铝及铝合金具有密度低、加工性能好、导热性和抗腐蚀性强等特点，钢具备强度较高、塑性和韧性良好等优势。因此，在航空航天、船舶重工和汽车制造领域中，铝和钢发挥着不可替代的作用[1–3]。以新能源汽车为例，采用铝/钢复合结构件既可以保证汽车具备良好的抗冲击性能和较高强度，同时能够降低整车质量，极大提高了新能源汽车的续航里程和驾驶舒适度，是实现汽车轻量化的有效途径之一[4]。然而，根据铝/钢金属的焊接性可知[5]，铝/钢的物理性能差距较大，具体表现为：铝和钢的熔点相差甚远，因此当铝熔化为液态时，钢还处于固体加热状态，而当钢完全熔化为液态后，由于铝的密度较低，熔化的液态铝将浮在钢液上方，导致焊缝冷却结晶后的力学性能较低；铝和钢的线膨胀系数和热导率等相差较大，因此，在传统焊接过程中会导致接头裂纹的产生；铝在高温作用下极易被氧化为Al2O3，该氧化物的形成会导致焊缝夹渣的产生，严重影响铝/钢的接头性能。此外，从Fe–Al 二元相图可以看出，铝与钢的固溶度较小，并且高温下极易形成脆硬的金属间化合物（Intermetallic compounds，IMCs），IMCs 的形成将严重降低接头的力学性能，影响焊接质量[6–8]。
近年来，国内外专家学者针对铝/钢异种金属连接做了诸多研究，主要连接方法有熔焊、钎焊、熔钎焊和机械连接[9–15]。熔焊在焊接过程中存在较大的热输入，且不能对热输入量进行精确调控，因此在焊接过程中极易产生较厚的脆硬IMCs，导致铝/钢接头的失效；钎焊所产生的接头变形量较小，焊接工艺参数可调控，生成的IMCs 较少，但钎焊易受到气孔、夹渣等缺陷的影响，导致接头力学性能较低；熔钎焊介于钎焊和熔焊之间，接头性能提高范围有限[16]；机械连接具有操作方便、无热量输入、无脆硬IMCs 生成等优点，但相较于其他连接方式，机械连接的接头强度较低。为了增加铝/钢连接的接头强度，精确控制连接过程的热输入总量，有效抑制IMCs 的生成，目前铝/钢异种金属的连接更倾向于固相焊接。
搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）是一种新型的固相连接技术，主要利用摩擦产热和塑性变形实现板材的连接。FSW 作为一种绿色焊接技术，具有诸多优势，其在焊接前、中不需要预备坡口，焊接过程中不会产生污染，焊后接头变形较小、自动化程度高[17]，并且可对IMCs 的生成进行调控，得到高质量的焊接接头[18–19]。基于上述优势，国内外专家学者早已对铝/钢FSW 开展诸多研究[20–24]。但是，一方面由于传统FSW 需要足够大的焊接轴向力和搅拌头扭矩来产生充足的热输入，这会加剧搅拌头的磨损，同时严重限制焊接速度的提高，进而降低焊接效率；另一方面，传统FSW 虽然在一定程度上缓解了铝/钢之间较大的热物理性能差异，但在实际焊接过程中仍存在材料塑性流动能力弱、界面脆性IMCs 过厚和接头力学性能较低等问题。因此，研究学者开展了大量有关外源辅助铝/钢FSW 的研究，根据作用原理不同将其划分为机械结构式辅助FSW、中间过渡层辅助FSW、温度控制型外源辅助FSW 和超声振动辅助FSW。本文对不同辅助方法的作用原理、界面结合特征和力学性能进行总结归纳，分析了不同改善方法的优点和局限，并展望了铝/钢异种金属FSW 的优化方向。
1 机械结构式辅助FSW
1.1 铆接辅助搅拌摩擦焊
传统铆接是一种利用轴向压力将铆钉镦粗后压入孔内形成钉头结构，从而实现板材结合的机械连接方式，具有操作简单、连接可靠等优点。但铆接过程中同时存在铆钉杆在钉孔内弯曲、铆钉头及连接板材出现裂纹缺陷等问题，影响连接质量。基于铆接原理，将FSW 与铆接相结合，在界面原有的冶金结合基础上，可提高界面机械结合强度，进而提升接头力学性能。根据铆钉来源和尺寸，可将其划分为利用待焊材料塑性流动形成自铆钉结构的宏观铆接、微观铆接和填充预制铆钉的外源铆接。
1.1.1 宏观铆接
Chen 等[25] 以AA7075 铝 合 金和Q235 钢作为母材进行自铆搅拌摩擦搭接焊（Self–riveting friction stir lap welding，SR–FSLW），总结了锁紧铆钉的形成机理，将其划分为沉降、挤压、填充和锁紧这4 个步骤，如图1 所示。当搅拌针距离预置孔较远时，铝合金在焊接热和轴肩挤压作用下大量流入预置孔内；随着搅拌针的靠近，预置孔后壁在搅拌针的挤压作用下发生变形，使内部的铝合金在压力作用下向上运动，最终在预置孔内循环流动；当搅拌针移动到预置孔正上方时，在剧烈塑性变形的作用下铝合金和钢充分混合，形成涡流层状结构（Swirl-layered structure）；随着搅拌针离开预置孔，涡流层状结构部分密封预置孔顶部，最终锁定铆钉。Huang 等[26–27]实现了6082–T6 铝合金和QSTE340TM 钢的SR–FSLW，研究了预置孔直径大小对接头强度的影响，结果表明，接头抗剪切强度在孔径3 mm 时达到最大值317 N/mm。这是由于当孔径从0 增加到3 mm，铝铆钉尺寸增大，相比于铝/钢接触面积减小而引起的接头强度损失，此时较强的机械结合对接头强度的提高起到主导作用，因此接头抗剪切强度增大；随着孔上部直径继续增加，机械连接的补强已经不足以弥补冶金结合的巨大损失，进而导致接头抗剪切强度下降。
图1 锁紧铆钉的形成机理[25]
Fig.1 Formation mechanism of locked rivets[25]
1.1.2 微观铆接
Liu 等[28]通过激光蚀刻技术在304 不锈钢表面预制微米级凹槽阵列，实现了铝/钢涡流摩擦搅拌搭接焊（Micro–groove–assisted vortex–friction stir lap welding，MG–VFSLW）的工艺优化。如图2 所示[28]，在铝/钢界面的微凹槽附近产生了微观铆钉结构，提高了界面的机械锁合程度，使接头线荷载从常规VFSLW 的346.8 N/mm 提高至MG–VFSLW 的485.9 N/mm。
图2 MG–VFSLW 中铝/钢界面的微结构[28]
