铝合金具有密度小,比强度高的优点,是轨道列车关键零部件的重要材料。这些零部件之间主要是通过焊接的方式进行连接,其中超声搅拌摩擦焊因具有焊接温度低,接头强度高的优点受到广泛应用。在焊接过程中,焊接温度和焊后残余应力是影响焊缝质量的重要因素。所以本文考虑搅拌摩擦和超声振动能量的综合作用建立超声搅拌摩擦焊数值模型,对温度和残余应力进行分析,并通过试验对建立的模型进行验证,并利用该模型分析各参数对温度和残余应力的影响。本文的主要研究工作和结果如下:(1)考虑超声振动对轴肩下压力、材料本构模型和摩擦系数的影响,分别基于经典库伦接触理论和古典摩擦理论建立超声搅拌摩擦焊的热机耦合模型和顺序耦合模型。分别利用热机耦合法和顺序耦合法对7075铝合金板材进行有限元模拟,超声搅拌摩擦焊温度场,得到焊接过程中高温区域位于搅拌头下方,呈环状向四周扩散,峰值温度位于搅拌头下方前进侧区域。通过试验测量焊接过程中工件表面温度验证模型的准确性,模拟结果与试验结果基本吻合,误差在0.6%左右。(2)利用顺序耦合法对7075铝合金板材进行有限元模拟,将温度结果作为热载荷加载在残余应力模型中对焊后残余应力进行仿真模拟。结果为焊后残余应力以纵向应力为主,残余应力峰值位于焊缝热影响区的边缘部分。残余应力在焊缝区域呈拉应力,远离焊缝位置呈现压应力。(3)利用建立的热机耦合模型分析搅拌头参数对焊接温度的影响,利用顺序耦合模型分析焊接参数和超声参数对焊接温度的影响。在其他参数一定的时候,焊接温度随着搅拌头轴肩直径、搅拌针长度、搅拌头转速的增加而增加,随着焊接速度、超声振幅和超声频率增加而减小。利用顺序耦合模型分析不同参数对残余应力的影响。在其他参数一定的时候,焊后残余应力随着搅拌头轴肩直径、搅拌针长度、搅拌头转速、焊接速度增加而增加,随着超声振幅和超声频率增加而减小。本文主要研究超声搅拌摩擦焊的不同参数对焊接温度和残余应力的影响,为实际焊接过程中的参数选择和优化提供依据。