鈦由于具有優(yōu)良的生物相容性和良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性等特點(diǎn)，近年來在口腔修復(fù)中的應(yīng)用越來越廣泛。純鈦材料不但可以用于制作可摘局部義齒支架和全口義齒基板，而且還可以用于固定義齒和種植義齒修復(fù)中。在臨床治療過程中，對于長度或跨度較大的固定義齒和可摘局部義齒支架的制作，往往需要將修復(fù)體進(jìn)行分段鑄造，然后通過焊接工藝形成整體，以彌補(bǔ)鑄造過程帶來的不可消除的精度誤差，提高修復(fù)體的質(zhì)量。此外，義齒鑄造缺陷的彌補(bǔ)及支架斷裂的修理，也都需要用到金屬焊接技術(shù)。 激光焊接技術(shù)因其焊接效果好、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，已成為臨床焊接純鈦材料的理想方法。對于激光焊接后純鈦材料力學(xué)性能的變化，以往有過相關(guān)的研究報(bào)道。但由于激光焊接的光斑小、焊縫窄，焊接區(qū)的寬度僅有幾十到幾百個(gè)微米，因此焊縫材料具有薄膜材料特性，只有用研究薄膜材料的方法來研究焊接區(qū)性能，才能準(zhǔn)確描述焊縫薄膜材料的力學(xué)性能，分析影響焊接效果的因素，并且獲得對制作純鈦修復(fù)體具有參考價(jià)值的焊縫薄膜材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 本研究運(yùn)用微小試樣激光干涉應(yīng)變計(jì)法，測試臨床修復(fù)用純鈦材料在不同焊縫寬度時(shí)焊縫薄膜材料的力學(xué)性能，確定了純鈦焊縫薄膜材料拉伸強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果同有限元模擬分析進(jìn)行比較，分析影響焊接性能的因素，最后對實(shí)驗(yàn)試件斷端做掃描電鏡及能譜分析，對焊接區(qū)可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分析，為提高純鈦激光焊接性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 整個(gè)研究包括以下四個(gè)部分實(shí)驗(yàn)： 1．制作規(guī)格為60mm×20mm×1mm及60mm×40mm×1mm的有機(jī)玻璃板作為熔模，鑄造出相應(yīng)尺寸的純鈦板，X線篩選出合格的鑄件。規(guī)格為60mm×20mm×1mm的純鈦板兩兩一組，以尺寸為60mm×1mm面作為焊接面，按照焊縫寬度的不同分為0.00mm、0.25mm、0.50mm焊接組進(jìn)行激光焊接，對照組為規(guī)格60mm×40mm×1mm的純鈦板不作處理。焊接完成后，焊接組與對照組一同線切割出實(shí)驗(yàn)所需的啞鈴狀試件。 2．將實(shí)驗(yàn)一所制備的試件，裝載到微拉伸機(jī)上，運(yùn)用激光干涉應(yīng)變計(jì)法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，記錄極限抗拉強(qiáng)度值，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。繪制拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析激光焊接焊縫薄膜材料及母材的彈性模量、屈服強(qiáng)度、塑性變形及延伸率，對純鈦激光焊接的力學(xué)性能做出整體評價(jià)。 3．在有限元分析中，建立不同焊縫寬度純鈦激光焊接試件及母材試件的三維有限元模型。通過有限元模擬拉伸試驗(yàn)過程，得出不同焊接距離的焊縫薄膜材料拉伸過程中受力和變形情況以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比照。 4．對拉伸試驗(yàn)結(jié)束后的試件斷端做體視顯微鏡及掃描電鏡觀察，從斷面的掃描電鏡圖像觀察其斷裂的方式，并對焊接區(qū)域的缺陷進(jìn)行分析。然后對鑄造純鈦母材及焊料做能譜分析，明確其元素的組成和含量，并進(jìn)行對比，確定鑄造及焊接工藝的可信程度，分析導(dǎo)致焊接區(qū)性能變化的可能原因。 研究結(jié)果表明： 1．焊縫寬度為0.00mm、0.25mm、0.50mm焊接組試件抗拉強(qiáng)度分別為492.16±33.19MPa、488.09±43.18MPa、558.45±10.80MPa與母材抗拉強(qiáng)度532.15±11.62MPa無顯著性差別（p＞0.05）。 2．焊縫寬度為0.00mm、0.25mm和0.50mm焊接組試件延伸率均值分別為1.95%、2.04%和10.92%。隨著焊縫寬度的增大試件延伸率逐漸增大，但遠(yuǎn)小于母材延伸率均值（19.60%）。 3．拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，實(shí)驗(yàn)組試件的塑性變形量明顯小于母材，實(shí)驗(yàn)組頸縮不明顯，剛進(jìn)入塑性變形期即發(fā)生斷裂，母材的塑性變形期均勻平坦，為典型的塑性材料，斷裂時(shí)伴有明顯頸縮。 4．有限元模擬不同焊縫焊接組試件拉伸過程，塑性變形期應(yīng)變量明顯大于實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。 5．?dāng)嗝骟w視顯微鏡觀察提示0.00mm和0.25mm焊縫焊接組試件中心區(qū)存在未焊透點(diǎn)，0.50mm焊縫焊接組試件則焊接充分。掃描電鏡下觀察，母材組試件的斷面呈杯狀與錐狀的塑性形貌，焊接組試件的斷面為塑性及脆性共存的形貌。 6．能譜分析結(jié)果顯示鑄造純鈦母材的鈦含量為96.96%，氧含量為1.05%，焊料的鈦含量為96.73%，氧含量為1.55%，兩者主要成分含量相似，且鈦含量較高，說明純鈦鑄造及焊接工藝可靠。 結(jié)論： 1．焊縫寬度的變化對于純鈦激光焊接的抗拉強(qiáng)度影響不大，但是激光焊接后純鈦焊縫材料的延伸率及塑性變形明顯不及母材。 2．焊縫間隙過小時(shí)，焊縫區(qū)域易出現(xiàn)未焊透的情況，從而影響激光焊接性能。 3．由于焊縫材料延伸率及塑性變形性能下降，焊縫寬度較小時(shí)焊接區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂，進(jìn)而影響義齒的使用壽命；而焊縫寬度較大時(shí)焊接精準(zhǔn)度下降，提示激光焊接時(shí)應(yīng)保持適宜的焊接距離，以0.25mm為宜。
【學(xué)位單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類】：R783.6
【部分圖文】：

