综述：关于超声振动辅助摩擦搅拌焊接不同合金铝合金时界面演变及接头性能的研究综述

《Nano-Structures & Nano-Objects》：Review of interface evolution and joint performance in ultrasonic vibration-assisted friction stir welding of aluminum with dissimilar alloys

超声振动辅助摩擦搅拌焊接技术通过改善异种材料接头中金属间化合物层（IMC）的厚度、连续性和均匀性，提升焊接性能及机械强度，并探讨其在核结构中的应用潜力

　　近年来，随着工业对高性能和轻量化设计的需求不断增长，焊接不同材料的技术在众多焊接方法中逐渐占据重要地位。摩擦搅拌焊（Friction Stir Welding, FSW）作为固态连接技术的一种，因其在铝合金焊接中的广泛应用而受到关注。然而，FSW在连接不同金属或材料方面仍面临一些挑战，特别是在交通运输行业中，这种技术的应用正在逐步扩展到铝与其他材料的组合，如铜、钢、钛和镁合金等。这些组合的使用可以减少整个行业对铝合金的过度依赖，从而实现更高效、更经济的制造方式。

FSW技术的核心在于其独特的操作流程，能够通过控制温度、应变率和材料流动，实现高质量的焊接。然而，当焊接不同材料时，一个关键问题在于界面区域的脆性金属间化合物（Intermetallic Compounds, IMCs）层的形成。这种层的出现会显著影响焊接接头的质量，限制其强度和延展性。因此，研究人员一直在探索如何优化FSW工艺参数和工具设计，以减少IMCs层的厚度，提高接头的性能。尽管这些优化措施在某种程度上改善了焊接效果，但在连接不同材料时，仍然存在一些难以克服的限制，如IMCs层的不连续性和不均匀性。

为了解决这些问题，辅助能量的引入成为一种新的研究方向。其中，超声振动辅助摩擦搅拌焊（Ultrasonic Vibration-Assisted Friction Stir Welding, UVaFSW）被认为是一种极具潜力的技术。通过在焊接区域引入超声振动，不仅可以改善材料的流动性和塑性变形能力，还能够促进IMCs层的形成变得更加连续和均匀。这种技术在多种材料组合中表现出良好的效果，特别是在铝与铜、铝与钢、铝与钛以及铝与镁合金的连接中，其优势尤为明显。

在UVaFSW技术中，超声振动系统与摩擦搅拌焊机系统紧密结合。超声振动系统通常包括超声发生器、换能器、增幅器和声棒等组件，这些组件能够通过不同的传递方式作用于焊接区域。而摩擦搅拌焊机则通过旋转工具对工件施加机械载荷，实现材料的塑化和混合。这种结合不仅提高了焊接效率，还增强了接头的性能，使其在工业制造中具有更大的应用潜力。

此外，UVaFSW技术在核能系统中的应用也引起了广泛关注。核能系统对材料的性能有极高的要求，特别是在高温、高辐射环境下，焊接接头需要具备良好的热导性、抗腐蚀性和抗辐射损伤能力。通过引入超声振动，可以有效控制IMCs层的厚度，优化材料的微观结构，从而提高接头的强度和稳定性。这不仅有助于实现轻量化设计，还能够增强核能系统中关键部件的可靠性。

在焊接过程中，温度和载荷的控制是至关重要的。合适的热输入能够确保焊接区域的充分塑化，同时避免过高的温度导致材料性能的下降。超声振动的引入可以调节焊接温度，使其更加均匀，从而减少热应力对材料的影响。此外，超声振动还能够改变焊接载荷的分布，提高工具与工件之间的接触效率，进而改善焊接质量。

除了改善焊接温度和载荷，UVaFSW技术还对焊接接头的表面外观和微观结构产生了积极影响。研究表明，超声振动能够促进材料的均匀流动，减少焊接缺陷的产生，从而提高接头的表面质量和微观结构的均匀性。这种优化不仅有助于提高焊接接头的强度，还能够改善其延展性和韧性，使其在各种应用环境中表现出更好的性能。

在实际应用中，UVaFSW技术已经显示出其在不同材料组合中的显著优势。例如，在铝与铜的连接中，超声振动能够有效减少IMCs层的厚度，提高接头的强度和稳定性。同样，在铝与钢或钛的连接中，超声振动的引入也能够改善材料的混合效果，提高接头的性能。这些优势使得UVaFSW技术在交通运输和核能系统中具有广泛的应用前景。

为了实现最佳的焊接效果，选择合适的工艺参数至关重要。超声振动的频率、振幅和作用方式都会影响焊接接头的质量。因此，研究人员需要对这些参数进行详细研究和优化，以确保在不同材料组合中能够获得理想的焊接结果。此外，工具的设计和材料的选择也对焊接效果产生重要影响，因此需要综合考虑这些因素，以实现最佳的焊接性能。

在核能系统中，焊接接头的性能直接影响到整个系统的安全性和可靠性。因此，UVaFSW技术的应用不仅能够提高焊接接头的强度和稳定性，还能够优化材料的微观结构，减少IMCs层的厚度，从而提高热导性和抗辐射能力。这些优势使得UVaFSW技术在核能系统中具有重要的应用价值，特别是在需要承受高温和高辐射的组件中。

总之，UVaFSW技术在不同材料组合中的应用展现了其在提高焊接质量和性能方面的巨大潜力。通过引入超声振动，不仅可以改善材料的流动性和塑性变形能力，还能够优化焊接接头的微观结构，减少IMCs层的厚度，提高接头的强度和稳定性。这些改进使得UVaFSW技术在交通运输和核能系统中具有广泛的应用前景，为实现轻量化、高性能和高可靠性的焊接接头提供了新的解决方案。