激光焊接参数对牙科用钴铬合金穿透深度的影响

2018-08-10吴泽明孙方方聂蓉蓉孟翔峰

东南大学学报（医学版） 2018年4期

吴泽明,孙方方,聂蓉蓉,孟翔峰

(1.南京大学医学院附属口腔医院/南京市口腔医院修复科，江苏南京 210008;2.苏州卫生职业技术学院附属口腔医院，江苏苏州 215000)

激光焊接与传统的焊接方法(如电弧焊、电阻焊)相比，具有无须包埋、操作便捷、热影响区小等优点，使其在口腔领域应用广泛[1]。目前研究表明，激光焊接技术尽管具有以上优点，但也经常因为焊接参数的不明确，造成了激光焊接在临床应用上的一些困扰。为了解决这一问题，本研究旨在通过在不同的激光焊接参数下，对钴铬合金激光焊接后，测定激光穿透深度，揭示各因素与穿透深度之间的相互关系，为临床应用时选择参数提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

钴铬合金(Wirobond 280，Bego公司，德国)主要成分按质量分数为钴(60.2%)、铬(25%)、钨(6.2%)、钼(4.8%)、镓(2.9%)、锰(<1%)、硅(<1%)。

1.2 材料制备

1.3 激光穿透深度测量

将两个试件10 mm×6 mm的面相对，固定在特制的夹具(南京庆恒模具机械厂)上，确保两个试件的焊接面之间没有间隙，将夹具上的固定螺丝旋紧，如图1所示。

图1试件固定于夹具示意图

激光焊接机(Combilabor，Heraeus Kulzer公司，德国)光源为钇钕石榴石晶体(Nd:YAG)，发射波长为1.064 nm，功率为0.5～5 kW、脉冲时间为0.5～20 ms。本实验中设定焊接参数：光斑直径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、脉冲时间三者之间关系为：能量=功率×脉冲时间，根据已设定的能量及功率值确定脉冲时间值(2.4～18 ms)。选择不同的参数组合分组，共有48组。

首先对每个焊接面的两端及正中进行焊接固定，减少从一端开始焊接所导致的焊接面热变形，每个焊接参数分别获得10个焊接点。焊接过程在空气中进行，未使用保护气体。将焊接面与金相显微测微尺(C，上海鲁硕实业有限公司)置于体式显微镜(DMZ1500，Nikon，日本)下进行观测、拍摄，将拍摄所获得的照片导入Photoshop 5.0软件，以测微尺的刻度为基准(最小刻度为0.01 mm)对焊接面上的穿透深度进行测量。

1.4 统计学处理

采用SPSS 19.0软件分析数据，分别对每组所测得的10个焊接点的穿透深度进行多元回归分析，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同光斑直径下的穿透深度值

在相同目镜倍数下，以金相显微测微尺为基准，从焊接面边缘至焊接穿透最深处作为穿透深度，每组取10个值。不同光斑直径下，各组穿透深度数据见表1。

表1各光斑直径组钴铬合金激光焊接的穿透深度(n=10)

分组光斑直径/mm能量/J功率/kW脉冲时间/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

(续表)

2.2 各因素相关性

同一输出能量下，固定激光焊接功率时，穿透深度随光斑直径的增大而降低；除1.2 mm光斑直径组外，同一光斑直径下，随激光焊接功率增加，穿透深度逐渐增加；同一焊接功率下，随脉冲时间增加，输出能量相应增加，穿透深度值也增加。通过相关分析可知，光斑直径对穿透深度影响是最大的(F=68.894)，其次是功率(F=29.616)，再次是脉冲时间(F=14.398)。光斑直径、功率、脉冲时间两两交互作用不显著(P>0.05)。各因素对穿透深度值的影响见表2。

多元线性相关分析可得，光斑直径的大小与穿透深度值呈负相关(r<0)；功率和脉冲时间与穿透深度呈正相关(r>0)。在其他参数不变的情况下，光斑直径越大，穿透深度值越小；功率越大，穿透深度值越大；脉冲时间越长，穿透深度值越大。见图2。

表2各因素对钴铬合金激光焊接穿透深度值的影响

影响因素F值P值光斑直径66.8940.003功率29.6160.011脉冲时间14.3980.026功率×脉冲时间2.3990.219光斑直径×功率3.4670.167光斑直径×脉冲时间2.2530.276

