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(dú)特的金屬。對(duì)于制造商們來(lái)說(shuō)，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(yùn)藏量排名第三的金屬，在地殼中的含量超過(guò)8%。

與鋼鐵材質(zhì)對(duì)比

將鋁和其它主要制造金屬——鋼鐵——相比較， 就會(huì)發(fā)現(xiàn)不少重要區(qū)別。一個(gè)主要區(qū)別在于耐腐蝕性。鋁對(duì)氧的親和力歸因于其三個(gè)價(jià)電子。由于氧能夠接受兩個(gè)價(jià)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(huì)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(huì)立即重新形成氧化層。鋼鐵就沒(méi)有這種活躍的機(jī)制，事實(shí)上，在面對(duì)氧或水的情況下，鋼鐵中的鐵會(huì)形成氧化腐蝕物——鐵銹。

第二個(gè)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(dòng)力在于可以減輕重量，特別是在交通運(yùn)輸業(yè)。一般說(shuō)來(lái)，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(gè)很好的前景，因?yàn)榈?025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(duì)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(dú)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(duì)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(gè)廣泛的制造業(yè)應(yīng)用（見(jiàn)圖表）。但是， 不管是合金還是整體應(yīng)用，還是存在可焊性問(wèn)題。幸運(yùn)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(huì)對(duì)焊接造成影響。合金蒸發(fā)和凝固溫度的廣泛范圍會(huì)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(huì)導(dǎo)致大量焊縫氣孔和氣泡。低粘度和高度流動(dòng)性的熔融鋁會(huì)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(huì)引起光能量耦合到材料上。雖然上述這些聽(tīng)起來(lái)讓人很沮喪，但其實(shí)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(wèn)題都有明確和證實(shí)過(guò)的解決方案。下面讓我們簡(jiǎn)要了解一下最常見(jiàn)的五個(gè)問(wèn)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(huì)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(lái)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(jiàn)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(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋焊接。

熔融鋁中的氫溶解度會(huì)造成很多氣孔。氫事實(shí)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?yàn)樗谒?、?rùn)滑油和空氣中都存在。上面的問(wèn)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(huì)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(yùn)的是， 針對(duì)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(huì)造成零件或填充材料冷縮的溫差（例如從存儲(chǔ)區(qū)域轉(zhuǎn)到生產(chǎn)區(qū)域）；

清理焊接點(diǎn)，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(huì)導(dǎo)致氣孔和氣泡。這些元素蒸發(fā)， 通過(guò)鎖眼跑出來(lái)，并將熔融物帶了出來(lái)，留下焊接空洞和污漬的軌跡。這一問(wèn)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(zhǎng)的時(shí)間（降低焊接速度）來(lái)排氣，就不會(huì)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(zhǎng)、合金類型、功率、速度、光斑直徑等。避免沉降最簡(jiǎn)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(shí)際或不可能實(shí)現(xiàn)的。在使用豎向焊接接頭時(shí)，可以選擇多種策略來(lái)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(jì)部件來(lái)避免貫穿焊接；

使用焊道底基底材料（例如銅）。

過(guò)去鋁的高反射性對(duì)于激光焊接來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)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(wèn)題。這里有一個(gè)需要注意的錯(cuò)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(zhǎng)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(shí)并非這樣，對(duì)于厚度約4或5mm的材料來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)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(zhǎng)） 更好。雖然確切的物理效果仍存在爭(zhēng)議，但是簡(jiǎn)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(lái)自1μm 波長(zhǎng)的能量。而使用二氧化碳激光器， 10.6μm的波長(zhǎng)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(guò)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(duì)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(jì)師們選中的材料，不僅因?yàn)槠滟|(zhì)量輕，而且因?yàn)槟転閷?lái)在更大排量汽車上應(yīng)用激光焊接鋁材獲得重要經(jīng)驗(yàn)。盡管被選中的合金（鋁5083）是一種可以自動(dòng)可焊接的材料，但是制造工程師選擇使用端接接頭設(shè)計(jì)和激光焊接，并使用填充焊絲來(lái)保持凸緣寬度接近絕對(duì)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(lái)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(diǎn)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(zhǎng)度超過(guò)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(wú)填料）， 存在的一些常見(jiàn)的焊接問(wèn)題也已通過(guò)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(kāi)始，多個(gè)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(gè)很好的例子，而未來(lái)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(lái)，創(chuàng)造一個(gè)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(wú)法避免的。鋁必定會(huì)成為輕量化的重要組成部分，而且由于自身具備的優(yōu)勢(shì)和性能，激光焊接也會(huì)享有同樣的地位。