工艺上下轴肩扭矩差异较小(1.7%~14.6%),而DBT-FSW上下轴肩扭矩具有显著的非对称差异(22.9%~80.6%)。与常规BT-FSW接头相比,DBT-FSW接头为明显非对称成形特征,前进侧TMAZ/SZ过渡区的起伏褶皱特征组织,且接头上下轴肩作用区(USDZ和LSDZ)晶粒特性具有明显非对称性。焊接转速和行进速度对DBT-FSW影响主要体现在焊接热输入、接头成形非对称性和TMAZ-USDZLSDZ三相交汇区组织形态的变化,进而对接头硬度、抗拉强度和断裂延伸率均产生了重要影响。针对接头局部与全局力学性能的差异性,建立了接头局部材料硬化模型,并有效预测接头拉伸力学性能。优化的DBT-FSW接头抗拉强度为404MPa,达到BM抗拉强度的85%,而且断裂延伸率达到8.4%,显著高于常规BT-FSW接头力学性能,断裂位置全部位于TMAZ/HAZ。