純鈦薄片激光封孔工藝及封接過程研究.pdf

1、隨著社會人口的老齡化進程加劇，針對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。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該小孔進行封焊。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。這種保護性封焊結構可靠性不高，且影響電池的壽命。為實現電解液注入后，直接對該小孔進行激光封焊，提高小孔的封接效果。文中采用低功率脈沖激光對0.4mm厚CP-Ti

2、薄片的0.1mm小孔進行封焊試驗。分別從激光功率、光斑直徑和脈沖寬度三個方面研究工藝參數對激光封孔的影響規(guī)律，并通過高速攝影觀察激光封孔過程中的熔池動態(tài)變化，結合封接區(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。研究結果表明：
　　采用低功率脈沖激光可以實現0.40mm厚CP-Ti的小孔封接，當激光功率為20.8W、脈沖寬度為6.0ms、光斑直徑為0.4mm時，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，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型轉變，且熱導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。對作用于封接區(qū)的激光能量計算發(fā)現，計算的理論能量值與光斑直徑成正相關，而實際金屬熔化量與光斑直徑成反相關。造成此現象的原因是

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流動，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，但當脈沖寬度大于等于7.0ms時，封接區(qū)底部會出現中心金屬凸出而兩側有凹槽的特征，分析認為是由封接區(qū)域熔池維持熔化狀態(tài)時間增長，中心區(qū)域液態(tài)金屬繼續(xù)向下流動，而周邊液態(tài)金屬在Marangoni回流作用下向上遷移所導致。
　　通過高速攝影觀察激光封孔過程的熔池特征發(fā)現，隨著時間的推移，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)，熔池亮度出現由亮變暗，然后再轉亮的現象，在轉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。整個激光封孔過程中，熔池表面動態(tài)變化是一個先擴展再回填小孔，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，隨著激光作用時間增長，液態(tài)金屬向金屬內部及小孔外圍擴展；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，進入凝固收縮階段。通過建立簡易的熔池動態(tài)變化物理模型，可以更直觀地反映出小孔的封接過程，并