激光焊接參數(shù)對牙科用鈷鉻合金穿透深度的影響

吳澤明,孫方方,聶蓉蓉,孟翔峰

(1.南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院/南京市口腔醫(yī)院 修復(fù)科，江蘇 南京 210008;2.蘇州衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院，江蘇 蘇州 215000)

激光焊接與傳統(tǒng)的焊接方法(如電弧焊、電阻焊)相比，具有無須包埋、操作便捷、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，使其在口腔領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。目前研究表明，激光焊接技術(shù)盡管具有以上優(yōu)點(diǎn)，但也經(jīng)常因?yàn)楹附訁?shù)的不明確，造成了激光焊接在臨床應(yīng)用上的一些困擾。為了解決這一問題，本研究旨在通過在不同的激光焊接參數(shù)下，對鈷鉻合金激光焊接后，測定激光穿透深度，揭示各因素與穿透深度之間的相互關(guān)系，為臨床應(yīng)用時選擇參數(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鈷鉻合金(Wirobond 280，Bego公司，德國)主要成分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鈷(60.2%)、鉻(25%)、鎢(6.2%)、鉬(4.8%)、鎵(2.9%)、錳(<1%)、硅(<1%)。

1.2 材料制備

1.3 激光穿透深度測量

將兩個試件10 mm×6 mm的面相對，固定在特制的夾具(南京慶恒模具機(jī)械廠)上，確保兩個試件的焊接面之間沒有間隙，將夾具上的固定螺絲旋緊，如圖1所示。

圖1試件固定于夾具示意圖

激光焊接機(jī)(Combilabor，Heraeus Kulzer公司，德國)光源為釔釹石榴石晶體(Nd:YAG)，發(fā)射波長為1.064 nm，功率為0.5～5 kW、脈沖時間為0.5～20 ms。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定焊接參數(shù)：光斑直徑0.3、0.6、0.9、1.2 mm，能量6、12、18 J，功率1、1.5、2.0、2.5 kW，能量、功率、脈沖時間三者之間關(guān)系為：能量=功率×脈沖時間，根據(jù)已設(shè)定的能量及功率值確定脈沖時間值(2.4～18 ms)。選擇不同的參數(shù)組合分組，共有48組。

首先對每個焊接面的兩端及正中進(jìn)行焊接固定，減少從一端開始焊接所導(dǎo)致的焊接面熱變形，每個焊接參數(shù)分別獲得10個焊接點(diǎn)。焊接過程在空氣中進(jìn)行，未使用保護(hù)氣體。將焊接面與金相顯微測微尺(C，上海魯碩實(shí)業(yè)有限公司)置于體式顯微鏡(DMZ1500，Nikon，日本)下進(jìn)行觀測、拍攝，將拍攝所獲得的照片導(dǎo)入Photoshop 5.0軟件，以測微尺的刻度為基準(zhǔn)(最小刻度為0.01 mm)對焊接面上的穿透深度進(jìn)行測量。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS 19.0軟件分析數(shù)據(jù)，分別對每組所測得的10個焊接點(diǎn)的穿透深度進(jìn)行多元回歸分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 不同光斑直徑下的穿透深度值

在相同目鏡倍數(shù)下，以金相顯微測微尺為基準(zhǔn)，從焊接面邊緣至焊接穿透最深處作為穿透深度，每組取10個值。不同光斑直徑下，各組穿透深度數(shù)據(jù)見表1。

表1各光斑直徑組鈷鉻合金激光焊接的穿透深度(n=10)

分組光斑直徑/mm能量/J功率/kW脈沖時間/ms穿透深度/mmA10.36160.719±0.047A20.361.540.829±0.087A30.36230.892±0.086A40.362.52.40.831±0.051A50.3121120.890±0.071A60.3121.581.183±0.155A70.312261.671±0.223A80.3122.54.81.812±0.130A90.3181181.007±0.070A100.3181.5121.651±0.153A110.318292.147±0.240A120.3182.57.22.410±0.240B10.66160.501±0.049B20.661.540.649±0.061B30.66230.797±0.079B40.662.52.40.784±0.065B50.6121120.659±0.091B60.6121.580.916±0.056B70.612261.171±0.155B80.6122.54.81.211±0.045B90.6181180.774±0.050B100.6181.5121.109±0.081B110.618291.511±0.156B120.6182.57.21.678±0.069C10.96160.394±0.064