Fig.2 Microstructure of the Al/steel interface in MG–VFSLW[28]
1.1.3 外源铆接
任航等[29]将GB109–平头实心铝铆钉放置在预制通孔中，采用FSW实现了2A12–T4 铝合金和S304 退火态不锈钢的稳定连接，获得了平均拉剪力为6519 N 的铝/钢接头；结果表明，在靠近搅拌头搅拌的区域，受搅拌头的旋转摩擦和挤压作用，与铆钉接触的钢板发生微小变形，生成钩状结构嵌入铝铆钉中；对钩状结构周围进行SEM 点扫描，发现在钢板和铝铆钉界面处形成了厚度非常薄的IMCs，实现了冶金连接和机械连接的有效结合。黄体方[30]在预置孔内填充SiC 颗粒增强铝基复合材料，采 用SR–FSLW 实 现 了6082–T4 铝合金和QSTE340TM 钢的连接，并对不同开孔方式展开研究。结果表明，材料棒的锯齿形排布有效解决了直线排布时SiC 颗粒分布不均匀的问题，充分发挥了SiC 颗粒对铆接区域的强化作用；而间歇性半通孔的开孔方式，在保证SiC 颗粒增强铆钉作用的同时，也兼顾了钢侧的承载能力。因此，当采用如图3 所示[30]的间歇性半通孔锯齿形排布时，接头最大失效载荷为12.55 kN，接头单位长度最大承载达到608 N/mm。
图3 外源铆接FSW 示意图[30]
Fig.3 Schematic diagram of extrinsic-riveting FSW[30]
1.2 特殊接头结构辅助搅拌摩擦焊
研究人员通过设计特殊的接头形式，使焊接后的界面产生有益的机械互锁结构，以此提高接头质量。张忠科等[31]以3 mm 厚的Q235 板材和2A12 铝合金为待焊板材，沿厚度方向将钢板端面加工成倾斜的锯齿形状，然后利用FSW 实现了铝/钢异种金属的连接，焊接方式如图4（a）所示；焊接过程中，锯齿顶部的材料随着搅拌头的下压与旋转迁移到铝基体中，形成图4（b）中展示的弯钩结构，这种铝/钢充分混合形成的机械互锁结构有效提高了焊接接头的力学性能。徐海升[32]设计了基于“差高–偏置”原理的改进型铝/钢对接接头，如图5 所示；研究表明，复合接头消除了界面底部常见的未焊透缺陷，同时防止界面形成不良形态的Hook 钩，避免了焊缝的应力集中，接头最大抗拉强度达到铝合金母材的93%。
图4 铝/钢搭接接头[31]
Fig.4 Al/steel butt joint[31]
图5 改进型对接接头的焊缝横截面宏观形貌[32]
Fig.5 Macro-morphology of weld cross section of improved butt joint[32]
2 中间过渡层辅助FSW
铆接辅助和特殊接头结构辅助均旨在提高铝/钢界面的机械结合强度。然而，在铝/钢异种金属焊接时，界面将在热力作用下发生冶金反应，原子的互扩散行为将生成种类多样且厚度不均的IMCs。罗磊[33]研究了界面IMCs 厚度和抗拉强度的关系，结果表明，随着IMCs 厚度的不断增大，接头抗拉强度先增大后减小并在0.57 μm 时达到最大值334 MPa。Bozzi 等[34]发现当IMCs 厚度超过8 μm 时，接头失效载荷将急剧降低。Geng 等[35]的研究表明，当界面生成1.5 μm 的IMCs 时，接头的整体承载能力达到了峰值，为铝合金母材的75.2%。然而，IMCs 的生长受材料属性、焊接参数和环境条件等多方面影响，难以实现稳定的调控。因此，为了避免较厚的脆硬Al/Fe–IMCs 劣化界面的冶金结合强度，相关学者开始利用性能良好的中间过渡层代替原有Al/Fe–IMCs，以提高界面的冶金结合强度。
2.1 Zn 作为中间过渡层
张桂源等[36]利用表面喷涂0.4 mm厚Zn 层的S420MC 钢板与6005A–T6铝合金进行搅拌摩擦搭接焊（FSLW）。如图6 所示[36]，通过对比无Zn 层和有Zn 层接头XRD 的特征峰，发现无Zn 层接头铝/钢两侧的金属间化合物衍射峰的强度远高于有Zn 层接头，说明Zn 层的加入有效减少了界面IMCs 的生成，接头最大拉伸载荷提高17%。郑其贤[37]将2A70 铝合金和316 不锈钢之间加入Zn 层进行FSW，发现Zn 层的熔化使得Al/Zn、Zn/Fe 混层生成，代替了脆硬的Al/Fe–IMCs，从而提高了接头质量；当搅拌针扎入钢板深度均为0.1 mm时，加入Zn 层后的接头平均失效载荷由3.13 kN 提升至4.50 kN。
图6 无Zn 层和有Zn 层的接头断口XRD 图谱[36]
Fig.6 XRD patterns of joint fracture without Zn layer and with Zn layer[36]
2.2 Al 作为中间过渡层
由于Zn 层熔点较低，无法在高温下维持稳定状态，限制了FSW 的效率。因此，Al 作为中间过渡层受到了广泛的研究与应用。Zhou 等[38]利用摩擦堆焊（Friction surfacing，FS）在Q235 钢板表面制备1 mm 厚的Al 中间层，随后与6061 铝板进行搅拌摩擦搭接焊。焊接过程中，搅拌针完全插入铝板和中间层而不搅拌钢。图7[38]为接头断口的XRD 分析，可知在铝/钢界面处形成了取代传统IMCs 的扩散层，拉剪载荷较传统接头提高30%。Li 等[39]利用冷喷涂技术对AA6022 铝合金与Usibor1500 先进高强度钢进行FSLW，在Usibor1500先进高强度钢表面冷喷涂200 μm 厚的Al 层；结果表明，Al 层的加入有效减少搅拌摩擦焊接头的磨损，其接头界面展现为无“钩状”结构的夹层结构，在Al 层和钢的界面间未发现IMCs。
图7 预置Al 层断口XRD 图谱[38]
Fig.7 XRD spectra obtained from fracture surfaces with Al layer[38]
2.3 Ni 作为中间过渡层
