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编号:10273658
牙科钛焊接技术及其临床应用
http://www.100md.com 《生物医学工程学杂志》 1998年第3期
     作者:黎 红

    单位:(华西医科大学 口腔医学院,成都 610041)

    关键词:钛;焊接;义齿加工

    生物医学工程学杂志980322 黎 红 综述 肖茂春 赵云凤 审校

    内容摘要 较详尽全面地介绍钛的常用焊接方法和原理,影响焊接质量的因素,检测手段,以及焊接技术的应用范围等,希望对临床工作有所帮助。

    Dental Welding Titanium and its Clinical Usage

    Li Hong Xiao Maochun Zhao Yunfeng

    (College of stomatology, West Chian University of Medical Sciences, Chengdu 610041)
, 百拇医药
    Abstract Due to its excellent biocompatibility, desirable chemical and mechanical properties, Titanium has been used for implant denture, RPD and FPD, where welding techniques were indispensable. This paper introduces 5 useful modern ways to weld Titanium and their clinical usage. They are: laser, plasma welding, TIG, infraned brazing and Hruska electrowelding

    Key words Ti Weld Dental usage

    近年来备受关注的金属钛(Titanium)是1791年被Gregoer首先发现的。1950年开始大规模用于航天、航空、航海、化工、冶金、机械、电子、轻纺工业等。Bothe等于40年代初率先把钛引入医学领域。而钛在口腔医学中的应用,则始于1952年Branemark的牙科种植研究。1965年,钛制修复体应用于临床,并逐渐用于口腔修复、正畸、种植等,如义齿支架、单冠、FPD、CAD/CAM,钛瓷冠底层等等[1]
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    常温下,α钛具有六方点阵晶型,882℃时相变为β钛是体心立方,其相变体积变化率5.5%。钛是银白色轻金属,比重4.5 g/cm3,与人体骨骼相近;比强度高,是钢的1.5倍;耐疲劳性、延展性好;热导率、热膨胀率低,耐腐蚀性好,其硬度、弹性模量和强度相当于ADAS合金中的Ⅲ、Ⅳ型;尤以杰出的生物相容性著称,能与人体骨组织产生骨整合(Osseointegratio-

    n)。随着钛的优良性质被广大口腔工作者所认识,有人预言,不久的将来,钛将逐渐取代现有口腔修复所用金属材料[1]

    但是,钛的熔点高(1668±10℃),在高温下极易与空气中的C、H、O、N等发生化学反应而变脆,使其固有的理化性能受到严重的影响,因此给铸造、焊接等热加工带来困难,常用的钛焊接技术如下[1~6]

    1 几种常用的牙科钛焊接技术
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    焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子(分子)间结合力而连接成一体的连接方法。用火烙铁加热低熔点铅锡合金的软钎焊,已有几百年甚至更长时间的历史,但是目前工业生产中广泛应用的焊接方法几乎都是19世纪末,20世纪初的现代科学,特别是电子工业技术迅速发展的现代工业的产物,截止本世纪七十年代、约有三大类二十余种基本焊接方法。其中用于牙科的大致有七种,而常用于钛焊接的有五种[2~9]

    1.1 激光焊(Laser welding)

    激光焊原理:能源为高密度的单色光电磁能,它通过把强大的光束能聚焦于一个微小区域,轰击金属,使之熔化、而形成激光焊接。常用激光源:Nd:YAG激光(钕:钇铝石榴石)。焊接条件:氩气保护。

    突出的优点:(1)由于热源是光束,焊接情况可通过玻璃窗观察,而焊接者与焊接区无直接接触;(2)能提供精确部位的焊接;(3)热影响区很小;(4)磁场区不会对激光束产生不利影响;(5)因不需包埋而省时、快速;(6)因不需中间焊料而降低焊件的抗腐蚀性[8~10]
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    1.2 钨极氩弧焊(Tungsten inert gas welding)

    钨极氩弧焊是气体保护焊的一种,通常叫做“TIG”焊,TIG是一种以气体放电、电能转换为热能、机械能(和光能)来熔化焊件的焊接方法。采用难熔的金属钨电极,在电弧燃烧过程中不熔化,故易维持恒定的电弧长度,焊接过程稳定。焊接过程中,电极和电弧区及熔化金属都处在氩气保护之中,使之与空气隔绝,避免污染。

    1.3 等离子焊(Plasma Welding)

