Benzeyen ve benzemeyen biyometallerin lazerle kaynağı
Laser welding of similar and dissimilar biometals
Yazar: MOHAMAD ALHAJHAMOUD
Danışman: PROF. DR. ERSİN KAYAHAN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Lazer kaynağı = Laser welding ; Mikroyapı = Microstructure ; Neodmiyum YAG lazer = Neodmiyum YAG laser ; Paslanmaz çelik = Stainless steel

Özet:
Günümüzde ortopedi ve travmatoloji alanında, kemik hasarı ve kırıklarına bağlı olarak
uygulanan ameliyatlarda sıklıkla biyometaller kullanılmaktadır. Bunların başlıcaları
Ti46 (Ti6Al4V) ve 316L paslanmaz çelik alaşımlarıdır. Bu operasyonlar kemiğin
iyileşmesine yardımcı olmaktadır (Örn: plak, vida, pin), kimi zaman ise direkt olarak
kemiğin yerini alabilir (Örn: total kalça protezi ve eklem protezi). Bahsi geçen
biyometaller her ne kadar bu uygulamalar için en başarılı biyomalzemeler olsa da, bu
malzemelerin de hasara uğradığı vakalar olmaktadır. Bu vakalar biyometallerin
kırılması, korozyona veya diğer dış etmenlere bağlı olarak aşınması gibi nedenlerden
kaynaklanır. Bu gibi durumlarda ikinci bir ameliyat gerekir‏. İkinci ameliyat özellikle
yaşlı hastalar için başlı başına bir risk teşkil etmesinin yanı sıra
fazladan malzeme gerektirmektedir. Öte yandan günümüzde lazerlerin kullanıldığı pek
çok tedavi uygulaması mevcuttur. Özellikle 1064 nm dalga boyuna sahip Nd:Yag lazer
damar lezyonlarında veya varislerde diğer dokulara zarar vermeden seçilimli olarak
istenen bölgeye uygulanabilmesiyle bilinir. Metallerin kaynağında kullanılabilmesi de
bir diğer özelliğidir. Bu durum vücut içinde de metaller kaynak edilebilir mi sorusunu
doğurmaktadır. Biyometallerin kaynak yapılabilirliği ve vücut
ortamını simüle edebilecek bir sıvı ortamında kaynak yapılabilirliği bu çalışmanın
konusunu oluşturmaktadır. Eğer vücut sıvısında bu malzemelerin kaynağı
yapılabilirse gelecekteki çalışmalar için umut verici bir başlangıç olacaktır. Bu
çalışmanın temel amacı, serum ortamında ve havada verimli bir lazer kaynak prosedürü
için hayati öneme sahip anahtar parametreleri araştırmaktır. Bu nedenle, paslanmaz
çelik 316L ve Ti6Al4V numuneler için Nd:YAG lazer kullanılarak serumdaki kaynak
performansını atmosferik hava kaynağı ile karşılaştırmak için
deneysel ölçümler yapılmıştır. Her iki ortamdaki kaynak performansı, anahtar
parametrelerin deneysel olarak araştırılmasıyla incelenmiştir‏:Lazer enerjisi, kaynak hızı
ve odak konumu. Kaynaklı numuneler optik mikroskop (OM) ve taramalı elektron
mikroskobu (SEM) ile izlenerek 316L paslanmaz çelik ve Ti6Al4V
numunelerinin mikro yapılarının kaynak işlemiyle değişimi araştırılmıştır. Mikroyapı
analizine dayanarak, sıcak çatlama etkisi gözlemlendi ve önlenmesi için çözümler
önerildi. Ek olarak, kaynak hızı, odak konumu ve lazer gücü parametrelerini içeren
spesifik nokta enerjisi (SPE)‏,optimum kaynak parametrelerini bulmak için kullanıldı.
Biyomalzemelerin lazer kaynağı için yeni bir ortam önermek amacıyla serum içinde
kaynak yapılmıştır. Islak lazer kaynağı için kaynak parametreleri incelenmiştri ve böyle
bir deneysel araştırmanın daha önce yapılmamış olması bu çalışmanın yenilikçi yönünü
temsil etmektedir.

Abstract:
Today, in the field of orthopedics and traumatology, biometals are frequently used in
surgeries performed due to bone damage and fractures. The main ones are Ti46
(Ti6Al4V) and 316L stainless steel alloys. These n elypmons help the bone to heal (eg:
plate, screw, pin), and sometimes it can directly replace the bone (eg: total hip
replacement ylı‎snmlp‎le nyneielper‎ npenbme‎pee‎ielpmnleı‎ mniepynş‎yle‎pee‎inşp‎şbnneşş bn‎
mniypelmynş‎ nl‎ peeşe‎ y nmnypmnlşa‎ peele‎ yle‎ nyses where these materials are damaged.
These cases are caused by reasons such as breaking of biometals, wear due to corrosion
or other external factors. In such cases, a second operation is required. The second
operation, in addition to being a risk in itself, especially for elderly patients, requires
extra materials. On the other hand, there are many treatment applications in which lasers
are used today. In particular, Nd:Yag laser with a wavelength of 1064 nm is known to
be selectively applied to the desired area in vascular lesions or varicose veins without
damaging other tissues. Another feature is that it can be used in the welding of metals.
This situation raises the question of whether metals can be welded inside the body or
not. The weldability of biometals and their ability to weld in a liquid medium that can
simulate the body medium are the subject of this study. If these materials can be welded
in body fluid, it will be a promising start for future studies. The main purpose of this
study is to investigate the key parameters that are vital for an efficient laser welding
procedure in serum and air. Therefore, experimental measurements were made to
compare the welding performance in serum with atmospheric air welding using
Nd:YAG laser for stainless steel 316L and Ti6Al4V samples. Welding performance in
both environments has been studied experimentally by investigating key parameters:
Laser energy, welding speed and focal position. The welded samples were observed by
means of optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM) and the
change of microstructure of 316L stainless steel and Ti6Al4V samples after welding
process was investigated. Based on the microstructure analysis, the hot cracking effect
was observed and solutions was proposed for its prevention. In addition, specific point
energy (SPE) including welding speed, focal position and laser power parameters was
used to find the optimum welding parameters. Welding is done in serum to propose a
new medium for laser welding of biomaterials. Welding parameters for wet laser
welding have been investigated and the fact that such an experimental research has not
been done before represents the innovative aspect of this work.