Kundu[40]和Chen[41]等表明，Ni和Fe 在固相复合过程中不会产生任何脆性较大的IMCs，可以实现较高强度的结合，同时与Al/Fe–IMCs 相比，Al/Ni–IMCs 具有一定的塑性，脆性相对较小，因此Ni 作为中间过渡层具备可行性。邵家霖[42]利用搅拌摩擦 钎 焊（Friction stir brazing，FSB）技术对1060 工业纯铝和Q235 低碳冷轧钢进行焊接，利用Ni 作为中间过渡层，显著减少了接头界面脆硬Al/Fe–IMCs 的生成，接头纵向和横向失效载荷均得到较大提升，如图8所示。
图8 无Ni 层和有Ni 层的接头失效载荷[42]
Fig.8 Failure load of joints without Ni layer and with Ni layer[42]
3 温度控制型外源辅助FSW
3.1 预热处理辅助搅拌摩擦焊
Tang 等[43]研究了预热处理对6061 铝合金和E235A 钢搅拌摩擦焊的温度分布和材料流动的影响；如图9 所示[43]，预热处理过的接头焊核区扩大，铝合金和钢的混合程度更高，同时消除了常规FSW 接头内部存在的孔洞缺陷；拉伸试验表明，经过预热处理的接头失效载荷由226 MPa 提升至283 MPa。Pankaj等[44]研究了电磁感应辅助搅拌摩擦焊接（Induction–assisted friction stir welding，I–FSW）对铝/钢对接接头的影响，试验结果表明，感应预热的应用显著降低了材料的屈服/流动应力，与常规接头相比，高预热条件下的搅拌头轴向力降低了27.8%，扭矩降低了21.7%，有效减少了搅拌头的磨损。
图9 常规FSW 和预热处理FSW 的焊缝横截面宏观形貌[43]
Fig.9 Macro-morphology of weld cross section of conventional FSW and preheating FSW[43]
3.2 激光辅助搅拌摩擦焊
高能密度的激光束已广泛应用于异种金属的高质量连接[45]，同时也可以作为辅助热源用以提高待焊板材的软化程度。激光辅助搅拌摩擦焊（Laser-assisted friction stir welding，LAFSW）是一种在保留FSW 固相连接优势的同时，利用高能激光束预热待焊板材，促进材料跟随搅拌针旋转流动的焊接方式。由于母材得到软化，减小了待焊板材受到的扭矩，降低了夹具的要求，同时降低了搅拌头行进过程中受到的各项焊接载荷，提高搅拌头的使用寿命。Merklein 等[46]利用LAFSW 技术实现了DC04 钢和6016–T4 铝合金的有效连接，发现当转速2000 r/min、焊速1500 mm/min 和激光功率为1500 W 时，获得了抗拉强度为200 MPa的优质接头，达到母材的80%。费鑫江等[47]通过LAFSW 技术实现了6061 铝合金和Q235 钢的对接焊（图10（a）），并对不同激光功率下的接头质量进行分析研究；图10（b）为接头抗拉强度与激光功率间的关系，发现随着激光功率的提高，热输入逐渐增大，虽然IMCs 略微变厚，但增强的材料流动更有益于接头质量的提高，因此在激光功率为900 W 时，接头抗拉强度达到峰值198 MPa；当激光功率继续增大时，过厚的IMCs成为降低接头质量的决定因素。
图10 LAFSW 原理及接头抗拉强度示意图 [47]
Fig.10 Schematic diagram of LAFSW principle and tensile strength of joints[47]
3.3 电流辅助搅拌摩擦焊
电流辅助搅拌摩擦焊（Electrically assisted friction stir welding，E–FSW）在常规FSW 基础上，对待焊板材施加外部电流，利用电流所产生的焦耳热效应和电塑性效应软化即将焊接的材料，促进焊接过程中材料的塑性流动，提高接头质量，减少搅拌头的磨损。Liu 等[48]提出了图11 所示的新型电流辅助搅拌摩擦焊接方法，并利用该结构实现了6061 铝合金和TRIP780 钢的连接。如图12 所示[48]，相比于常规FSW 界面只有一层平整光滑的IMCs 层，电流的加入使Al/钢界面处产生大量的微观互锁结构，抑制了脆性IMCs 中裂纹的产生和扩展，提高了接头的延展性，进而提升了接头力学性能。Chen 等[49]研究了6061–T6 铝合金与TRIP780 钢的电流辅助搅拌摩擦点焊工艺，和常规搅拌摩擦点焊相比，其焊接轴向力降低了12.84%，接头强度提高了43%；同时，研究证明了在焊接过程中，直流电和交流电对降低焊接轴向力的作用效果是相同的。
图11 E–FSW 示意图[48]
Fig.11 Schematic diagram of E–FSW[48]
图12 不同偏移量下的铝/钢焊接界面[48]
Fig.12 Comparison of Al/steel interface under different offset[48]
3.4 电弧辅助搅拌摩擦焊
电弧辅助搅拌摩擦焊与激光辅助搅拌摩擦焊类似，同样利用焊枪预先加热搅拌头前方的待焊材料，使母材提前软化再进行正常焊接。Bang等[50]采用图13（a）展示的钨极亚弧焊（TIG）辅助搅拌摩擦焊对5052铝合金和DP590 高强度钢板进行焊接试验和数值分析；研究表明，当焊接电流为20 A 时，TIG 辅助搅拌摩擦焊相较于常规FSW 接头，材料软化程度提高、塑性流动加快，界面金属间化合物厚度适中，接头平均抗拉强度达到184 MPa，比常规FSW 接头提高了10%。Bang 等[51]利用图13（b）展示的钨极惰性气体保护焊（GTAW）辅助搅拌摩擦焊对6061–T6 铝合金和STS304 不锈钢进行焊接；试验表明，利用GTAW对不锈钢表面进行预热，增强了材料的塑性流动和异种材料的部分退火效应，使焊缝延伸率显著提高，提高了接头强度；如图14 所示[51]，采用GTAW 辅助的搅拌摩擦焊在不同焊接参数下的接头强度明显高于常规搅拌摩擦焊的接头强度。许惠斌等[52]采用电弧辅助搅拌摩擦焊对2024 铝合金和Q235 钢进行焊接，根据图15 所示的抗拉强度与电流关系示意图可知，随着电流的增加，接头强度呈现出先增大后减小的趋势。这是因为随着焊接电流的增大，材料软化程度提高且塑性流动能力增强，使界面生成部分起到互锁作用的“钩状”结构，提高了接头力学性能；随着焊接电流持续增大，过高的热输入使界面生成较厚的IMCs，劣化了界面冶金结合强度，因而接头强度逐渐降低。
