現代飛機正朝著高性能、輕重量、長壽命、高可靠、高舒適性以及低制造成本的方向發展。攪拌摩擦焊（FSW）作為一種新的焊接技術，已經在航空結構中得到廣泛應用。攪拌摩擦焊不僅改善了航空結構，也促進了航空結構完整性檢測技術的改進和發展。

      攪拌摩擦焊技術是近年來國際上發展較快的技術之一，具有對被焊材料損傷小、焊接變形低、焊縫強度高和綠色制造等特點，被譽為“當代最具革命性的焊接技術”。

      攪拌摩擦加工主要通過攪拌頭的高速旋轉和移動實現，攪拌頭由軸肩和攪拌針組成。加工過程中，攪拌頭高速旋轉并緩慢擠入工件的待加工部位，直到軸肩與工件表面緊密接觸。攪拌針伸進材料內部進行摩擦和攪拌，其旋轉產生的剪切摩擦熱將攪拌針周圍的金屬變軟進而熱塑化，使加工部位的材料產生塑性流變。

     攪拌頭高速旋轉的同時，沿加工方向與工件相對移動。熱塑化的材料由攪拌頭的前部向后部轉移，并且在攪拌頭軸肩的鍛造作用下，產生強塑性變形。

     與氧炔焊工藝相比，攪拌摩擦焊有許多優點，包括能夠消除氣體、焊條和電極等許多焊接材料。

     由于在機械作業產生的摩擦熱作用下進行實施連接工藝，因此，攪拌摩擦焊僅有3種主要的焊接變量需要控制，包括沖擊力、旋轉速度和焊接速度。

      攪拌摩擦焊具有廣泛的應用前景，已在航空鋁合金焊接中得到廣泛的應用。

     2XXX系列鋁合金強度高、重量輕，長期以來一直是航空結構的主要材料。如A12195鋁一鋰合金等新材料，與上一代材料A12219相比，在基礎材料方面有了大幅度改進。

      在室溫和低溫條件下，新合金的強度有了極大改進，然而，有時候其焊接性容易出現問題，這也促使人們努力改善工藝，并最終發展并實施了攪拌摩擦焊。

     A12195合金能夠較好地用于攪拌摩擦焊工藝，克服了利用傳統氧炔焊工藝對A12195進行焊接的過程中所生產的難題。

      攪拌摩擦焊還可焊接各種鋁合金材料，如Al、Cu、Al-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn、Al-Li等高強鋁合金，同時也能得到優良的焊接接頭。

      攪拌摩擦焊在航空結構中的應用主要包括機翼、機身、尾翼、油箱和副油箱等方面。波音公司將攪拌摩擦焊接技術應用于C-17“空中霸王Ⅲ”軍用運輸機地板的制造中，生產效率是原來鉚接的10倍。空中客車公司已經開始將攪拌摩擦焊接應用于大型民用飛機的制造中。

     2005年8月26日，據《Speed News》報道，空客已經致力于將攪拌摩擦焊接技術引入到A340飛機制造中，并大規模應用于A350的制造，以及用于A340-500及A340-600的機身縱縫連接，取代傳統的鉚接技術。空客公司聲稱，使用攪拌摩擦焊接技術代替鉚接技術制造飛機機身，每米焊縫能夠減輕重量0.9kg。

      攪拌摩擦焊工藝存在著形成有害缺陷的傾向性，缺陷的類型取決于攪拌摩擦焊的參數設置和控制。

     孔洞缺陷的形成主要是由于焊接過程中熱輸入不夠，達到塑化狀態的材料不足，造成材料流動不充分，從而導致在焊縫內部形成未完全閉合的現象。

     當采用不帶螺紋的柱狀或者錐狀攪拌針的攪拌頭進行焊接時，接頭容易出現空洞。該類缺陷通常位于接頭前進側的中下部以及焊縫表面附近。位于焊縫表面附近的空洞方向與焊接方向一致，在焊縫長度方向上延伸較長時也被稱作隧道型缺陷。

