铝合金和钛合金具有低密度、高比强度和良好的耐蚀性等优势,在机械制造行业中作为轻量化的主要金属材料而广泛使用。在对自重较为敏感的机械产品中,例如航空航天飞行器和跑车等运输载具,铝合金和钛合金的使用比例与日俱增。在实际生产中,为了同时满足结构件优秀的服役性能以及控制生产成本等要求,铝/钛复合结构件作为优选方案在航空航天、轨道交通、汽车行业和船舶工业中有着广阔的前景。然而,铝/钛异种金属之间存在着巨大的物理和化学性能的差异使得传统焊接方法难以实现二者的理想连接。针对这一问题,本研究针使用搅拌摩擦焊接的方法实现了铝合金和钛合金的可靠连接,并搭建了超声辅助搅拌摩擦焊接系统,对铝/钛搅拌摩擦焊接进行了进一步优化。针对钛合金高温屈服强度高等物理特性,选用W-25Re合金作为搅拌摩擦焊具的制作材料,合理设计了搅拌摩擦焊具的搅拌针长度。通过理论分析与工艺试验验证,确定了3 mm铝板搭接钛合金时最优针长为3.1 mm,避免了表面犁沟、隧道缺陷和界面虚焊等焊接缺陷,成功实现了铝/钛搅拌摩擦搭接接头的良好连接,为后续深入研究铝/钛搅拌摩擦连接机理奠定了基础。深入研究了铝/钛搅拌摩擦搭接焊接过程、微观组织和力学性能,阐明了焊接工艺与焊具尺寸对铝/钛搭接过程及接头微观组织和力学性能的影响规律。研究结果表明,焊接工艺直接影响了焊接过程中焊具与金属之间的摩擦并进一步影响焊接产热、组织演变和接头性能。随着焊具转速的增加或焊速的降低,焊接过程中主轴扭矩降低、焊接温度升高,从而使得接头晶粒组织长大、界面反应产物增多。而且当界面温度较高时接头界面附近会有钛合金在焊接过程中被焊具挤出形成钩状结构。由于铝合金和钛合金的熔点差异较大,因此在形成钩状结构的过程中易伴随有焊缝内部缺陷形成。此外,由于钛合金高温力学性能较高,该过程也加剧了焊具的磨损。因此,在1000 rpm、100 mm/min条件下可以获得良好的接头组织、适量的界面产物,从而获得最优的接头拉剪性能。采用在搅拌摩擦焊接过程中施加超声的方法,进一步优化了铝/钛搅拌摩擦搭接工艺,避免了焊具与钛合金之间的直接机械作用,从而极大减少了焊具磨损。同时通过优化工艺参数,研究了超声振幅和压力对接头组织性能的影响,在振幅10μm、压强0.3 MPa条件下获得了最佳的接头微观组织与力学性能。研究结果表明,铝/钛超声辅助搅拌摩擦搭接过程中未生成钩状结构,接头组织更加均匀可预测,界面虚焊得以弥合、界面结构得以优化。在不同超声工艺条件下,接头晶粒组织随着超声功率的增大而略有增大。焊接过程中的材料流动性得以改善,焊缝表现形成连续但尺寸较小的飞边,由于材料流失焊缝铝合金组织中有少量微孔形成。因此在拉剪过程中,裂纹扩展路径逐渐从界面扩展转变为铝合金中扩展。对铝/钛搅拌摩擦焊接过程中的界面反应过程进行了热力学和动力学分析,并采用材料计算软件计算了位错对反应过程的影响,提出了界面反应机制及化合物生成次序。研究结果表明,在铝/钛搅拌摩擦焊接过程中Al/Ti界面处首先形成Ti Al3亚层;当有着过量的焊接热输入时,在Tl Al3/Ti界面处会随之形生成Ti Al亚层,即形成Al/Ti Al3/Ti Al/Ti的叠层结构。通过计算可知,在铝/钛搅拌摩擦过程中,铝/钛界面受元素扩散控制,而位错的存在可以诱发管道扩散,继而显著降低元素的扩散激活能和反应激活能。由于搅拌摩擦过程引入了大量位错,因此搅拌摩擦焊接过程中界面反应速率得以显著提高。