(續(xù)表)

2.2 各因素相關(guān)性

同一輸出能量下，固定激光焊接功率時，穿透深度隨光斑直徑的增大而降低；除1.2 mm光斑直徑組外，同一光斑直徑下，隨激光焊接功率增加，穿透深度逐漸增加；同一焊接功率下，隨脈沖時間增加，輸出能量相應(yīng)增加，穿透深度值也增加。通過相關(guān)分析可知，光斑直徑對穿透深度影響是最大的(F=68.894)，其次是功率(F=29.616)，再次是脈沖時間(F=14.398)。光斑直徑、功率、脈沖時間兩兩交互作用不顯著(P>0.05)。各因素對穿透深度值的影響見表2。

多元線性相關(guān)分析可得，光斑直徑的大小與穿透深度值呈負(fù)相關(guān)(r<0)；功率和脈沖時間與穿透深度呈正相關(guān)(r>0)。在其他參數(shù)不變的情況下，光斑直徑越大，穿透深度值越??；功率越大，穿透深度值越大；脈沖時間越長，穿透深度值越大。見圖2。

表2各因素對鈷鉻合金激光焊接穿透深度值的影響

影響因素F值P值光斑直徑66.8940.003功率29.6160.011脈沖時間14.3980.026功率×脈沖時間2.3990.219光斑直徑×功率3.4670.167光斑直徑×脈沖時間2.2530.276

回歸系數(shù)t檢驗(yàn)的t值分別是-9.009、6.138、

4.128，均P<0.05，說明回歸效果顯著，可得回歸方程：

穿透深度=0.353-1.02×光斑直徑+0.527×功率 +0.046×脈沖時間

3 討 論

圖2各因素相關(guān)系數(shù)示意圖

3.1 光斑直徑對穿透深度的影響

光斑直徑影響著激光束分布于焊接區(qū)的能量密度的大小，直接影響著焊接后穿透深度的大小。1.2 mm光斑直徑的實(shí)驗(yàn)組能量密度最小，“匙孔”效應(yīng)不顯著，穿透深度全部小于0.5 mm。0.3～1.2 mm的實(shí)驗(yàn)組中，在功率和脈沖時間不變的情況下，穿透深度隨光斑直徑的增大顯著降低。Liu等[3]研究表明，與較高的光斑直徑相比，在較低光斑直徑下鈦合金焊接獲得更高的穿透深度。al Jabbari等[4]研究顯示，在1.0～1.8 mm的光斑直徑下，鎳鉻合金的穿透深度均下降到0.4 mm以下。Bertrand等[5]研究發(fā)現(xiàn)，選用0.4～0.6 mm的光斑直徑，純鈦焊接可以獲得較好的穿透深度。本實(shí)驗(yàn)研究顯示，光斑直徑較小時，在較小的能量下就能獲得理想的穿透深度。對于長跨度的鈷鉻合金固定橋修復(fù)體，為了提高修復(fù)體的最終精度，通過將其分段鑄造后進(jìn)行焊接來完成制作?？烧植苛x齒的鑄造支架損壞后，能否完成焊接的修理關(guān)系到修復(fù)體的使用壽命。不同的修復(fù)類型有著不同的焊接需求，固定橋連接體部分通常有4～10 mm2的面積，可摘局部義齒支架厚度為1 mm，這兩種修復(fù)體分別需要1～2 mm、0.5～1 mm焊接的穿透深度。臨床上以鈷鉻合金為材質(zhì)的可摘局部義齒鑄造支架和固定義齒中橋體的焊接厚度要求分別為1～2 mm、3～4 mm，相應(yīng)的穿透深度則要求0.5～2.0 mm。本實(shí)驗(yàn)中1.2 mm光斑直徑的組別穿透深度均小于0.5 mm，不符合臨床要求。0.3～0.9 mm光斑直徑組中共28組參數(shù)獲得的穿透深度為0.5～1.0 mm。在0.3～0.6 mm光斑直徑的組中，穿透深度在1.0～1.5 mm范圍內(nèi)的共有5組。0.3～0.6 mm光斑直徑的組中，1.5～2.0 mm穿透深度的共有7組。因此臨床針對鈷鉻合金進(jìn)行激光焊接時，應(yīng)盡量選擇0.3～0.6 mm的光斑直徑。

