激光焊接不同间距烤瓷合金的质量比较

【摘要】　目的　探讨在一定间距下激光焊接非贵金属烤瓷合金的焊接质量及临床应用的可行性。方法　激光焊接0.0 mm、0.25 mm、0.50 mm不同间距的CW-PA烤瓷合金试件，测试其抗拉强度与显微硬度，作场发射扫描电镜断口分析与断面金相分析。结果　结果表明激光焊接0.0 mm、0.25 mm、0.50 mm间距的CW-PA烤瓷合金后，试件的抗拉强度分别是(446.05±82.50) mPa、(485.97±62.35) MPa、(503.32±65.79) MPa，接近其母材(421.53±21.78) mPa。各组间差异无显著性。0.0 mm与0.25 mm组试件的微观形貌良好。结论　①激光焊接件应尽可能靠近；②焊接间距应在0.5 mm以内，以0.25 mm较好，便于操作。

据已往文献报道，激光焊接的试件、修复体或种植体支架，都是两焊件接头紧密接触，即无缝对接［1-6］。而实际工作中，达到上述要求较困难。关于焊件间是否可存在间隙，而不影响其焊缝质量，尚需进行研究。我们在本项实验中对此作一观察。

材料和方法

1.试件制作：机床精细加工不锈钢制得的棒状试件阴模,以嵌体蜡形成试件蜡型,规格直径3 mm×40 mm, 15个。以Bellavest T包埋料（贺利氏古莎公司，德国）作内包埋，再以磷酸盐包埋料作中层包埋,石膏系包埋料作外层包埋。经焙烧,烘烤,以CW-PA烤瓷合金(四川联合大学金属材料系)用高频离心铸造机(Fususngi，意大利)铸造，以50μm Al2O3喷砂。试件末端用砂纸打磨,超声清洗2次待焊。

2.焊接：用游标卡尺精选市售成品0.25 mm、0.5 mm厚的金属各一片，制成宽5 mm、长20 mm的定距片。将2根试棒夹持于特制紫铜夹具上，要求同轴，把0.25 mm的定距片置于其间，压紧，拧紧夹具螺丝，以保证两试件的间距为0.25 mm。再将自制同种材料的厚约0.25 mm的圆片状焊料放到焊缝内。置于激光焊接机(DL2002 型，德国登泰隆公司)机箱内的自制可调节工作台上。在指导光源下对准焦距，再回调1/4圈，重叠焊接一圈。不打磨。焊接参数：305 v，20 ms。共焊接5对试件。同法以0.5 mm间距，焊接5对试件。另设置一无间隙（即0.0 mm）组，也焊接5对。共3组，作对比研究。

3.焊接质量的检测：肉眼观察试件外观，内容包括：连续性，色泽，有无气孔及裂纹，熔区（FZ）与热影响区（HAZ）的宽度，拉伸断裂位置。将试件置于万能测试机（AG-10TA，日本）上，以1 mm/min拉伸断裂，计算出抗拉强度（UTS）。数据作统计学处理。将试件用热塑性材料镶样，磨光，金相抛光后，用全自动硬度仪（HMIS全自动硬度仪，上海）作焊区显微硬度测定。加载为50 g，保压15 s。以各自熔区断裂的试件，用场发射扫描电镜（AMRAY-1845，美国）作断口分析。观察熔深、韧窝等微观形貌以及有无裂纹、气泡、杂质等。将金相磨片腐蚀后，置于金相显微镜（MEF-3A，德国）下作金相分析，观察熔深、熔区、热影响区范围及晶体结构等。

结果

1.焊接试件外观：无间隙组激光焊接试件的焊缝区微凹陷，熔区光亮，未着色，无裂纹。0.25 mm与0.5 mm组试件的焊缝区微凸起，其余外观所见同前。各组焊接试件的熔区宽度都在1.25～1.9 mm之间；拉伸断裂均发生在母材区。

2.力学性能测试：母材及各种间距激光焊接试件的抗拉强度如表1所示。

表1　各种处理试件的抗拉强度值
组别     抗拉强度（MPa）
    s
母材     421.53     21.78
0.0 mm间隙焊接试件     446.05     82.50
0.25 mm间隙焊接试件     485.97     62.35
0.50 mm间隙焊接试件     503.32     65.79

注：单因素方差分析,组间差异无显著性（P＞0.05）；组内两两比较(q检验)，差异亦无显著性（P＞0.05）3.显微硬度：HV值呈较陡下降曲线，熔区高，母材低。3组的趋势及变化范围一致。

4.扫描电镜断口观察：

(1)无缝对接焊试件（0.0 mm）断口的低倍镜形貌，显示熔深及全层完全焊透；高倍镜显示一些韧窝，表明其具有一定塑性。

(2)0.25 mm间距焊接试件多数也如此。有一个0.25 mm间距焊接试件断口的低倍镜形貌，显示断面金属完全熔透，但其中心左侧有一小块三角形区未融合在一起，仅有重熔再结晶的痕迹。

