CC BY
49
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ №26 2011
ПГПУ
ИМ. В. Г. БЕЛИНСКОГО
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA IMENI V.G. BELINSKOGO PHYSICAL AND MATHEMATICAL SCIENCES №26 2011
УДК: 615.472.5
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ НА ПРОИЗВОДСТВЕ СИСТЕМ ДОСТАВКИ КОРОНАРНЫХ СТЕНТОВ
© М.В. ШИГАЕВ1, С.В. ЕВДОКИМОВ2 1Пензенский государственный университет, кафедра “Медицинские измерительные системы и технологии” e-mail: shigaev@list.ru 2 ЗАО НПП “МедИнж” e-mail: meng@mail.ru
Шигаев М. В., Евдокимов С.В. — Управление процессом импульсной лазерной сварки на производстве систем доставки коронарных стентов // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2011. № 26. С. 693—700. — В статье представлены результаты моделирования процесса импульсной лазерной сварки соединений систем доставки коронарного стента, позволяющие описать с большей точностью состояние, в котором находятся свариваемые узлы во время проведения операции лазерной сварки. Представленная модель позволяет выявить совокупность факторов, влияющих на результаты операции, и установить оптимальные способы реализации управления этим процессом. Автором рассмотрены параметры импульсного лазерного излучения, влияющие на качество сварного соединения. С учётом действия данных параметров выполнено моделирование процесса импульсной лазерной сварки.
Ключевые слова: система доставки стента, коронарный стент, импульсная лазерная сварка
Shigaev M.V., Evdokimov S.V. — Management of impulse laser welding on coronary stent delivery systems’ production // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V. G. Belinskogo. 2011. № 26. P. 693—700. — The article presents the modeling results of impulse laser welding of coronary stent delivery systems’ joints. This modeling allows to describe precisely the state, to which joints of coronary stent delivery systems belong during the operation of laser welding. The model allows to reveal the aggregate of factors, affecting the results of operations; the model also determines optimal methods of this process control. Parameters of impulse laser radiation, affecting the quality of welding joint, are also considered by the author. Modeling of impulse laser welding have been performed with due consideration of these parameters. Keywords: stent delivery system, coronary stent, pulsed laser welding
Постановка задачи и область исследования
Коронарное стентирование является одним из важнейших достижений в интервенционной кардиологии. Рост операций с его применением, учитывая высокую эффективность данного вида чрескожного коронарного вмешательства, продолжает расширяться на более сложные анатомические варианты поражений.
Объектом исследований, опубликованных в настоящей статье, было качество сварных соединений систем доставки коронарных стентов.
Операция сварки комплектующих деталей систем доставки стентов является основной при производстве данного вида изделий. Результаты проведенного моделирования подтверждают, что необходимое качество сварного соединения может быть достигнуто с использованием импульсной лазерной сварки. Данный метод обеспечивает минимальное тепловложение в свариваемые детали, и лазерный луч достаточно легко совмещается со стыком свариваемых соединений, кроме того, лазерная сварка осуществляется в широком диапазоне режимов, обеспечивающих процесс соединения деталей с толщиной от нескольких микрон до десятков миллиметров.
Внедрение лазерной сварки в процессе производства коронарных катетеров баллонного расширения вместо других её видов позволяет снизить процент дефектных изделий и трудоемкость их изготовления, а также увеличить производительность по сравнению с остальными видами сварочных операций. Выбор режимов лазерной сварки необходимо осуществлять, учитывая прочие недостатки других существующих на данный момент способов сварки полимеров.
Моделирование процесса лазерной сварки позволяет описать с большей точностью состояние, в котором находится свариваемая деталь во время проведения операции лазерной сварки, а также выявить совокупностью факторов, влияющих на результаты операции, и установить оптимальные способы реализации управления этим процессом.
Модель многомерного управляемого процесса импульсной лазерной сварки
В теории автоматического управления одним из основных элементов системы автоматического управления является объект управления. Состояние объекта управления характеризуется совокупностью параметров, которые в виде сигналов поступают на входы объекта управления и изменяют сигналы на его выходе.
