材料浪费。因此，通常在铝合金侧添加钢环，有效地抑制了铝合金过量的塑性变形，减少材料浪费。
基于课题组对铝/钢RFW的研究，其接头的形貌如图2a所示。在焊接过程中，接触界面温度较高，铝合金受热软化形成塑性变形层，并在顶锻压力的作用下被挤出形成飞边。而不锈钢的高温屈服强度比铝合金的高温屈服强度高，故不锈钢侧基本无变化。接头金相组织如图2b所示，在铝合金侧包含4个区域：动态再结晶区（DRZ）、热机影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）、母材（BM）。而在不锈钢侧包含两个区域：热影响区（HAZ）、母材（BM）。在旋转摩擦焊过程中，铝/钢界面受到热、力耦合作用，界面温度迅速升高，近界面处的铝合金发生回复与动态再结晶，形成动态再结晶区。在动态再结晶区与热影响区之间存在一个过渡区域即热机影响区，其部分晶粒发生动态再结晶，部分晶粒被拉长与弯曲。铝侧热影响区、钢侧热影响区由于仅受热循环作用，其金相组织并没有明显的变化，与母材组织基本一致。
由于铝/钢异质金属在RFW过程中受到热、力耦合的作用，界面处产生的冶金反应比较复杂，因此对接头中反应层的研究显得尤为重要。 S. Fukumoto 等人[1]选用最优工艺参数焊接5052铝合金与304不锈钢，采用透射电子显微镜（TEM）在铝/钢接头的反应层中观察到非晶相与Fe2Al5相，如图3a所示。根据试验结果，认为RFW过程中，由于铝合金与不锈钢的机械混合作用，在反应层中产生非晶相。随后，在较高的摩擦热作用下，非晶相作为中间相向Fe2Al5相转变。E. Taban等人[2]也采用TEM在6061铝合金/1018钢惯性摩擦焊接头中检测出250 nm厚的IMCs，其包括FeAl相与Fe2Al5相，如图3b所示。因此，可以认为铝/钢RFW是通过界面处产生少量的IMCs或非晶相实现高质量的连接。
铝/钢RFW界面处IMCs的产生主要受旋转速度、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力等工艺参数的控制。因此，研究工艺参数对接头微观组织与力学性能的影响，从而获得优化的工艺参数，对铝/钢异质金属复合构件的工程化应用具有指导性意义。在RFW过程中，旋转速度与摩擦压力直接影响摩擦扭矩、加热功率与变形速率等，但旋转速度与摩擦压力的选择范围较宽，铝/钢异质金属RFW通常选择低旋转速度、大摩擦压力以保证界面紧密接触，防止界面金属氧化。摩擦时间决定焊接质量，M. Ylmaz 等人[3]指出铝/钢RFW接头中IMCs随摩擦时间增加而增厚，摩擦时间过短，中心处出现未焊合缺陷。而摩擦时间过长，界面处产生过厚的IMCs，接头的性能较差。较大的顶锻压力有利于挤出塑性变形层中的氧化物与其它有害杂质，并使界面附近的组织得到鍛压，获得细化晶粒的效果，从而提高接头的性能。M. Kimura等人[4-6]采用RFW分别焊接纯铝/低碳钢、纯铝/304不锈钢、6063铝合金/304不锈钢，发现铝/钢接头的强度随顶锻压力的增加而逐渐增大。当界面处没有产生明显的IMCs层时，如图4所示[6]，接头的性能较好，3种不同组配的RFW接头分别在纯铝、纯铝、6063铝合金母材处断裂。因此，铝/钢异质金属RFW通常采用大摩擦压力、短摩擦时间、大顶锻压力、长顶锻时间以获得界面处无明显IMCs分布的高质量接头。