(3)0.50 mm间距焊接试件断口的低倍镜形貌，显示断面金属大部分熔透，但其中心偏左侧有三角形区金属未熔化，可见明显平坦的机加工痕迹，无重熔特征。

5.金相分析结果

HV值呈较陡下降曲线，熔区高，母材低，3组的趋势及变化范围一致图1　各种间距激光焊接试件的显微硬度值

无缝对接焊试件(0.0 mm)断口的低倍镜形貌,显示熔深及全层,完全焊透(×)图1b 0.25mm间距焊接试件断口的低倍镜形貌,显示完全熔化,中心示熔合(×80)图2c 0.50mm间距焊接试件断口的低倍镜形貌,显示中心未熔化,假焊(×80)图2d 焊接试件断口的高倍镜形貌,显示一定塑性(×10000) 图3焊接试件熔区-母材交界区的金相照片,显示热影响区很小(×500)图4a 无缝对接焊试件(0.0mm)熔区的金相照片,显示熔深及全层,完全焊透(×40)图4b 0.25mm间距焊接试件熔区的金相照片,显示完全焊透(×40) 图4c0.50mm间距焊接试件熔区的金相照片,显示完全焊透(×40) 图4d另一个0.50mm间距焊接试件熔区的金相照片,显示激光束偏离焊缝线(×1000)

(1)无缝对接焊试件的金相照片，中份颜色较深的部分是熔区，两边是母材区，显示完全熔透；高倍镜显示，二者之间分界明显，无明显的过渡区即热影响区。

(2)0.25 mm间隙焊接试件的低倍镜金相照片，显示断面金属完全熔透。

(3)0.5 mm间隙焊接试件的低倍镜金相照片，也显示断面金属完全熔透，熔区较宽，有重复脉冲焊点。在一幅0.5 mm间隙焊接试件的同倍金相照片，可见一小块区域未融合，虽脉冲焊点很深，但激光束偏离焊缝线，未焊透，也属假焊。

讨论

1.激光焊接与CW-PA烤瓷合金：与常规焊接方法相比，激光焊接具有精确、快速、清洁、高效及操作简便等突出优点，深受广大口腔工作者的欢迎。CW-PA烤瓷合金为镍基合金，是一种非贵金属烤瓷合金。其主要成分为Ni、Cr、Nb等，多用于牙科烤瓷冠桥的金属底层，如何获得良好的焊接接头性能是加工技术的关键。

2.设计3种间距的依据：一般的焊料焊接来说，有一定间距是不可避免的，有利于焊料的流动和充满间隙，形成牢固连接，避免假焊。但若间距太小，焊料流不进去；若间距太大，则易形成空洞，影响强度。关于最宜间距，多数学者认为一般的牙科钎焊试件间距应在0.2～0.4 mm之间［1-5］，Leon和Jack［2］认为0.33 mm是最佳间距。但有关激光焊接的最宜间距尚未见报道。为此，本项研究设计了0.0 mm、0.25 mm、0.50 mm 3种情况的间距。

3.3种间距的焊接试件的力学性能：3种间距焊接试件的力学性能都很好，与母材相近。4组的测试结果相比较，差异无统计学意义（P＞0.05，表1）。显微硬度都呈现同样趋势。熔区宽度均很小，在1.25～1.9 mm之间。如果焊接脉冲点只沿圆周线重叠而无水平向重叠的话，其熔区宽度一致即说明该宽度只与激光束焦点的光斑直径有关,而不受间距的影响。

4.金相和SEM分析：3种情况均能焊透3 mm直径的金属试棒。一般连接体最大直径应不大于3 mm，可见3种间距皆可用于临床。虽然有一组0.50 mm间距焊接试样经电镜观察断口和金相都显示未焊透，但前者（图2a，2b，4a、4b、4c）绝大部分都熔过试棒中心，后者（图4d）提示激光束打偏，推测与焊接时激光未对准试棒中心有关。故激光焊接虽是自动化设备，但操作者也应不断提高技术。至于0.25 mm的有一件虽熔透而未融合，乃是由于焊料未加好所致，可见制作好焊料并放好位置也很重要。

5.研究有缝焊接的意义：激光焊接可用于口腔修复、种植、正畸等各种部件，如固定桥桥体与连接体的焊接、种植支架、RPD支架及CAD/CAM修复体的焊接。实验室制作中，预先设计的焊缝接口，如制作蜡型时，可尽量把焊接端设计紧密些，但也很难达到完全无缝对接的理想状态。至于铸造精度的矫正与铸造缺陷的修补时，接口几乎都是有缝的。因此研究有缝焊接具有重要的实用意义。

本项研究的结果表明，激光焊接件的接头之间应尽可能靠近，以便于控制光束方向，取得良好的焊接效果。激光焊接件间存在一定间隙是允许的，以0.25 mm左右间距较好，有利于临床操作。超过0.5 mm的间距难于控制操作，不适于激光焊接。