搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)过程中,搅拌头的轴线一般与被焊板材法线向后倾斜一定角度,以保证焊接过程中对搅拌头后方金属施加足够的顶锻力,限制了焊缝形式(如曲线焊缝)的多样化。而采用无倾角焊接时,有利于焊缝形式的多样化,非常适用于自动化焊接。但是,很多情况下,由于结构空间有限,需采用小轴肩尺寸的搅拌头并保证相对较深的焊缝深度。因此,系统的开展无倾角、小轴肩FSW焊接技术研究,解决工业生产中出现的难题,具有较大的经济效益。本文通过对搅拌头形貌重新进行优化设计,采用SEM、EDS等分析测试方法分析了接头的显微组织及界面结构,研究了接头的宏观成形、缺陷形成机理、力学性能。研究结果表明:可以在轴肩尺寸较小的情况下获得较深的焊缝,轴肩直径与焊缝深度的比值最小可达2.35;采用带导流槽的搅拌针及0.3mm的轴肩花纹外凸高度设计能够有效改善接头的成形情况;原始搭接界面在焊接时发生迁移,接头横截面均能观察到“Hook”缺陷。热影响区晶粒尺寸与母材相比并没有发生明显长大,这与轴肩尺寸较小有关;前进侧(Advanced Side,AS)热机影响区与焊核界面非常明显;轴肩直径越小,获得无孔洞缺陷接头的能力越低,但原始界面最大迁移高度值(HD,Hook Defect)大幅降低;搅拌头转速越高或焊接速度越低,HD值越大;将原始搭接位置设置在前进侧,HD值大幅降低,最大降低幅度可达87%;焊前表面清理无法有效降低HD值,但可以降低“Hook”缺陷在焊核内的迁移长度。母材硬度最高,接头的最大软化区为靠近返回侧(Retreating Side,RS)的热影响区与热机影响区交界处;当提高焊接速度、降低搅拌头旋转速度以及降低轴肩直径时,接头软化程度降低;前进侧热影响区的硬度损失小于返回侧热影响区的硬度损失;焊核硬度不受工艺参数变化的影响。接头的抗拉强度与搅拌头旋转速度成反比,与焊接速度成正比;使用5mm轴肩直径搅拌头得到的接头抗拉强度高于使用6mm轴肩直径搅拌头得到的接头;接头抗拉强度不受是否进行了焊前表面清理的影响;工艺参数范围内,当使用6mm轴肩直径搅拌头、搅拌头转速3000rpm、焊接速度240mm/min时,接头的抗拉强度达到最高,为386MPa;接头强度由“Hook”缺陷形貌及HD值共同决定。