鋁是一種通用型金屬，和大多數金屬相比其原子質量極低，在很多方面的性能甚至令人驚嘆。這種低原子質量，加上極強的耐腐蝕性和絕佳的導熱導電性，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。

將鋁和其它主要制造金屬——鋼鐵——相比較，就會發現不少重要區別。一個主要區別在于耐腐蝕性。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，保護基底金屬免受腐蝕，也不會與其它元素發生反應。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。

第二個重要區別在于質量。鋁的質量是鋼鐵的三分之一，而在很多行業里使用鋁的重要驅動力在于可以減輕重量，特別是在交通運輸業。一般說來，同樣的結構性能，鋁組件的薄板厚度是鋼鐵的兩倍，從而能夠將整體質量減少33%。這為汽車業提供了一個很好的前景，因為到2025年必須將燃油經濟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重要。

隨著合金元素的添加，八組可鍛合金出現了，將鋁的整體應用擴展到了一個廣泛的制造業應用（見圖表）。但是，不管是合金還是整體應用，還是存在可焊性問題。幸運的是，大多數合金可以成功地進行熔焊，這取決于合金填充材料。使用激光器能夠解決困擾傳統技術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，如果不適當處理就會對焊接造成影響。合金蒸發和凝固溫度的廣泛范圍會導致鎖孔不穩定、多孔性、氣泡、喪失機械性能以及在焊接冶金中出現各種缺陷，例如熱裂紋。熔融鋁的高氫解度會導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構的結果，鋁的高熱擴散性和導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%，意味著在大多數情況下這些合金需要填料從而實現無裂紋焊接。

圖1：不同合金含量的熱烈紋敏感性；

2000/3000系鋁中硅和鎂含量的范圍用紅色顯示

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溶解在了熔融鋁中，但在固態鋁中幾乎不會溶解。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，針對此的預防措施并不復雜：

• 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（例如從存儲區域轉到生產區域）；

• 清理焊接點，需要的話去除“多孔”氧化物；

• 使用保護氣體。

不穩定的合金元素，如鋅、鎂和鋰也會導致氣孔和氣泡。這些元素蒸發，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的：僅需提供一條足夠大的通道（例如，大型聚焦光斑或串聯聚焦光斑）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；

• 重新設計部件來避免貫穿焊接；

• 使用焊道底基底材料（例如銅）。

圖2：避免焊道底深穿透焊接

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、高光束質量的二氧化碳激光器的逐步發展，以及高功率、高亮度固體光纖激光器的出現，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：現在很多人認為由于固體激光器（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。

激光焊接已應用于汽車業，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零部件。一種值得注意的應用是使用激光端接（對接）焊技術焊接寶馬7系豪華轎車的鋁質車門。

鋁成為寶馬設計師們選中的材料，不僅因為其質量輕，而且因為能為將來在更大排量汽車上應用激光焊接鋁材獲得重要經驗。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。這讓工程師們能夠將橫截面最大化（圖4），從而使用最少的材料來增加斷面系數和慣性力矩。

圖4：電阻點焊和激光焊接車門截面設計的慣性力矩和斷面系數對比

激光焊接車門的斷面系數是電阻點焊車門的1.7倍，慣性力矩是2.3倍，在強度和硬度方面都有了很大的提升。每輛橋車的四扇鋁質車門含有長度超過15米的激光焊接縫，比鋼質車門要輕約30%。緊密而更連貫的激光焊接縫還有一個優點在于不需要粘合劑，從而進一步減輕了重量，降低了成本。

制造商們將鋁視作其生產應用的理想金屬，主要原因在于鋁的質量強度比和耐腐蝕性。大多數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中獲得有效的方法得到克服。從二十世紀九十年代開始，多個行業已經在生產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、強度、輕質以及成本等因素都匯合起來，創造一個優雅的解決方案。隨著燃油經濟性在汽車業的強制執行，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勢和性能，激光焊接也會享有同樣的地位。