常规搅拌摩擦焊接时需要很大的轴向压力和搅拌头转矩来产生足够的摩擦热和塑性功来软化待焊材料,并形成焊缝。这会导致搅拌头磨损,并限制焊接速度,尤其是在焊接高强高硬材料时,这种问题变得更加突出。为了解决这些问题,研究人员通常采用辅助能源(激光、电弧热、电阻热、感应热等)来协助软化待焊材料,从而降低轴向压力和搅拌头转矩,并提高焊速度。这种直接辅助加热的方式具有一些固有的缺点,例如,会造成接头热影响区扩大和沉淀相长大或溶解等问题,使得接头力学性能下降。超声振动能够在无显著加热的条件下软化金属材料,因此,在保证搅拌摩擦焊焊接质量的前提下,利用超声振动作为辅助能源,可降低焊接载荷,并提高焊接速度,具有很大的发展潜力。本研究利用超声波的定向发射特性,直接将超声振动施加在搅拌头前方的待焊工件上,形成了“超声振动强化搅拌摩擦焊工艺(]UVeFSW)"。在工艺和设备研发的基础上,开展了6061-T4铝合金板和2024-T4铝合金板的超声振动强化搅拌摩擦焊工艺试验。分别研究了超声振动对焊缝成形、接头微观组织和力学性能的影响。试验发现,超声振动能够改善焊缝表面成形,减小甚至消除由材料流动不足引起的孔洞缺陷,增大焊缝搅拌区的截面积,细化和均匀焊核区和热力影响区的晶粒组织,并改善接头力学性能。在此基础上,进一步研究了超声振动强化搅拌摩擦焊的焊接载荷、热循环和材料流动。焊接载荷的测量采用实时采集焊机电参数并将其转化成力矩和力的方法。热循环的测量则采用热电偶测温法并配以不同的测量位置。测试的结果表明,在超声振动的作用下,主轴转矩和轴向压力显著降低,但是焊接方向上的进给力并没有显著变化；尽管超声振动体现了一定程度的预热作用,但是焊接过程中的峰值温度并没有明显变化。采用标记材料示踪法与金相观察相结合的方法来表征材料流动。将1060纯铝箔以不同的配置方式夹在基体材料之间,通过搅拌头“急停”技术和焊缝“切片”技术以及特殊设计的焊接行程来观察搅拌头周围材料的瞬态和准稳态流动。研究结果表明,焊缝中主要存在三个不同的材料流动区域,即材料连续流动的轴肩影响区、材料非连续流动的搅拌针影响区和底部受挤压和剪切而形成的焊底区。超声振动的施加能够显著软化材料并增强材料的塑性流动,增大了轴肩影响区和搅拌针影响区。在实验研究的基础上,提出了三种定量表征搅拌摩擦焊材料流动的方法,分别表征了搅拌头周围的塑性变形材料体积、连续流动的材料流速和非连续流动的材料应变和应变速率。结果表明,超声振动增大了搅拌针周围变形材料的体积,材料的流动速度以及应变和应变速率。