激光參量對血管支架切縫形貌及粗糙度的影響

趙士偉，張海云，李志永，趙玉剛，張晉燁

（山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博255049）

引 言

目前，心血管疾病已成為威脅我國國民健康的“第一殺手”，其發(fā)病率和死亡率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于腫瘤，而且一直處于上升趨勢，日益成為我國社會經(jīng)濟(jì)的重大負(fù)擔(dān)。據(jù)報告，我國是心血管疾病大國，心血管病患病人數(shù)已達(dá)2.9億。治療心血管疾病主要方法是心臟介入術(shù)，具有良好的治療效果，恢復(fù)周期短［1-3］。心臟介入術(shù)的主要治療手段就是植入心血管支架，根據(jù)輸送方式劃分，主要有自膨脹性支架與球囊膨脹性支架兩種。目前球囊式支架加工方式主要采用激光切割工藝，具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量可靠和范圍廣泛的特點(diǎn)［4-5］。但是由于激光切割屬于熱加工，所以可能導(dǎo)致切縫不同位置處的表面形貌和表面質(zhì)量存在差異，進(jìn)而影響支架的剛度、強(qiáng)度和使用壽命。通過國內(nèi)外諸多學(xué)者對激光切割后不同位置的表面形貌和表面質(zhì)量的研究，可知影響心血管支架切縫形貌、粗糙度以及變化趨勢的主要因素有：切割速率、脈沖寬度和脈沖功率等［6-8］。光纖激光是20世紀(jì)80年代開始發(fā)展新加工工藝方法，因其具有加工精度高、光束質(zhì)量好和加工效率高的特點(diǎn)，開始應(yīng)用于心血管支架的加工［9-12］。

為了研究不同光纖激光加工工藝參量對心血管支架切縫表面形貌及粗糙度形成機(jī)理及變化規(guī)律，本文中從光纖激光切割的不同區(qū)域著手，分析在不同的工藝參量下切縫的表面形貌和粗糙度的形成機(jī)理以及變化趨勢，方便后續(xù)的心血管支架方向的光整加工。

1 實驗方法與設(shè)備

1.1 激光切割設(shè)備及支架材料

本實驗中采用的型號為TLS-HT1100的激光切割設(shè)備，實驗的激光參量可調(diào)范圍如表1所示。

Table1 The range of laser process parameters

其中，該激光切割機(jī)的加工范圍為0mm～100mm，光纖激光器波長為（1064±10）nm，光束質(zhì)量因子M2＜1.1，最小切割峰寬15μm，光斑聚焦直徑為20μm。激光切割機(jī)兼容干切和濕切兩種工藝，整機(jī)為密封性設(shè)計，配合防水飛濺模塊激光，切割頭自動對焦，無需多次地調(diào)整焦距。心血管支架材料為316L，原材料管厚為0.15mm，外徑為2mm，切割后長度為13mm。切割過程中，工件相對于光束的運(yùn)動主要通過工控機(jī)控制x軸平移和y軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)［13-15］。

1.2 切縫表面形貌及粗糙度檢測

采用本實驗室的掃描電子顯微鏡（型號為Quanta 250）和白光干涉儀（型號為VS1800）對切割后的心血管支架的表面形貌及粗糙度進(jìn)行檢測，用掃描電子顯微鏡觀測血管支架的切縫寬度、變形、裂紋和損傷狀況等。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 切縫各區(qū)域的形成原理

本實驗中采用激光功率實際可調(diào)范圍為100W～150W，根據(jù)計算公式［16-18］可以得到最小激光功率密度為：

式中，P為激光功率；r為光斑半徑；W為激光功率密度。

根據(jù)（1）式計算得到的最小激光功率密度已經(jīng)超過汽化切割最小值，所以本實驗中采用汽化切割方式［19-20］。但在實際切割加工過程中，由于加工工藝參量的變化使光斑的激光功率密度在支架切縫不同區(qū)域呈現(xiàn)差異性，因此，激光切割后的支架切縫形貌在不同區(qū)域呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，按照其特點(diǎn)分為汽化區(qū)、熔化區(qū)和熔渣區(qū)，如圖1所示。在激光切割過程中，由于支架切縫上端最先與光斑接觸，上端的激光光斑功率密度最大，汽化區(qū)就會在管材的上端形成。當(dāng)光斑傳遞到管材中部時，由于光斑穿過汽化區(qū)，造成能量損失，導(dǎo)致光斑的激光功率密度減小，光斑剩余的能量能熔化切縫中部的材料，所以切縫中部為熔化區(qū)。在光斑到達(dá)切縫最下端時，由于絕大部分的能量被汽化區(qū)和熔化區(qū)吸收，管材下端主要是輔助氣體和剩余能量作用形成，去除的材料與內(nèi)表面直接接觸形成熔渣區(qū)。