目前，1系、5系、6系铝合金与钢已实现高强度的连接，接头的抗拉强度达到铝母材的强度，研究结果如表1所示。而2系铝合金、7系铝合金与钢RFW接头的强度仅为铝合金母材强度的20%～40%，其接头性能差的主要原因是反应层中产生Al-Cu与Al-Cu-Fe金属间化合物[14]。M. G. Reddy等人[15]采用RFW焊接6061铝合金与304不锈钢，焊前在不锈钢表面分别镀Cu，Ni，Ag合金元素，抑制Al-Fe金属间化合物的产生。焊后，与未镀任何合金元素的接头相比，接头力学性能得到较大的改善。因此，未来可以采用钢表面镀合金元素或引进夹层的方式抑制Al-Cu与Al-Cu-Fe金属间化合物的产生，从而提高2系、7系铝合金与钢的焊接性能。
2 铝/钢旋转摩擦焊接头的不均匀性
由于RFW自身绕轴旋转运动的特点，焊接过程中工件沿径向的线速度不同，导致界面处沿径向产热存在明显的差异。 H. Seli 等人[16]认为整个焊接界面的平均产热为
式中：q为界面处产生的摩擦热，J;ω为角速度，rad/s;μ为摩擦系数;P为摩擦压力，MPa;R为半径，mm。根据公式（1）可知，界面处产生的摩擦热从中心至边缘处逐渐增多，如图5a所示。但是，事实上，在摩擦焊接过程中，局部区域铝合金的塑性变形引起摩擦压力在整个界面处不均匀性分布，呈中心高而边缘低的双曲线分布。因此，界面处产生的摩擦热由中心至边缘处呈现出先增加而后降低的趋势，产热最多的位置位于R/2～2R/3之间[17-18]，如图5b所示。M. Kimura等人[4]在研究纯铝/低碳钢RFW时，发现摩擦时间、界面温度与摩擦扭矩三者之间的关系如图5c所示。在摩擦扭矩未达到初始峰值之前，界面温度在中心、R/2与边缘处几乎相等。而在摩擦扭矩达到初始峰值以后，界面温度在不同区域存在一定的差异，表明界面温度沿径向分布是不均匀的。因此，采用RFW焊接铝/钢异质金属时，由于界面产热与塑性变形的不均匀性，直接导致接头沿径向微观组织与性能的不均匀性。
S.Fukumoto等人[11]采用RFW焊接尺寸为16 mm的5052铝合金与304不锈钢，IMCs层随着摩擦时间的增加而增厚，并沿径向分布呈先增加后减少的趋势，且在距中心5～6 mm（约2R/3）处达到最大值，如图6a所示，这进一步证实了界面产热最多的位置位于R/2～2R/3之间。同时，其不同尺寸拉伸试样的接头的极限抗拉强度也存在较大的差异，如图6b所示[11]，表明接头的极限抗拉强度取决于拉伸试样的形状与尺寸。目前，国内外学者对铝/钢RFW接头的微观组织结构与力学性能进行了研究，但对其沿径向分布的不均匀性研究较少。因此，研究铝/钢RFW接头微观组织与性能沿径向分布的不均匀性，以探究接头的薄弱区域，对铝/钢异质接头的工程化应用具有重要意义。
3 结束语
旋转摩擦焊技术作为固相焊方法，适用于焊接一些轴类、管类等回转体结构零部件，在焊接铝/钢异质金属复合结构时具有焊接质量好、焊接效率高的优势。铝/钢旋转摩擦焊技术通过合金元素的相互扩散在反应层中形成非晶相或IMCs，从而实现冶金结合。界面处产生少量的IMCs有利于提高接头的强度，但过厚的IMCs会严重降低接头性能。因此，如何控制铝/钢旋转摩擦焊接头中IMCs的生成量是实现高质量连接的关键。目前，采用大摩擦压力、短摩擦时间、大顶锻压力、长顶锻时间的工艺组合已实现1系、5系、6系铝合金与钢的高强度连接。但是，2系、7系铝合金与钢的焊接性能仍较差，铝/钢旋转摩擦焊接头沿径向微观组织与性能的不均匀性研究较少。
在未来铝/钢旋转摩擦焊的研究工作中，可以采用在钢表面镀合金元素或引进夹层的方式抑制Al-Cu与Al-Cu-Fe金属间化合物的产生，从而实现2系、7系铝合金与钢的高强度连接。同时，关注铝/钢旋转摩擦焊接头沿径向微观组织与性能的不均匀性，以探究接头的薄弱区域，对铝/钢异质接头的工程化应用具有重要意义。
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