齿科钛金属的激光焊接性及接头应力有限元模拟

摘要

钛金属具有优异的综合力学性能，并且具有优良的生物相容性和耐腐蚀性，是目前较理想的口腔修复材料。激光焊接由于具有能量集中、焊缝成形好、加热速度快、接头热影响区小等优势，正在成为钛金属焊接的重要手段。但是激光焊接由于局部高温加热，高功率密度的热输入集中作用在焊缝附近，易造成焊接区温度的急剧变化并在焊件内部形成较大的温度梯度，从而导致焊后在接头中产生残余应力。因此对齿科钛金属的激光焊接性及其接头残余应力进行研究，在口腔医学的临床应用中具有重要的实际意义。 对齿科钛金属的激光焊接性研究表明：激光功率密度可以作为评价接头性能的一个综合参数，激光光斑直径对接头性能的影响远甚于激光功率。研究中发现，随着激光功率密度的增加，获得接头的强度呈先增大而后下降的趋势。经测试分析可知，激光功率为1.6 kW，光斑直径为0.7mm时，获得接头的强度较佳；对接头断口进行SEM观察显示，接头断裂区存在明显的韧窝，未见有夹杂、微裂纹等缺陷，大部呈韧性断裂特征。进一步的接头TEM分析表明，组织中针状马氏体的亚结构由胞状亚结构和微孪晶组成。研究表明齿科钛金属进行激光焊接是可行的，只要采取合理的焊接参数和焊接工艺，齿科钛金属激就可以获得较好的接头质量。 研究三维齿科有限元模型，对焊缝中心截面的残余应力场进行模拟，结果表明：在X方向和Y方向上，残余应力在材料表面都呈现拉应力状态，而在材料内部呈现压应力状态。横截面上的残余应力在X方向上和Y方向上都比较小，不会影响齿科钛金属接头在临床上的应用。对轴向残余应力研究表明：在焊缝及熔合线附近的残余应力最高，并且呈拉应力状态，而热影响区为压应力。轴向残余应力具有集中分布而且窄的特点。从焊件接头的轴向分析可知，焊缝及熔合线附近的残余应力为拉应力，远高于焊缝中心截面表面处的拉应力，较高的拉应力会导致裂纹产生，影响结构的强度、刚度、精度及尺寸稳定性。分析研究结果可为齿科钛金属在临床中应用提供技术支持，为实际接头的残余应力预测提供理论指导。