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铝和纯铜等异质材料连接的必要性在于这两种材料在所需的性能上相互补充,以实现卓越的潜在应用。由于纯铜及其合金具有优异的导电性和导热性,被广泛用于电力、交通器具和电子行业。但是,纯铜既贵又重;而铝合金也具有优异的导电性和导热性,尤其是它的密度比纯铜的密度低。考虑到重量和成本问题,轻量化的铝合金比纯铜具有某些优势,使得铝成为纯铜的潜在替代品。铝/纯铜异质接头主要在电动汽车电池、电动汽车接线和交通部门的电池充电站等方面有应用潜力。因此,获得高质量的铝/纯铜接头对于电动汽车等行业的可持续性发展至关重要。然而,铝和纯铜的连接面临许多挑战。由于铝和纯铜之间的热导率和熔点不匹配,采用熔焊技术很难将它们连接起来。铝和纯铜所有的化学和热学性质也完全不同。虽然可以用搅拌摩擦焊(FSW)来连接铝和纯铜,但要获得良好的铝/纯铜FSW接头仍然是一项非常困难的任务。本论文主要采用超声振动辅助搅拌摩擦焊(UVaFSW)开展板厚为2 mm的铝合金(AA6061-T6)和纯铜(C10100)的对接试验研究,并对比分析FSW和UVaFSW焊缝成形及接头的组织和性能。在不同的焊接工艺试验条件(试验系列1-4)下,系统地研究超声振动对接头的焊缝表面光洁度、微观结构、力学性能和导电性能的影响。研究发现,UVaFSW过程中施加的超声振动带来了接头焊缝表面的各种变化,降低了粗糙度,提高了光滑度,这是表面质量改善的标志。此外,由于超声改善了材料流动,焊缝宏观金相显示出更高程度的铝/纯铜异质材料混合以及更强的层状结构嵌插。在试验系列1中,发现UVaFSW接头强度有所提高,尤其是在600rpm的最佳搅拌头转速下;这一焊接工艺条件也能产生最佳的焊缝表面质量。此外,发现在超声振动的影响下,金属间化合物层(IMCs)的厚度减小约50.76%,这最终能提高接头质量。该接头的断裂位置从易断裂区域(铝/纯铜边界)转移到不易断裂区域(铝侧),并且在断裂表面上存在韧窝特征,因为该区域中的IMCs形态减少。铝合金/纯铜异质材料搅拌摩擦焊接时,纯铜板位于前进侧还是后退侧,对接头质量有重要的影响。试验表明,当纯铜位于前进侧(1型接头)或后退侧(2型接头)时,声塑性效应对整个接头成形的影响是不同的。对于这两种类型接头,发现声塑性效应相对降低了焊缝表面粗糙度。此外,2型接头的UTS(拉断强度)和YS(屈服强度)分别提高了约28 MPa和12 MPa,而1型接头的UTS提高幅度很小,仅提高了约7 MPa。加入超声波振动后,1型接头中的IMCs厚度减少了约80.23%;而在2型接头中,在施加超声振动的情况下,没有观察到IMCs厚度的减少,但是焊核区中纯铜碎片的数量和密集度急剧减少,这是由于该区域混合程度(即复合材料状结构)的特征所导致的。此外,发现每种类型接头的性能由不同的因素决定,1型接头的性能由接头界面处的IMCs厚度决定,而2型接头的性能由焊核区中的纯铜碎片的量决定。然而,施加超声振动后,1型接头中焊核区UTS和YS也分别增加了约30 MPa和11 MPa,而2型接头中焊核区UTS只得到了约3 MPa的微小改善。总之,对于UVaFSW,在2型接头中观察到的接头特征和质量优于1型接头。在试验系列4(Cu-RS)中使用不同的搅拌头偏移量时,焊核区纯铜碎片的尺寸根据偏移量的大小和所采用的工艺而变化。试验发现,当搅拌头向铝侧偏移时(Case I接头),超声振动的施加使得碎片面积和最小Feret直径分别显著减小了约73.3%和42.6%。另一方面,在零偏移(Case Ⅱ接头)的情况下,超声振动使得碎片面积减少约60.6%,最小费雷特直径减少约24.6%。因此,搅拌头偏向铝或无偏移情况下,包括强度和断后伸长率的UVaFSW接头力学性能得以改善。此外,当搅拌头向纯铜侧偏移(Case Ⅲ接头)时,FSW和UVaFSW的焊缝表面都有缺陷产生;UVaFSW焊核区域的整个宽度上弥散分布着尺寸变小的纯铜碎片,其密集度降低。在施加超声的情况下,由于Case Ⅰ和Case Ⅱ的接头都具有良好和有效的接头性能,所以不需再对搅拌头偏移加以关注。此外,Case Ⅰ和Case Ⅱ接头的微观组织完全由偏移量和焊接工艺(是否辅加超声)决定。