耗材摩擦焊是一种利用摩擦热使得消耗极材料处于热粘塑性状态来实现焊接/焊敷的先进绿色加工技术,这种焊接方法具有低能耗、无污染、高效率等优点。采用耗材摩擦焊接技术能够获得基本无稀释,结合完整性极高的焊敷层,并且具有优异的耐磨性和耐腐蚀性,在局部表面工程中有着越来越广泛的应用。传统耗材摩擦焊能量输入形式单一,主要依靠耗材棒与基板之间的摩擦产热与塑性变形产热来软化材料实现焊接。在对高强度钛合金、铝合金、镁合金等金属进行焊接时,随着被焊材料强度的提高,焊接过程中需要施加更大的轴向压力和转矩,由于高转速和大顶锻力的存在,使得工艺装置结构庞大,难以较好的实现运动结构的轻量化和运动敏捷性,极大的限制其推广应用。为了解决上述问题,提出一种在耗材棒前方的基板上施加超声振动的超声振动辅助耗材摩擦焊新工艺。通过超声与熔合区的塑性材料相互作用,利用超声振动的软化效应降低材料的流动应力和屈服应力,进而降低焊接载荷、改善焊接质量、提高焊接速度。论文的主要研究内容包括:（1）为了深入理解耗材摩擦焊的物理机制,采用FLUENT软件建立了传统耗材摩擦焊三维热-流耦合数值模型,分析了转速、焊接速度等工艺参数对焊接过程中产热、塑性材料流动及耗材棒所受扭矩的影响。发现焊接过程中随着转速的提高,焊接峰值温度和塑性材料流动速度随之升高,耗材棒所受扭矩下降。当焊接速度提高时,峰值温度和材料流动速度随之下降,耗材棒所受扭矩升高。（2）基于超声宏观软化效应建立了超声振动辅助耗材摩擦焊唯象模型,定量分析了不同振幅下的超声振动对焊接过程中温度场和材料流动行为的影响。结果表明,超声振动的热作用对焊接过程中熔合区温度场影响不明显,但随着超声振动幅值的增加,超声软化效果逐渐增强,塑性材料流动程度和流动范围明显增大。（3）基于计算超声学相关理论建立了超声振动辅助耗材摩擦焊的计算超声场模型,求得了施加超声振动后耗材棒及基板上的声压和超声能量分布,总结了超声振动工艺参数对声压场和超声能场的影响规律。结果表明,熔合区域的声压场和超声能场随着超声振动频率和幅值的增加而增强,在空间分布上,随着距离超声振动工具头作用点距离的增加,声压和超声能量随之降低。（4）结合计算超声场模型,在此基础上建立了超声振动辅助耗材摩擦焊三维声-热-流多场耦合数值模型,定量分析了超声振动的加入对焊接过程中热流密度、材料流动行为和耗材棒所受扭矩等的影响。结果表明,传递到熔合区域的超声能量能够与塑性材料相互作用,并降低材料的屈服应力与流动应力。虽然超声振动的引入降低了接触区域的塑性变形产热率,但增加了塑性材料的流动速度,进而扩大了塑性变形区域。由于材料屈服应力的降低,耗材棒所受扭矩随之下降,焊接过程中耗材棒所受扭矩。