作为固相连接方法，搅拌摩擦焊(FSW)有效解决了高强铝合金采用传统熔焊难焊的问题，在航空航天、轨道车辆、船舶制造等领域获得了应用。对于高强铝合金，FSW热循环足以造成起主要强化作用的沉淀相的改变从而导致接头性能的降低。目前，主要通过焊后热处理和强制冷却进一步提高FSW的接头性能，但是对于大型铝合金构件均受到限制。因此，本文提出差速FSW以降低热循环对材料的热软化作用，最终实现改善接头微观组织、提高接头性能的目的。根据高强铝合金差速FSW的特点，合理设计了差速FSW焊具，为深入研究高强铝合金的差速FSW奠定了基础。当辅助轴肩转速为零时，即为静止轴肩FSW；在静止轴肩FSW焊具的基础上，加入辅助轴肩的驱动组件，通过双伺服电机驱动以齿轮啮合的传动方式，即实现辅助轴肩转速不为零的差速FSW。更换不同厚度的辅助轴肩端盖，可以完成在不同相对下压量下的差速FSW。应用设计的静止轴肩FSW和差速FSW焊具，获得了良好的焊缝成形。对于静止轴肩FSW，静止轴肩能有效防止飞边及孔洞缺陷的形成，因而与无静止轴肩的小尺寸轴肩FSW相比显著拓宽了能获得良好焊缝成形的工艺区间。2219-T6铝合金“内深外浅”静止轴肩FSW接头，仅在焊缝两侧形成明显的刮擦区域，表明辅助轴肩并未对整个焊缝宽度起显著作用；接头抗拉强度仅达到307MPa，明显低于常规FSW的最优接头性能。“内浅外深”静止轴肩FSW获得了更平整的焊缝表面成形，接头抗拉强度与常规FSW接头的最大抗拉强度相比显著提高，达到354MPa。然而，静止轴肩的下压量增大导致前进阻力显著增大，使得小尺寸凹形轴肩与辅助轴肩摩擦增大，对焊接过程和焊具不利。为了获得高性能的焊接接头，需要保持小尺寸轴肩与辅助轴肩之间“内浅外深”的相对下压量。因此，通过辅助轴肩转速不为零的差速FSW以减小前进阻力等焊接过程载荷，从而减小对焊接过程和焊具的不利影响。差速FSW中辅助轴肩对材料塑性流动和塑性变形的作用局限在焊缝近表面层，因而显著减小了接头软化区宽度和搅拌区内显微组织在板厚方向上的差异。同时，同向差速FSW和逆向差速FSW均获得了高于常规FSW最优性能的焊接接头。根据显微硬度分布特征，差速FSW也有利于改善焊接接头关于焊缝中心的非对称性。基于有限元模拟，对常规FSW和差速FSW的温度场进行了研究并通过实测进行验证，结果表明：差速FSW与常规FSW相比，温度场的高温区域更小，焊接接头各区域的峰值温度降低、高温停留时间减短。对于逆向差速FSW，主轴转速和辅助轴肩转速对焊接接头各区域的峰值温度影响显著，而焊接速度对高温停留时间影响显著。根据温度场模拟结果，按照网格划分通过离散化方法计算焊接过程载荷。逆向差速FSW的轴向压力、前进阻力和主轴扭矩与静止轴肩FSW相比显著降低，但是轴向压力和前进阻力与常规FSW相比略微增大而主轴扭矩和作用在工件上的总扭矩则显著降低。辅助轴肩转速对焊接过程载荷的影响显著，也证实了通过逆向差速FSW降低焊接载荷的有效性和可行性。深入研究逆向差速FSW接头组织性能的演变规律，并实现了工艺参数的优化。相比常规FSW和旨在提高接头性能的水浸FSW，逆向差速FSW显著拓宽了能获得良好焊缝成形和高性能接头的工艺区间。接头性能及拉伸断裂位置取决于接头各区域的微观组织演变。热影响区主要发生亚稳相的粗化和部分向稳定相的转变，并且粗化过程伴随着小尺寸沉淀相的溶解。热机影响区主要发生亚稳相向稳定相的转变和向基体的溶解，沉淀相是以块状的稳定相为主，但是低热输入量的条件下仍然残留一定的亚稳相。在高温和大塑性变形的共同作用下，轴肩作用区(SAZ)和焊核区(WNZ)中原始亚稳相基本完全发生向稳定相的转变或向基体的溶解，但是SAZ中溶解程度更大、分布密度更低。在高热输入量(主轴转速过大或焊接速度过低)的焊接条件下，SAZ内也有少量亚稳相在焊后冷却过程中重新析出，该过程不仅与高温停留时间有关，峰值温度和塑性变形程度也起到重要的作用。但是，WNZ中并不存在亚稳相的再析出。根据拉伸性能随工艺参数的变化规律，采用基于Box-Behnken试验设计的响应面法，建立抗拉强度与工艺参数间的二阶响应模型，得出R1075W225r550是2219-T6高强铝合金逆向差速FSW的最优工艺参数，最大抗拉强度357MPa(母材的80.2%)明显高于常规FSW的最优接头性能，并且与水浸FSW的最优接头性能相当。