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超声振动辅助搅拌摩擦焊接Al/Cu异种金属接头的微观结构与力学性能原位调控研究
第一作者及机构
本研究的通讯作者为Shi Lei（山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室），合作单位包括香港理工大学超精密加工技术国家重点实验室、东南大学机械工程学院、齐鲁工业大学（山东省科学院）机械工程学院、中国铁道科学研究院金属与化学研究所，以及俄罗斯别尔哥罗德国立研究大学纳米材料与高温合金力学性能实验室。研究成果发表于2025年4月的《Transactions of Materials Research》期刊（Volume 1, Article 100018）。
研究领域与动机
研究聚焦于中厚板铝/铜（Al/Cu）异种金属连接，属于固态焊接技术领域。工业应用中，Al/Cu复合结构可兼顾铜的导电/导热性和铝的轻量化优势，但传统熔焊方法易形成厚脆性金属间化合物（Intermetallic Compounds, IMCs），导致接头性能劣化。尽管搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding, FSW）能抑制IMCs，但针对厚度>4 mm的中厚板（Medium-Thick, MT）Al/Cu接头，常规FSW（Conventional FSW, C-FSW）仍面临两大挑战：
1. 大轴肩导致顶部IMCs过厚；
2. 针部热输入不足引发底部孔洞缺陷。
研究目标
提出一种超声振动辅助双面搅拌摩擦Z型对接-搭接焊（Ultrasonic-assisted Double-side Friction Stir Z-shape Butt-lap Welding, UDS-FSZW），旨在通过超声振动（Ultrasonic Vibration, UV）和Z型几何设计协同调控IMCs生长与材料流动，实现高强度、高效率的MT-Al/Cu连接。
1. 实验设计与材料
- 研究对象：12 mm厚6061-T6铝合金与纯铜板（尺寸150×80×12 mm）。
- 对比工艺：常规双面FSW（DS-FSW）、双面Z型FSW（DS-FSZW）、超声辅助Z型FSW（UDS-FSZW）。
- 超声参数：功率300 W，频率20 kHz，振幅8 μm，通过超声变幅杆以40°倾角施加。
2. 焊接流程
- 两步焊接：先焊接正面（F-P weld），打磨后翻转焊接背面（S-P weld）。
- 关键参数：转速600–1000 rpm，焊速200–500 mm/min，工具倾角2.5°，轴肩直径20 mm，针长6 mm。
3. 表征方法
- 微观结构：SEM（扫描电镜）观察IMCs层，EBSD（电子背散射衍射）分析晶粒取向，TEM（透射电镜）解析界面相组成。
- 力学性能：拉伸测试（GB/T 228.1–2010标准）、显微硬度映射（HV0.5载荷）。
- 热力学计算：基于Midema模型和Gibbs自由能预测IMCs形成序列。
4. 创新方法
- Z型几何设计：通过铣削加工在对接面预置Z型台阶，增加有效承载面积（界面长度从12 mm提升至16 mm）。
- 超声能量耦合：超声变幅杆直接接触工件，减少能量损耗，促进动态再结晶。
1. 微观结构调控
- IMCs层厚度：UDS-FSZW将IMCs层最大厚度从DS-FSW的1.25 μm降至0.40 μm（顶部）和0.18 μm（底部）。TEM证实界面为双层结构：靠近Al侧的Al₂Cu（θ相，四方晶系）和靠近Cu侧的Al₄Cu₉（γ₁相，立方晶系）。
- 晶粒细化：超声振动使焊缝区（Weld Nugget Zone, WNZ）平均晶粒尺寸减小27–42%，低角度晶界（LAGBs）向高角度晶界（HAGBs）转化率提升。
2. 力学性能提升
- 拉伸强度：UDS-FSZW接头抗拉强度达184.88 MPa，较DS-FSW（149.55 MPa）提升23.62%，相当于纯铜基体的75.46%。
- 断裂行为：所有接头均断裂于Al/Cu界面，呈现韧-脆混合模式。UDS-FSZW接头在搭接面残留更多Al附着，表明机械互锁增强。
3. 热力学机制
- IMCs形成序列：Al₂Cu优先通过Al/Cu原子互扩散形成，随后Al₄Cu₉在Cu(Al)固溶体与Al₂Cu之间生成。超声振动通过提高应变速率（公式：d ∝ ε̇^(-2⁄3)）抑制IMCs层增厚。
科学价值
1. 揭示了超声振动通过应变率效应和位错强化协同调控IMCs生长的机制；
2. 提出Z型几何设计可优化材料流动路径，减少孔洞缺陷。
应用价值
该工艺适用于新能源汽车电池托盘等需高强Al/Cu连接的场景，焊接速度（400 mm/min）较传统FSW（通常100 mm/min）显著提升生产效率。
（全文约2000字）