内窥镜激光熔覆-加工成形-选区激光焊接协同密封方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种内窥镜激光熔覆-加工成形-选区激光焊接协同密封方法。

背景技术

内窥镜是通过口腔进入胃部或者通过其他天然孔道进入人体内的专业检测仪器，其可以看到X射线无法显示的病变。其中，硬管式内窥镜是医疗检查用内窥镜的主要类型之一，其主要由光学成像系统和照明系统组成，并适用于耳鼻喉、宫腔、支气管等人体表浅及浅层部位自然腔道和通过穿刺开口腔道。

硬管式内窥镜头部保护镜片与周围金属的连接问题将直接影响内窥镜的密封性，进而影响内窥镜的服役性能和使用寿命。申请号为201621097975.1的实用新型专利提出了一种内窥镜物镜密封结构，即采用胶合的方式将镜片与内镜管连接，但是胶合工艺对高温高压灭菌处理的耐受性较差，且高温高压灭菌次数非常有限。申请号为201821972952.X的实用新型专利提出了内窥镜的镜端结构、物镜端结构和目镜端结构，主要采用现在镜片周向镀上一层金属膜，再基于该金属膜将镜片与金属材质镜管焊合，但是镜片周向镀膜难度较大，且镀膜成本较高。申请号为202210386571.8的发明专利提出了一种耐高温硬管内窥镜，其采用钎焊的方式将蓝宝石镜片与不锈钢管焊合，但是钎焊处理后的内窥镜常常会发现钎料流到不需要钎焊的位置处，且难以去除。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种内窥镜激光熔覆-加工成形-选区激光焊接协同密封方法，解决了内窥镜密封性较差、工艺复杂且难度较大、加工成本高昂等问题，使得高温高压灭菌处理条件下的内窥镜可以长时间、高性能服役。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种内窥镜激光熔覆-加工成形-选区激光焊接协同密封方法，包括以下步骤：

(1)选用医用不锈钢板作为基体，采用高速激光熔覆方法，将激光束焦点汇聚于基体表面上方0.2～3mm位置处，将Ag-Cu-Ti粉末熔覆在基体表面，且熔覆层厚度控制在0.2～0.65mm；其中，Ag-Cu-Ti粉末的化学成分质量分数为Ag含60～66％，Cu含28～36％，Ti含1.5～3％，In含0～3％，Li含0～10％；

(2)将表面熔覆了Ag-Cu-Ti粉末的不锈钢板依次进行塑性加工、激光焊接、线切割和光亮化处理，制备成直径为2～10mm、长度为13～35mm、内壁表面为Ag-Cu-Ti熔覆合金层的管状结构件；

(3)将内窥镜保护镜片嵌入尺寸匹配的管状结构件前端，并夹紧固定；

(4)基于选区激光焊接技术，将内窥镜保护镜片与管状结构件进行局部位置处的选择性激光焊合，既激光光斑呈阵列式选区辐照在Ag-Cu-Ti熔覆合金层上，被辐照区域的Ag-Cu-Ti熔覆合金层熔化，使得内窥镜保护镜片与管状结构件能够封装起来；而未辐照区域的Ag-Cu-Ti熔覆合金层不熔化。

进一步的，步骤(1)中不锈钢板在使用前，先用粗砂纸去锈、去污，再用细砂纸打磨至表面光洁，接着用乙醇进行清洗，最后于洁净通风处凉置干燥备用。

进一步的，步骤(2)中塑性加工过程包括：钢板的预弯边、U成型和O成型三个步骤，首先采用小型预弯边压力机将宽幅为6.28～31.41mm，壁厚为0.5～1.5mm的不锈钢板的长度边缘进行预弯曲处理，使得弯边的曲率半径与预先设计的O型钢板的半径相同；之后将预弯曲处理后的钢板在小型U成型压力机上定位后，在竖直压模和底部模具的作用下，弯曲成U型钢板；最后将U型钢板放置于小型O型压力机的下模具中，小型O型压力机的上模具挤压U型钢板上部，使得U型钢板压缩成O型钢板。

