本文针对铝合金交流钨极氩弧焊（简称交流TIG焊）时焊接效率较低、接头组织粗大、失强严重、气孔缺陷多等问题，提出超声-交流TIG复合焊接方法，立意通过超声振动改善电弧特性和焊缝金属的熔化凝固行为，进而获得高质量的铝合金焊接接头。论文主要研究内容包括：搭建不同频率和聚焦型复合焊接系统，分析复合焊接电弧行为和铝合金熔化特点，研究不同频率和变幅杆端面输出振幅下，复合焊接接头微观结构特征和气孔缺陷特征，评价接头力学性能，分析焊接接头的断裂行为，建立微观结构和气孔缺陷特征与力学性能间的联系，基于超声空化效应，揭示复合焊超声振动细晶机制，探索输出振幅和频率影响超声细晶和除气效果的机制，讨论铝合金复合焊适宜的超声频率范围，为进一步揭示超声作用机理和提高铝合金超声复合焊接头质量提供试验和理论基础。根据铝合金交流TIG焊特点，设计复合焊接系统的导电、钨极连接和冷却装置。结合频率可能产生的影响，确定外加激励频率为20kHz、28kHz和40kHz。为提高熔池中超声能量，提出凹面聚焦型变幅杆。利用COMSOL软件，计算凹面变幅杆的最佳曲率半径。通过有限元模拟，优化变幅杆尺寸，获得谐振的超声振动系统。利用振动系统的节面位置，完成不同频率和变幅杆端面形状的复合焊接系统的搭建，系统大电流、长时间稳定工作能力强。通过模拟软件，计算焊接过程中声场分布状态，研究变幅杆端面与工件表面之间的声场谐振状态和各参数的影响规律，为后续分析提供理论依据。利用高速摄像系统及电流电压和电弧压力采集装置，研究复合焊电弧行为。发现超声振动使交流电弧收缩，且收缩程度随声场能量增大而增大。超声振动导致电弧静特性曲线发生改变。正半波期间，提高了负阻特性区的等效负阻值。负半波期间，使电弧静特性更多的表现为下降特性。随声能密度提高，下降特性区等效负阻增大。超声振动可降低电弧再引燃电压，电流极性转变时电弧稳定性提高。此外，与常规交流电弧相比，复合焊电弧压力更高，并随声场能量的增加而增加。计算复合电弧各区压降，发现超声可降低阴极和阳极区的压降和，提高弧柱区电场强度。通过铝合金焊接试验，研究复合焊缝熔化特点。发现施加超声振动后，焊缝熔深和熔化面积显著增大，熔宽略有增加。通过研究焊缝深宽比随发射端高度的变化规律，结合复合电弧特性，确定复杂焊接环境中各频率声场谐振点位置，为后续研究提供试验依据。分析超声振动对熔池金属流动特点和热传导作用的影响，发现引入超声振动后，焊缝熔化特点从单纯熔化型向中心熔化型转变。同频率下输出振幅越大，以及相同输出振幅下，频率为20kHz和40kHz时，这种趋势越明显。研究了复合焊接接头微观结构和气孔缺陷特征，测试了接头的力学性能，分析了接头的断裂行为。发现超声振动可减小铝合金焊接接头熔合区宽度，细化晶粒，改变熔池金属结晶方式，减少接头中大气孔的数量。频率为20kHz时，接头组织细小，在超声作用下发生部分等轴化。与常规焊接接头相比，铝合金复合焊接头中大气孔数目显著降低，多为弥散分布的微气孔。此时，接头力学性能高。28kHz时，接头组织为细长的胞状树枝晶，未检测到气孔缺陷，力学性能具有方向性。40kHz时，超声细晶作用较弱，气孔缺陷多，性能较低，与常规交流焊接接头相比差别不大。通过理论计算和试验验证相结合，初步探索了超声空化细晶以及频率和输出振幅影响超声细化组织和除气效果的机制。计算发现铝合金熔池中，空化泡在膨胀收缩过程中对周围的液体释放能量，导致空化泡周围铝合金原子的振动频率显著提高。这有利于增加熔池金属形核率，细化焊缝组织。通过对共振半径和瞬态空化阈值的计算，分析激励频率和变幅杆端面输出振幅对焊接熔池中空化形式和空化强度的影响。结果表明频率增加后，熔池中更容易发生稳态空化，空化强度也有所降低，不利于铝合金焊接接头组织细化。但一定范围内，有利于减小接头气孔率。根据熔池结晶时气泡的逸出条件，结合空化泡共振理论，计算发现铝合金复合焊适宜的超声频率随焊接速度的提高而降低。输出振幅增加后，熔池中气泡发生瞬态空化的几率和空化强度的提高，有利于细化接头组织和减少接头中大气孔数目。