圖1-5試件規(guī)格(mm)有機(jī)玻璃板代替蠟片，經(jīng)鑄造技術(shù)得到規(guī)格相同的純鈦 所示）。觀察鑄造完成后的鑄件，表面氧化層較薄，無鑄，為后續(xù)激光焊接提供良好的焊接界面。激光焊接后的滑的銀白色，無污染，密實(shí)，無裂紋。通過慢走絲線切割示），得到不同焊接間隙純鈦實(shí)驗(yàn)試件及母材組實(shí)驗(yàn)試件（圖 1-10 為試件 X 線探傷檢測圖，所有試件均未出現(xiàn)焊接

-31-圖1-10試件X線探傷檢測光干涉應(yīng)變計(jì)法測試原理于焊縫材料的薄膜特性，必須選用能準(zhǔn)確表達(dá)其薄膜特性的研究使用激光干涉應(yīng)變計(jì)法進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。激光干涉應(yīng)的拉伸試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于，滿足薄膜材料應(yīng)變測試要求較高的的得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖 1-11 為激光干涉應(yīng)變計(jì)法試件試驗(yàn)段上用微硬度計(jì)壓兩條平行的標(biāo)記線，拉伸過程中變計(jì)發(fā)射的激光束照射在標(biāo)記線上，從標(biāo)記線反射的激光會(huì)

第四軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文的伸長，干涉條紋將移動(dòng)，通過測定干 2 0sin12dFFd ， 為激光的波長， 為兩標(biāo)記間的距離， 為入射光與測量再結(jié)合該時(shí)間點(diǎn)的載荷計(jì)算出應(yīng)力，分析材料的力學(xué)性能。薄膜材料在進(jìn)行測試結(jié)果有較大的影響。Sharpe 教授對其進(jìn)行了優(yōu)化，得出試件的規(guī)格要法的試件。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2844296