回归系数t检验的t值分别是-9.009、6.138、

4.128，均P<0.05，说明回归效果显著，可得回归方程：

穿透深度=0.353-1.02×光斑直径+0.527×功率 +0.046×脉冲时间

3 讨论

图2各因素相关系数示意图

3.1 光斑直径对穿透深度的影响

光斑直径影响着激光束分布于焊接区的能量密度的大小，直接影响着焊接后穿透深度的大小。1.2 mm光斑直径的实验组能量密度最小，“匙孔”效应不显著，穿透深度全部小于0.5 mm。0.3～1.2 mm的实验组中，在功率和脉冲时间不变的情况下，穿透深度随光斑直径的增大显著降低。Liu等[3]研究表明，与较高的光斑直径相比，在较低光斑直径下钛合金焊接获得更高的穿透深度。al Jabbari等[4]研究显示，在1.0～1.8 mm的光斑直径下，镍铬合金的穿透深度均下降到0.4 mm以下。Bertrand等[5]研究发现，选用0.4～0.6 mm的光斑直径，纯钛焊接可以获得较好的穿透深度。本实验研究显示，光斑直径较小时，在较小的能量下就能获得理想的穿透深度。对于长跨度的钴铬合金固定桥修复体，为了提高修复体的最终精度，通过将其分段铸造后进行焊接来完成制作。可摘局部义齿的铸造支架损坏后，能否完成焊接的修理关系到修复体的使用寿命。不同的修复类型有着不同的焊接需求，固定桥连接体部分通常有4～10 mm2的面积，可摘局部义齿支架厚度为1 mm，这两种修复体分别需要1～2 mm、0.5～1 mm焊接的穿透深度。临床上以钴铬合金为材质的可摘局部义齿铸造支架和固定义齿中桥体的焊接厚度要求分别为1～2 mm、3～4 mm，相应的穿透深度则要求0.5～2.0 mm。本实验中1.2 mm光斑直径的组别穿透深度均小于0.5 mm，不符合临床要求。0.3～0.9 mm光斑直径组中共28组参数获得的穿透深度为0.5～1.0 mm。在0.3～0.6 mm光斑直径的组中，穿透深度在1.0～1.5 mm范围内的共有5组。0.3～0.6 mm光斑直径的组中，1.5～2.0 mm穿透深度的共有7组。因此临床针对钴铬合金进行激光焊接时，应尽量选择0.3～0.6 mm的光斑直径。

3.2 功率对穿透深度的影响

在能量、光斑直径相同的实验组(除1.2 mm光斑直径的实验组)中，尽管能量密度相同，各组间穿透深度都有明显变化。1 kW功率的实验组中，获得的穿透深度最低；1.5 kW和2.0 kW与1 kW的实验组相比，穿透深度值明显提高；2.5 kW与2.0 kW的实验组相比，穿透深度提高较少。出现这样结果可能是由于钴铬合金本身的特性所决定，钴铬合金熔点为1300～1 400 ℃，属于高熔合金，热传导系数为0.142 W·cm-1，钴铬合金中3种主要元素钴、铬、钼的激光吸收系数分别为0.32、0.40、0.40[6]。作用于合金表面的激光束，部分发生了反射，部分能量转化为热能被钴铬合金表面所吸收；功率较小的激光束所辐射的区域，因为单位时间吸收的热量较少，向周围传输的热量也就相对较少，不利于形成“匙孔”效应，因此最终的穿透深度相应降低。Dowden等[7]研究显示，相同能量输出下，镍铬合金的激光穿透深度随功率的上升而增大，从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，机器的输出功率受到加工设备整体性能与制造因素的制约，不可能无限度地提升[8]。激光焊接设备在过高功率下长期使用会增加设备元器件的损耗，影响设备的使用寿命。本实验中其他焊接参数相同下，1.5、2.0 kW的实验组穿透深度提升明显，因此在临床应用时，在1.5～2.0 kW的范围内选择功率，可以达到不同的穿透深度满足焊接需求。

3.3 脉冲时间对穿透深度的影响

在低功率条件下，为了获得较高的能量密度，需要提高脉冲时间，焊接面的周围热影响区的范围增大，导致工件焊接后的疲劳性能降低[9]。

临床上使用钴铬合金制作的不同修复体进行激光焊接时，需要的焊接穿透深度和焊接区域形状不尽相同。实际操作时可以根据需要的焊接深度使用本研究获得的回归方程进行激光焊接参数的选择。

除了焊接参数与母材的特性以外，焊接深度也被认为与材料的表面形态有关，这是因为材料表面形态可以影响激光束的吸收和反射。Baba等[10]研究显示，焊接面经喷砂处理、涂黑漆、碳化硅砂纸研磨的实验组，与焊接面抛光的对照组相比较，焊接后的穿透深度都高于对照组。本实验中对焊接面在焊接前预先使用50 μm的Al2O3颗粒对试件焊接面喷砂10 s，有利于提高焊接的穿透深度。Perret等[11]研究显示，“匙孔”在焊接面内形成受到多种因素影响，不仅仅只受到能量、功率、光斑直径等因素的影响。有学者认为脉冲形状也应该纳入考虑的范畴[12]。本实验所使用的激光焊接机脉冲形状为厂家固定模式，实验参数未涉及脉冲形状，对于脉冲形状对焊接穿透深度的影响有待进一步研究。