01
Papir introduktion
Yttria-stabiliseret zirconia (YSZ)-keramik bruges i vid udstrækning inden for ingeniørområder-såsom termiske barrierebelægninger og biomedicin-på grund af deres høje smeltepunkt, enestående hårdhed og fremragende korrosionsbestandighed. Traditionelle keramiske sammenføjningsteknikker (f.eks. lodning og diffusionsbinding) kræver typisk, at hele samlingen udsættes for langvarig termisk behandling i en høj-temperaturovn; denne proces kan kompromittere funktionaliteten af internt indkapslede elektroniske komponenter, og størrelsen af de prøver, der behandles, er stærkt begrænset af dimensionerne af ovnkammeret. Derfor er der et presserende behov for at udvikle hurtige, lokaliserede sammenføjningsteknikker karakteriseret ved lavt termisk input. Mens ultrahurtig lasersvejsning giver den klare fordel ved ekstremt lavt termisk input, resulterer direkte svejsning af YSZ-keramik i højkoncentreret energiaflejring, der forårsager alvorlig materialeablation. Denne ablation viser sig som skarpe, trekantede indhak, som inducerer betydelige spændingskoncentrationer og i sidste ende fører til en ledstyrke, der er væsentligt lavere end modermaterialets.
02
**Fuld tekstoversigt**
For at løse de kritiske problemer med alvorlig ablation og stresskoncentration, foreslår denne undersøgelse en ny metode til fusionssvejsning af YSZ-keramik ved hjælp af en oscillerende ultrahurtig laser. Ved at styre den ultrahurtige laser til at oscillere langs en specifik bane, udvider denne teknik interaktionsområdet mellem laseren og substratet og spreder derved laserenergitætheden ved grænsefladen. Resultaterne viser, at sammenlignet med direkte svejsning, omdanner oscillerende svejsning skarpe ablationshak til glatte, finger-lignende hak og inducerer dannelsen af en buet søjleformet kornstruktur i fusionszonen, hvorved de mekaniske egenskaber af samlingen forbedres væsentligt. For at overvinde problemet med utilstrækkelig indtrængningsdybde forbundet med enkelt-sidet svejsning, implementerede denne undersøgelse med succes en dobbelt-oscillerende svejseteknik; denne tilgang opnåede fuld-tykkelsessvejsning fri for ufuldstændige penetrationsfejl, hvilket resulterede i en yderligere væsentlig forbedring af samlingens fire-bøjningsstyrke.
03
**Illustreret analyse**
Figure 1 illustrates the process principles of oscillating ultrafast laser welding and its beneficial effects on the macro- and micro-morphology of the resulting joints. During the welding process, the specimen is positioned on a computer-controlled three-axis (XYZ) motion platform; while the laser beam traverses linearly along the Y-axis, it simultaneously undergoes a lateral oscillation along the X-axis following a triangular waveform (Figs. 1a and 1b). This redistribution of energy via oscillation transforms the sharp, triangular ablation notches-typically generated during direct (non-oscillating) welding (Fig. 1-c1)-into smoother, finger-like notches (Fig. 1c), thereby effectively mitigating stress concentration at these sites. In terms of microstructure, the stirring action of the oscillating laser on the molten pool induces the formation of curved columnar grain structures within the joint, oriented parallel to the laser's oscillation trajectory (Fig. 1e). The fracture morphology of the fusion zone (Region II) (Fig. 1d) further reveals that, under mechanical loading, these undulating, elongated columnar grains tend to fracture along their grain boundaries and cleavage planes. As cracks propagate along these curved grain boundaries, they are compelled to constantly alter their direction; this significantly increases both the surface area of crack propagation and the energy required for fracture, thereby substantially enhancing the mechanical properties of the joint.
Figur 2 illustrerer udførligt de mikrostrukturelle forskelle mellem samlinger fremstillet via enkelt-sidet og dobbelt-oscillerende ultrahurtig lasersvejsning, såvel som indvirkningen af disse forskelle på fire-bøjningsstyrken. Figur 2a viser tværsnittet og brudmorfologien af en samling, der er svejset ved hjælp af den enkelt--sidede oscillationsteknik ved en lasereffekt på 900 mW og en svejsehastighed på 0,1 mm/s. Fordi den enkelt{11}}sidede oscillationsteknik spreder laserenergien, reduceres smeltedybden betydeligt; følgelig opnås der ikke fuld-tykkelsessvejsning, hvilket efterlader distinkte ubundne områder i samlingen. Under påført belastning udløser disse ugennemtrængede områder alvorlige spændingskoncentrationer og begrænser derved enhver yderligere forbedring af leddets mekaniske egenskaber. Den dobbeltsidede-oscillationssvejsestrategi-introduceret specifikt for at overvinde denne flaskehals-har vist sig bemærkelsesværdig effektiv. Som vist i figur 2b, under identiske behandlingsparametre, opnåede den dobbeltsidede svejseteknik med succes fuldstændig sammensmeltning af samlingen, hvilket effektivt eliminerede spændingskoncentrationerne forårsaget af ubundne områder og væsentligt forøgede det effektive bindingsområde af samlingen. Den mekaniske egenskabssammenligning præsenteret i figur 2c giver visuel bekræftelse af den betydelige stigning i styrke som følge af disse morfologiske forbedringer. For enkelt-svejsning blev den maksimale styrke på 53,9 MPa opnået ved en svejsehastighed på 0,05 mm/s; omvendt, når der blev brugt den dobbelte-sidede svejseteknik, blev der opnået en maksimal bøjningsstyrke på 56,2 MPa ved en hastighed på 0,10 mm/s-, hvilket repræsenterer en forbedring på 102,2 % sammenlignet med direkte svejsning. Dette demonstrerer endegyldigt de afgørende fordele ved dobbelt-oscillerende svejsning ved at eliminere interne defekter og forbedre den overordnede mekaniske ydeevne af keramiske samlinger.
