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논문소개
이트리아{0}}안정화 지르코니아(YSZ) 세라믹은 높은 융점, 탁월한 경도 및 뛰어난 내식성으로 인해{1}}차열 코팅 및 생물의학-과 같은 엔지니어링 분야에서 널리 활용됩니다. 전통적인 세라믹 접합 기술(예: 브레이징 및 확산 접합)은 일반적으로 고온로 내에서 전체 어셈블리를 장기간 열처리해야 합니다. 이 프로세스는 내부적으로 캡슐화된 전자 부품의 기능을 손상시킬 수 있으며 처리되는 샘플의 크기는 퍼니스 챔버의 크기에 의해 심각하게 제한됩니다. 결과적으로, 낮은 열 입력을 특징으로 하는 신속하고 국부적인 접합 기술의 개발이 시급히 필요합니다. 초고속 레이저 용접은 매우 낮은 열 입력이라는 뚜렷한 이점을 제공하는 반면, YSZ 세라믹의 직접 용접은 심각한 재료 제거를 유발하는 고농축 에너지 증착을 초래합니다. 이러한 절제는 날카로운 삼각형 노치로 나타나 상당한 응력 집중을 유도하고 궁극적으로 모재의 접합 강도보다 실질적으로 낮은 접합 강도를 초래합니다.
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**전체 텍스트 개요**
심각한 절제 및 응력 집중이라는 중요한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 진동 초고속 레이저를 활용하여 YSZ 세라믹의 융합 용접을 위한 새로운 방법을 제안합니다. 특정 궤적을 따라 진동하도록 초고속 레이저를 제어함으로써 이 기술은 레이저와 기판 사이의 상호 작용 영역을 확장하여 경계면에서 레이저 에너지 밀도를 분산시킵니다. 결과는 직접 용접과 비교하여 진동 용접이 날카로운 절제 노치를 부드러운 손가락{2}} 모양의 노치로 변환하고 융합 영역 내에서 곡선형 기둥형 입자 구조의 형성을 유도하여 접합의 기계적 특성을 크게 향상시키는 것을 보여줍니다. 또한 단면 용접과 관련된 관통 깊이 부족 문제를 극복하기 위해 본 연구에서는 양면 진동 용접 기술을 성공적으로 구현했습니다. 이 접근법은 불완전한 관통 결함이 없는 전체-두께 용접을 달성하여 접합부의 4점 굽힘 강도를 더욱 실질적으로 향상시켰습니다.-
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**그림 분석**
그림 1은 진동 초고속 레이저 용접의 공정 원리와 결과 접합부의 매크로{1}} 및 마이크로{2}} 형태에 대한 유익한 효과를 보여줍니다. 용접 공정 중에 시편은 컴퓨터로 제어되는-3{5}}축(XYZ) 모션 플랫폼에 배치됩니다. 레이저 빔은 Y-축을 따라 선형으로 이동하는 동시에 삼각형 파형을 따라 X-축을 따라 측면 진동을 겪습니다(그림. 1a 및 1b). 진동을 통한 이러한 에너지 재분배는 직접(비{12}}진동) 용접 중에 일반적으로 생성되는 날카로운 삼각형 절제 노치-(그림. 1-c1)-를 더 부드러운 핑거{16}}같은 노치(그림. 1c)로 변환하여 이러한 부위의 응력 집중을 효과적으로 완화합니다. 미세 구조 측면에서 볼 때, 용융 풀에서 진동 레이저의 교반 작용은 접합부 내에서 레이저의 진동 궤적과 평행하게 배향된 곡선형 기둥형 입자 구조의 형성을 유도합니다(그림. 1e). 융합 영역(영역 II)(그림. 1d)의 파괴 형태는 기계적 하중 하에서 이러한 물결 모양의 길쭉한 원주형 결정립이 결정립 경계 및 벽개 평면을 따라 파괴되는 경향이 있음을 추가로 보여줍니다. 균열이 이러한 곡선형 결정립 경계를 따라 전파됨에 따라 방향을 지속적으로 변경해야 합니다. 이는 균열 전파의 표면적과 파괴에 필요한 에너지를 모두 크게 증가시켜 접합부의 기계적 특성을 실질적으로 향상시킵니다.
그림 2는 단면- 및 양면- 진동 초고속 레이저 용접을 통해 생성된 접합부 간의 미세 구조적 차이와 이러한 차이가 4점 굽힘 강도에 미치는 영향을 포괄적으로 보여줍니다.- 그림 2a는 900mW의 레이저 출력과 0.1mm/s의 용접 속도에서 단면 진동 기술을 사용하여 용접된 접합부의 단면 및 파손 형태를 보여줍니다. 단면-진동 기술은 레이저 에너지를 분산시키기 때문에 용융 깊이가 크게 감소합니다. 결과적으로 전체-두께 용접이 이루어지지 않아 접합부 내에 접합되지 않은 뚜렷한 영역이 남게 됩니다. 하중이 가해지면 이러한 관통되지 않은 영역은 심각한 응력 집중을 유발하여 조인트의 기계적 특성이 더 이상 향상되지 않습니다. 이러한 병목 현상을 극복하기 위해 특별히 도입된 양면 진동 용접 전략은-매우 효과적인 것으로 입증되었습니다.- 그림 2b에 표시된 것처럼 동일한 처리 매개변수에서 양면 용접 기술은 조인트의 완전한 융합을 성공적으로 달성하여 접착되지 않은 영역으로 인한 응력 집중을 효과적으로 제거하고 조인트의 유효 접착 영역을 실질적으로 증가시켰습니다. 그림 2c에 제시된 기계적 특성 비교는 이러한 형태학적 개선으로 인한 강도의 상당한 증가를 시각적으로 확인시켜 줍니다. 단면- 용접의 경우 용접 속도 0.05mm/s에서 최대 강도 53.9MPa를 얻었습니다. 반대로, 양면 용접 기술을 사용할 경우 0.10mm/s의 속도에서 최대 굽힘 강도 56.2MPa가 달성되었으며{30}}직접 용접에 비해 102.2% 개선되었습니다. 이는 내부 결함을 제거하고 세라믹 조인트의 전반적인 기계적 성능을 향상시키는 양면 진동 용접의 결정적인 이점을 결정적으로 보여줍니다.
