7×××系铝合金具有质量轻、比强度高、热处理强化效果好等特点,是轨道交通列车车体的理想材料。7×××系铝合金采用传统的熔化焊连接时,通常焊接性能较差,易出现热裂纹、气孔、偏析、夹渣、元素烧损和工件严重变形等问题。搅拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）作为一种优质、高效、环保的固相连接技术,可有效避免焊接过程中产生的气孔、热裂纹等缺陷,因此被广泛地应用于铝合金焊接。由于在7×××系铝合金搅拌摩擦焊过程中易出现沉淀相溶解或粗化现象导致接头软化,其焊接系数在60%～90%之间,进一步提高焊接系数成为本领域关注的问题。本文以5 mm厚的7020铝合金板材为研究对象,探索了不同冷却条件下的搅拌摩擦焊工艺,考察了焊接过程中温度分布对组织演变的影响,分析了接头微观组织和力学性能之间的关系。最后,研究了焊后热处理对接头组织和力学性能的影响。首先研究了7020铝合金在空冷条件下的搅拌摩擦焊接工艺。在搅拌头旋转速度1300 rpm,焊接速度50 mm/min的参数下,获得接头的最高抗拉强度为388 MPa,焊接系数83.5%。经对接头热历史分析,发现在前进侧距离焊缝中心10 mm处测得接头的峰值温度为439.9℃,且前进侧焊接热循环温度略高于后退侧。对不同区域组织进行分析,发现FSW接头热影响区的晶粒在焊接过程中发生静态回复,晶粒与母材相比有所长大,细小的沉淀相溶解,部分沉淀相粗化;热机影响区的晶粒主要发生动态回复和部分动态再结晶,晶粒发生变形,大量沉淀相溶解;焊核区的组织发生了动态再结晶,形成了细小的等轴晶,沉淀相回溶到基体,少量在冷却过程中析出。其次,对7020铝合金进行水下搅拌摩擦焊（Underwater friction stir welding,UFSW）,考察工艺参数对接头组织和性能的影响。当搅拌头旋转速度为1100 rpm,焊接速度为50mm/min时,获得接头的抗拉强度最佳,达到419 MPa,焊接系数为90.0%。与空冷的FSW接头相比,7020铝合金UFSW接头焊核区、热机影响区和热影响区较小,焊缝表面较为粗糙,距离焊缝中心10 mm处的峰值温度降至248.8℃。7020铝合金母材具有F{111}＜112＞,P{011}＜233＞和Cube{001}＜100＞织构。在空冷接头的焊核区生成R-Cube{001}＜110＞织构。在水冷接头的焊核区为B/（?）{112}＜110＞和R-Goss{011}＜011＞织构。水冷使接头软化区变窄,软化程度降低,横截面上的硬度分布呈“W”型。与空冷接头相比,水冷接头焊核区晶粒尺寸更加细小,位错密度更高。热影响区沉淀相更细小,热机影响区沉淀相数量更多,这是接头强度提高的主要原因。最后,对不同冷却条件下的搅拌摩擦焊接头进行焊后直接人工时效处理。两种接头的焊核区均重新析出细小的沉淀相,并出现晶界无沉淀析出带。时效后的接头硬度均有所恢复,空冷接头焊接系数达到83.9%,水冷接头焊接系数提高至97.4%。同时,考察了时效后的UFSW接头高周疲劳寿命,获得接头加载应力水平S与循环周次N的关系为:lg N=6.28-0.83×lg（S-119.83）,当循环加载10~7周次时的疲劳强度为119.8 MPa。通过疲劳试样断口和裂纹分析发现,疲劳裂纹在焊核区的第二相粒子处萌生,疲劳裂纹主要以穿晶形式扩展。