     飛邊缺陷出現在焊縫表面，通常是由于焊接壓力過大而導致較多的塑性材料從軸肩兩側擠出，冷卻后形成的一種缺陷。

      攪拌摩擦焊接過程是一個焊縫材料體積不變的過程，在實際焊接過程中，攪拌頭軸肩、針部、未熔化的母材金屬會形成一個“擠壓模”，發生塑性變形的材料在“擠壓模”中流動。如果焊接壓力過大，也就是攪拌頭扎入過深，會使“擠壓模”體積小于正常焊接時的體積，導致部分材料從軸肩兩側擠出，冷卻后形成飛邊缺陷。

     未焊合是指在焊縫底部未形成連接或者不完全連接而出現的“裂紋狀”缺陷，焊縫壓力過小時容易形成根部未焊合。

      未焊合的產生實質上是由于攪拌針長度不足而造成的，在攪拌摩擦焊接過程中，如果攪拌針長度合適，兩塊對接板材之間對接面上的氧化物會在攪拌針旋轉和平動過程中被打碎，并在攪拌頭后部形成致密的接頭，氧化物彌散分布在接頭中。

     但如果攪拌針長度比正常尺寸短，攪拌針在焊接過程中不能完全攪拌焊縫厚度上的材料，尤其是焊縫下部的材料，加上板材對接面上氧化物的存在，在焊接后接頭根部會出現裂紋狀的未焊合缺陷。

     溝槽缺陷是攪拌頭在對接板表面機械攪動后未形成連接的一種重要缺陷，通常位于前進側焊縫表面。

      溝槽缺陷的產生主要是由于焊接過程中壓力過小，導致熱輸入嚴重不足，發生塑性變形的材料大量減小；而且材料流動性降低，造成焊縫前進側的塑化材料從后退側繞流后不能回填到前進側，從而在前進側焊縫表面附近形成空洞。當材料流動能力進一步下降時，形成空洞的范圍發生擴展，最終貫通焊縫上表面形成溝槽缺陷。

      由于焊接表面氧化膜的存在，焊后在焊縫表面可能形成一層與焊縫內部不同的氧化物；由于對接表面氧化膜在焊接過程中可能未被完全攪拌打碎，從而在焊縫中殘留并呈連續分布狀，被稱為“S線”或“Z線”；在搭接或T形接頭中，容易形成一種被稱為殘余界面線的缺陷，這也屬于未焊合缺陷。

      焊接結構的檢測主要采用目視檢測和無損探傷，新的攪拌摩擦焊工藝的出現，對目視檢測和無損探傷技術提出了新的要求。

     目視檢測是最直接、最簡單的檢測技術，也是進行表面狀況檢測的最佳方法，可以直觀檢測零件表面存在的飛邊、擦傷、邊緣孔洞以及焊縫不齊等情況。

      這些缺陷是由不正確的焊接參數所引起的，如過快的移動速度、過快的旋轉速度、較小的沖擊力以及不合適的焊縫形狀。焊縫根部最不能接受的缺陷是未焊合，大部分無損探傷都是針對這類缺陷而進行的。

      在對焊接結構進行滲透處理后，可以目視發現未焊合缺陷。侵蝕是焊接后進行的一種化學處理，通常需要在進行滲透檢測之前對表面進行機械加工處理。在此情況下，侵蝕工藝清楚地顯示了焊接部位的動態再結晶區域（DXZ）及其周圍熱影響區域（HAZ），從而使專業人員能夠通過肉眼檢測發現焊接缺陷。目視檢測是確認可疑未焊合缺陷的一項可靠技術。

      通過P135E和P6F4進行的滲透檢測，可在焊接原狀、單一侵蝕或者雙重侵蝕狀態下，在攪拌摩擦焊測試板上進行，此外，可分別在使用和不使用顯影劑并在不同滲透時間條件下進行滲透檢測。