    从本质上讲,等离子弧仍然是一种电弧放电的气体导电现象,所用电极主要仍是铈钨或钍钨电极。借助水冷喷嘴的外部拘束条件使电弧的弧柱区横截面积受到限制时,电弧的温度、能量密度、等离子流速都显著增大。但要求等离子焊的保护气流量应与离子气流有一个恰当的比例[13]

    1.4 红外线焊(Infrared brazing)
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    原理:能源来源于碘石英类钨丝灯泡,钨丝泡所产生的热能被一个凸透镜聚焦和反射到很小的焊接区。由于其大多数光能是在红外线波长范围内,故称之为红外线焊接。焊接过程中,热源可精确聚焦到焊接区,工件可置于玻璃罩中,并用Ar清洗、保护[9]

    1.5 Hruska直流电容储能焊(Hruska electrowelding)

    意大利学者Hruska发明了一种口腔内直接焊接的精密电焊机。其原理是直流电的电容储能释放。电流由电池供电,避免电压的变化、保证焊接安全;焊接过程由微机控制操作程序以保证其重复性。虽然焊接点温度超过1600℃,但焊点之外无侧向热传导,对患者更不会产生电休克,符合电动医疗设备的国际安全标准[10]

    2 牙科钛焊接的技术要求[2~13]

    由于钛的强烈的高温反应性,使焊接十分困难;为保证焊接质量,减少焊接缺陷和避免污染,钛焊接机必需满足如下条件:(1)足够的能量强度;(2)热源尽可能集中;(3)焊接部位周围空间必须受到有效惰性气体保护;(4)在受焊部件之间所用焊料应该是含钛量高的材料。
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    3 牙科钛焊接质量的评价

    评定焊接质量的方法主要包括两方面:机械力学性质测定和显微观察。

    3.1 机械力学测试[14]

    主要包括:焊接试件的抗拉强度、延伸率,抗弯强度(三点弯曲、四点弯曲试验),屈服强度,显微硬度等。

    抗拉强度反映焊接件抵抗破坏的能力,延伸率则反映延伸性的优劣。二者都是反映材料机械性能的主要指标。显微硬度HV的变化可反映组织结构的变化。

    3.2 显微观察[2~12]

    一般包括电子断口分析,金相分析等。电子断口分析是将断口试件置于扫描电镜下观察其晶体结构、断裂特征、熔深、气孔等。金相分析是先把焊接试件做成金相磨片,经酸蚀、清洗、吹干后置于金相显微镜下,观察其焊区组织结构,熔深、溶化区,热影响区大小等。
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    金相和断口分析从微观上反映焊接区质量,是焊接质量分析中必不可少的部分。

    3.3 其它

    对焊接件抗腐蚀性能,疲劳强度等的研究,可采取相应的方法[11,12]

    4 焊接对钛焊件质量的影响

    4.1 影响焊接质量的因素[2~13]

    影响焊接效果的因素很多,焊接方法的选择,焊接参数的选择,焊接机的工作状态;保护气的种类、纯度、流量,保护效果的好坏;焊接件之间距离,加热时间;焊料种类、位置,包埋方法,预热温度等,都有密切关系。其中焊工的技术操作水平有很大关系。

    4.2 焊接对钛-瓷结合力的影响
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    1995年,Tore Derand对激光焊接和机械处理的钛表面上瓷SEM/EDX的微观分析情况进行了比较,并用粘接剂作对照。采用四点弯曲法测试结合力,统计学检验无显著性差异(P>0.05),提示焊接后上瓷与机械处理表面上瓷的结合无显著性差异,对粘结剂也不能显著改变其结合力。临床意义:对于多单位固定义齿焊接后上瓷,是切实可行的方法[8]

    4.3 焊接对钛抗腐蚀性的影响

    钛虽具有极强的抗腐蚀性,但在酸性的氟凝胶中也出现明显的腐蚀[11]。本文主要讨论焊接后腐蚀,它是指由于不同金属的焊接或相同金属焊接时,由于不同成分焊料的熔入,使得在同一电解质(如唾液)中不同金属相接触而生产电化学腐蚀[11]

    1995年7月,日本学者Yutaka oda等人对纯钛和Ti-6Al-4V用了四种焊料的红外线氩气保护焊接。这四种焊料是:两种钛基焊料,金焊和银焊。全部焊件分别置于0.9%NaCl或1.0%乳酸溶液中,在35℃,保持8周。用万能测试机测其抗弯强度,作动态电势极化曲线分析,X线衍射,能谱分析数据经统计学处理。结果表明:无论在0.9%NaCl或1.0%乳酸溶液中的钝钛或Ti-6Al-4V,经钛基焊料焊接的均有较高的抗拉强度(300~400 MPa),它们之间无显著性差异(P>0.05),而0.9%NaCl溶液中的钝钛和Ti-6Al-4V的金焊试件,抗张强度有显著降低(P<0.05),X-能谱分析,断口有Cl-和Na+成分。虽然0.9%NaCl溶液中的银焊试件无明显裂隙,但也在焊接区显示腐蚀。提示:钛基焊料适宜于钝钛和钛合金的焊接[12]
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    5 牙科钛焊接的临床应用

