搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)技术是一种新型的固相连接技术,以其焊接温度低、焊接变形小和接头质量高等优点被广泛应用在轻质合金的焊接中。由于其焊接热输入来源于摩擦产热,焊接过程中搅拌头需要输入很大的轴向压力,造成搅拌头寿命短、焊接速度提升难、焊接载荷大等缺点。超声振动辅助搅拌摩擦焊技术作为一种机械能辅助形式,在改善焊接质量、降低焊接载荷和提升焊接速度的同时避免了双重热循环和恶化工况等其他热源辅助形式的不足,逐渐成为了研究的重点。然而超声振动的影响较为复杂,涉及焊接产热、材料流动等多方面影响,单纯的依靠工艺试验并不能充分解释焊接过程中的材料变化。通过数值模拟的方式,分析超声振动对搅拌摩擦焊接过程中的温度场和材料塑性流动影响,指导工艺参数优化,有着重要的工程应用价值。通过对搅拌摩擦焊接过程中涉及到的热和热应力分析,确定数值模型所涉及的假设和简化条件,选取温度-应力本构模型和随温度变化的材料物性参数,建立搅拌头与工件接触生热的摩擦热源模型和材料塑性变形产热的体热源模型,根据工况的实际条件确定模型的热边界条件、速度边界条件及焊接载荷。利用FLUENT软件建立常规搅拌摩擦焊接停留阶段和焊接阶段的热流耦合模型,并基于验证过的常规搅拌摩擦焊数值模型,结合超声振动作用机理建立超声振动辅助搅拌摩擦焊数值模型。利用动网格方法解决了搅拌摩擦焊过程中大应力、大变形模拟的问题,加快模型收敛。常规搅拌摩擦焊的数值模拟得到停留和焊接阶段不同时刻的常规搅拌摩擦焊温度场和流场,分析不同阶段模型产热和材料塑性流动的变化规律,包括搅拌头轴肩产热、焊接整体温度场、搅拌针附近材料流速等。获得超声振动辅助搅拌摩擦焊焊接不同时刻温度场、流场数据,对比分析超声振动辅助搅拌摩擦焊和常规搅拌摩擦焊产热、传热和材料塑性流动的差异。研究表明,施加超声振动后搅拌头附近区域的峰值温度降低,低温区域面积更大,搅拌头附近塑性金属量增加,金属流动性增加,材料流动的区域更大。采用变参数方法进行3mm厚2024-T4铝合金搅拌摩擦焊实验,通过对焊件进行力学性能测试和显微组织分析确定最优工艺参数,并以此参数进行常规搅拌摩擦焊和不同频率的超声振动辅助搅拌摩擦焊对比试验。研究表明焊接速度和搅拌头转速会影响热输入的大小,进而影响焊核区晶粒的成长程度。相对于常规搅拌摩擦焊,施加特定频率超声振动会有效的软化了焊缝表面金属,增加塑性金属量,提升工件表面焊接质量;施加超声后接头拉伸断口具有更大更深的等轴状椭圆形韧窝,韧窝中强化相数量更多,获得更好的拉伸性能;超声振动可以提前软化搅拌头前材料,降低焊接温度,抑制晶粒生长。以上结果与超声振动辅助搅拌摩擦焊的数值模拟对比结果相同,同时两者均表明相比于20kHz的超声频率,25kHz超声振动对搅拌摩擦焊接成型质量有更好的增益效果。