激光焊接铸造纯钛焊缝薄膜材料力学性能的研究

发布时间：2020-10-17 04:48

　　 钛由于具有优良的生物相容性和良好的机械性能、耐腐蚀性等特点，近年来在口腔修复中的应用越来越广泛。纯钛材料不但可以用于制作可摘局部义齿支架和全口义齿基板，而且还可以用于固定义齿和种植义齿修复中。在临床治疗过程中，对于长度或跨度较大的固定义齿和可摘局部义齿支架的制作，往往需要将修复体进行分段铸造，然后通过焊接工艺形成整体，以弥补铸造过程带来的不可消除的精度误差，提高修复体的质量。此外，义齿铸造缺陷的弥补及支架断裂的修理，也都需要用到金属焊接技术。 激光焊接技术因其焊接效果好、操作简单等优点，已成为临床焊接纯钛材料的理想方法。对于激光焊接后纯钛材料力学性能的变化，以往有过相关的研究报道。但由于激光焊接的光斑小、焊缝窄，焊接区的宽度仅有几十到几百个微米，因此焊缝材料具有薄膜材料特性，只有用研究薄膜材料的方法来研究焊接区性能，才能准确描述焊缝薄膜材料的力学性能，分析影响焊接效果的因素，并且获得对制作纯钛修复体具有参考价值的焊缝薄膜材料应力-应变曲线。 本研究运用微小试样激光干涉应变计法，测试临床修复用纯钛材料在不同焊缝宽度时焊缝薄膜材料的力学性能，确定了纯钛焊缝薄膜材料拉伸强度和应力-应变曲线，并将实验结果同有限元模拟分析进行比较，分析影响焊接性能的因素，最后对实验试件断端做扫描电镜及能谱分析，对焊接区可能出现的缺陷进行分析，为提高纯钛激光焊接性能提供实验依据。 整个研究包括以下四个部分实验： 1．制作规格为60mm×20mm×1mm及60mm×40mm×1mm的有机玻璃板作为熔模，铸造出相应尺寸的纯钛板，X线筛选出合格的铸件。规格为60mm×20mm×1mm的纯钛板两两一组，以尺寸为60mm×1mm面作为焊接面，按照焊缝宽度的不同分为0.00mm、0.25mm、0.50mm焊接组进行激光焊接，对照组为规格60mm×40mm×1mm的纯钛板不作处理。焊接完成后，焊接组与对照组一同线切割出实验所需的哑铃状试件。 2．将实验一所制备的试件，装载到微拉伸机上，运用激光干涉应变计法进行拉伸试验，记录极限抗拉强度值，并进行统计学分析。绘制拉伸应力-应变曲线，分析激光焊接焊缝薄膜材料及母材的弹性模量、屈服强度、塑性变形及延伸率，对纯钛激光焊接的力学性能做出整体评价。 3．在有限元分析中，建立不同焊缝宽度纯钛激光焊接试件及母材试件的三维有限元模型。通过有限元模拟拉伸试验过程，得出不同焊接距离的焊缝薄膜材料拉伸过程中受力和变形情况以及应力-应变曲线，并同实验结果进行比照。 4．对拉伸试验结束后的试件断端做体视显微镜及扫描电镜观察，从断面的扫描电镜图像观察其断裂的方式，并对焊接区域的缺陷进行分析。然后对铸造纯钛母材及焊料做能谱分析，明确其元素的组成和含量，并进行对比，确定铸造及焊接工艺的可信程度，分析导致焊接区性能变化的可能原因。 研究结果表明： 1．焊缝宽度为0.00mm、0.25mm、0.50mm焊接组试件抗拉强度分别为492.16±33.19MPa、488.09±43.18MPa、558.45±10.80MPa与母材抗拉强度532.15±11.62MPa无显著性差别（p＞0.05）。 2．焊缝宽度为0.00mm、0.25mm和0.50mm焊接组试件延伸率均值分别为1.95%、2.04%和10.92%。随着焊缝宽度的增大试件延伸率逐渐增大，但远小于母材延伸率均值（19.60%）。 3．拉伸应力-应变曲线显示，实验组试件的塑性变形量明显小于母材，实验组颈缩不明显，刚进入塑性变形期即发生断裂，母材的塑性变形期均匀平坦，为典型的塑性材料，断裂时伴有明显颈缩。 4．有限元模拟不同焊缝焊接组试件拉伸过程，塑性变形期应变量明显大于实验测试结果。 5．断面体视显微镜观察提示0.00mm和0.25mm焊缝焊接组试件中心区存在未焊透点，0.50mm焊缝焊接组试件则焊接充分。扫描电镜下观察，母材组试件的断面呈杯状与锥状的塑性形貌，焊接组试件的断面为塑性及脆性共存的形貌。 6．能谱分析结果显示铸造纯钛母材的钛含量为96.96%，氧含量为1.05%，焊料的钛含量为96.73%，氧含量为1.55%，两者主要成分含量相似，且钛含量较高，说明纯钛铸造及焊接工艺可靠。 结论： 1．焊缝宽度的变化对于纯钛激光焊接的抗拉强度影响不大，但是激光焊接后纯钛焊缝材料的延伸率及塑性变形明显不及母材。 2．焊缝间隙过小时，焊缝区域易出现未焊透的情况，从而影响激光焊接性能。 3．由于焊缝材料延伸率及塑性变形性能下降，焊缝宽度较小时焊接区域可能会出现脆性断裂，进而影响义齿的使用寿命；而焊缝宽度较大时焊接精准度下降，提示激光焊接时应保持适宜的焊接距离，以0.25mm为宜。
【学位单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2012
【中图分类】：R783.6
【部分图文】：

图1-5试件规格(mm)有机玻璃板代替蜡片，经铸造技术得到规格相同的纯钛 所示）。观察铸造完成后的铸件，表面氧化层较薄，无铸，为后续激光焊接提供良好的焊接界面。激光焊接后的滑的银白色，无污染，密实，无裂纹。通过慢走丝线切割示），得到不同焊接间隙纯钛实验试件及母材组实验试件（图 1-10 为试件 X 线探伤检测图，所有试件均未出现焊接

-31-图1-10试件X线探伤检测光干涉应变计法测试原理于焊缝材料的薄膜特性，必须选用能准确表达其薄膜特性的研究使用激光干涉应变计法进行力学性能试验。激光干涉应的拉伸试验的优点在于，满足薄膜材料应变测试要求较高的的得到试件的应力-应变曲线。图 1-11 为激光干涉应变计法试件试验段上用微硬度计压两条平行的标记线，拉伸过程中变计发射的激光束照射在标记线上，从标记线反射的激光会

第四军医大学硕士学位论文的伸长，干涉条纹将移动，通过测定干 2 0sin12dFFd ， 为激光的波长， 为两标记间的距离， 为入射光与测量再结合该时间点的载荷计算出应力，分析材料的力学性能。薄膜材料在进行测试结果有较大的影响。Sharpe 教授对其进行了优化，得出试件的规格要法的试件。
【参考文献】

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本文编号：2844296