纯钛薄片激光封孔工艺及封接过程研究

摘要

随着社会人口的老龄化进程加剧，针对老龄人易患疾病的可植入医疗器件的研发已成为医疗保健业新兴的趋势。心脏起搏器是一种典型的植入式医疗器件。在心脏起搏器中，电源主要采用锂-碘电池，电解液从电池的小孔中注入后需要对该小孔进行封焊。目前，采用最多的办法是锡封焊该小孔，然后再激光封焊盖片。这种保护性封焊结构可靠性不高，且影响电池的寿命。为实现电解液注入后，直接对该小孔进行激光封焊，提高小孔的封接效果。文中采用低功率脉冲激光对0.4mm厚CP-Ti薄片的0.1mm小孔进行封焊试验。分别从激光功率、光斑直径和脉冲宽度三个方面研究工艺参数对激光封孔的影响规律，并通过高速摄影观察激光封孔过程中的熔池动态变化，结合封接区成形形貌及液态金属受力情况，深入分析小孔封接过程。研究结果表明：
　　采用低功率脉冲激光可以实现0.40mm厚CP-Ti的小孔封接，当激光功率为20.8W、脉冲宽度为6.0ms、光斑直径为0.4mm时，小孔基本被完全封接。随着激光功率的增大，熔核尺寸逐渐增大，且封接区（焊缝）上表面平均硬度值呈上升趋势，封接区及热影响区显微硬度高于母材，封接区最大硬度值为239HV。封接接头主要由锯齿状α晶、柱状α晶、针状α晶粒和板条状α晶粒组成。随着光斑直径增大，封接区上表面熔化面积基本不变，但封接模式由匙孔型向热导型转变，且热导型模式更适合小孔的封接，其理论最大封接有效厚度约为386μm。对作用于封接区的激光能量计算发现，计算的理论能量值与光斑直径成正相关，而实际金属熔化量与光斑直径成反相关。造成此现象的原因是小孔边缘部分熔化的金属在激光反冲力等力的作用下向小孔内流动，从而可以吸收更多的激光能量。另外，增大脉冲宽度，封接区厚度也逐渐增大，但当脉冲宽度大于等于7.0ms时，封接区底部会出现中心金属凸出而两侧有凹槽的特征，分析认为是由封接区域熔池维持熔化状态时间增长，中心区域液态金属继续向下流动，而周边液态金属在Marangoni回流作用下向上迁移所导致。
　　通过高速摄影观察激光封孔过程的熔池特征发现，随着时间的推移，激光功率为17.6W、20.8W、22.4W的纯钛表面熔池由凸出状逐渐过渡为平整状态，熔池亮度出现由亮变暗，然后再转亮的现象，在转亮之前熔池体积有所减小，且熔池中心可以看到部分孔洞阴影。熔池过渡为平整状态后，熔池表面液体开始下降。激光封孔过程中，激光作用阶段小孔未被填充，激光消失后液态金属开始填充小孔，液态金属填满小孔后，金属液面再逐渐下降。整个激光封孔过程中，熔池表面动态变化是一个先扩展再回填小孔，最后液面逐渐下降（凝固收缩）的过程。
　　小孔的封接过程可分为以下几个阶段：首先，激光作用初期，小孔周围金属局部熔化；其次，随着激光作用时间增长，液态金属向金属内部及小孔外围扩展；再次，激光消失后，熔池在表面张力等力的作用下开始填充小孔，液态金属在小孔中心相互接触；第四，汇聚中心的液态金属开始向上或向下迁移；第五，液态金属填充小孔完成，中心区域与周围熔池金属的液面基本持平；最后，熔池液面开始下降，进入凝固收缩阶段。通过建立简易的熔池动态变化物理模型，可以更直观地反映出小孔的封接过程，并且可以说明Y形、V形和X形封接区特征的形成。

目录

第1章 绪论

1.1 选题依据及意义

1.2 钛的性能及应用

1.3 国内外研究现状

1.4 主要研究内容

第2章 试验材料、方法及设备

2.1 试验材料

2.2 试验方法及设备

第3 章 工艺参数对纯钛薄片激光封孔的影响

3.1 功率对纯钛薄片激光封孔的影响

3.2 光斑直径对纯钛薄片激光封孔的影响

3.3 脉冲宽度对纯钛薄片激光封孔的影响

3.4 本章小结

第4章 纯钛薄片激光封孔的熔池特征分析

4.1 不同功率下封接区液态金属特性

4.2 不同脉宽下封接区液态金属特性

4.3 封接区表面液态金属动态分析

4.4本章小结

第5章 纯钛薄片激光封接接头的形成过程分析

5.1封接接头表面成形分析

5.2 小孔封接过程分析

5.2.2完全填充时小孔封接过程分析

5. 3封接区的特征验证

5.4本章小结

第6章 结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

致谢

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