铝合金（AA6061-T6）因其比强度高和成本低,在交通车辆和电子行业的很多结构件中得到大量应用。同时,镁合金（AZ31B）因其重量轻和比刚度高,作为另一种轻量化材料也吸引了人们的特殊关注。为了发挥两种材料的优势,如何成功地将其高质量连接,构成异质材料复合构件,是亟待解决的问题。过去曾尝试利用各种熔焊工艺连接AA6061-T6和AZ3IB,但因接头强度低,基本没有吸引力。另外,熔焊接头中形成大量的脆性金属间化合物（IMCs）,进一步降低了接头强度,限制了其工程应用。虽然搅拌摩擦焊接（FSW）作为固相连接技术能够产生令人满意的AA6061-T6/AZ31B异质接头,但焊缝中仍然形成IMCs,接头性能仍不够高。此外,常规FSW需要很大的轴向压力和扭矩。在AA6061-T6和AZ31B搅拌摩擦焊接时,为了通过抑制IMCs的形成来提高接头强度,并通过降低焊接载荷来减少搅拌头磨损,本研究提出施加超声振动来辅助FSW过程。搅拌摩擦焊接过程中在搅拌区（SZ）辅加超声振动,有助于增强异质材料的混合及抑制缺陷的形成。为了有效地实施超声辅助搅拌摩擦焊工艺,在FSW设备上恰当地增加各种超声发生和作用部件是保证其目标实现的关键。根据作用终端的要求,进行了超声振动系统的设计和研发,包括超声振动工具头的定制设计和其它超声元件的选择。为了保证静止的超声工具头与高速旋转的搅拌头之间的紧密接触,超声工具头输出端还增加了滚珠轴承、螺母、螺栓等附件。通过数值模拟和实验检测,进一步验证了设计的可行性。应用Solidworks软件对超声工具头进行了模态和谐波分析,以考察其共振频率、振幅和von Mises应力。此外,还开发了一种空心搅拌头来放大终端点的振幅,并基于解析和实验方法将其与实心搅拌头做了对比。为了掌握和了解超声辅助搅拌摩擦焊接（UVaFSW）的工艺机理,开展了 UVaFSW和FSW工艺实验,测量了焊接过程中的力、扭矩和功率,进行了 IMCs和微观组织的分析/表征和接头力学性能测试等,随后对比了 UVaFSW和FSW工艺实验的上述测试和分析结果。针对AA6061-T6和AZ31B的对接和搭接两种接头,在较宽的参数范围内比较了传统搅拌摩擦焊（FSW）和超声辅助搅拌摩擦焊（UVaFSW）的焊接工艺效果。实验表明,将超声振动耦合作用到搅拌头上,能够改善材料流动性并抑制焊接缺陷。辅助超声后,轴向下压力、搅拌头扭矩和焊机输出功率都显著降低。AA6061-T6/AZ31B的对接实验表明,超声辅助可以有效地减小IMCs层的厚度,并使得IMCs在初始形成过程中破碎并在界面处不再连续。由于超声的施加,IMCs层厚度减少了 57.9%。在所研究的参数范围内,超声对焊缝上部区域的影响较大,对焊缝底部的影响较小。UVaFSW对接接头的强度系数达71.3%（基于Mg合金的抗拉强度）,而传统FSW对接接头的强度系数仅为 58.4%。在AA6061-T6/AZ31B搭接接头的情况下,超声辅助有效地改善了搅拌区（呈Mg和A1的层片状结构）内的材料流动和混合。搅拌区A1侧的显微硬度高于Mg侧,这是由于在富铝区形成了脆性的A13Mg2金属间化合物。传统搅拌摩擦焊和超声辅助搅拌摩擦焊的搭接接头内都存在A13Mg2和Al12Mg17双层金属间化合物。然而,XRD频谱分析表明,超声辅助搅拌摩擦焊接时搅拌区内IMCs的峰值及其分布都急剧下降,这是因为超声振动强化了剪切层内的材料塑性流动。超声的施加,使IMCs层的厚度减小了 56.52%。超声作用带来了 IMCs相的缩小和消除,有利于提高搭接焊缝的剪切力或载荷,AA6061-T6板在上和AZ31BMg板在上时分别为2456.7N和3667.5N。UVaFSW接头具有多种典型的韧窝形状特征和颈缩,与传统FSW接头的脆性断裂失效不同,它属于韧性断裂模式。在AA6061-T6/AZ31B搭接接头的界面上添加镍层,可以得到强度较高的接头。Ni层的加入有利于A1/Ni和Mg/Ni各自界面上Al/Ni和Mg/Ni金属间化合物层的形成,可以阻止Mg/Al脆性IMCs相的形成。加入Ni夹层之后,最大接头强度达到了 4390 N,比不加Ni层的常规接头高920 N（AZ3 1B Mg板在上时）。