图13 电弧辅助FSW 示意图
Fig.13 Schematic diagram of arc assisted FSW
图14 不同转速下的接头抗拉强度[51]
Fig.14 Comparison of tensile strengths in different tool rotation speeds[51]
图15 抗拉强度和电流的关系[52]
Fig.15 Relationship between tensile strength and electric current[52]
上述研究表明，辅加热源虽然可以通过提高热输入起到软化母材、促进材料塑性流动等作用，但过高的热输入将促进Al 原子和Fe 原子的相互迁移，形成较厚的脆性IMCs，严重降低界面冶金结合强度。在保证接头质量的前提下，通过改变焊接参数，如降低搅拌头转速、提高焊接速度或减小偏移量和下压量等，只能有限地控制热输入量，对接头整体性能的提升作用较小。因此，通过及时冷却接头的方法来降低焊接热输入，进而抑制界面IMCs 的生长，成为提高接头质量的新思路。
3.5 水冷辅助搅拌摩擦焊
Derazkola 等[53]对5083 铝合金和A441 AISI 钢的水下搅拌摩擦焊（Underwater friction stir welding，UwFSW）进行了研究，试验装置如图16 所示。由图17 所示[53]的界面SEM 图像可知，在室温空气环境下，铝/钢界面存在一个范围较大、富含IMCs 的相互作用区，大块钢颗粒剥落插入铝合金中，界面结构复杂，接头力学性能差；当采用的冷却介质温度从50 ℃逐渐降至0 ℃时，焊接过程中的热循环温度逐渐下降，界面IMCs 的厚度和再结晶晶粒大小得到有效抑制。但过低温度的冷却介质将严重降低焊接热输入的大小，导致材料的塑性流动性变差，焊缝内部出现孔洞、隧道型缺陷，反而降低接头质量。综合焊接热输入和界面IMCs厚度考虑，当采用的冷却介质为室温水（25 ℃）的时候，接头的抗拉强度和断后伸长率达到最大值，分别为310 MPa 和13%。Mahto 等[54]利用UwFSW 技术实现了6061 铝合金和AISI304 钢的对接焊；结果表明，界面IMCs 的厚度不仅受焊接参数影响，也取决于环境介质的类型。在UwFSW 中，水溶液快速的冷却作用降低了焊接热输入量，减小了Al/Fe原子间扩散的速率和时间，从而降低了界面IMCs 的厚度。
图16 UwFSW 示意图[53]
Fig.16 Schematic diagram of UwFSW[53]
图17 不同冷却条件下的接头SZ 区域混合情况和材料流动模式的SEM 图像[53]
Fig.17 SEM images of mixing situation and material flow pattern in SZ zone of joints under different cooling conditions[53]
3.6 焊后热处理辅助搅拌摩擦焊
除了在焊接前和焊接过程中对搅拌摩擦焊进行外源辅助，起到预先软化母材和控制热输入的作用，焊后热处理可以消除焊接过程中和焊后冷却阶段产生的组织应力和热应力，均匀焊缝组织，消除焊缝在焊接过程中产生的氢脆，同时对于异种金属材料焊接，通过焊后热处理可以利用热扩散实现焊缝金属与母材金属更好的融合。
焊后热处理对金属抗拉强度、蠕变极限的影响与热处理的温度和保温时间有关。于文[55]对6061–T6和IF 钢搅拌摩擦焊接头进行焊后热处理，并研究不同退火温度和保温时间下的铝/钢搭接接头的力学性能；研究表明，当退火温度为300 ℃，保温时间为240 min 时，相同工艺参数下的接头平均断裂载荷由未热处理时的3.5 kN 提升至4.1 kN。陈果[56]的研究表明，当退火温度为300 ℃，保温时间为1 h 时，接头拉剪载荷相比未热处理接头提高了38.8%，这主要归因于焊后热处理均匀了界面组织，消除了焊缝内累积的残余应力，同时改善了界面IMCs 的厚度。
4 超声振动辅助FSW
热源辅助方法虽然对待焊板材的软化效果好，但是由于热输入过大，将导致焊缝热影响区扩大、晶粒粗化等一系列问题，存在较大的局限性。作为一种机械能，与热能辅助不同，超声振动在焊接过程中不存在双重热循环对焊接接头产生不利影响的问题，因此具有明显优势。同时，超声振动能有效地降低焊接区域的屈服应力，促进焊接金属的塑性流动，提高焊接速度，从而显著提升焊接效率。
4.1 间接施加方法
Park 等[57–58]开发了一种将超声振动施加于搅拌头的超声辅助搅拌摩擦焊接（Ultrasonic assisted friction stir welding，UaFSW）新型工艺，如图18（a）所示；对6061 铝合金和1018 钢的焊接试验表明，当搅拌头转速650 r/min、焊速25 mm/min 时，超声振动使轴向力最大值降低6%，平稳运行时的平均轴向力降低20%，如图18（b）所示。但是这种间接将超声振动施加在母材上的辅助方式，存在能量损耗大、利用率低和搅拌头磨损严重等问题。
图18 UaFSW 原理及焊接轴向力示意图[57]
Fig.18 Schematic diagram of UaFSW and welding axial force[57]
4.2 直接施加方法
Thomä 等[59–60]利用超声增强搅拌摩擦焊（Ultrasound enhanced friction stir welding，USE–FSW）实现了6061–T6 铝合金和DC04 钢的对接焊。将钢板放置于前进侧，焊接过程中利用超声波滚缝模块将超声振动施加于钢侧，并通过滚轮实现与焊机的同步移动，如图19 所示[59]。从图20[59]展示的铝/钢界面SEM 图像可知，USE–FSW 接 头 内IMCs 层 厚 度 由常规FSW 的2.8 μm 降低至1.7 μm。利用超声波滚缝模块将超声振动施加于钢侧，可以促进材料的塑性流动，提高铝/钢混合程度，同时降低界面IMCs 层厚度，但该方法中施加超声振动的滚缝模块将增大前进阻力和扭矩，导致焊接平稳性受到不良影响。