3.2 功率對穿透深度的影響

在能量、光斑直徑相同的實(shí)驗(yàn)組(除1.2 mm光斑直徑的實(shí)驗(yàn)組)中，盡管能量密度相同，各組間穿透深度都有明顯變化。1 kW功率的實(shí)驗(yàn)組中，獲得的穿透深度最低；1.5 kW和2.0 kW與1 kW的實(shí)驗(yàn)組相比，穿透深度值明顯提高；2.5 kW與2.0 kW的實(shí)驗(yàn)組相比，穿透深度提高較少。出現(xiàn)這樣結(jié)果可能是由于鈷鉻合金本身的特性所決定，鈷鉻合金熔點(diǎn)為1300～1 400 ℃，屬于高熔合金，熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.142 W·cm-1，鈷鉻合金中3種主要元素鈷、鉻、鉬的激光吸收系數(shù)分別為0.32、0.40、0.40[6]。作用于合金表面的激光束，部分發(fā)生了反射，部分能量轉(zhuǎn)化為熱能被鈷鉻合金表面所吸收；功率較小的激光束所輻射的區(qū)域，因?yàn)閱挝粫r間吸收的熱量較少，向周圍傳輸?shù)臒崃恳簿拖鄬^少，不利于形成“匙孔”效應(yīng)，因此最終的穿透深度相應(yīng)降低。Dowden等[7]研究顯示，相同能量輸出下，鎳鉻合金的激光穿透深度隨功率的上升而增大，從而提高了激光能量的有效利用率。但是，激光功率的提升也是有限度的，機(jī)器的輸出功率受到加工設(shè)備整體性能與制造因素的制約，不可能無限度地提升[8]。激光焊接設(shè)備在過高功率下長期使用會增加設(shè)備元器件的損耗，影響設(shè)備的使用壽命。本實(shí)驗(yàn)中其他焊接參數(shù)相同下，1.5、2.0 kW的實(shí)驗(yàn)組穿透深度提升明顯，因此在臨床應(yīng)用時，在1.5～2.0 kW的范圍內(nèi)選擇功率，可以達(dá)到不同的穿透深度滿足焊接需求。

3.3 脈沖時間對穿透深度的影響

在低功率條件下，為了獲得較高的能量密度，需要提高脈沖時間，焊接面的周圍熱影響區(qū)的范圍增大，導(dǎo)致工件焊接后的疲勞性能降低[9]。

臨床上使用鈷鉻合金制作的不同修復(fù)體進(jìn)行激光焊接時，需要的焊接穿透深度和焊接區(qū)域形狀不盡相同。實(shí)際操作時可以根據(jù)需要的焊接深度使用本研究獲得的回歸方程進(jìn)行激光焊接參數(shù)的選擇。

除了焊接參數(shù)與母材的特性以外，焊接深度也被認(rèn)為與材料的表面形態(tài)有關(guān)，這是因?yàn)椴牧媳砻嫘螒B(tài)可以影響激光束的吸收和反射。Baba等[10]研究顯示，焊接面經(jīng)噴砂處理、涂黑漆、碳化硅砂紙研磨的實(shí)驗(yàn)組，與焊接面拋光的對照組相比較，焊接后的穿透深度都高于對照組。本實(shí)驗(yàn)中對焊接面在焊接前預(yù)先使用50 μm的Al2O3顆粒對試件焊接面噴砂10 s，有利于提高焊接的穿透深度。Perret等[11]研究顯示，“匙孔”在焊接面內(nèi)形成受到多種因素影響，不僅僅只受到能量、功率、光斑直徑等因素的影響。有學(xué)者認(rèn)為脈沖形狀也應(yīng)該納入考慮的范疇[12]。本實(shí)驗(yàn)所使用的激光焊接機(jī)脈沖形狀為廠家固定模式，實(shí)驗(yàn)參數(shù)未涉及脈沖形狀，對于脈沖形狀對焊接穿透深度的影響有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)主要研究了光斑直徑、功率、脈沖時間3個因素對于鈷鉻合金激光焊接后穿透深度的影響。根據(jù)鈷鉻合金的自身特性，建議激光焊接時選擇0.3～0.6 mm 的光斑直徑、1.5～2.0 kW的功率，根據(jù)穿透深度的計算公式：