医疗器械中异种金属材料的激光钎焊

作者：Gen Satoh, Y. Lawrence Yao    来源：《Industrial Laser Solutions》

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 由于镍钛(NiTi)、铂(Pt)和不锈钢(SS)等材料具有独特的特性，因而连接异种材料是先进医疗设备继续发展中的一个关键问题。连接特殊生物相容材料的要求可能源于通过使用NiTi与SS等形状记忆合金产生独特的功能或者为了降低成本同时维持Pt与SS接头的特别防腐蚀性能。为了满足这些要求，目前正在开发一种新的激光连接工艺，以在两种异种生物相容金属之间形成自生（无填充材料）的接头。自体激光连接工艺将能够无缝连接这些元件且无需使用专用粘合剂和填充材料。 由于热影响区小以及光点尺寸小，基于激光的连接工艺已经成为起搏器等医疗设备中金属部件的主要连接机制。与传统热源相比，由于元件的热灵敏度及其继续微型化的原因，激光在连接工艺中的优势（例如热影响区域最小和受控提供能量）对于医疗设备制造工艺十分重要。但是，特种金属接头通常被形成的新相复杂化，比如接头内导致强度低提前失效的金属间脆性等。 自体激光钎焊 虽然大多数基于激光的连接工艺使用激光输入直接熔化接头的基材或填充材料，但是，由于利用接头界面处的热聚积优势，自体激光连接工艺的设计形成的接头大幅低于激光光束的光点尺寸。面向特殊金属界面进行扫描的这种连接工艺是采用激光照射其中一种基材。 选择功率和速率等激光参数，使受到照射的部件的平衡温度不超过其熔化温度。由于界面耐热产生的热聚积导致温度上升高于一种基材的熔化温度，因而在激光光束接近时形成熔化层。在到达界面时，激光光束被关闭，在接触相邻冷却件时，熔化层被淬火，形成自体铜焊类接头。这种连接工艺的示意图参见图1。 自体激光钎焊工艺旨在最大程度降低两种材料的混合，因为熔化体积小、淬火速率高以及局部熔化焊接接头的一端以降低金属间脆性。局部热量的另一个优势在于能够在混合最小的情况下以相似熔化温度连接两种材料。图2显示了面向金属丝与金属丝界面的激光光束扫描热模型的温度曲线。由于热量聚积，在激光光束到达界面时，观察到温度增加。 实验设置 选择直径分别约为380 μm和368 μm的NiTi和316L不锈钢金属丝进行焊接实验。NiTi和SS这两种材料用于医疗设备中受到大家特别的关注：不锈钢成本低且已经过生物相容性评估测试，NiTi具有超强弹性和形状记忆特性。连接之前，将每根金属丝的一端沿着垂直金属丝的轴磨平并装配到焊接夹具上。在以1064 nm波长的连续波Nd:YAG激光照射期间，使用轴向力将样品的打磨表面固定在一起。将高斯激光光点控制到与金属丝直径相同的尺寸。将激光功率调整到最高4.75 瓦，同时将扫描速率和扫描距离分别调整在0.2–1毫米/秒和1–2.5毫米之间。在流入焊接夹具的超高纯度氩气惰性环境中进行激光连接。 焊缝几何形状 图3展示了使用自体激光焊接工艺形成的典型接头。整体上讲，接头表面很干净，没有出现孔隙或裂纹的明显迹象。没有发现金属丝大规模变形，表明加工期间基材没有出现大幅熔化。图4是沿着Y-Z平面横截之后相同样品的光学显微图。观察到清洁界面孔隙极少或没有孔隙，没有裂纹，没有界面连接不完整的迹象。接头本身面向金属丝中心最窄，沿着顶部和底部表面更宽。 成分分析 在照射表面以不同深度在NiTi-SS界面执行的量化能量弥散X射线谱（EDS）曲线参见图5a–5c。两种基材金属成分之间的连接区域显示了Fe、Cr、Ni和Ti之间的混合物。该混合区域的范围表明了接头的宽度。这种特定样品显示接头宽度范围大约在5–25 μm之间。不同的成分曲线形状表明不同的焊接机制沿着接头的不同区域占据主导。面向激光照射表面的熔化层厚度更大，表明熔化持续时间更长，能够将更多不锈钢稀释入熔化NiTi。观察到面向金属丝中心的两种材料的熔合最小，熔化层厚度可以大幅降低。该区域的成分曲线类似于扩散控制工艺，但是上层类似于基于熔化的连接机制。图5还显示接头宽度大幅低于400μm的光束聚焦尺寸，因此确认接头形成的机制不是激光光束直接熔化，而是需要的热量聚积。 图6a和6b显示了使用自体激光钎焊工艺形成的接头断裂表面的成分图，其中红色、绿色和蓝色分别代表Fe、Ni和Ti。两个断裂表面主要是绿色和蓝色，表明接头内富含Ni和Ti的区域出现断裂。成分的定量测量将断裂表面确定在接头之内而不是某一种材料中。主要呈红色的区域表示SS金属丝连接不完整或断裂。观察到界面的不完整连接以恒定功率扫描速率为函数。当激光扫描速率增加时，进入金属丝的整体能量降低，因此具有降低熔化层厚度或消除熔化层的效应，造成覆盖整个接触面的熔化不充分。 接头强度 异种材料之间的理想接头强度是超过较低的基材强度。发生重大塑性变形之后，不锈钢金属丝产生大约280 Mpa的施加负载，在负载接近560 Mpa时断裂。NiTi超级弹性样品最初出现弹性变形，直至应力水平达到470 Mpa时金属相从奥氏体转换到马氏体。负载稳定之后，观察到出现另一线性弹性区域，施加应力接近1.5 Gpa时观察到断裂。 图7显示使用自体激光连接工艺连接样品时通过电子显微镜观察到的典型断裂表面。表面形态表示准分裂断裂，如上所述，相信断裂出现在接头之内而不是基材之内。对于低扫描速率（最高1 毫米/秒）实验，最高接头强度达到大约275 MPa。虽然该强度大约等于不锈钢的屈服应力，但是，未观察到断裂之前不锈钢金属丝之内的可感知塑性变形。最近开展的更高速率和功率（8瓦时高达2毫米/秒）实验已经显示断裂应力超过470 MPa。人们相信提高扫描速率能够使热量更加局部化和聚积，以在较短持续时间形成较小的熔化池，因此导致基材之间的混合降低以及金属间形成和演化过程减少。 结论 本文调查了新连接工艺激光自体钎焊在用于医疗设备应用的两种生物相容材料NiTi和不锈钢316L之间形成无缝接头。接头显示拉伸试验期间不锈钢基材的强度接近屈服应力，断裂表面存在准分裂断裂。 最近实验结果显示断裂强度进一步增加到高于不锈钢的屈服应力的程度。横截面的EDS图显示接头宽度大幅低于入射激光光束直径，表明由于热量聚积而形成熔化池。达到的接头强度表明，激光自体钎焊是形成NiTi和不锈钢这两种生物相容异种材料之间牢固接头的一种可行和前景光明的方法，无需使用填充材料，很快能够广泛适用于其它成对异种金属材料中。

文章内容仅供参考 (投稿) (4/18/2013)