进一步的，步骤(2)中激光焊接过程包括：首先对O型钢板的长度边缘需要焊接的部位进行清洗打磨；之后通过工装夹具进行装夹固定O型钢板；最后使用600W～1000W的光纤激光器和0.5～1.5m/min的焊接速度将O型钢板焊接成管状结构件。

进一步的，步骤(2)中线切割过程包括：将已焊接好的管状结构件依据内窥镜的长度规格进行线切割，切割成长度为13～35mm的管状结构件，且线切割精度要求达到±0.005mm，切割速度不小于0.2m/s，切割断面的表面粗糙度至少达到Ra0.8。

进一步的，步骤(2)中光亮化处理过程包括：针对已切割好的管状结构件的焊缝与切割断面，使用最大功率为300w的脉冲激光器进行高速激光清洗，激光清洗后不锈钢管外表面粗糙度Ra达到0.38～0.8μm。

进一步的，步骤(4)中选择性激光焊合在氩气氛围下进行，参数如下：激光光斑尺寸为35～70μm；激光功率为110W～170W，扫描速度为2～5mm/s，脉冲宽度为3～5ms，重复频率为5～20Hz。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过高速激光熔覆和加工成形方法获得内层为较低熔点的Ag-Cu-Ti合金、外层为医用不锈钢的管状复合结构，在利用选区激光焊接方法将内窥镜保护镜与前述管状复合结构件进行局部位置处焊合，实现了内窥镜保护镜位置处的高质量密封。

(2)本发明是通过高速激光熔覆的方式将医用不锈钢板与低熔点Ag-Cu-Ti合金实现冶金结合，突破了镀膜、涂抹钎料等传统不锈钢-低熔点合金结合方式，而且激光熔覆层的化学成分调控十分便捷灵活，熔覆层的厚度及均匀性可控性较强。

(3)本发明基于高速扫描的脉冲激光对管状复合结构件中的金属外漏表面进行光亮化处理，其可以对区域面积为微米级的特定区域实现氧化层、油污等的高效去除，且光亮化处理过程中不破坏内层的Ag-Cu-Ti合金。

(4)本发明采用选区激光焊接的方法焊合内窥镜保护镜片和外圈金属，一方面，选区激光焊接过程中的热输入量较全面积激光焊接更小，其诱导的热变形较小，有利于内窥镜尺寸精度的控制；另一方面，在高温高压灭菌等过程中，金属及玻璃由于热膨胀变形不一致极易诱导结合界面附近萌生裂纹，继而引发内窥镜漏气漏水现象，而选区激光焊接可以将未焊接区作为缓冲层，释放应力，解决热变形诱导的开裂问题。

(5)本发明采用高速激光熔覆方法在医用不锈钢上均匀、致密地熔覆0.2～0.65mm厚低熔点Ag-Cu-Ti合金，且该合金在选区激光焊接过程中起到钎料的作用，避免了常规钎焊过程中钎料分布不均匀、钎料外溢等问题。

(6)经过激光熔覆-加工成形-选区激光焊接协同密封方法处理后的内窥镜，可以耐3000次以上的134℃高温高压灭菌处理。

附图说明

图1为塑性加工过程的预弯边示意图；

图2为塑性加工过程的U成型示意图；

图3为塑性加工过程的O成型示意图；

图4为内窥镜保护镜片与管状结构件的配合示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供了一种内窥镜激光熔覆-加工成形-选区激光焊接协同密封方法，包括以下步骤：

(1)选用医用不锈钢板作为基体，采用高速激光熔覆方法，将激光束焦点汇聚于基体表面上方0.2～3mm位置处，将Ag-Cu-Ti粉末熔覆在基体表面，且熔覆层厚度控制在0.2～0.65mm。其中，Ag-Cu-Ti粉末的化学成分(质量分数)为Ag含60～66％，Cu含28～36％，Ti含1.5～3％，In含0～3％，Li含0～10％。

