搅拌摩擦焊(FSW)作为一种固相连接方法,有效避免了传统熔焊方法焊接高强铝合金时所存在的气孔、裂纹等问题,因此在航空航天领域具有广泛的应用。采用常规FSW焊接高强铝合金时,接头性能对焊接热输入非常敏感,热输入的变化容易导致接头软化严重或引起孔洞、沟槽和未焊合等缺陷的形成,使得接头力学性能降低。超声搅拌摩擦焊接(UFSW)能够有效解决高强铝合金常规FSW所存在的问题,通过声致效应改善焊缝组织,提高接头性能。考虑到FSW温度场和流场的分布特征以及超声在传播过程中的衰减,目前的UFSW没有将超声能量更有效地作用在材料温度最低、流动性最差、最容易产生缺陷的焊缝根部,导致超声的作用效果未能充分发挥,因而本文提出了底部施加超声的UFSW新方法。通过摒弃传统背部垫板,取而代之采用静支撑承受轴向载荷,保证了焊缝的良好成形,为超声振动装置在工件底部的施加提供了必要的空间,实现了将超声能量更有效地作用在焊缝根部的目标;同时,静支撑思想的提出有效释放了工件下方的空间,使复合能场FSW具有广阔的发展前景。2219-T6铝合金焊缝成形与微观组织的研究结果表明,与常规FSW相比,超声可以显著增加焊核区的体积,促进焊缝金属的塑性变形;在低热输入条件下,常规FSW焊缝内部出现S线和根部未焊合缺陷,但超声的施加可以完全消除原始对接界面,避免缺陷的产生。在动态再结晶阶段,超声提高了材料的应变率,使得组织细化;而在静态再结晶阶段,超声显著促进了晶粒的生长,使再结晶晶粒在短时间内快速长大。此外,超声还可以显著促进析出强化,与常规FSW接头相比,UFSW接头再析出的θ’相数量更多、尺寸更大;随着焊接速度的增加,常规FSW接头焊核区的θ’相数量和尺寸急剧降低,但在UFSW接头焊核区,尽管在极低的热输入条件下,依然存在大量再析出的θ’相。超声对2219-T6铝合金接头性能的提高和焊接工艺窗口的扩大具有显著的作用。首先,超声可以提高接头的抗拉强度,使接头的最高抗拉强度达到361MPa,相应的强度系数为82%;其次,UFSW能够在较宽的工艺窗口下获得高强接头,即使工艺参数在较大范围内变化,UFSW接头强度系数始终高于80%。接头硬度分布呈“W”形,相同工艺参数下,UFSW接头焊核区和热机影响区的硬度均高于常规FSW;超声可以显著提高接头的延伸率,在高热输入条件下,UFSW接头比常规FSW接头的延伸率高16%～36%,而在低热输入条件下,UFSW接头比常规FSW接头的延伸率高55%～71%。采用正电子湮没对焊缝的空位浓度进行了测量,通过分子动力学对空位形成能进行了计算,发现超声通过降低空位形成能向被焊部位引入了高浓度的空位,在温度为750K时,常规FSW焊缝的空位浓度只有5×10-5,而UFSW焊缝的空位浓度高达3×10-4,即超声的施加使得焊接过程的空位浓度提高了近一个数量级。超声通过增加空位浓度增强了晶界位错运动和原子扩散,促进了晶界迁移,加速了再结晶晶粒的生长。超声通过空位诱导促进了析出强化,超声的施加引入了大量空位,富空位环境下的“Cu-空位”副形成应变中心,吸引Cu原子的进一步富集,促进θ’相的快速形核;空位向相界面的迁移释放了共格应变,使得θ’相在短时间内快速长大,促进了析出强化。超声的施加改变了金属本身的物理性质,本文的研究结果揭示了声致效应机理:即超声作用时形成的高浓度空位,增加了位错核宽度,降低了晶格的本征摩擦力,引起声致软化;超声作用后,空位在位错线上的缩聚导致大量蜷线位错的形成,降低了位错的可动性,从而引起残余硬化。