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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,医用不锈钢通常用作电子回路的终端引线,而用于刺激神经的电极线大都采用铂铱合金。传统的插拔式连接接头已不能满足细小化及可靠连接的要求,将医用不锈钢与铂铱合金材料直接焊接成为必然选择。由于要求在特殊位置进行单点焊,微激光焊和微电阻焊是可选的微连接方法。为了获得性能良好的该异种材料的微连接接头,需深入研究医用不锈钢与铂铱合金的微连接工艺及其连接机理。该研究可为医疗器件厂家提供设计依据,而且有利于丰富异种材料焊接理论。 本课题采用微电阻焊和微激光焊两种方法,系统研究不锈钢与铂铱合金微电阻焊和微激光焊的工艺,阐明该异种材料微激光焊的连接机理,并对微激光焊接头中的气孔产生机理进行分析。主要研究成果如下: 通过对不锈钢与铂铱合金丝十字交叉微电阻焊接头表面和横截面形貌的观察、接头力学性能的测试,并阐明接头形成过程。得出异种丝材微电阻焊的接头形成过程主要包括:预压过程中铂铱合金丝冷变形、不锈钢丝的热助变形、非对称加热、完全压入并形成缺陷。 对不锈钢与铂铱合金丝微电阻焊接头中的产热量分阶段进行理论计算,结果表明,提高接触电阻的产热比例可以缓解结合面处产热非平衡的现象,有助于获得力学性能良好的异种丝材微电阻焊接头。结合电极压力的作用以及焊接过程中动态电阻的变化规律,提出一种双脉冲异种丝材的微电阻焊方法,实现异种丝材的微电阻焊。 在不锈钢与铂铱合金微激光焊中,通过分析激光峰值功率对不锈钢与铂铱合金丝十字交叉微激光焊接头的表面形貌,接头力学性能,接头横截面形貌的影响,研究丝材放置次序对该异种丝材微激光焊接工艺的影响。通过分析连接界面冶金层的特征,揭示接头连接机理。当不锈钢丝上置时,随着激光峰值功率的增加,其连接机制由局部熔钎焊向复合的熔钎焊与熔化焊逐渐过渡,最后形成熔化焊接头。在热-力耦合作用下,上置的不锈钢与铂合金丝顶端的金属熔化并混合,混合的金属液向下流动,包覆未熔化的铂合金合金,形成熔化焊连接与熔钎焊连接的复合接头;当铂铱合金丝上置时,接头连接机制以熔钎焊连接为主,只有在大能量输入时,才出现熔化焊连接。直接受激光辐射的铂合金丝通过热传导的方式加热并熔化下置的不锈钢丝,熔化的不锈钢沿铂合金丝表面向上铺展,形成熔钎焊连接的接头。丝材放置次序是异种丝材微激光焊的一个重要影响因素。丝材放置次序影响接头中温度场的分布,因而改变了微激光焊的工艺、接头力学性能及连接机理。 通过微激光焊接头界面冶金分析,发现界面冶金层主要是固溶体γ相,接头中无脆性相生成。熔化的不锈钢在铂合金丝表面良好的润湿性是形成可靠接头的另一关键因素。分析表明两丝之间的作用力、铂合金丝表面粗糙度及无氧化物的特性等是促进液态不锈钢在铂铱合金丝表面的润湿铺展的因素。 针对微激光焊接头出现的气孔问题,从热力学及动力学的角度深入分析气孔形成机理。混合区中的气孔源自不锈钢中Fe、Cr和Ni合金元素的蒸气。该合金元素蒸气在铂合金熔池中的溶解度很小,造成初期气泡的弥散分布;随后气泡聚集长大,凝固过程中,微激光焊熔池超快的冷却速率以及铂合金高的导热系数使得熔池快速凝固,气泡没有足够的时间溢出混合区,从而形成气孔。