    5.1 一般应用

    钛的焊接技术可用于口腔修复、种植、正畸等临床学科的很多方面。例如:多单位钛制FPD冠桥的焊接,普通钛制FPD钛瓷冠桥的焊接;钛种植体支架及上部结构的焊接需要;普通钛制RPD支架,钛制CAD/CAM义齿的焊接;冠桥修复体穿孔、破裂的修补,触点外形的恢复,铸造缺陷的弥补等各个方面的应用。

    5.2 口内焊接技术的临床应用

    口内焊接机除具有上述的对RPD、FPD焊接修补、精密附着体焊于固定单元上的功用之外还具有其口内焊接的特殊优势:

    (1)该技术特别适用于不易获得共同就位道的多单位固定义齿的复杂病例。各单元之间相互不平行,可分段制作完成后,再在口内焊接成一整体。这就大大简化了基牙予备过程,避免不必要的多磨牙体组织或过度倾斜牙为共同就位道而不得不失活做根管充填所致损伤。
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    (2)针对某些情况,如固定桥在制作完成粘固后,由于外伤或牙周病,其中一个基牙失去作用,不得不取出;这时不必去除整个固定桥,只需锯开坏牙,在邻牙上重新预备、制作、粘固,与原有单位在口内焊接为一体即成。

    (3)如在口内突然发现以前的焊接失败或某单位未粘结好,也可如法炮制,而不必取出整个义齿。

    (4)至于种植义齿就更显优越性:可把新植入体焊接于其它种值体上而立即制动,大大提高种植成活率[10]

    总之,随着钛制义齿的推广应用和牙科焊钛技术的进一步发展应用,无疑是对口腔修复的某些操作技艺的莫大帮助,也有助于钛热加工的深入研究。

    参 考 文 献

    1 Lautenschlayger EP, Peter M. Titanium and titanium alloy as deutal materrals. International Dental Journal 1993; 43∶245
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    2 Godon TE, Denton LS. Laser welding of prestheses an inital report. J.P.D. 1970; 24(4)∶472

    3 Yamagishi T, Yoshiaburo MI. Fujimura Mechanical properties of laser welds of titanium in dentistry by pulsed Nd: YAG laser apparatus. J.P.D. 1993; 70∶264

    4 Wang RR, Welsch GE. Joining Ti materrals with Tig, Laser welding and infrared brazing. J.P.D. 1995; 74∶521

    5 Roggensack M, Walte MH, Boning KW. Studies on laser and plasma welded Ti. Dent Mate 1993; 9∶104
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    6 Einer BW, Wagner C, Gein Daivk CPT et al. Mechanical properties of laser welded cast and wrought titanium. J.P.D. 1995; 74∶250

    7 Jeffrey ER. Stereo laser-welded Ti implant frameworks. Clinical and laboratory procedues with a summary of 1-year clinical trials. J.P.D. 1993; 74∶284

    8 Tore D. Porcelain bond to laser-welded Ti surfaces. Dent Mater 1995; 11∶93

    9 Carlberg T, Wictorin L. Soldoring of dental alloys under vacuum by IR-heating. Dent Mater 1986; 2∶279
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    10 Hruska AR. Intraoral welding of pure titanium, Quintessence lnternational. 1987; 18(10)∶683

    11 Toumelin-Chemla F, Rouelle F, Burdairon G. Corrosive properties of fluoride-Containing odontologic gelsagainst titanium. Jounal of Dentistry 1996; 24∶109

    12 Yutaka ODA, Toru O. Effect of corrosion on the strength of soldered Ti and Ti-6AL-4V alloy. Dent Mater 1996; 12∶167

    13 姜焕中.电弧焊及电渣焊.第2版.北京:机械工业出版社.1995∶94-142

    14 单辉祖.材料力学教程.北京:国防工业出版社.1982∶18-21

    15 崔 昆.钢铁材料及有色金属材料.北京:机械工业出版社.1980∶329-333

    (收稿:1997-11-16), 百拇医药