     在焊接原狀進行滲透檢測，由于檢測能力差、背景噪聲過大，被認為是一種不可接受的方法。在侵蝕條件下，通過P135E和P6F4對攪拌摩擦焊結構進行檢測，能夠成功檢測出根部的未焊合缺陷。由于每種滲透劑的檢測敏感度不同，檢測結果也有所不同。

     使用P135E能夠成功檢測出深度大于或者等于1.626 mm的未焊合缺陷，使用P6F4能夠成功檢測出深度大于或等于1.270 mm的未焊合缺陷。與單一侵蝕相比，在應用滲透劑之前通過腐蝕性侵蝕劑進行雙重侵蝕，能夠提高對未焊合缺陷的檢測率。

     單一侵蝕和雙重侵蝕之間的差異是指，單一侵蝕能夠去除0.005~0.010 mm的金屬，雙重侵蝕能夠清除0.010~0.015 mm的金屬。測試結果表明，在應用滲透劑之前，通過侵蝕方法至少能夠去除0.010 mm的金屬，從而改善對未焊合缺陷的檢測率。

      研究表明，滲透檢測應該包括：在應用滲透溶液之前，利用侵蝕溶液去除0.010~0.015mm的金屬層。而延長滲透液滲透時間和使用顯影劑，并不會改善未焊合缺陷的檢測率。

      包括洛克希德·馬丁公司的無損探傷工程師和技術人員對攪拌摩擦焊試件進行了超聲波檢測，他們使用了傳統超聲波探頭和多探頭，以及L形波、剪形波和多角度傳感器。研究結果表明，采用這些技術能夠探測到材料厚度15%~20%處的未焊合缺陷。

攪拌摩擦焊工具的改變會直接影響未焊合缺陷的金相特征，使得缺陷閉合更加緊密，更不容易檢測。在改善攪拌摩擦焊工藝的同時，需要研究改進相應的檢測方法。通過對相控陣超聲波檢測技術的改進，能夠檢測材料厚度25%~30%處的焊接缺陷。相控陣超聲波檢測技術能夠提供多個方向的回波，從而提供關于缺陷的位置信息以及整個厚度上的缺陷信息。

      X射線照相檢測是對攪拌摩擦焊的試件進行膠片照相或者數字照相。研究結果表明，這種方法能夠可靠地（達到90%的概率和95%的置信度）檢測出大于或者等于材料厚度30%的未焊透缺陷。

  然而，采用X射線膠片照相檢測不同合金的焊接接頭存在困難，在這種情況下很難辨別未焊透缺陷。其原因有兩方面：

     首先，不同的鋁合金焊接以后會在接頭處形成兩種合金的混合物，混合物中銅和鋁的成分會存在幾個百分點的差異。銅的含量不同，對X射線的傳輸存在較大影響，需要相關人員“訓練”眼力，從而能夠準確地解讀獲得的膠片圖像。

      其次，不同的合金采用攪拌摩擦焊以后，在合金混合區域（如A12219與A12195的混合），未焊透缺陷會變得更加緊密，不容易進行檢測。

      大多用于攪拌摩擦焊的渦流探針配置成有許多線圈構成的矩陣，這也可以具備更高的靈敏度。每個掃描線圈形成一個特殊區域，并且針對具體應用，線圈要進行優化。進一步對探針進行設計，以使線圈間沒有交叉干涉，而每種形狀的配置都成為可能。

   在我國新型航空設備的制造過程中，新的制造工藝和制造技術獲得了更大范圍的應用。新工藝、新技術的應用可以提高航空部件的結構效率和制造效率，也對航空結構的完整性檢測提出了新的挑戰。隨著我國航空市場的活躍和發展，我們不但要完善制造技術、提高制造水平，還要通過不斷創新，發展適應新技術的完整性檢測技術，保證航空結構的可靠性。