本发明涉及超声复合金属表面处理的技术领域，更具体地，涉及一种薄壁件的热超声表面强化方法及装置，通过对薄壁件施加超声振动，减少薄壁件内部组织缺陷，且对超声处理后的薄壁件进行高温时效处理，使薄壁件的内部组织细化，对薄壁件进行室温时效处理，以消除薄壁件内部应力，完成薄壁件的表面强化。本发明可以降低薄壁件的表面强化处理难度，从而降低薄壁件的表面强化处理成本，并提高表面强化处理效率；且在对薄壁件进行表面强化处理的过程中，保持薄壁件与空气隔绝，可以减少薄壁件表面的氧化反应，进一步减少薄壁件损伤。