01
Papirintroduksjon
Yttria-stabilisert zirconia (YSZ)-keramikk er mye brukt innen ingeniørfag-som termisk barrierebelegg og biomedisin-på grunn av deres høye smeltepunkt, eksepsjonelle hardhet og utmerket korrosjonsbestandighet. Tradisjonelle keramiske sammenføyningsteknikker (f.eks. lodding og diffusjonsbinding) krever vanligvis å utsette hele enheten for langvarig termisk behandling i en ovn med høy-temperatur; denne prosessen kan kompromittere funksjonaliteten til internt innkapslede elektroniske komponenter, og størrelsen på prøvene som behandles er sterkt begrenset av dimensjonene til ovnskammeret. Følgelig er det et presserende behov for å utvikle raske, lokaliserte sammenføyningsteknikker preget av lav termisk tilførsel. Mens ultrarask lasersveising gir den tydelige fordelen med ekstremt lav termisk inngang, resulterer direkte sveising av YSZ-keramikk i svært konsentrert energiavsetning som forårsaker alvorlig materialablasjon. Denne ablasjonen manifesterer seg som skarpe, trekantede hakk, som induserer betydelige spenningskonsentrasjoner og til slutt fører til en leddstyrke som er vesentlig lavere enn for grunnmaterialet.
02
**Fulltekstoversikt**
For å løse de kritiske problemene med alvorlig ablasjon og stresskonsentrasjon, foreslår denne studien en ny metode for fusjonssveising av YSZ-keramikk ved bruk av en oscillerende ultrarask laser. Ved å kontrollere den ultraraske laseren til å oscillere langs en spesifikk bane, utvider denne teknikken interaksjonsområdet mellom laseren og substratet, og sprer dermed laserenergitettheten ved grensesnittet. Resultatene viser at, sammenlignet med direkte sveising, forvandler oscillerende sveising skarpe ablasjonshakk til glatte, finger-lignende hakk og induserer dannelsen av en buet søyleformet kornstruktur innenfor smeltesonen, og forbedrer derved de mekaniske egenskapene til skjøten betydelig. Videre, for å overvinne problemet med utilstrekkelig penetrasjonsdybde assosiert med enkelt-sveising, har denne studien vellykket implementert en dobbeltsidig oscillerende sveiseteknikk; denne tilnærmingen oppnådde full-tykkelsessveising uten ufullstendige penetrasjonsfeil, noe som resulterte i en ytterligere betydelig forbedring av skjøtens fire-bøyestyrke.
03
**Illustrert analyse**
Figur 1 illustrerer prosessprinsippene for oscillerende ultrarask lasersveising og dens fordelaktige effekter på makro- og mikro-morfologien til de resulterende skjøtene. Under sveiseprosessen plasseres prøven på en datamaskin-kontrollert tre-akse (XYZ) bevegelsesplattform; mens laserstrålen går lineært langs Y--aksen, gjennomgår den samtidig en lateral oscillasjon langs X--aksen etter en trekantet bølgeform (fig.. 1a og 1b). Denne omfordelingen av energi via oscillasjon forvandler de skarpe, trekantede ablasjonshakkene-som vanligvis genereres under direkte (ikke-oscillerende) sveising (Fig. 1-c1)-til jevnere, finger-lignende hakk (Fig. 1c), og reduserer dermed konsentrasjonen på disse stedene effektivt. Når det gjelder mikrostruktur, induserer rørevirkningen til den oscillerende laseren på det smeltede bassenget dannelsen av buede søyleformede kornstrukturer i skjøten, orientert parallelt med laserens oscillasjonsbane (fig . 1e). Bruddmorfologien til fusjonssonen (Region II) (Fig. 1d) avslører videre at under mekanisk belastning har disse bølgende, langstrakte søylekornene en tendens til å frakturere langs korngrensene og spalteplanene. Når sprekker forplanter seg langs disse buede korngrensene, er de tvunget til å stadig endre retning; dette øker betraktelig både overflatearealet av sprekkforplantning og energien som kreves for brudd, og forbedrer derved de mekaniske egenskapene til skjøten betydelig.
Figur 2 illustrerer uttømmende de mikrostrukturelle forskjellene mellom skjøter produsert via enkelt-sidig og dobbelt-oscillerende ultrarask lasersveising, samt virkningen av disse forskjellene på fire-bøyestyrke. Figur 2a viser tverrsnittet og bruddmorfologien til en skjøt sveiset ved hjelp av den ensidige oscillasjonsteknikken ved en lasereffekt på 900 mW og en sveisehastighet på 0,1 mm/s. Fordi den ensidige oscillasjonsteknikken sprer laserenergien, reduseres smeltedybden betydelig; følgelig oppnås ikke full-tykkelsessveising, noe som etterlater distinkte ubundne områder i skjøten. Under påført belastning utløser disse upenetrerte områdene alvorlige spenningskonsentrasjoner, og begrenser derved enhver ytterligere forbedring av leddets mekaniske egenskaper. Den dobbeltsidige-oscillasjonssveisestrategien-som ble introdusert spesielt for å overvinne denne flaskehalsen-har vist seg bemerkelsesverdig effektiv. Som vist i figur 2b, under identiske prosesseringsparametere, oppnådde den dobbeltsidige sveiseteknikken fullstendig sammensmelting av skjøten, effektivt eliminerte spenningskonsentrasjonene forårsaket av ubundne områder og økte det effektive bindingsområdet til skjøten betydelig. Den mekaniske egenskapssammenligningen presentert i figur 2c gir visuell bekreftelse på den betydelige økningen i styrke som følge av disse morfologiske forbedringene. For enkelt-sveising ble den maksimale styrken på 53,9 MPa oppnådd ved en sveisehastighet på 0,05 mm/s; omvendt, ved bruk av den dobbeltsidige-sveiseteknikken, ble en maksimal bøyestyrke på 56,2 MPa oppnådd ved en hastighet på 0,10 mm/s-som representerer en forbedring på 102,2 % sammenlignet med direkte sveising. Dette demonstrerer definitivt de avgjørende fordelene ved dobbelt-oscillerende sveising for å eliminere interne defekter og forbedre den generelle mekaniske ytelsen til keramiske skjøter.