Для осуществления управления процессом сварки и построения управляемой системы “источник энергии - сварное соединение” нужно знать физическую структуру источника, возможные режимы его воздействия на материалы, условия теплопроводности свариваемых материалов и способы реализации управления.
Для моделирования управляемого процесса сварки выберем в качестве объекта управления тепловой процесс сварки, который в первом приближении определяет основные технологические и эксплуатационные характеристики сварного соединения и, соответственно, является одним из основных процессов, которые возникают и протекают при формировании сварного шва.
Рассмотрим основные показатели, определяющие тепловой режим процесса импульсной лазерной сварки, режим импульсного воздействия излучения лазера, возмущения внешней среды и внутренние помехи [3].
Тепловой режим сварки определяется температурой, распределенной по всему объему в зоне сварки. Температура в случае объемного теплового процесса является функцией трех координат Т(х,у,г,Ь) и тепловой процесс в теории автоматического управления является системой управления с распределенными параметрами.
В случае воздействия концентрированного источника энергии на поверхность полубесконечного тела оси х, у расположим на поверхности тела, а ось ¿направим внутрь тела. Обозначим показатели теплового процесса в этой системе координат. Режим импульсной лазерной сварки характеризуется следующими показателями:
• энергия в импульсе лазерного излучения - Е;
• форма и размеры пятна нагрева - 5 (х, у, Ь);
• распределение плотности мощности в пятне нагрева и во время импульса (форма импульса) - q
(х,у,Ь);
• длительность импульса излучения - ¿и;
• частота следования импульсов - /и;
• скорость сварки - ^в;
• длина волны лазерного излучения (частота излучения) - Л.
Показатели теплового процесса как объекта управления разделим на управляемые, управляющие, заданные и возмущающие. Температура процесса сварки Т(х,у,г,Ь) является управляемой величиной. Один или несколько показателей режима импульсного воздействия лазерного излучения - управляющее воздействие (управление), остальные показатели режима импульсного воздействия будут задаваться, т.е. будут отнесены к заданным показателям. Возмущающие воздействия будут учтены в краевых условиях сварного соединения и в допущениях на стыковое или нахлесточное соединения. К возмущающим воздействиям можно отнести тепловые потоки дх на границах свариваемых тел, начальную температуру р свариваемых тел, изменение зазора в стыке А и другие неконтролируемые показатели.
На рисунке 1 схематически изображен тепловой процесс импульсной сварки с основными показателями, условно разделенными на управляемые, управляющие, заданные и возмущающие.
1^| Открыть ЮТ %Создатьют| ! Л А Л (Л Л ^ ’ ЇМ
І <к°
• ж к ч \ Ш * «[■]*=. ІІЕ :Е
ш в™ щ|шс
Рисование - Автофигуры. \ Ч □ О Э >
а а -з*-в>• д• = = $д J -
3/28 На 4,4см Ст 5
Рис. 1. Схема теплового процесса импульсной сварки как объекта управления:
ОУ — объект управления;
Е, Б(х,у,1), іи, я(х,у,1) — управляющие показатели;
^и, ^св, А — заданные показатели; ql, р, А — возмущающие показатели.
Анализ процесса сварки как объекта управления.
Рассмотрим возможности управления процессом импульсной лазерной сварки. Определенная величина энергии в импульсе устанавливается на весь процесс сварки либо возможно изменение величины
энергии в импульсе в процессе сварки. Уменьшение энергии импульса используется при сварке кольцевых швов для перекрытия начала шва [2].
Размеры пятна нагрева можно изменять с помощью фокусировки луча лазера относительно поверхности детали. Возможности изменения размеров пятна излучения достаточно велики, как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения [3]. Так минимальный диаметр сфокусированного пятна излучения для газового С02-лазера определяется по формуле (1):
¿п = 4-Л-Г; (1)
п • Д
где Л - длина волны лазерного излучения, мкм;
Г - фокусное расстояние фокусирующей линзы, мм;
Д- апертура пучка лазерного излучения на его выходе.