图19 USE–FSW 示意图[59]
Fig.19 Schematic diagram of USE–FSW[59]
图20 常规FSW 和USE–FSW 的铝/钢界面SEM 图像[59]
Fig.20 SEM images of aluminum/steel interface of conventional FSW and USE–FSW[59]
吴双连[61]和Hong[62]等以6061–T6 铝合金和301L 不锈钢作为母材进行超声辅助搅拌摩擦搭接焊（Ultrasonic assisted friction stir lap welding，UaFSLW），焊接过程中将超声振动固定施加在钢板底部，装置如图21 所示[61]。结果表明，施加辅助超声后，提高铝合金侧的强塑性流变，抑制了界面IMCs 的过度生长，其平均厚度由10 μm 减薄至6 μm，如图22 所示[61]。施加超声振动后，接头界面异种材料的扩散速率得到增强，更加充分的元素扩散带来了界面冶金结合强度的提高，接头抗拉载荷提高27.9%。然而，将变幅杆前端用螺纹结构与工件直接连接，使超声能量作用于工件背面固定点的超声施加方式，受限于施加点的位置固定，使超声能量在焊缝不同位置的分布不均匀，不同位置的接头存在质量差异。
图21 UaFSLW 示意图[61]
Fig.21 Schematic diagram of UaFSLW[61]
图22 常规FSLW 和UaFSLW 的铝/钢界面微观形貌[61]
Fig.22 Microstructure of aluminum/steel interface of conventional FSLW and UaFSLW[61]
Liu[63–64]和吴程浩[65]等利用超声振动强化搅拌摩擦焊接（Ultrasonic vibration enhanced friction stir welding，UVeFSW）工艺实现了多种牌号的铝/钢的搭接焊。如图23 所示[64]，超声辅助装置通过自主设计的夹具固定在焊机头部，焊接时与搅拌头保持相对静止，超声振动通过工具头直接施加在搅拌头前方的待焊工件上。通过图24[64]展示的接头失效形式可知，在常规FSW 中，整个接头的最薄弱位置为焊核区底部和界面区的后退侧；施加超声振动后，接头的失效位置变为铝合金板的前进侧，表明了超声振动对焊核区底部和界面区后退侧存在显著的强化作用，使接头的失效载荷由5.03 kN 提升至5.50 kN。但在该方法中，焊接部位和超声施加位置存在偏移，这将导致一定程度的超声软化效应滞后，影响超声能量的作用效果。
图23 铝/钢异种金属UVeFSW 搭接示意图[64]
Fig.23 Schematic diagram of lap joint of aluminum/steel dissimilar metal UVeFSW[64]
图24 常规FSW 和UVeFSW 拉伸剪切试样的断裂位置[64]
Fig.24 Fracture position of tensile shear specimens of conventional FSW and UVeFSW[64]
5 结论
FSW 作为铝/钢异种金属复合结构件的有效制造方法之一，仍难以彻底解决材料热物理性能的较大差异。本文通过综述国内外近几年有关铝/钢异种金属FSW 性能提升方法的相关研究，将其划分为机械结构式辅助FSW、中间过渡层辅助FSW、温度控制型外源辅助FSW 和超声振动辅助FSW。
（1）机械结构式辅助FSW，通过设计接头的机械结构，使接头内部达成机械互锁状态，提高接头机械结合强度。但复杂的机械结构可能导致母材难以充分填充结构空隙而成为裂纹源头，最终引起接头的断裂。因此，根据并利用材料在FSW 中的流动特性，设计有利于材料致密填充的复杂界面结构，在提高界面机械结合强度的同时，为冶金反应提供良好的附着场所，将是机械结构式辅助铝/钢FSW 的发展方向之一。
（2）中间过渡层辅助FSW，利用Zn、Al 和Ni 作为中间过渡层，避免界面附近生成脆性较大的Al/Fe–IMCs，进而提高界面的冶金结合强度。但过渡层的材质选择和尺寸设计较为复杂，一方面不同元素与Al原子和Fe 原子反应生成的IMCs 种类多样，其韧、脆性难以完全区分；另一方面，过渡层过薄或过厚都将劣化界面机械结合强度，最终导致接头力学性能降低。因此，对于中间过渡层辅助铝/钢FSW 而言，依据不同焊接条件，建立用于铝/钢FSW 的过渡层形性标准是该领域研究的方向之一。
（3）温度控制型外源辅助FSW，一方面可以通过加入外部热源对材料进行预软化，促进材料在焊接过程的塑性流动，提高接头质量；另一方面也可以通过水冷等方式减小焊接热输入，减少界面过厚的脆性IMCs生成。但该类型辅助方法对热输入的控制精确度要求较高，需要在不同焊接参数下及时调整外源热输入量，难以满足实际生产过程中的普适性要求。开发热平衡调控机制，实时检测FSW 过程中的温度变化情况并进行产热和散热的反馈调控，实现稳定可控的热平衡状态，将是温度控制型外源辅助铝/钢FSW 的发展方向之一。
（4）超声振动辅助FSW 中，在焊接过程中没有双重热循环对焊接接头产生的不利影响，同时有效降低焊接过程中材料的屈服应力和流变应力，促进材料流线的连续平滑，减少界面中孔洞、裂纹等缺陷的产生。但不同的超声施加方式可能存在超声能量利用率低、作用范围小、软化效应滞后和前进阻力大等问题。因此，未来超声振动辅助铝/钢FSW的研究，将着力开发新型超声振动平台，使待焊板材各位置受到等功效的超声能量，解决超声能量作用范围小、超声软化效应滞后等问题。
[1]RIBES H.Aluminum applications in lightweight design for small commercial vehicles and station wagons[J].ATZproduction Worldwide, 2019, 6(1): 42–45.
