搅拌摩擦焊(FSW)技术在轻合金结构制造领域有着较为广泛的应用。但是,常规FSW存在焊速较低、焊接载荷较大等问题。为了解决此类问题,研究人员利用超声振动能量来辅助FSW工艺。超声振动在减小材料变形抗力、提高焊接效率等方面具有优势。超声能量的加载方式多种多样,研究不同超声振动施加方式对FSW工艺效果的影响,并探寻更合适的振动能量加载方式,对于这种改型搅拌摩擦焊工艺的发展具有重要的指导意义。本研究搭建了两种超声辅助FSW的试验平台：一是利用超声波滚焊机将超声振动施加在工件平面内,即UaFSW；二是将超声振动施加在搅拌头前方待焊工件处的深度方向,改进了第一代超声振动强化搅拌摩擦焊(UVeFSW)试验设备。对6 mm厚的2024-T3铝合金板分别开展了常规FSW、UaFSW和UVeFSW的工艺试验,考察和对比了是否施加超声与不同超声施加方式时的焊缝成形、微观组织与力学性能。为探究焊接工艺机理,采取异质材料焊接和标记材料示踪法,研究了搅拌头周围的材料流动特征；测量了搅拌头所受的前进阻力、扭矩和轴向压力等焊接载荷信息；在工件上某些点安置热电偶,对焊接热循环进行了测量。试验结果表明,UaFSW相较常规FSW,焊核区的宽度有所增大,搅拌针周围材料的流动得到增强,这有利于减小或消除较高焊速条件下的焊缝内部缺陷。超声振动在焊核区的晶粒细化效果不明显,但促进了焊核区向热力影响区的扩展。接头的拉伸力学性能受超声振动的影响较小。UaFSW过程中超声能量的发散性较大,超声振动能够提高焊核上部的显微硬度值。超声振动对焊接时的轴向压力几乎没有影响,但增大了搅拌头的前进阻力和扭矩。异质材料的焊接工艺试验表明,UVeFSW过程中对接面两侧的材料混合得更加均匀,基于标记材料的材料流动特征也表明了超声振动能够促进材料的后向流动,使搅拌作用得到增强,焊核宽度有所增大,有助于焊接缺陷的消除。观察焊缝横截面的微观组织,发现施加超声后各区域的晶粒尺寸基本不变,但相较常规FSW, UVeFSW焊缝的焊核区和热力影响区的边界变得更加圆滑。采用UVeFSW工艺,低转速下接头的断后伸长率有所提高,断裂位置由热力影响区和焊核区向热影响区转移。超声振动能量有效地传递到了焊核区底部,使焊核中下部的显微硬度值有所提高。与UaFSW相反,UVeFSW的焊接载荷比常规FSW的低,这有利于减小搅拌头的磨损,并延长其使用寿命。UVeFSW中超声振动对搅拌头前方待焊区域具有一定的预热作用,但超声的热效应处于次要地位。在升温阶段,测温点的温度在施加超声振动后,相较常规FSW,最大提高了约40℃；峰值温度则变化不大,施加超声与否均为约330℃。