Необходимо отметить, что возможно получение одного и того же размера пятна излучения при расположении фокуса над поверхностью детали и под ней. При различном расположении фокуса изменяются условия теплообмена с деталью по поверхности пятна излучения.
Форма пятна нагрева и распределение плотности мощности излучения по пятну нагрева зависят от типа лазера и режима генерации, а также от оптической системы лазерной установки. Обычно пятно нагрева имеет круглую форму с распределением плотности мощности близким к Гауссову распределению.
Размер сфокусированного пятна нагрева, частота следования импульсов лазерного излучения и скорость сварки совместно определяют коэффициент перекрытия сварных точек в сварном шве. Коэффициент перекрытия определяется по формуле:
кп = 1 - 1 /; (2)
¿п • /и
где V - скорость сварки, мм/с;
1п - диаметр пятна нагрева, мм;
/и - частота следования импульсов, Гц.
Определенная частота следования импульсов при сварки деталей систем доставки коронарного стента устанавливается перед началом операции сварки на весь процесс. Скорость сварки зависит от возможностей вспомогательного оборудования, отвечающего за относительное перемещение свариваемых деталей и луча лазера [1-2]. В связи с этим изменение скорости сварки возможно в широких пределах. Также возможно задавать различный характер движения: непрерывное движение, прерывистое движение и движение с частичным возвратом на ранее сваренные участки шва.
При тепловых процессах с импульсной лазерной сваркой можно воздействовать изменением длительности импульса лазерного излучения и изменением распределения мощности по времени импульса (форма импульса).
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что необходимо управлять процессом импульсной лазерной сварки, изменяя следующие параметры режима: величину энергии в импульсе, частоту следования импульсов, скорость сварки и размеры пятна нагрева.
Последовательность выбора оптимальных режимов импульсной лазерной сварки.
Для того, чтобы определить последовательность выбора оптимальных режимов импульсной лазерной сварки, необходимо в первую очередь рассмотреть параметры сварного соединения деталей систем доставки коронарного стента. При импульсной лазерной сварке сварной шов формируется последовательным наложением отдельных сварочных точек (рис. 2). Сварной шов имеет следующие параметры: Ь
- ширина шва, Н - глубина проплавления, р - шаг следования сварных точек. Сварной шов также может иметь различную форму проплавления в поперечном сечении.
% Открыть PDF % Создать PDf|:Q & У £ | Й^1Ч’ 1М«* ’Ф g : ^ Основной текст . Times New Roman .14 . Ж^Ч »**[■] J= . | }E := | ffl . *? - A, - |
Рисование. b Автофигуры. \ \ DQI4Q1I âl -A ■ = == g Д Д g
Рис. 2. Параметры сварного шва, выполненного импульсной лазерной сваркой.
Важным параметром сварного шва, определяющим его герметичность и влияющим на прочность сварного соединения, является коэффициент перекрытия сварного шва. Коэффициент перекрытия зависит от диаметра пятна нагрева, скорости сварки и частоты следования импульсов и определяется по формуле (2).
При выборе режима сварки необходимо придерживаться следующей последовательности определения параметров режима.
Во-первых, необходимо определить необходимую ширину шва Ь. Ширина шва определяется в зависимости от толщин свариваемых деталей и геометрии места соединения свариваемых кромок деталей. При сварке деталей малых толщин (до 0,5 мм) рекомендуется выбирать ширину шва в пределах 3-6 толщин более тонкой детали.
