鋁是一種通用型金屬，和大多數(shù)金屬相比其原子質(zhì)量極低，在很多方面的性能甚至令人驚嘆。這種低原子質(zhì)量，加上極強(qiáng)的耐腐蝕性和絕佳的導(dǎo)熱導(dǎo)電性，讓鋁成為極其獨特的金屬。對于制造商們來說，好消息是鋁易于加工、鑄造、拉伸和擠壓，而且原料充足。鋁是世界上蘊藏量排名第三的金屬，在地殼中的含量超過8%。

與鋼鐵材質(zhì)對比

將鋁和其它主要制造金屬——鋼鐵——相比較， 就會發(fā)現(xiàn)不少重要區(qū)別。一個主要區(qū)別在于耐腐蝕性。鋁對氧的親和力歸因于其三個價電子。由于氧能夠接受兩個價電子，從而形成氧化鋁（三氧化二鋁）。氧化鋁是一種活躍的1納米厚的表面膜，保護(hù)基底金屬免受腐蝕，也不會與其它元素發(fā)生反應(yīng)。如果這一氧化層受到損害，且暴露在氧氣的情況下會立即重新形成氧化層。鋼鐵就沒有這種活躍的機(jī)制，事實上，在面對氧或水的情況下，鋼鐵中的鐵會形成氧化腐蝕物——鐵銹。

第二個重要區(qū)別在于質(zhì)量。鋁的質(zhì)量是鋼鐵的三分之一，而在很多行業(yè)里使用鋁的重要驅(qū)動力在于可以減輕重量，特別是在交通運輸業(yè)。一般說來，同樣的結(jié)構(gòu)性能，鋁組件的薄板厚度是鋼鐵的兩倍，從而能夠?qū)⒄w質(zhì)量減少33%。這為汽車業(yè)提供了一個很好的前景，因為到2025年必須將燃油經(jīng)濟(jì)性提高到一加侖汽油可以行駛54.5英里。

鋁的附加屬性讓其更為通用，如高導(dǎo)熱性對于冷卻器這類部件極為有用，低電阻率使其成為好的電流導(dǎo)體。但是如果鋁不是具有高度的可制造性，那么所有這些獨特而有用的特性就不值一提了。鋁易于成形、加工、焊接，這些對于鋁的可利用性至關(guān)重要。

焊接方法

隨著合金元素的添加，八組可鍛合金出現(xiàn)了，將鋁的整體應(yīng)用擴(kuò)展到了一個廣泛的制造業(yè)應(yīng)用（見圖表）。但是， 不管是合金還是整體應(yīng)用，還是存在可焊性問題。幸運的是，大多數(shù)合金可以成功地進(jìn)行熔焊，這取決于合金填充材料。使用激光器能夠解決困擾傳統(tǒng)技術(shù)如金屬惰性氣體電弧焊等的難題。和金屬惰性氣體電弧焊相比，激光加工的焊接速度更快，熱量輸入更少，熱影響區(qū)域更小，扭曲變形更少，在很多情況下可以自焊接。

但是，鋁和鋁合金仍具有一些棘手的屬性，如果不適當(dāng)處理就會對焊接造成影響。合金蒸發(fā)和凝固溫度的廣泛范圍會導(dǎo)致鎖孔不穩(wěn)定、多孔性、氣泡、喪失機(jī)械性能以及在焊接冶金中出現(xiàn)各種缺陷，例如熱裂紋。熔融鋁的高氫解度會導(dǎo)致大量焊縫氣孔和氣泡。低粘度和高度流動性的熔融鋁會造成焊道底的沉降和松垂。最后，鋁的高反射性加上高導(dǎo)熱性會引起光能量耦合到材料上。雖然上述這些聽起來讓人很沮喪，但其實激光焊接鋁的歷史和成功案例恰恰相反。這些棘手的特性以及相關(guān)的焊接問題都有明確和證實過的解決方案。下面讓我們簡要了解一下最常見的五個問題，機(jī)制以及控制措施。

 

熱裂紋或者焊接凝固裂紋是凝固壓力作用于微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)果，鋁的高熱擴(kuò)散性和導(dǎo)熱性會加劇這些裂紋。通常利用合適的填充焊絲或鑲嵌填充箔材料來改變焊接性能和避免裂紋敏感峰值就能夠避免熱裂紋敏感性（見圖1）。例如，要獲得良好可焊性，添加硅和鎂的典型值分別為大于2-3%和大于3-4%。在2000系和6000系鋁合金中這些合金的典型范圍為0.4-1.6%，意味著在大多數(shù)情況下這些合金需要填料從而實現(xiàn)無裂紋焊接。

熔融鋁中的氫溶解度會造成很多氣孔。氫事實上是一種含量極為豐富的元素，尤其是在制造加工環(huán)境中，因為它在水、潤滑油和空氣中都存在。上面的問題在于氫已經(jīng)溶解在了熔融鋁中，但在固態(tài)鋁中幾乎不會溶解。在凝固后， 焊接熔池中的氫不是被困在焊接中成為氣孔，就是釋氣形成氣泡。幸運的是， 針對此的預(yù)防措施并不復(fù)雜：

