背景

铝合金和镁合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好、等优点，广泛应用于航空航天、汽车和电子等领域。轻合金代替钢的能力被认为是完美的创新；然而，它们具有极强的传导性，并且时刻在加入其它挑战。镁/铝复合结构件能发挥两种材料的性能优势，并降低重量和成本，同时减少能源消耗，利于保护环境，因此实现镁/铝合金的可靠性焊接成为工业技术领域研究的热点。但镁、铝的相互溶解度、熔点、线膨胀系数不同，镁、铝焊接易产生裂纹和脆性金属间化合物，脆性镁铝金属间化合物(IMCS)的形成优先作为微裂纹的来源，恶化了接头的力学性能。这些高脆性的金属间层，可能会导致材料硬度和耐久性的极限发生变化，是导致焊接接头过早失效的主要原因，严重影响了焊接接头的性能[1]。因此，实现镁/铝高性能焊接十分困难，传统的熔焊技术，如电阻点焊、电弧焊和激光焊接等，很难成功地应用于镁铝异种金属的焊接[2]。基于此，本课题拟采用超声波固相焊接技术来制备镁/铝异质金属接头，研究不同焊接工艺对接头显微形貌及力学性能的影响，并揭示接头显微形貌与力学性能之间的相互作用关系。

研究现状

超声波金属焊接是利用超声频率的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法。超声波点焊(USW)工艺的固态连接特性已被证明在涉及不同轻质材料的连接应用领域是有用的。

在Hyung-Seop Shin*and Michael de Leon等人[1]研究中发现，焊接接头的失效载荷、断口形貌等工艺参数与搭接位置有很大的关系，研究中对铝镁合金在不同超声功率下的界面固相反应进行了分析，分析了铝/镁和镁/铝不同重叠结构的区别，发现Mg/Ag复合超声焊接存在不完全变形区，但形变区明显，形变区直径大小几乎与喇叭直径相同，且温度相对较高；而Ag/Mg复合材料在超声波焊接后破坏载荷略微增高。Xueqi Lv, ChuanSong Wu#8270;, Chunliang Yang, G.K. Padhy等人[3]研究中得出，在不同刀具转速下对两种合金施加超声振动，超声振动引起摩擦界面温度急剧升高，外加声场的作用下，提高了工艺温度，拓宽了材料的流动路径，改善了焊缝界面的机械联锁特性；研究发现，超声波增强改善了焊缝力学性能在非常低的转速下显著，但在较高的转速下不显著；金属间化合物（IMCS）的数量随超声振动的减小而减小，但其组成不发生变化。但若降低了超声振动，其工艺温度也会随之降低，导致达不到改善材料流动性的效果。因此刘振蕾等人[5]的研究中发现，由于常温下焊接时，因为温度较高，导致金属间化合物（IMCS）的扩散速度及范围都会增大，在低温下进行焊接，一方面抑制了IMCS的扩散，另一方面，在超声波的作用之下，有利于IMCS层碎成小块，改善界面连接长度，进一步强化其力学性能。但同时，若温度过低，也会导致材料流动性有所下降，故结合两篇文献的研究，将两者结合，调整合适的转速，找到一个适宜的温度，同时，在铝、镁两种合金金属的超声焊接中，大多采用上镁合金的焊接结构，在超声振动的作用下，有利于铝合金向上流动，增大了搅拌区（SZ）的宽度，细化SZ中的晶粒[6]，若能使其转速和温度相互协调，且选用合适的焊接结构，则既能达到改善材料流动性，又能实现强化其力学性能的目的。

近二十年以来，人们已经意识到了环境对于人类的重要性，轻量化的应用越来越为广泛，铝、镁等轻型金属及合金也越来越受到工业上的重视，而大功率超声波固相焊技术也应运而生，镁、铝异种金属的焊接难以实现，焊接过程中界面的位移不大，超声焊接是控制焊接界面反应的一种有效的测试方法[7,8]。目前国内外相关的镁铝异种金属焊接工艺的研究已得到大量的应用。国内有崔庆波， 李玉龙等人关于化学镀锡层对镁铝异种金属超声波焊接的影响的研究，在超声波焊接中，对焊接性能影响最大的就是金属间化合物（IMCS），IMCS的存在会使接头的脆性增加，导致焊接接头的力学性能下降[9，10]，化学镀锡的目的是提高镁铝异种金属超声波焊接接头强度,故预先在铝合金表面镀锡后进行镁铝异种金属超声波点焊,并对接头的微观组织和力学性能进行分析。研究表明:无镀锡层的镁铝超声波焊接接头界面出现了大量的Mg3Al2和Mg12Al17相,含镀锡层的铝镁超声波焊接结合区由镁锡反应扩散层、残余锡层和铝锡反应扩散层组成,其中,铝锡反应层是固溶体层,镁锡反应层主要是过饱和的固溶体基体及弥散析出的中间相Mg2Sn,镀锡层的加入有效阻止了镁铝的相互扩散,抑制了硬脆的Mg-Al系金属间化合物的生成,提高了镁铝超声波焊接接头强度[7，11]。

综合国内外研究，为降低金属间化合物（IMCS）对焊接接头的影响，可分为以下方法：1.加快焊接速度；2.低温焊接；3.表面涂层；4.添加夹层；5.合理设置焊接结构。一方面是为了阻止金属间化合物的扩散，或者是抑制IMCS的形成；另一方面是提高工艺温度，改善材料的流动性，增强其机械联锁性能；两者均能有效的改善焊接接头的力学性能，得到更加可靠的接头[1，4，5，7，9]。

研究目的及意义