随着铝合金材料性能的日益提高,在轨道交通、航空航天、船舶等领域的应用越来越广泛,主要用于制造轻量化结构件,这些铝合金结构件在焊接时对焊缝质量和焊接效率都提出了更高的要求,而传统焊接方式如惰性气体保护焊、搅拌摩擦焊等已难以满足其绿色高质高效的焊接需求。超声搅拌摩擦焊技术通过在常规搅拌摩擦焊上施加超声振动,在提高焊缝质量和焊接效率、延长搅拌头寿命等方面具有显著优势,是实现铝合金结构件绿色高质高效焊接的最为重要方法之一。本文针对超声搅拌摩擦焊中超声波的声软化作用机理进行了分析,研制了超声搅拌摩擦焊振动系统,搭建了焊接试验平台,研究了焊缝峰值温度、轴向压力、搅拌扭矩以及焊缝表面完整性的变化规律。本文的主要研究内容和结果如下:（1）根据超声搅拌摩擦焊焊接过程的特点和需求,结合最大电流搜索和电压与电流相位信息锁相跟踪技术,提出了用于超声搅拌摩擦焊的复合频率跟踪策略,并编写了控制程序,设计了超声波发生器各组成模块,完成了超声波发生器样机研制,输出性能测试结果表明样机具有良好的功率输出能力。根据超声振动系统的需求,设计了能量传输装置和变幅杆,并进行振动性能测试。将研制的超声振动系统集成在X53K铣床上,完成焊接试验平台的搭建。（2）通过单因素对比试验研究两种焊接方式下工艺参数（包括搅拌速度、焊接进给速度）对焊缝峰值温度、轴向压力、搅拌扭矩的影响规律。采用相同工艺参数,在超声波的声软化效应影响下的焊缝峰值温度、轴向压力和搅拌扭矩均低于同参数搅拌摩擦焊的测量数值,平均降幅分别为4.52%、12.59%和14.28%。其中焊缝峰值温度随着搅拌速度的增加而增加、随着焊接进给速度的增加而减小;而轴向压力和搅拌扭矩都随着焊接进给速度的增大而增大,随着搅拌速度的增加而减小。（3）对比研究了超声搅拌摩擦焊和常规搅拌摩擦焊表面完整性指标中表面粗糙度、表面形貌和接头表面显微硬度的变化规律。结果表明:施加超声振动后可显著提高焊缝表面完整性质量,焊接初始和稳定阶段焊缝表面粗糙度值Ra分别平均下降56.61%和55.45%;焊缝成形良好,无沟槽孔洞等缺陷,焊缝表面纹理均匀细腻,波峰波谷间距平均降幅超过80%;根据焊缝中心线到焊缝两侧的“W”型硬度曲线表明,其显微硬度最低点处于距焊缝中心线5.2mm的前进侧热影响区与热机影响区交界处,最低硬度值提升了13.8HV_0.5为64.7HV_0.5,涨幅为27.11%。