[2]宋义兵.船体钢铝结构过渡接头焊接工艺试验及应用研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2017.SONG Yibing.Study on welding technology test of aluminum-steel structure transition joints and their application in ship structure[D].Harbin: Harbin Engineering University, 2017.
[3]LEE H S, YOON J H, YOO J T.A study on solid state welding of aerospace materials[J].Key Engineering Materials, 2018,762: 343–347.
[4]崔颖, 周林柱, 于琪明.钢铝混合车身连接技术及发展趋势[J].汽车工艺师,2018(9): 56–61.CUI Ying, ZHOU Linzhu, YU Qiming.Joining technology and development trend of steel aluminum hybrid body[J].Auto Manufacturing Engineer, 2018(9): 56–61.
[5]张东.铝钢异种金属焊接研究综述[J].世界轨道交通, 2017(1): 60–61.ZHANG Dong.Review on dissimilar metal welding of aluminum and steel[J].World Railway,2017(1): 60–61.
[6]李鹏, 邹存柱, 董红刚, 等.Fe/Al异质金属接头界面组织演变、生长动力学及力学性能[J].材料工程, 2022, 50(5): 43–51.LI Peng, ZOU Cunzhu, DONG Honggang,et al.Interfacial microstructure evolution,growth kinetics and mechanical properties of Fe/Al dissimilar metal joints[J].Journal of Materials Engineering, 2022, 50(5): 43–51.
[7]SHARMA A, MORISADA Y,USHIODA K, et al.Elucidation on the correlation between thermal stability of Al13Fe4 intermetallic phase and mechanical properties of the Al–Fe alloy fabricated via friction stir alloying[J].Journal of Alloys and Compounds,2023, 967: 171732.
[8]ZHANG X J, GAO K Y, WANG Z, et al.Effect of intermetallic compounds on interfacial bonding of Al/Fe composites[J].Materials Letters, 2023, 333: 133597.
[9]LI T, ZHOU D W, YAN Y, et al.Effect of Ti foil on microstructure and mechanical properties of laser fusion welding of DP590 dual-phase steel to 6022 aluminum alloy[J].Materials Science and Engineering: A,2020, 796: 139929.
[10]HAMADA A, KHOSRAVIFARD A, GHOSH S, et al.Enhancement of strength in laser-joined Al–TRIP and Si–TRIP steels:Microstructural insights and deformation analysis[J].Materials Science and Engineering:A, 2023, 885: 145591.
[11]MAEDA K, SATO Y, SUZUKI R,et al.Influences of cold-sprayed steel interlayer on mechanical properties of laser welded steel/Al lap joints[J].Journal of Materials Processing Technology, 2023, 320: 118103.
[12]ZHANG P L, SHI H C, TIAN Y T,et al.Effect of zinc on the fracture behavior of galvanized steel/6061 aluminum alloy by laser brazing[J].Welding in the World, 2021, 65(1):13–22.
[13]YU J, GE F C, YU G, et al.Feasibility study of thermo-compensated resistance brazing welding of 6061 aluminum alloy to 304 stainless steel[J].Journal of Materials Research and Technology, 2023, 23:6200–6215.
[14]XIE J, CAI C, ZHANG B B, et al.Microstructure evolution and fracture behavior of rotating laser welded-brazed 6061 aluminum alloys/304 SS dissimilar joint[J].Materials Characterization, 2023, 195: 112543.
[15]XUE Z G, WANG X Y, XU C C, et al.Equivalent characterization of pre-strained material properties and mechanical behavior prediction of steel/aluminum self-piercing riveted joints[J].Thin-Walled Structures, 2023,182: 110243.
[16]张丽萍, 谢吉林, 余曦, 等.铝/钢异种金属电磁脉冲焊研究新进展[J].航空制造技术, 2022, 65(21): 78–86.ZHANG Liping, XIE Jilin, YU Xi, et al.Development of electromagnetic pulse welding of Al/Fe dissimilar metals[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2022, 65(21): 78–86.
[17]薛松柏, 王博, 张亮, 等.中国近十年绿色焊接技术研究进展[J].材料导报,2019, 33(17): 2813–2830.XUE Songbai, WANG Bo, ZHANG Liang,et al.Development of green welding technology in China during the past decade[J].Materials Reports, 2019, 33(17): 2813–2830.
[18]WAN L, HUANG Y X.Friction stir welding of dissimilar aluminum alloys and steels: A review[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018,99(5): 1781–1811.
[19]马潇天, 闫德俊, 孟祥晨, 等.铝/钢搅拌摩擦焊金属间化合物调控研究进展[J].焊接学报, 2020, 41(7): 1–11.MA Xiaotian, YAN Dejun, MENG Xiangchen, et al.Research progress on regulation of intermetallic compounds in aluminum/steel friction stir welding[J].Transactions of the China Welding Institution,2020, 41(7): 1–11.
[20]S A H U M, G A N G U LY S.Distribution of intermetallic compounds in dissimilar joint interface of AA 5083 and HSLA steel welded by FSW technique[J].Intermetallics, 2022, 151: 107734.
