镁合金拥有高出铝合金三分之一的比强度,“镁代钢”也逐渐成为汽车轻量化中的发展趋势,因此,实现镁与钢这两种较难结合的材料间的有效连接成为业界的关注焦点。本文针对AZ31镁合金与DC01低碳钢,使用搅拌摩擦焊在点焊、短线焊和搭接焊三种不同模式下均成功实现了异种材料间的连接。研究中通过控制变量法摸索出三种模式下的焊接工艺窗口及最优参数组合,分别取得3463N、6184N与2956N的最高接头强度,并总结了关键工艺参数对接头力学性能的影响。此外,还创新性地在镁/钢的搭接焊中引入了下压力恒力控制的模式,在合适的工艺窗口内取得了焊接质量与接头性能更为稳定的焊缝。研究发现,机械咬合与冶金结合是镁/钢搅拌摩擦焊接头强度的主要来源:耳状组织作为宏观机械互锁结构,可以有效承载拉伸应力,而搭接焊界面上大量形态各异的微观勾连结构,同样提高了接头的抗拉强度;在三种模式下界面偏DC01侧均出现了厚度为0-20μm的Al元素富集层,精细表征结果证实其为多个Al含量与厚度各异的条带组成的多层结构,结合数据库分析其中最靠近界面的一层中可能存在AlFe新相,而偏AZ31侧则形成宽度达几百微米Al元素含量不足1%的中空区。搭接焊接头存在两种拉伸断裂模式:一种是界面断裂,另一种是沿镁断裂,分别主要对应于低强度和高强度样品中,耳状结构根部的薄弱界面处成为裂纹的起始源。