铝合金具有加工性能良好、比强度高、质量轻等特点,是实现轻量化制造的优选材料,但采用传统熔焊焊接铝合金,会导致裂纹、变形等问题。搅拌摩擦焊可以有效解决铝合金焊接过程中存在的问题。搅拌摩擦焊是较为复杂的热力耦合过程,焊接温度场具有三维不对称性,不利于焊缝的性能。本课题通过在搅拌摩擦焊过程中加入底部加热,改变焊接过程中的热输入,在得到最佳底部加热温度后,施加超声振动进行协同焊接,研究不同焊接条件对焊缝热循环曲线、接头表面成形、宏观形貌、微观组织以及力学性能的影响规律,从而改善或消除接头组织性能上的不均匀性,提高焊接接头的综合性能。焊接热循环试验表明:常规条件下,焊缝厚度方向上热输入不足,特征点峰值温度较低,高温停留时间较短,起始处特征点存在“双峰现象”。底部加热温度升高后,各条件厚度方向上的峰值温度及高温停留时间延长,厚度方向上焊缝特征点处的温度差减小。施加超声协同后,厚度方向上温度分布更加均匀。从焊缝表面成型看,常规条件下接头表面不是特别美观,有较多的弧形缺陷。施加底部加热后弧形缺陷开始减少,75℃加热条件下弧形缺陷基本消失,焊缝表面较美观。加入超声协同后,焊缝表面更加光滑平整。接头微观组织分析表明:各条件下焊缝横截面形貌呈现出上宽下窄的特点,随着底部加热温度的提升,形成的焊缝区域面积更大。加入超声协同后,焊核区中上层区域宽度增加较大。随着底部加热温度的升高,焊核区中上部平均晶粒尺寸逐渐增大,底部平均晶粒尺寸先减小后增大。施加超声协同后,焊核区动态再结晶过程更加充分,沿焊接方向,各区域晶粒平均晶粒尺寸减小,焊缝各区域晶粒度差异减小,焊缝整体在焊核区晶粒尺寸更加均匀。焊接接头力学性能测试表明:常规条件下,沿试板厚度方向,接头的抗拉强度分布不均匀。底部加热温度升高后,底层拉伸试样的抗拉强度先升高后降低。75℃加热条件下的抗拉强度最高,拉伸断口表面分布着均匀的韧窝。加入超声协同后,接头的抗拉强度要大于单独底部加热条件,且焊接中间段、结束段形成的接头强度降低现象减弱。超声协同条件下,提升了焊缝各个阶段的焊缝硬度值,减小了各区域硬度的差别,硬度值分布更加均匀。