铝锂合金轻质高强,在航空航天领域有极大的应用前景。然而,铝锂合金的焊接问题限制了它的发展,在焊接过程Li元素中极易烧损,使得焊缝合金化程度降低,接头强度远低于母材。搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术,热输入较小,不但抑制了Li元素烧损,而且避免了熔焊缺陷,适合焊接铝锂合金。但搅拌摩擦焊也存在焊缝减薄和匙孔缺陷等固有问题,降低了接头的承载能力。为解决上述问题,本文通过无减薄搅拌摩擦焊方法和填充式搅拌摩擦焊方法,建立数值模拟仿真模型,从降低热输入和增加材料流动性两个方面对焊具进行优化设计,确定焊接参数范围;实现6 mm厚2195铝锂合金的无减薄搅拌摩擦焊接头力学性能的最优化设计,并实现匙孔高质量修复接头的优化,满足铝锂合金优质高强的连接需求。本文基于欧拉-拉格朗日流固耦合方法建立三维热力耦合分析模型,对无减薄搅拌摩擦焊、填充式搅拌摩擦焊修复匙孔的过程分别进行了优化设计。无减薄搅拌摩擦焊过程中,常规锥形针焊接过程焊具周围材料流动性较差,焊缝出现缺陷;通过在焊具表面铣三个平面的方法,能够有效促进材料塑性变形产热和流动,消除缺陷。通过对各参数下焊接过程的模拟,筛选出焊具转速600 rpm,焊接速度200mm/min的焊接参数。结合试验证明该参数热输入较小且焊缝无缺陷,有效地提高了试验效率。此外,对填充式搅拌摩擦焊修复匙孔过程的几种填充棒角度的设计思路进行可行性验证,发现较大角度的填充棒有助于改善匙孔侧壁面材料流动情况,对材料进行充分混合以实现结合。分析修复过程材料流动行为,并结合试验提出了界面处压力促进材料摩擦塑化,促进材料先向下后向上的流动使界面结合的匙孔修复过程。依据无减薄搅拌摩擦焊数值模拟结果进行试验,确定了焊接参数为600 rpm,200 mm/min可在焊接热输入较小的前提下,实现无缺陷焊缝的焊接。焊后焊缝无减薄,部分区域甚至有微量的增厚,成功地解决了常规搅拌摩擦焊的焊缝减薄问题。焊接热输入较低,晶粒粗化不明显,沉淀相在焊后弥散分布在各焊缝区域中。焊缝的热影响区与热机影响区发现沉淀相溶解的迹象,显微硬度较低,属于接头的薄弱区域。焊接接头强度达到了395 MPa,达到了母材的75.2%,焊接质量较高。接头断裂位置位于热影响区,与水平方向呈45°角,呈剪切断裂模式,且断口表面出现韧窝,说明接头断裂为韧性断裂。通过填充式搅拌摩擦焊、熔焊预填丝加搅拌摩擦处理的方法,对无减薄焊缝焊后匙孔进行修复。填充式搅拌摩擦修复的接头强度较高,在焊具转速1600 rpm的条件下,获得修复接头强度为358.1 MPa,达到了无减薄焊接接头的90.7%。该方法热输入低,界面处材料相互挤压,摩擦充足,材料流动混合充分,界面结合质量高。熔焊预填丝加搅拌摩擦处理的方法热输入较高,接头区域合金元素严重烧损,且接头底部晶粒明显粗化,接头强度为295 MPa,达到了无减薄焊接接头的74.7%。结合数值模拟与试验结果,分析填充式搅拌摩擦修复接头的形成机理,发现在修复过程较大角度填充棒的根部首先与匙孔发生接触,其次是填充棒侧表面。最后在填充棒摩擦升温后,其顶部与匙孔接触。这不仅防止了填充棒顶部首先受到冲击而碎裂,还促成了修复阶段开始时塑化材料由上而下的流动。填充棒下扎过程中,由于填充材料体积大于匙孔,不仅对界面提供压力促进摩擦,还使得近匙孔区域塑化材料受挤压而向上流动,焊缝获得足够的摩擦热和材料流动,获得了良好的力学性能。