优选的，不锈钢板首选304不锈钢板，不锈钢板在使用前，先用粗砂纸去锈、去污，再用细砂纸打磨至表面光洁，接着用乙醇进行清洗，最后于洁净通风处凉置干燥备用。

(2)将表面熔覆了Ag-Cu-Ti粉末的304不锈钢板依次进行塑性加工、激光焊接、线切割和光亮化处理，制备成直径为2～10mm、长度为13～35mm、内壁表面为Ag-Cu-Ti熔覆合金层的管状结构件。

具体来说，塑性加工过程包括钢板的预弯边、U成型和O成型三个步骤，如图1-3所示，首先采用小型预弯边压力机将宽幅为6.28～31.41mm，壁厚为0.5～1.5mm的304不锈钢板的长度边缘进行预弯曲处理，使得弯边的曲率半径与预先设计的O型钢板的半径相同；之后将预弯曲处理后的钢板在小型U成型压力机上定位后，在竖直压模和底部模具的作用下，弯曲成U型钢板；最后将U型钢板放置于小型O型压力机的下模具中，小型O型压力机的上模具挤压U型钢板上部，使得U型钢板压缩成O型钢板。

激光焊接过程包括：首先对O型钢板的长度边缘需要焊接的部位进行清洗打磨，以提高焊接的结合强度；之后通过自制的工装夹具进行装夹固定O型钢板，保证焊接过程中焊缝的位置不发生偏移；最后使用600W～1000W的光纤激光器和0.5～1.5m/min的焊接速度将O型钢板焊接成管状结构件。焊接要求焊缝外形均匀，焊道与焊道、焊道与基本金属之间过渡平滑，焊渣和飞溅物清除干净；焊缝不允许出现表面气孔和咬边；焊接后的管状结构件的圆度允许偏差为±0.1mm。

线切割过程包括：将已焊接好的管状结构件依据内窥镜的长度规格进行线切割，切割成长度为13～35mm的管状结构件，且线切割精度要求达到±0.005mm，切割速度不小于0.2m/s，切割断面的表面粗糙度至少达到Ra0.8。

光亮化处理过程包括：针对已切割好的管状结构件的焊缝与切割断面，使用最大功率为300w的脉冲激光器进行高速激光清洗，可以通过激光扫描振镜的偏转，改变清洗区域及扫描速度。激光功率可以在60W～180W进行调节，扫描速度在2000mm/s～11000mm/s进行超快清洗，激光清洗后不锈钢管外表面粗糙度Ra可达0.38～0.8μm。高速激光清洗可以得到较好加工质量且提高加工效率，同时短脉冲激光热影响区极小，不会对内层结构造成破坏。

(3)将内窥镜保护镜片嵌入尺寸匹配的管状结构件前端，并采用夹具将两者夹紧，以增大镜片与管壁的接触面积，如图4所示，1为管状结构件，2为内窥镜保护镜片，3为Ag-Cu-Ti熔覆合金层。

(4)基于选区激光焊接技术，将内窥镜保护镜片与管状结构件进行局部位置处的选择性焊合，既激光光斑呈阵列式(斜线式或网格式等)选区辐照在Ag-Cu-Ti熔覆合金层上，被辐照区域的Ag-Cu-Ti熔覆合金层熔化，使得内窥镜保护镜片与管状结构件能够封装起来。而未辐照区域的Ag-Cu-Ti熔覆合金层不熔化，可以作为缓冲层，释放应力。同时，上述操作应在氩气氛围下进行，以确保在选区激光焊接过程中不锈钢管不会发生氧化。

选区激光焊接参数如下：激光光斑尺寸为35～70μm。激光功率为110W～170W，扫描速度为2～5mm/s，脉冲宽度为3～5ms，重复频率为5～20Hz，通过调节焊接参数，可以实现最终成品在高温高压下重复清洗2000～3000次。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。