[21]SAFEEN M W, RUSSO SPENA P, BUFFA G, et al.Effect of position and force tool control in friction stir welding of dissimilar aluminum-steel lap joints for automotive applications[J].Advances in Manufacturing,2020, 8(1): 59–71.
[22]BEYGI R, CARBAS R J C,BARBOSA A Q, et al.A comprehensive analysis of a pseudo-brittle fracture at the interface of intermetallic of η and steel in aluminum/steel joints made by FSW: Microstructure and fracture behavior[J].Materials Science and Engineering: A, 2021, 824: 141812.
[23]GENG P H, MORIMURA M, MA N S, et al.Measurement and simulation of thermal-induced residual stresses within friction stir lapped Al/steel plate[J].Journal of Materials Processing Technology, 2022, 310: 117760.
[24]BEYGI R, CARBAS R, QUEIROS A, et al.Comparative study between stainless steel and carbon steel during dissimilar friction stir welding with aluminum: Kinetics of Al–Fe intermetallic growth[J].Metals and Materials International, 2022, 28(8): 1948–1959.
[25]CHEN Y, CAI Z H, DING H, et al.Characteristics of dissimilar aluminum/steel joint fabricated via self-riveting friction stir lap welding[J].Transactions of the Indian Institute of Metals, 2021, 74(11): 2621–2629.
[26]HUANG Y X, HUANG T F, WAN L, et al.Material flow and mechanical properties of aluminum-to-steel self-riveting friction stir lap joints[J].Journal of Materials Processing Technology, 2019, 263: 129–137.
[27]HUANG Y X, WANG J C, WAN L, et al.Self-riveting friction stir lap welding of aluminum alloy to steel[J].Materials Letters,2016, 185: 181–184.
[28]LIU X C, LUO J Y, BAO W H, et al.Improved mechanical properties of SUS304/AA5083 dissimilar joint by laser ablation pretreatment in vortex-friction stir lap welding[J].Crystals, 2023, 13(9): 1336.
[29]任航, 刘浩, 吴庚毅, 等.铝/钢搅拌摩擦辅助铆接接头界面特性研究[J].精密成形工程, 2019, 11(5): 91–97.REN Hang, LIU Hao, WU Gengyi, et al.Interface characteristics of riveted Al/steel joints by assisted friction stir welding[J].Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(5):91–97.
[30]黄体方.铝/钢铆接辅助搅拌摩擦焊接头界面行为及承载特性分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2017.HUANG Tifang.Interfacial behavior and mechanical properties analysis of Al/steel joint by riveting assisted friction stir welding[D].Harbin: Harbin Institute of Technology, 2017.
[31]张忠科, 胥春龙, 彭军, 等.新型铝钢搅拌摩擦焊对接工艺分析[J].轻合金加工技术, 2017, 45(4): 36–40.ZHANG Zhongke, XU Chunlong, PENG Jun, et al.Analysis of a novel method of FSW butt jointing of Al–steel dissimilar metals[J].Light Alloy Fabrication Technology, 2017,45(4): 36–40.
[32]徐海升.铝/钢异种金属搅拌摩擦焊工艺及连接机制研究[D].南京: 南京航空航天大学, 2015.XU Haisheng.The research of process and joining mechanism of dissimilar materials Al/Fe byfriction stir welding[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2015.
[33]罗磊.2024 铝合金/Q235 钢异种金属搅拌摩擦焊工艺研究[D].重庆: 重庆理工大学, 2016.LUO Lei.Investigations on friction stir welding process of dissmilar metals of 2024 aluminum to Q235 steel[D].Chongqing:Chongqing University of Technology, 2016.
[34]BOZZI S, HELBERT-ETTER A L, BAUDIN T, et al.Intermetallic compounds in Al 6016/IF–steel friction stir spot welds[J].Materials Science and Engineering: A, 2010,527(16–17): 4505–4509.
[35]GENG P H, MORIMURA M, MA H, et al.Elucidation of intermetallic compounds and mechanical properties of dissimilar friction stir lap welded 5052 Al alloy and DP590 steel[J].Journal of Alloys and Compounds,2022, 906: 164381.
[36]张桂源, 李于朋, 宫文彪, 等.Zn对钢/铝异种金属搅拌摩擦焊接头界面组织及性能的影响[J].材料工程, 2020, 48(8):149–156.ZHANG Guiyuan, LI Yupeng, GONG Wenbiao, et al.Effect of Zn on interfacial microstructure and properties of steel/aluminum dissimilar metal friction stir welded joints[J].Journal of Materials Engineering, 2020, 48(8):149–156.
[37] 郑其贤.铝/不锈钢搅拌摩擦搭接焊及加中间层锌的钎搭接研究[D].南京: 南京航空航天大学, 2017.ZHENG Qixian.The research of friction stir lap welding of Al/steel and friction stir brazing of Al/steel using Zn as a filler metal[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2017.
[38]ZHOU L, YU M R, LIU B Y, et al.Microstructure and mechanical properties of Al/steel dissimilar welds fabricated by friction surfacing assisted friction stir lap welding[J].Journal of Materials Research and Technology,2020, 9(1): 212–221.
[39]LI S H, CHEN Y H, KANG J D, et al.Friction stir lap welding of aluminum alloy to advanced high strength steel using a cold-spray deposition as an interlayer[J].Materials Letters,2019, 239: 212–215.
[40]KUNDU S, CHATTERJEE S.Structure and properties of diffusion bonded transition joints between commercially pure titanium and type 304 stainless steel using a nickel interlayer[J].Journal of Materials Science, 2007, 42(18): 7906–7912.
[41]CHEN S H, HUANG J H, MA K,et al.Influence of a Ni-foil interlayer on Fe/Al dissimilar joint by laser penetration welding[J].Materials Letters, 2012, 79: 296–299.
[42]邵家霖.过渡层在铝/钢搅拌摩擦钎焊中的作用[D].兰州: 兰州理工大学,2014.SHAO Jialin.Role of transition layer in friction stir brazing of aluminum/steel[D].Lanzhou: Lanzhou University of technology,2014.
