搅拌摩擦焊接(FSW)作为一种固相焊接工艺,为了产生足够的热量,在焊接时需要施加很大的轴向下压力,造成焊接载荷(包括轴向压力、旋转扭矩及前进阻力)大、装夹要求严、焊接速度低和搅拌头易磨损断裂等问题。为了解决上述问题,研发了一种在搅拌头前方待焊工件上施加超声振动能量的超声振动强化搅拌摩擦焊接(JVeFSW)新工艺。研究表明在搅拌摩擦焊接过程中施加超声振动能量能够减少材料塑性变形所需的热量,达到改善焊接质量、降低焊接载荷并提高焊接速度的工艺效果。然而,超声振动对FSW焊接热过程和塑性材料流动的影响机理仍未阐明。建立UVeFSW焊接过程的数理模型,分析施加超声对焊接热过程和塑性材料流动的影响,对于揭示VeFSW焊接工艺机理,阐明施加超声振动能量改变塑性材料屈服应力和流动应力的物理机制,实现工艺参数的优化与匹配,对于丰富FSW焊接工艺理论,实现超声能量在搅拌摩擦焊接过程中的有效利用,具有重要的理论意义和工程实用价值。为了深入理解UVeFSW的焊接物理机制,首先针对FSW焊接下压、停留和焊接的全过程建立热流耦合模型,采用Fluent软件的动态网格自适应技术,基于铺层算法实现了搅拌头下压过程的热流耦合模拟,分析了不同阶段的产热、温度分布、塑性材料流动和焊接力矩的变化规律。随后,基于超声软化的宏观现象,引入声软化百分数,建立了UVeFSW焊接过程的唯象模型,模型考虑了超声的软化作用和热作用,定量分析了UVeFSW焊接过程中搅拌头附近的传热及材料流动情况,并对比分析了施加超声振动的UVeFSW和常规FSW焊接时的产热、传热和材料流动情况。结果表明,施加超声振动时搅拌头与工件接触界面的产热稍有下降；同时,施加超声振动后搅拌头附近材料粘度降低,材料流动性增强,塑性材料流动范围增大。但超声软化作用增大了产热区域,同时超声的热作用提供了部分产热,抵消了软化作用导致的产热下降,总体上施加超声振动对FSW焊接温度场和热循环曲线影响不大。UVeFSW和常规FSW焊接过程的温度场和热循环基本一样。基于位错热激活理论,分析了超声振动对塑性变形材料位错运动的影响,进而修正了Sheppard-Wright粘塑性本构关系,建立了考虑超声软化效应的粘塑性本构模型,并基于实验数据进行了标定。修正的本构模型描述了超声软化作用与超声能量密度、材料特性和过程参量(温度,应变速率)之间的定量关系。施加超声振动能量降低了材料的塑性变形激活能,使得材料更容易发生塑性变形,从而降低了屈服应力和流动应力。在此基础上,运用修正的考虑超声软化效应的材料本构关系,建立了耦合超声能场的UVeFSW数值分析模型。分析了UVeFSW焊接过程中超声声压的动态变化规律、声场能量分布、焊接产热、传热和塑性材料流动情况。定量分析了超声声压/声场能量分布与UVeFSW焊接时热流密度、温度场和材料流场之间的相互作用规律,初步揭示了超声振动改善焊接接头组织与性能的物理机制。开展了相应的工艺实验,获得了焊缝横断面、焊接力矩和典型位置热循环等实验数据,并采用实验数据对模型进行了验证。实验结果与计算结果吻合良好。通过UVeFSW耦合模型对焊接过程进行了系统分析,结果表明搅拌头前方的强超声能量与塑性变形材料相互作用,预软化了材料,降低了塑性变形产热率,提高了搅拌头附近材料的塑性流动性,使得搅拌区扩大,材料流动速度增加。但施加超声对温度场和热循环影响不大,这是因为虽然塑性变形产热率降低,但塑性变形区增大,所以塑性变形功产热变化不大。另外,对UVeFSW耦合模型的计算结果与唯象模型的计算结果进行了比较,发现耦合计算声场,并采用基于热激活理论修正的材料本构关系能够提高UVeFS W模型的预测精度。