01
Papir Uvod
Z itrijem-stabilizirano cirkonijevo (YSZ) keramiko se zaradi visokega tališča, izjemne trdote in odlične odpornosti proti koroziji pogosto uporablja na inženirskih področjih,-kot so toplotno zaščitni premazi in biomedicina-. Tradicionalne tehnike spajanja keramike (npr. trdo spajkanje in difuzijsko lepljenje) običajno zahtevajo izpostavljanje celotnega sklopa dolgotrajni termični obdelavi v visoko-temperaturni peči; ta postopek lahko ogrozi funkcionalnost notranjih inkapsuliranih elektronskih komponent, velikost vzorcev, ki se obdelujejo, pa je močno omejena z dimenzijami komore peči. Zato je nujno treba razviti hitre, lokalizirane tehnike spajanja, za katere je značilen nizek vnos toplote. Medtem ko ultrahitro lasersko varjenje ponuja izrazito prednost izjemno nizkega vnosa toplote, neposredno varjenje keramike YSZ povzroči visoko koncentrirano odlaganje energije, ki povzroči močno ablacijo materiala. Ta ablacija se kaže kot ostre, trikotne zareze, ki povzročajo znatne koncentracije napetosti in na koncu vodijo do trdnosti spoja, ki je bistveno nižja od trdnosti osnovnega materiala.
02
**Pregled celotnega besedila**
Za reševanje kritičnih vprašanj hude ablacije in koncentracije napetosti ta študija predlaga novo metodo za talilno varjenje keramike YSZ z uporabo nihajočega ultrahitrega laserja. S krmiljenjem ultrahitrega laserja, da niha vzdolž določene trajektorije, ta tehnika razširi območje interakcije med laserjem in substratom ter tako razprši gostoto laserske energije na vmesniku. Rezultati kažejo, da v primerjavi z neposrednim varjenjem oscilacijsko varjenje spremeni ostre ablacijske zareze v gladke, prstom-podobne zareze in povzroči nastanek ukrivljene stebričaste zrnate strukture znotraj talilne cone, s čimer znatno izboljša mehanske lastnosti spoja. Poleg tega je ta študija za premagovanje težave nezadostne globine preboja, povezane z eno-stranskim varjenjem, uspešno implementirala dvostransko-tehniko oscilacijskega varjenja; s tem pristopom je bilo doseženo varjenje na polno-debelino brez napak pri nepopolni penetraciji, kar je povzročilo nadaljnje znatno izboljšanje štiri-točkovne upogibne trdnosti spoja.
03
**Ilustrirana analiza**
Slika 1 ponazarja principe postopka oscilirajočega ultrahitrega laserskega varjenja in njegove ugodne učinke na makro- in mikro-morfologijo nastalih spojev. Med postopkom varjenja se vzorec postavi na računalniško-krmiljeno tri-osno (XYZ) gibljivo platformo; medtem ko laserski žarek prečka linearno vzdolž osi Y-, je hkrati podvržen stranskemu nihanju vzdolž osi X- po trikotni valovni obliki (sliki. 1a in 1b). Ta prerazporeditev energije prek nihanja spremeni ostre, trikotne ablacijske zareze-ki običajno nastanejo med neposrednim (ne-oscilirajočim) varjenjem (slika. 1-c1)-v bolj gladke, prstom-podobne zareze (slika. 1}c), s čimer se učinkovito zmanjša koncentracija napetosti na teh mestih. Kar zadeva mikrostrukturo, mešanje oscilirajočega laserja na bazo staline inducira tvorbo ukrivljenih stebrastih zrnatih struktur znotraj spoja, ki so usmerjene vzporedno z nihajno trajektorijo laserja (slika. 1e). Morfologija loma fuzijske cone (regija II) (slika. 1d) nadalje razkriva, da se ta valovita, podolgovata stebričasta zrna pod mehanskimi obremenitvami nagibajo k lomljenju vzdolž svojih meja zrn in ravnin cepitve. Ko se razpoke širijo vzdolž teh ukrivljenih meja zrn, so prisiljene nenehno spreminjati svojo smer; to znatno poveča površino širjenja razpok in energijo, potrebno za lom, s čimer se znatno izboljšajo mehanske lastnosti spoja.
Slika 2 izčrpno ponazarja mikrostrukturne razlike med spoji, izdelanimi z eno-stranskim in dvo-stranskim nihajočim ultra hitrim laserskim varjenjem, kot tudi vpliv teh razlik na štiri-točkovno upogibno trdnost. Slika 2a predstavlja prečni-prerez in morfologijo loma spoja, zvarjenega z uporabo eno-stranske oscilacijske tehnike pri moči laserja 900 mW in hitrosti varjenja 0,1 mm/s. Ker tehnika-enostranskega nihanja razprši lasersko energijo, se globina taline bistveno zmanjša; posledično ni doseženo varjenje-polne debeline, zaradi česar znotraj spoja ostanejo različna nevezana območja. Pod uporabljeno obremenitvijo te nepredrte regije sprožijo močne koncentracije napetosti in s tem omejijo kakršno koli nadaljnje izboljšanje mehanskih lastnosti spoja. Dvostranska -strategija varjenja z nihanjem,-ki je bila uvedena posebej za premagovanje tega ozkega grla-se je izkazala za izjemno učinkovito. Kot je prikazano na sliki 2b, je pri enakih obdelovalnih parametrih dvo-stranska varilna tehnika uspešno dosegla popolno zlitje spoja, učinkovito odpravo koncentracij napetosti, ki jih povzročajo nepovezana območja, in znatno povečanje učinkovite vezne površine spoja. Primerjava mehanskih lastnosti, predstavljena na sliki 2c, zagotavlja vizualno potrditev znatnega povečanja trdnosti, ki je posledica teh morfoloških izboljšav. Pri eno-stranskem varjenju je bila največja trdnost 53,9 MPa dosežena pri hitrosti varjenja 0,05 mm/s; nasprotno pa je bila pri uporabi dvo-tehnike varjenja največja upogibna trdnost 56,2 MPa dosežena pri hitrosti 0,10 mm/s-, kar predstavlja 102,2-odstotno izboljšanje v primerjavi z neposrednim varjenjem. To dokončno dokazuje odločilne prednosti dvo-stranskega nihajnega varjenja pri odpravljanju notranjih napak in izboljšanju splošne mehanske učinkovitosti keramičnih spojev.