Fig.1 Slitmorphology distribution map

2.2 脈沖寬度對切縫形貌及粗糙度的影響

為了研究脈沖寬度對切縫形貌及粗糙度的影響，根據(jù)已有研究數(shù)據(jù)，選定在脈沖頻率7000Hz、切割速率為7mm/s的參量下進(jìn)行切割實驗。不同脈沖寬度下支架切縫各區(qū)域厚度分布變化規(guī)律如圖2a所示。支架汽化區(qū)和熔化區(qū)的厚度隨著脈沖寬度的增大而增大，熔渣區(qū)隨著脈沖寬度增大而減小。從支架切縫汽化區(qū)的變化來看，隨著汽化區(qū)域的脈沖寬度與激光占空比的增大，光斑傳遞的能量隨之逐漸增多，能量的傳遞使管材的汽化切割部分?jǐn)U大，汽化區(qū)的厚度變化較大；另一方面，當(dāng)脈沖寬度增大時，激光的峰值功率密度會隨之減小，光斑在管材傳遞能量的速率和效率變慢，隨著切縫增深所造成的能量損失會逐漸增加，因此支架熔化區(qū)變化平緩。當(dāng)脈沖寬度在15μs～35μs之間變化時，支架汽化區(qū)的厚度變化范圍為60μm～120μm，支架熔化區(qū)的厚度變化范圍為80μm～90μm。圖2b為脈沖寬度15μs時掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）拍攝的切縫表面形貌分布情況。

Fig.2 Slit thickness distribution and 15μs surface topography in different regionswith different pulse widtha—thickness distribution map b—15μs slit surfacemorphology

Fig.3 Variation diagram of R a value in slotted regions with different pulse width

不同脈沖寬度支架切縫區(qū)域表面粗糙度Ra值的變化如圖3所示。隨著脈沖寬度的不斷增加，支架切縫的汽化區(qū)表面粗糙度Ra值始終低于切縫熔化區(qū)和熔渣區(qū)的Ra值，汽化區(qū)的表面質(zhì)量最優(yōu)，熔化區(qū)次之，熔渣區(qū)的表面質(zhì)量最差。當(dāng)切縫支架的脈沖寬度為15μs時，汽化區(qū)的光斑的能量密度較小而峰值功率密較大，造成切縫區(qū)域光斑的光照強(qiáng)度較弱，所以汽化區(qū)的Ra值較?。划?dāng)支架切縫的脈沖寬度為25μs時，光斑能量密度增大，峰值功率降低，激光占空比不斷變大，光斑能量作用于支架切縫汽化區(qū)和熔化區(qū)的時間增長，造成支架切縫的汽化區(qū)與熔化區(qū)Ra值會逐漸增大，支架汽化區(qū)Ra值達(dá)到了最大值1100nm；當(dāng)脈沖寬度繼續(xù)增加時，激光占空比與光斑的激光峰值功率密度等因素，使汽化區(qū)的光斑能量較少，而熔化區(qū)與熔渣區(qū)的光斑能量較多，從而造成支架汽化區(qū)Ra值會減小，熔化區(qū)與熔渣區(qū)Ra值會增大。

2.3 激光功率對切縫形貌及粗糙度的影響

為了研究激光功率對切縫形貌及粗糙度的關(guān)系，選用脈沖寬度15μs、切割速率7.5mm/s的工藝參量下進(jìn)行切割實驗，得到了不同激光功率支架切縫形貌的變化圖，如圖4所示。圖4a是激光功率100W得到的支架切縫形貌圖。由于光斑的功率密度和能量密度較低，導(dǎo)致光斑無法切透管材底部。當(dāng)激光功率不斷增加到110W時，如圖4b所示。此時管材完全被切透，但切縫內(nèi)部的光斑能量依然很少，輔助氣體吹除是影響切縫形成的關(guān)鍵，導(dǎo)致支架切縫表面起伏較大且呈現(xiàn)漣漪狀結(jié)構(gòu)。激光功率持續(xù)增加，光斑的能量密度也增加，導(dǎo)致光斑的軸向能量傳遞效率加快，光斑徑向傳遞的能量和傳遞速率減少，光斑的穩(wěn)定性越來越好，切縫表面漣漪狀結(jié)構(gòu)減少。激光功率為130W時，支架切縫表面漣漪狀結(jié)構(gòu)明顯減少，如圖4c所示。激光功率達(dá)到150W時，支架切縫表面平穩(wěn)且不存在漣漪狀結(jié)構(gòu)，如圖4d所示。

Fig.4 Surface topography of slitwith different laser powera—P=100W b—P=110W c—P=130W d—P=150W