[43]TANG J M, SHEN Y F.Effects of preheating treatment on temperature distribution and material flow of aluminum alloy and steel friction stir welds[J].Journal of Manufacturing Processes, 2017, 29: 29–40.
[44]PANKAJ P, MEDHI T, DHARA L N, et al.A route for properties enhancement by utilizing external auxiliary energy systems for FSW of aluminum-steel[J].CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2023,46: 204–229.
[45]崔丽, 卢东琪, 王国红, 等.钢/铝异种合金激光深熔钎焊与深熔焊工艺研究进展[J].航空制造技术, 2018, 61(3): 66–73.CUI Li, LU Dongqi, WANG Guohong,et al.Research progress of steel/aluminum dissimilar alloys joining using laser keyhole welding-brazing and keyhole welding processes[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2018, 61(3): 66–73.
[46]MERKLEIN M, GIERA A.Laser assisted friction stir welding of drawable steelaluminium tailored hybrids[J].International Journal of Material Forming, 2008, 1(1): 1299–1302.
[47]费鑫江, 李俊, 姚蔚峰, 等.激光功率对钢/铝激光辅助搅拌摩擦焊接头的影响[J].热加工工艺, 2019, 48(3): 204–209.FEI Xinjiang, LI Jun, YAO Weifeng, et al.Effect of laser power on laser assisted friction stir welding joint of steel/aluminum[J].Hot Working Technology, 2019, 48(3): 204–209.
[48]LIU X, LAN S H, NI J.Electrically assisted friction stir welding for joining Al 6061 to TRIP 780 steel[J].Journal of Materials Processing Technology, 2015, 219: 112–123.
[49]CHEN K, LIU X, NI J.Friction stir resistance spot welding of aluminum alloy to advanced high strength steel[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2018,140(11): 111007.
[50]BANG H S, HONG S M, DAS A,et al.Study on the weldability and mechanical characteristics of dissimilar materials (Al5052–DP590) by TIG assisted hybrid friction stir welding[J].Metals and Materials International,2021, 27(5): 1193–1204.
[51]BANG H S, BANG H S, JEON G H,et al.Gas tungsten arc welding assisted hybrid friction stir welding of dissimilar materials Al6061–T6 aluminum alloy and STS304 stainless steel[J].Materials & Design, 2012, 37:48–55.
[52]许惠斌, 罗磊, 张硕, 等.焊接电流对电弧辅助下铝钢搅拌摩擦焊接头界面微观结构的影响[C]//第二十次全国焊接学术会议论文集.兰州: 中国机械学会焊接分会,2015. XU Huibin, LUO Lei, ZHANG Shuo,et al.Effect of welding current on interface microstructure of friction stir welding of aluminum steel with arc assistance[C]//Proceedings of the 20th National Welding Conference.Lanzhou: Chinese Welding Society,2015.
[53]DERAZKOLA H A, KHODABAKHSHI F.Underwater submerged dissimilar frictionstir welding of AA5083 aluminum alloy and A441 AISI steel[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019,102(9): 4383–4395.
[54]M A H T O R P, G U P TA C,KINJAWADEKAR M, et al.Weldability of AA6061–T6 and AISI 304 by underwater friction stir welding[J].Journal of Manufacturing Processes, 2019, 38: 370–386.
[55]于文.搅拌摩擦搭接铝/钢异种金属接头的组织性能研究[D].沈阳: 东北大学,2019.YU Wen.Microstructure and properties of friction stir lap joint of aluminum/steel dissimilar metals[D].Shenyang: Northeastern University, 2019.
[56]陈果.铝/钢异种金属搅拌摩擦搭接界面组织及力学性能研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2021.CHEN Guo.Study on microstructure and mechanical properties of friction stir lapping interface of aluminum/steel heterogeneous metals[D].Harbin: Harbin Institute of Technology,2021.
[57]PARK K, KIM G Y, NI J.Design and analysis of ultrasonic assisted friction stir welding[C]//ASME 2007 International Mechanical Engineering Congress and Exposition.Washington: ASME, 2009: 731–737.
[58]PARK K.Development and analysis of ultrasonic assisted friction stir welding process[D].Ann Arbor: The University of Michigan, 2009.
[59]THOMÄ M, WAGNER G, STRAß B, et al.Ultrasound enhanced friction stir welding of aluminum and steel: Process and properties of EN AW 6061/DC04–joints[J].Journal of Materials Science & Technology,2018, 34(1): 163–172.
[60]THOMÄ M, GESTER A, WAGNER G, et al.Analysis of the oscillation behavior of hybrid aluminum/steel joints realized by ultrasound enhanced friction stir welding[J].Metals, 2020, 10(8): 1079.
[61]吴双连, 郭志成, 刘雪松.超声辅助铝/钢异种材料搅拌摩擦搭接焊工艺研究[J].热加工工艺, 2022, 51(9): 32–34, 39.WU Shuanglian, GUO Zhicheng, LIU Xuesong.Study on friction stir lap welding of aluminum/steel dissimilar materials under assisted ultrasonic[J].Hot Working Technology,2022, 51(9): 32–34, 39.
[62]HONG K R, WANG Y, ZHOU J J,et al.Investigation on ultrasonic assisted friction stir welding of aluminum/steel dissimilar alloys[J].High Temperature Materials and Processes, 2021, 40(1): 45–52.
[63]LIU T, GAO S, SHEN X Y, et al.Acoustic effect on the joint quality and process of friction stir lap welding of aluminum to steel[J].Materials Today Communications,2023, 35: 106184.
[64]LIU T, GAO S, YE W C, et al.Achievement of high-quality joints and regulation of intermetallic compounds in ultrasonic vibration enhanced friction stir lap welding of aluminum/steel[J].Journal of Materials Research and Technology, 2023, 25:5096–5109.
[65]吴程浩, 刘涛, 高嵩, 等.铝/钢异种金属的超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺[J].材料工程, 2022, 50(1): 33–42.WU Chenghao, LIU Tao, GAO Song, et al.Ultrasonic vibration enhanced friction stir welding process of aluminum/steel dissimilar metals[J].Journal of Materials Engineering,2022, 50(1): 33–42.
