01
Pappersintroduktion
Yttria-stabiliserad zirkoniumoxid (YSZ)-keramik används i stor utsträckning inom teknikområden-såsom termiska barriärbeläggningar och biomedicin-på grund av deras höga smältpunkt, exceptionella hårdhet och utmärkta korrosionsbeständighet. Traditionella keramiska sammanfogningstekniker (t.ex. hårdlödning och diffusionsbindning) kräver vanligtvis att hela enheten utsätts för långvarig värmebehandling i en ugn med hög-temperatur; denna process kan äventyra funktionaliteten hos internt inkapslade elektroniska komponenter, och storleken på proverna som bearbetas är kraftigt begränsad av ugnskammarens dimensioner. Följaktligen finns det ett akut behov av att utveckla snabba, lokaliserade sammanfogningstekniker som kännetecknas av låg värmeeffekt. Medan ultrasnabb lasersvetsning erbjuder den distinkta fördelen med extremt låg termisk ingång, leder direktsvetsning av YSZ-keramik till högkoncentrerad energiavsättning som orsakar allvarlig materialablation. Denna ablation visar sig som skarpa, triangulära skåror, som inducerar betydande spänningskoncentrationer och i slutändan leder till en ledstyrka som är väsentligt lägre än den hos modermaterialet.
02
**Fulltextöversikt**
För att ta itu med de kritiska frågorna med svår ablation och stresskoncentration, föreslår denna studie en ny metod för smältsvetsning av YSZ-keramik med användning av en oscillerande ultrasnabb laser. Genom att styra den ultrasnabba lasern att svänga längs en specifik bana, utökar denna teknik interaktionsområdet mellan lasern och substratet, och sprider därigenom laserenergitätheten vid gränssnittet. Resultaten visar att, jämfört med direktsvetsning, omvandlar oscillerande svetsning skarpa ablationsskåror till släta, finger-liknande skåror och inducerar bildandet av en krökt kolumnformig kornstruktur inom smältzonen, vilket avsevärt förbättrar fogens mekaniska egenskaper. Dessutom, för att övervinna problemet med otillräckligt inträngningsdjup i samband med enkel-svetsning, har denna studie framgångsrikt implementerat en dubbel-oscillerande svetsteknik; detta tillvägagångssätt uppnådde full-tjocklekssvetsning fri från ofullständiga penetrationsdefekter, vilket resulterade i en ytterligare väsentlig förbättring av fogens fyra-böjhållfasthet.
03
**Illustrerad analys**
Figur 1 illustrerar processprinciperna för oscillerande ultrasnabb lasersvetsning och dess fördelaktiga effekter på makro- och mikro-morfologi hos de resulterande fogarna. Under svetsprocessen placeras provet på en datorstyrd-tre- rörelseplattform med tre axlar (XYZ); medan laserstrålen rör sig linjärt längs Y--axeln, genomgår den samtidigt en lateral oscillation längs X--axeln efter en triangulär vågform (Fig.. 1a och 1b). Denna omfördelning av energi via oscillation omvandlar de skarpa, triangulära ablationsskårorna-som vanligtvis genereras under direkt (icke-oscillerande) svetsning (Fig. 1-c1)-till jämnare, finger-liknande skåror (Fig. 1c), vilket minskar koncentrationen på dessa platser effektivt. När det gäller mikrostruktur inducerar den oscillerande laserns omrörningsverkan på den smälta poolen bildandet av krökta kolumnformiga kornstrukturer i fogen, orienterade parallellt med laserns oscillationsbana (Fig . 1e). Sprickmorfologin för fusionszonen (Region II) (Fig . 1d) avslöjar vidare att under mekanisk belastning tenderar dessa vågformade, långsträckta kolumnformiga korn att spricka längs sina korngränser och klyvningsplan. När sprickor utbreder sig längs dessa krökta korngränser, är de tvungna att ständigt ändra sin riktning; detta ökar avsevärt både ytarean av sprickutbredning och energin som krävs för fraktur, vilket avsevärt förbättrar fogens mekaniska egenskaper.
Figur 2 illustrerar uttömmande de mikrostrukturella skillnaderna mellan fogar som produceras via enkel-sidig och dubbel-oscillerande ultrasnabb lasersvetsning, såväl som inverkan av dessa skillnader på böjhållfastheten i fyra-punkter. Figur 2a visar tvärsnittet och brottmorfologin för en fog svetsad med den enkelsidiga oscillationstekniken med en lasereffekt på 900 mW och en svetshastighet på 0,1 mm/s. Eftersom den enkelsidiga oscillationstekniken sprider laserenergin reduceras smältdjupet avsevärt; följaktligen uppnås inte full-tjocklekssvetsning, vilket lämnar distinkta obundna områden i fogen. Under applicerad belastning utlöser dessa openetrerade områden svåra spänningskoncentrationer, vilket begränsar ytterligare förbättringar av fogens mekaniska egenskaper. Den dubbelsidiga-oscillationssvetsningsstrategin-som introducerades specifikt för att övervinna denna flaskhals-har visat sig vara anmärkningsvärt effektiv. Som visas i figur 2b, under identiska bearbetningsparametrar, uppnådde den dubbelsidiga svetstekniken framgångsrikt fullständig sammansmältning av fogen, vilket effektivt eliminerade spänningskoncentrationerna orsakade av obundna områden och avsevärt ökade fogens effektiva bindningsarea. Den mekaniska egenskapsjämförelsen som presenteras i figur 2c ger visuell bekräftelse på den signifikanta ökningen i styrka som är ett resultat av dessa morfologiska förbättringar. För enkel-svetsning uppnåddes den maximala styrkan på 53,9 MPa vid en svetshastighet på 0,05 mm/s; omvänt, när man använder den dubbelsidiga-svetstekniken, uppnåddes en maximal böjhållfasthet på 56,2 MPa vid en hastighet av 0,10 mm/s-vilket representerar en 102,2 % förbättring jämfört med direktsvetsning. Detta visar på ett avgörande sätt de avgörande fördelarna med dubbel-oscillerande svetsning för att eliminera inre defekter och förbättra den övergripande mekaniska prestandan hos keramiska fogar.