不同激光功率下支架切縫區(qū)域分布變化規(guī)律如圖5a所示。激光功率小于110W時，由于光斑的能量密度低，光斑的光照強(qiáng)度弱，激光不能切透支架管材。隨著激光功率的增加，光斑的能量密度和占空比隨之增加，光斑的沿切縫方向的傳遞速度和速率增加，汽化區(qū)和熔化區(qū)厚度增加。當(dāng)激光功率為110W～150W之間變化時，支架汽化區(qū)的變化范圍為10μm～100μm，熔化區(qū)變化范圍為50μm～70μm。不同激光功率切縫各區(qū)域Ra值的變化情況如圖5b所示?？梢钥闯?，支架汽化區(qū)的Ra值一直處于最低水平，熔化區(qū)的Ra值總體變化范圍最小。當(dāng)激光功率在110W～140W變化時，光斑的激光功率密度是影響支架切縫各區(qū)域Ra的主要因素，激光功率增加，汽化區(qū)吸收的光斑能量持續(xù)增加，因此切縫汽化區(qū)Ra值不斷增加，反之切縫熔化區(qū)和熔渣區(qū)變化緩慢。當(dāng)激光功率超過140W時，光斑的峰值功率密度是影響各區(qū)域Ra值的主要因素，激光功率增加，光斑的峰值功率密度增加，但能量在汽化區(qū)的時間減少，光照強(qiáng)度隨之減弱，所以切縫汽化區(qū)Ra值急劇下降。

Fig.5 Thickness distribution and roughness variation of slit regions with different laser powera—thickness distribution map b—variation diagram of R a value

2.4 切割速率對切縫形貌及粗糙度的影響

為了研究切割速率對切縫形貌及粗糙度的關(guān)系，選用脈沖寬度15μs、脈沖頻率7000Hz的工藝參量下進(jìn)行切割實驗，得到了不同切割速度下支架切縫形貌的變化圖。圖6a和圖6b分別是切割速率為3mm/s和7mm/s下切縫的表面形貌圖?？梢钥闯?，切割速率為3mm/s時，由于切割速率較慢，光斑與支架接觸時間較長，材料吸收的能量較多，材料流動性能力加強(qiáng)，導(dǎo)致支架切縫表面不均勻，存在許多凹坑。隨著切割速度不斷增加，光斑與支架的接觸時間變短，材料吸收的光斑能量也減少，材料流動性減弱，支架切縫表面趨于平穩(wěn)。

Fig.6 Surface topography of support slit under different cutting speeda—v=3mm/s b—v=7mm/s

Fig.7 Thickness distribution map and roughness variation diagram of slit area with different cutting speeda—thickness distribution map b—variation graph of R a value

不同切割速率下切縫的變化如圖7a所示。當(dāng)切割速率在3mm/s～6mm/s時，支架的汽化區(qū)厚度隨切割速度增大持續(xù)降低；切割速率在6mm/s～8mm/s時，切縫汽化區(qū)厚度隨切割速率增大而降低。這是因為切割速率小于6mm/s時，切割速率增加導(dǎo)致支架單位面積吸收的能量減少，管材吸收的總能量隨之減少，因而切縫汽化區(qū)厚度減??；切割速率大于6mm/s時，光斑傳遞到管材的能量大部分集中在汽化區(qū)，導(dǎo)致汽化區(qū)的厚度逐漸增加。切割速率與切縫各區(qū)域粗糙度的關(guān)系如圖7b所示。可以看出，不同區(qū)域的粗糙度隨著切割速率的變化起伏比較大，主要由于切割速率增大時，管材的熔融時間較短，氣體的吹除時間也較短，支架切縫總體的粗糙度隨切割速率先減少后增加。當(dāng)切割速率為6mm/s時，支架切縫各區(qū)域的Ra值最低，支架汽化區(qū)Ra=650nm。因為支架切縫表面粗糙度隨切割速率的變化起伏最大，所以在研究各工藝因素時，應(yīng)該優(yōu)先將切割速率放在首位。

3 結(jié) 論

研究了不同加工工藝參量下心血管支架切割過程中切縫各區(qū)域表面形貌及粗糙度變化趨勢和產(chǎn)生的機(jī)理。

（1）支架切縫按照其表面形貌特點(diǎn)分為汽化區(qū)、熔化區(qū)和熔渣區(qū)。支架切縫汽化區(qū)厚度主要受脈沖寬度和激光功率的影響，與脈沖寬度和激光功率成正比。當(dāng)脈沖寬度為15μs～35μs時，汽化區(qū)的厚度變化范圍為60μm～120μm；當(dāng)激光功率為110W～150W時，汽化區(qū)的厚度變化范圍為10μm～100μm。支架切縫熔化區(qū)主要受切割速率的影響，在脈沖頻率和激光功率下變化不明顯，隨切割速率增加先增大后減小。當(dāng)切割速率為3mm/s～8mm/s時，汽化區(qū)厚度變化范圍為40μm～70μm；當(dāng)切割速率為6mm/s，汽化區(qū)最小厚度為40μm。

（2）支架切縫各區(qū)域的表面粗糙度分布不均勻，各區(qū)域相差較大?？傮w來看，隨著脈沖寬度、激光功率和切割速度逐漸增加，汽化區(qū)的支架切縫表面質(zhì)量達(dá)到最好，而熔渣區(qū)的支架切縫表面質(zhì)量與之相反。另一方面，切割速率是影響支架切縫3個區(qū)域表面粗糙度的主要因素，切縫汽化區(qū)隨脈沖寬度和激光功率增加先增大后減小。當(dāng)脈沖寬度為25μs時，切縫汽化區(qū)的Ra值最高為1100nm；為當(dāng)切割速率為6mm/s時，支架切縫Ra值最低為650nm。