Ширина шва будет определяться таким параметром режима, как диаметр сфокусированного на поверхность детали пятна нагрева. Один и тот же диаметр пятна нагрева можно получить при расположении фокуса луча над поверхностью детали и под ней. При заглублении фокуса можно получить швы с большим проплавлением. Однако, при таком расположении фокуса, в случае прогиба сварочной ванны, плотность мощности на ее поверхности увеличивается, и испарение материала становится более интенсивным, что может привести к возникновению прожогов. При сварке соединений особотонких деталей, таких, например как место сварки баллона системы доставки коронарного стента с полимерной трубкой её дистального шафта, чтобы избежать прожогов, рекомендуется располагать фокус над поверхностью свариваемых деталей.
Длительность импульса характеризует время воздействия излучения на материал и, следовательно, является временем, за которое происходит нагрев и расплавление полиамида. Для каждого материала и толщины, которую необходимо проплавить, существует оптимальный диапазон длительностей импульса, в пределах которого возможно получение сварного соединения без чрезмерного выброса материала из зоны нагрева. На практике при использовании импульсной лазерной сварки необходимо выбирать длительности импульсов ближе к верхнему пределу оптимального диапазона, исходя из технических возможностей лазерных установок.
Далее необходимо определить энергию в импульсе излучения, исходя из необходимых размеров проплавления от одиночного импульса лазерного излучения. При сварке внахлест общая глубина проплав-
ления (рис. 2) должна складываться из толщины верхней детали Н\ и глубины частичного расплавления нижней детали Н2. При сварке встык необходимо обеспечить полное проплавление деталей.
При использовании метода конечных разностей для определения оптимальной энергии в импульсе лазерного излучения с заданной формой распределения плотности мощности по пятну нагрева, мы имеем возможность определить форму и размеры проплавления в продольном сечении от одиночного импульса лазерного излучения. Зная форму и размеры проплавления, необходимо определить шаг сварных точек р, при котором будет соблюдаться требование герметичности сварного соединения. Для этого необходимо, чтобы выполнялось условие перекрытия сварных точек в продольном сечении стыка деталей (рис. 2). В случае, показанном на рис. 2, сварные точки в сечении А — А, перекрываются с эффективной шириной £, образуя герметичное соединение.
Затем необходимо выбрать частоту следования импульсов, которая обеспечивала бы более благоприятный термический цикл в точках сварного шва, в зависимости от размеров свариваемых деталей и, соответственно условий отвода тепла из зоны сварки.
При выбранных размерах пятна нагрева и частоте следования импульсов определим скорость сварки, которая обеспечит необходимый шаг сварных точек р по формуле:
V = р ■ /и;
(3)
Скорость сварки будет определять производительность процесса сварки, поэтому по возможности необходимо стремиться к ее увеличению.
Задачи управления тепловым процессом импульсной сварки
Для постановки задач управления тепловым процессом сварки деталей систем доставки коронарного стента рассмотрим объект управления с одномерным управляющим воздействием. Определим следующие задачи управления тепловым процессом импульсной лазерной сварки.
Основные процессы, происходящие в зоне сварки и влияющие в итоге на свойства получаемого сварного соединения, будут определяться температурным полем (рис. 3). Поэтому в качестве управляемого параметра выберем температуру Т(х,у,г,і) в зоне сварки.
Рис. 3. Схема теплового процесса импульсной сварки с управляющим параметром Е.
В качестве управляющего воздействия выберем один из основных параметров лазерного импульсного источника нагрева - энергию в импульсе лазерного излучения Е. При этом распределение плотности
мощности по пятну нагрева и во время действия импульса д(х, у, £) будет являться заданным параметром. Распределение плотности мощности по пятну нагрева может быть Гауссовым, равномерно распределенным по пятну нагрева либо иметь другую форму, определяемую свойствами лазерной установки и оптической системы. Также заданными показателями будут являться: длительность импульса излучения
- ^; частота следования импульсов - /и; скорость сварки - ^в; длина волны лазерного излучения - Л.
К возмущающим воздействиям отнесем: тепловые потоки дх на границах свариваемых тел, начальную температуру р свариваемых тел, изменение зазора в стыке А и другие неконтролируемые показатели.
