[摘 要] 目的:探讨激光焊接钛的最佳参数及焊接后的机械性能。方法:在不同的参数条件下激光焊接钛,测试力学性能、显微硬度,做金相学检查及断口扫描电镜分析。结果:激光功率影响焊接区的力学性能,随着激光功率的增加,拉伸负荷、伸长量和显微硬度均增加。结论:选择最佳焊接参数10.5 J/P时,激光焊接可取得等同于母材的力学性能。
由于钛及钛合金具有极好的生物相容性、耐腐蚀性、优良的理化性能和力学性能,在口腔修复领域的应用日益广泛。早在20世纪50年代就开始用纯钛制作牙种植体,还可用于嵌体、冠、固定桥等的制作[1-2]。钛的化学性质活泼,高温时极易与空气中的氧、氢、氮、碳等元素发生化学反应,使钛材变脆而影响其力学性能,因此传统的氧焰或空气吹管法已无法满足高质量的焊接需要[3]。本文作者采用国产Nd∶YAG激光器在不同的功率条件下焊接钛,寻求激光焊接钛的最佳参数及焊接后的力学性能,为临床应用提供依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料 采用TA2型工业纯钛(沈阳有色金属加工厂钛分厂),车床加工成直径为3 mm,长分别为35 mm及70 mm的圆柱体。70 mm长的用作母材对照,35 mm长的用作两两焊接用。在工业磨床(M-BIW磨床,上海机床厂)磨平、磨细,使其结构均匀一致,并且焊接面与圆柱体垂直。无水乙醇超声波清洗后固定于精密的夹具中,排成一行,对接。每一参数准备8对试样。1.2 实验方法 采用国产Nd∶YAG激光焊接机(JH-3型,华北光电技术研究所)。激光照射的能量可以调整,光束可通过监视器被聚焦到照射的表面。激光焊接在有氩气保护的环境中进行,氩气的纯度是99.9%,流量是10 L•min-1。采用材料试验机(INSTRON 1121英国)进行拉伸试验,拉伸速度2 mm•min-1,得出拉伸负荷,计算伸长量。通过维氏硬度计(AKASHIMVK-E日本)测量焊接区显微硬度,加载200 g力停留15 s。扫描电镜(SEM,JE-OL.JXA-840日本)观察母材及试样的拉断部位。金相显微镜(Nikon AFZ-Ⅱ型日本)观察试样焊接后的组织结构。
2 结 果
2.1 力学性能测试 母材及4种不同激光参数下焊接钛试件的拉伸负荷及伸长量见表1。对拉伸试验的结果经单因素方差分析,拉伸负荷与激光照射强度有关,再经多重比较q检验得出10.5 J/P激光焊接后的拉伸负荷与母材差异无显著性(P>0.05)。所有焊接后的伸长率明显低于母材(P<0.01)。Tab.1 Results of tensile test (x±s)GroupMaximumtensile load(F/N)Absoluteelongation(L/mm)1.7 J/P 1342±110 0.18±0.094 J/P 1758±114 0.41±0.118 J/P 2036±120 0.68±0.2110.5 J/P 2541±112 2.61±0.87Control 2643±53 9.12±0.362.2 显微硬度 激光焊接后,焊接区的维氏显微硬度均有增高,越接近焊接区硬度越高,越远离焊接区,硬度越低,在非热影响区降至与母材相等。随着激光照射能量的增大,最大硬度也在增加,最高可达383维氏硬度(Hv),而母材硬度为(170±5)Hv,硬度增加的范围也在增大,约为1 000μm。2.3 断口SEM观察 母材在中间部位断裂,断口缩颈最明显,有较深的蜂窝结构,见图1。激光焊接试样都是不完全焊接,为周围部分焊接,随着能量的增加,熔深也增加,最深达1.0 mm,断面无明显的颈缩现象,蜂窝组织较浅,见图2~4。2.4 金相学检查 激光焊接引起焊缝区显微结构的改变,产生局陷性反应区和热影响区。激光焊接为圈状焊接,焊缝组织明显细化,可见针状结构。
3 讨 论
在临床上固定义齿的疲劳断裂常发生在最大拉应力区,因而可用拉伸试验判定焊点的强度[4]。激光焊接为不完全焊接,用拉伸负荷代替拉伸强度,用伸长量代替伸长率来反映材料的力学性能。本研究结果表明,随着激光功率的增大,焊接的熔深也增大,焊接面积增大,拉伸负荷增加,最终与母材接近而差异无显著性,这一点与以前的研究相类似[5-7]。与母材相比,焊接后的伸长量均降低,可见焊接后的塑性下降,这是由于焊缝的组织结构变化引起的。激光焊接是连续的脉冲圈状焊接完成的,熔化区重叠,焊接过程中,激光功率设置低,不能产生足够的热量使金属熔化,熔深较浅。过高的激光功率,热输入量过大,会引起试样表面气化、蒸发而形成凹陷。当激光功率为10.5J/P时,获得最大熔深1.0 mm及最大拉伸负荷,且试件表面形状完好。硬度测试可用来检测焊接过程中对金属结构的—77—刘 红等 Nd∶YAG激光焊接钛的机械性能影响,这是因为微观结构的改变会引起硬度的改变。随着激光功率的增加,显微硬度也增加,高于母材,这是由于焊接过程中高温下的钛易与空气中的O、H、N等起反应,生成多种化合物,不但增加合金的硬度,还降低其伸长率。因此在整个焊接过程中,采取侧吹氩气的方法来加以保护,减少O、H、N的污染,使焊缝的硬度不至于过高[8]。金相学检查发现,激光焊接引起焊缝组织显微结构的变化,热影响区小,大约1 000μm,焊缝组织晶粒小,明显细化,可见针状结构,这是由于在短时间内,激光焊接快速加热、快速冷却的特点决定的。激光焊接钛,焊点强度高,热影响区小,迅速简便,选择好最优的照射参数,在口腔修复领域有广阔的应用前景。
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