保持材料的清潔和干燥，包括填充焊絲和鋁箔；

避免會造成零件或填充材料冷縮的溫差（例如從存儲區(qū)域轉(zhuǎn)到生產(chǎn)區(qū)域）；

清理焊接點，需要的話去除“多孔”氧化物；

使用保護(hù)氣體。

不穩(wěn)定的合金元素，如鋅、鎂和鋰也會導(dǎo)致氣孔和氣泡。這些元素蒸發(fā)， 通過鎖眼跑出來，并將熔融物帶了出來，留下焊接空洞和污漬的軌跡。這一問題的解決方案也是直截了當(dāng)?shù)模簝H需提供一條足夠大的通道（例如，大型聚焦光斑或串聯(lián)聚焦光斑）或給氣化物提供足夠長的時間（降低焊接速度）來排氣，就不會造成損害。

 

焊道底沉降發(fā)生在6mm或更厚的貫穿焊接中，盡管精確的厚度臨界值取決于波長、合金類型、功率、速度、光斑直徑等。避免沉降最簡單的方法是將焊接頭水平固定，但是很多情況下這是不切實際或不可能實現(xiàn)的。在使用豎向焊接接頭時，可以選擇多種策略來避免焊道底在貫穿焊接中沉降（圖2）：

使用局部貫穿焊接；

重新設(shè)計部件來避免貫穿焊接；

使用焊道底基底材料（例如銅）。

過去鋁的高反射性對于激光焊接來說是一個問題。但是，隨著高功率、高光束質(zhì)量的二氧化碳激光器的逐步發(fā)展，以及高功率、高亮度固體光纖激光器的出現(xiàn)，將能量耦合至鋁上不再成其為問題。這里有一個需要注意的錯誤觀念：現(xiàn)在很多人認(rèn)為由于固體激光器（如碟片激光器和光纖激光器）的波長較短，被鋁吸收得更多，因此就是所有應(yīng)用的最佳選擇。事實并非這樣，對于厚度約4或5mm的材料來說，波長最好是1μm。但是如果材料厚度是在6mm以上，二氧化碳激光器（10.6μm波長） 更好。雖然確切的物理效果仍存在爭議，但是簡單的解釋是吸收率更高意味著材料的上層部分吸收了更多來自1μm 波長的能量。而使用二氧化碳激光器， 10.6μm的波長能夠反射到鎖孔，從而更深地穿透材料。

寶馬7系轎車車門

激光焊接已應(yīng)用于汽車業(yè)，用以連接如車架、車頂、車門、后備箱、駕駛桿、輪轂和燃油過濾器等多種鋁質(zhì)零部件。一種值得注意的應(yīng)用是使用激光端接（對接）焊技術(shù)焊接寶馬7系豪華轎車的鋁質(zhì)車門（圖3）。鋁成為寶馬設(shè)計師們選中的材料，不僅因為其質(zhì)量輕，而且因為能為將來在更大排量汽車上應(yīng)用激光焊接鋁材獲得重要經(jīng)驗。盡管被選中的合金（鋁5083）是一種可以自動可焊接的材料，但是制造工程師選擇使用端接接頭設(shè)計和激光焊接，并使用填充焊絲來保持凸緣寬度接近絕對最小值。這讓工程師們能夠?qū)M截面最大化（圖4），從而使用最少的材料來增加斷面系數(shù)和慣性力矩。

 

激光焊接車門的斷面系數(shù)是電阻點焊車門的1.7倍，慣性力矩是2.3 倍，在強(qiáng)度和硬度方面都有了很大的提升。每輛橋車的四扇鋁質(zhì)車門含有長度超過15米的激光焊接縫， 比鋼質(zhì)車門要輕約30%。緊密而更連貫的激光焊接縫還有一個優(yōu)點在于不需要粘合劑，從而進(jìn)一步減輕了重量，降低了成本。

 制造商們將鋁視作其生產(chǎn)應(yīng)用的理想金屬，主要原因在于鋁的質(zhì)量強(qiáng)度比和耐腐蝕性。大多數(shù)鋁合金是可以熔融焊接的（不管有無填料）， 存在的一些常見的焊接問題也已通過在生產(chǎn)中獲得有效的方法得到克服。從二十世紀(jì)九十年代開始，多個行業(yè)已經(jīng)在生產(chǎn)中利用激光焊接大量鋁和鋁合金零部件。寶馬7系豪華轎車就是一個很好的例子，而未來的愿景是，激光加工、強(qiáng)度、輕質(zhì)以及成本等因素都匯合起來，創(chuàng)造一個優(yōu)雅的解決方案。隨著燃油經(jīng)濟(jì)性在汽車業(yè)的強(qiáng)制執(zhí)行，汽車的輕量化趨向是無法避免的。鋁必定會成為輕量化的重要組成部分，而且由于自身具備的優(yōu)勢和性能，激光焊接也會享有同樣的地位。