При постановке и решении задач оптимального управления дополнительные возможности управления тепловым процессом импульсной лазерной сварки появляются при использовании в качестве управляющего воздействия - распределение плотности мощности по пятну нагрева д(х,у, £) (рис. 4). Изменение данного параметра возможно с помощью оптической системы лазерной установки. Данное направление в управлении тепловыми процессами при импульсной лазерной сварке является перспективным и его возможности в настоящее время не используются [2].
В данной задаче управления энергия в импульсе излучения Е не будет являться заданной и будет определятся интегрированием показателя д(х, у, £) по времени и координатам х, у.
Заданными параметрами, как и в предыдущей задаче управления будут являться: длительность импульса излучения - ^; частота следования импульсов - /и; скорость сварки - ^в; длина волны лазерного излучения - Л.
На объект управления будут воздействовать те же возмущающие параметры.
^1 Открыть РОР 1% Создать ЮР | : ^ ^ А Л СІ -й ^ Ї
ІІІ
| <к*
ни V/ А у и
1Ж. у ициіиі_ц*іч.
параметры.
ч(ыл)
:ование- Автофщуры- \ Ч А ІДІ И «*•¡¿■¿•==2 іі
ЗяП ИСПР БД л ЗАМ РУССКИЙ (Рп ДЧГ
Рис. 4. Схема теплового процесса импульсной сварки с управляющим параметром д(х,у,1).
Основные результаты и выводы
Моделирование процесса импульсной лазерной сварки позволяет выявить физические причины возникновения дефектов шва, с помощью чего становится возможным определение технологических условий исключения дефектов импульсной лазерной сварки: выплесков расплава в начале импульса лазера, пустот в корне шва, отсутствия непроваров, которые возникают при недостаточном перекрытии сварных точек от отдельных импульсов в стыке между свариваемыми деталями.
Анализ описанного моделирования процесса импульсной лазерной сварки показал, что трудности разработки и оптимизации данной технологической операции на производстве изделий для коронарного стентирования состоят в определении её параметров, обеспечивающих бездефектное формирование шва.
Разработанная модель формирования шва при импульсной лазерной сварке, основой которой является система уравнений импульсного воздействия излучения лазера, возмущения внешней среды и внутренние помехи, показывает что импульсная лазерная сварка характеризуется следующими показателями:
• энергия в импульсе лазерного излучения;
• форма и размеры пятна нагрева;
• распределение плотности мощности в пятне нагрева и во время импульса;
• длительность импульса излучения;
• частота следования импульсов;
• скорость сварки;
• длина волны лазерного излучения.
Для имитации формирования шва при импульсной сварке данная модель дополнена описанием закона изменения параметров луча во времени и процесса фиксации предельного пространственного расположения сварочных ванн, возникающих при воздействиях импульсов луча.
На основании выполненного моделирования процесса импульсной лазерной сварки соединений систем доставки коронарного стента можно сделать вывод, что управление процессом импульсной лазерной сварки необходимо осуществлять, изменяя следующие параметры режима: величину энергии в импульсе, частоту следования импульсов, скорость сварки и размеры пятна нагрева.
Статистическая обработка экспериментальных данных и проведенные испытания систем доставки коронарного стента, выполненные с использованием импульсной лазерной сварки, параметры которой установлены с учётом результатов вышеописанного моделирования, показали, что при изменении параметров режима импульсной лазерной сварки с учетом описанного моделирования, сварное соединение деталей систем доставки коронарного стента удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к изделиям данного типа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чубаров Е. П. Управление системами с подвижным источником воздействия. М.: Энергоатомиздат, 1985. 288 с.
2. Мелюков В. В. Оптимальное управление тепловым процессом сварки и термической обработки подвижным поверхностным источником теплоты // Физика и химия обработки материалов. 1984. № 4. С. 12-15.
3. Горный С. Г. Комбинированный способ оценки параметров процесса лазерной сварки // Сварочное производство. 1986. № 7. С.29-31.
