Al-Zn-Mg-Cu铝合金厚板在轨道交通、航空航天和军事工业等领域具有重要应用,但采用传统熔化焊接技术难以获得质量良好的焊接接头。搅拌摩擦焊接（Friction stir welding,FSW）技术作为一种固相焊接技术,已被成功应用于铝合金薄板（1.2-6 mm）的焊接,但对于FSW铝合金厚板接头常常存在强度低,沿厚度方向力学性能不均均匀等焊接问题。本文针对该问题,系统研究了单面/双面FSW焊接20 mm铝合金厚板接头的微观组织及力学性能,以实现铝合金厚板的高效连接。本文利用热电偶测试了单面/双面FSW铝合金厚板过程中沿板材横向和厚度方向上实时温度的变化过程。采用金相显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射技术和透射电子显微镜对单面/双面接头各区的晶粒形貌、晶界分布、取向分布和析出相的状态及分布进行了表征,对接头的显微硬度、沿厚度方向分层切片的拉伸性能以及接头的低周疲劳性能进行了测试与评价。本文得到的主要结论如下:距焊缝中心10 mm处,单面FSW峰值温度最高为430℃,双面FSW峰值温度最高为392℃。在单面/双面FSW过程中,焊接温度沿板材厚度方向梯度分布,前进侧（Advancing side,AS）峰值温度均高于后退侧约13℃;单面FSW接头沿厚度方向晶粒尺寸逐渐减小,双面FSW接头搅拌区（Stir zone,SZ）中心处晶粒最小,越靠近板材表面晶粒逐渐粗化。单面/双面FSW接头热影响区（Heat-affected zone,HAZ）晶粒在焊接热循环的作用下均发生粗化;母材（Base materials,BM）中的η`在单面/双面FSW过程中均发生溶解,接头SZ区溶解的η`相以Al3Zr为核心异质形核再次析出。单面/双面FSW接头HAZ区析出相均发生η`→η的相转变,并且η相长大粗化;双面FSW焊接过程中,由于第二面焊接过程会对第一面焊接接头产生热挤压作用,接头SZ区晶粒的择优取向发生明显的变化。单面/双面FSW接头各区显微硬度均低于BM,最低硬度区（Lowest hardness zone,LHZ）均位于HAZ区。AS侧LHZ显微硬度的平均值均低于RS侧;单面FSW接头抗拉强度为369 MPa,屈服强度为257 MPa。焊接接头及分层切片抗拉强度系数均达到BM的62%。双面FSW接头抗拉强度为466 MPa,屈服强度为343 MPa。接头分层切片的抗拉强度均达到BM的76%,并且各分层切片抗拉强度基本相同。单面/双面FSW接头断裂均发生在LHZ区。这主要是由于LHZ区晶粒粗化,析出相发生η`→η的相转变并且η相发生粗化;双面FSW接头随着总应变幅的增加,FSW接头的循环应变硬化行为逐渐增强。采用Manson-Coffin-Basquin模型、Three parameter exponential function模型和Halford-Marrow模型对焊接接头的疲劳寿命进行了预测,Halford-Marrow模型的预测结果最为符合实验测试结果。低周疲劳试样断裂位置与拉伸实验相一致,均发生在LHZ。断口形貌可见明显的裂纹萌生区、扩展区和瞬断区。裂纹萌生于接头焊接第一面AS侧表面。