超声辅助搅拌摩擦焊是在搅拌摩擦焊过程中增加纵向超声振动,利用超声波效应改善焊缝组织性能的一种新型金属固态焊接技术。现有研究主要集中于超声辅助搅拌摩擦焊对改善焊缝组织性能、提高焊缝质量等的试验研究。对其作用机理方面并未进行深入的研究。为了更好的掌握其作用机制,发挥其技术优势,有必要对超声辅助搅拌摩擦焊作用机理进行深入的研究。本文通过数值模拟与试验相结合的方法,以2024铝合金为研究对象,研究超声辅助摩擦焊的作用机理,揭示超声波对改善焊缝性能的机理。首先,通过计算流体力学和弹塑性力学理论,建立包含超声作用的超声辅助摩擦焊热-力-流耦合数值模型。其次,通过2024铝合金的焊接试验、焊接温度测试及金相分析等手段对数值模型进行验证。最后,试验研究超声辅助搅拌摩擦焊残余应力分布规律及变形控制机理。通过数值模拟分析,获得了以下超声辅助搅拌摩擦焊作用机理：(1)超声波的导入使焊接中轴肩面的热输入量增大,焊缝表面温度比相同条件下的搅拌摩擦焊高；同时,超声辅助搅拌摩擦焊能够增大焊接工艺窗口；(2)超声波对塑性材料流动有驱动作用,提高了材料流动速度,使材料的散热速度加快,沿厚度方向产生比搅拌摩擦焊大的温度梯度；(3)通过对流场的分析,发现前进侧有较大的速度梯度,随着焊速的提高,前进侧的速度梯度随之增大,前进侧焊接成形时,材料不足,成为焊缝的薄弱处。通过2024铝合金的焊接温度测试、拉伸试验和金相组织观察,验证了数值模拟结果的可靠性与准确性。通过试验研究了超声波辅助搅拌摩擦焊残余应力分布规律及超声波导入对残余应力的影响。研究发现,超声辅助搅拌摩擦焊能够有效的控制焊缝残余应力,其纵向残余应力相比搅拌摩擦焊降低了30%,同时使焊接过程更加稳定。较低的焊速、转速、较小的轴肩直径都能够一定程度上降低残余应力。据此,本文研究了薄板变形机理及控制方法,为实现小变形的薄板大构件焊接提供了理论依据。