純鈦薄片激光封孔工藝及封接過程研究.pdf

1、隨著社會(huì)人口的老齡化進(jìn)程加劇，針對(duì)老齡人易患疾病的可植入醫(yī)療器件的研發(fā)已成為醫(yī)療保健業(yè)新興的趨勢(shì)。心臟起搏器是一種典型的植入式醫(yī)療器件。在心臟起搏器中，電源主要采用鋰-碘電池，電解液從電池的小孔中注入后需要對(duì)該小孔進(jìn)行封焊。目前，采用最多的辦法是錫封焊該小孔，然后再激光封焊蓋片。這種保護(hù)性封焊結(jié)構(gòu)可靠性不高，且影響電池的壽命。為實(shí)現(xiàn)電解液注入后，直接對(duì)該小孔進(jìn)行激光封焊，提高小孔的封接效果。文中采用低功率脈沖激光對(duì)0.4mm厚CP-Ti

2、薄片的0.1mm小孔進(jìn)行封焊試驗(yàn)。分別從激光功率、光斑直徑和脈沖寬度三個(gè)方面研究工藝參數(shù)對(duì)激光封孔的影響規(guī)律，并通過高速攝影觀察激光封孔過程中的熔池動(dòng)態(tài)變化，結(jié)合封接區(qū)成形形貌及液態(tài)金屬受力情況，深入分析小孔封接過程。研究結(jié)果表明：
　　采用低功率脈沖激光可以實(shí)現(xiàn)0.40mm厚CP-Ti的小孔封接，當(dāng)激光功率為20.8W、脈沖寬度為6.0ms、光斑直徑為0.4mm時(shí)，小孔基本被完全封接。隨著激光功率的增大，熔核尺寸逐漸增大，且封接

3、區(qū)（焊縫）上表面平均硬度值呈上升趨勢(shì)，封接區(qū)及熱影響區(qū)顯微硬度高于母材，封接區(qū)最大硬度值為239HV。封接接頭主要由鋸齒狀α晶、柱狀α晶、針狀α晶粒和板條狀α晶粒組成。隨著光斑直徑增大，封接區(qū)上表面熔化面積基本不變，但封接模式由匙孔型向熱導(dǎo)型轉(zhuǎn)變，且熱導(dǎo)型模式更適合小孔的封接，其理論最大封接有效厚度約為386μm。對(duì)作用于封接區(qū)的激光能量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，計(jì)算的理論能量值與光斑直徑成正相關(guān)，而實(shí)際金屬熔化量與光斑直徑成反相關(guān)。造成此現(xiàn)象的原因是

4、小孔邊緣部分熔化的金屬在激光反沖力等力的作用下向小孔內(nèi)流動(dòng)，從而可以吸收更多的激光能量。另外，增大脈沖寬度，封接區(qū)厚度也逐漸增大，但當(dāng)脈沖寬度大于等于7.0ms時(shí)，封接區(qū)底部會(huì)出現(xiàn)中心金屬凸出而兩側(cè)有凹槽的特征，分析認(rèn)為是由封接區(qū)域熔池維持熔化狀態(tài)時(shí)間增長(zhǎng)，中心區(qū)域液態(tài)金屬繼續(xù)向下流動(dòng)，而周邊液態(tài)金屬在Marangoni回流作用下向上遷移所導(dǎo)致。
　　通過高速攝影觀察激光封孔過程的熔池特征發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，激光功率為17.6W

5、、20.8W、22.4W的純鈦表面熔池由凸出狀逐漸過渡為平整狀態(tài)，熔池亮度出現(xiàn)由亮變暗，然后再轉(zhuǎn)亮的現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)亮之前熔池體積有所減小，且熔池中心可以看到部分孔洞陰影。熔池過渡為平整狀態(tài)后，熔池表面液體開始下降。激光封孔過程中，激光作用階段小孔未被填充，激光消失后液態(tài)金屬開始填充小孔，液態(tài)金屬填滿小孔后，金屬液面再逐漸下降。整個(gè)激光封孔過程中，熔池表面動(dòng)態(tài)變化是一個(gè)先擴(kuò)展再回填小孔，最后液面逐漸下降（凝固收縮）的過程。
　　小孔的封

6、接過程可分為以下幾個(gè)階段：首先，激光作用初期，小孔周圍金屬局部熔化；其次，隨著激光作用時(shí)間增長(zhǎng)，液態(tài)金屬向金屬內(nèi)部及小孔外圍擴(kuò)展；再次，激光消失后，熔池在表面張力等力的作用下開始填充小孔，液態(tài)金屬在小孔中心相互接觸；第四，匯聚中心的液態(tài)金屬開始向上或向下遷移；第五，液態(tài)金屬填充小孔完成，中心區(qū)域與周圍熔池金屬的液面基本持平；最后，熔池液面開始下降，進(jìn)入凝固收縮階段。通過建立簡(jiǎn)易的熔池動(dòng)態(tài)變化物理模型，可以更直觀地反映出小孔的封接過程，并