基于ANSYS 的镍钛合金心血管支架光纤激光切割温度场仿真＊

2022-11-10刘旭东李志永刘育辰柴明霞王永琪高存福

制造技术与机床 2022年11期

刘旭东李志永刘育辰柴明霞王永琪高存福

（山东理工大学机械工程学院，山东淄博 255000）

随着人口老龄化及城镇化进程的加速，不健康的生活方式使居民心血管病发病率持续增高，心血管疾病已成为重大公共卫生问题[1]。目前心血管疾病患者一般采用心血管支架植入或心脏搭桥手术进行治疗，由于心脏搭桥手术可施治的血管种类受限，所以心血管支架植入成为该疾病的主要施治手段。镍钛合金由于具有良好的力学性能、耐蚀性及优异的生物相容性而被广泛应用于心、脑血管和外周血管器械等生物医用材料领域[2-3]。但由于其强度高、塑性大、加工硬化严重和导热性低等特性，很难用传统制造工艺进行加工，而激光切割因其非接触、切割精确、能量集中和易实现自动化等优点，成为加工具有复杂微观结构的镍钛合金器件的理想工艺[4-5]。

激光切割温度场涉及非线性瞬态传热问题，并且切割过程伴有相变发生，对应热传导微分方程的解析求解非常困难。且不同切割参数对切割质量影响各不相同，各因素间相互影响，导致实际加工中通过调整切割参数来控制切割质量非常困难，利用仿真分析可以很好地解决这一难题[6]。袁伟等[7]利用ANSYS 有限元软件对激光切割Q235A 钢板过程中温度场的变化进行仿真分析，发现工件温度随激光功率的增大而升高，随切割速度的增大而降低。任宁等[8]基于ANSYS 有限元软件模拟了钕铁硼材料在脉冲激光辐射下的三维瞬态仿真，得出温度场的分布情况，探究了激光功率、脉冲宽度和切割速度对试样温度场分布的影响。Fu C H 等[9]通过有限元模拟了激光切割镍钛合金的加工机理，探究出切削速度、峰值脉冲功率和脉冲宽度对切缝宽度、温度、应力及热影响区的影响，对实际切割起到优化的作用。

本文主要以镍钛合金心血管支架为研究对象，使用高斯热源替代光纤激光，调用 APDL 函数编辑器获得命令流，实现热源移动，对切割过程进行模拟。探究不同工艺参数在光纤激光加工镍钛合金心血管支架时4 条切割轨迹温度场分布以及变化的影响规律，为加工镍钛合金血管支架提供了有益的借鉴。

1 温度场仿真

1.1 几何模型与网格划分

本次试验主要探究光纤激光切割镍钛合金管的单次工艺过程，其几何模型如图1 所示。支架总长度为10 mm，外径2.6 mm，壁厚0.2 mm。高斯热源按照从a→b→c→d的顺时针轨迹移动，每两节点之间的弧线距离为1.5 mm，ac连线距离为2.5 mm。激光热源的运动轨迹为沿xy平面方向的圆弧运动和沿z轴方向的直线运动构成的复合运动，以参数方程形式代入高斯热源公式可获得4 条轨迹对应的函数，进而利用APDL 编程实现激光热源沿轨迹运动。

图1 镍钛合金管切割示意图

网格尺寸对数值模拟结果的精度以及计算效率的影响尤为重要。建模时将镍钛合金管分为3 个部分，分别为材料去除区域、切缝区域以及未加工区域。在保证计算精度的前提下，本文采用自由网格划分，对不同区域采用不同的划分方式，如图2 所示。切缝处为主要研究对象，网格细化尺寸为0.08 mm。其余部分划分相对稀疏，网格大小设为1 mm，这样可以大大提高计算效率。

图2 网格划分

1.2 材料属性

激光切割镍钛合金管时，被加工材料会随着温度升高而发生巨大变化，故需明确材料的热物性参数。本次切割使用的镍钛合金管性能参数如表1所示。

表1 镍钛合金性能参数

1.3 移动热源的加载

切割过程将激光移动热源看作高斯面热源[10]。光纤激光切割镍钛合金管时，能量以热流密度的方式作用在材料表面，其热流密度服从高斯分布，其形式如式（1）所示。

式中：q(R)表示距热源中心距离为R的热流密度；A为材料对激光的吸收率；P为功率密度，W/m2；R为激光光斑半径，m；v为激光光斑的移动速度，m/s。

1.4 边界条件

激光切割镍钛合金管的温度场分析涉及相变，是一个复杂的瞬态非线性问题，为了简化计算，一般假设：①被切割的材料各向同性；②热物理性能参数与温度呈线性关系；③激光光束呈线性关系；④只考虑切割过程中的热传导与对流换热作用[11]。

根据以上假设，可建立激光切割过程的三维非线性瞬态热传导微分方程

式中：λ为材料导热系数；T为某一时刻材料任一点的温度；Q为内热源，c为材料比热容，J/(g·℃)；ρ为材料密度，g/cm3。

为了对式（2）进行求解，必须定义初始条件和边界条件。设置镍钛合金管切割前的初始温度为T0=20 ℃。高斯激光热源以热流密度形式加载在镍钛合金管上表面，其余材料与周围环境之间发生对流换热，即

式中：q为热流密度，W/m2；α为对流换热系数；TS为材料表面温度，℃；TB为周围空气的温度，℃。

对于圆管两端，由于其热量传递较小，故可视为绝热状态，其边界条件的表达式为

式中：q为热流密度，W/m2；k为导热率，W/(m·℃)；为n沿向的温度梯度；负号表示热量流向温度降低的方向。

2 仿真结果分析

2.1 不同时刻温度场分布

图3 是激光功率为100 W，切割速度为3 mm/s条件下光纤激光切割镍钛合金管温度场的模拟结果，为工件分别在不同时刻的温度场分布图。

由图3 可知，光纤激光切割镍钛合金管时，其温度场分布近似为椭圆形。当热源作用在工件表面时，激光能量转化为热能被镍钛合金管吸收，使被加工区域温度迅速升高，随着热源沿着切割轨迹继续移动，温度场不断扩大至整个镍钛合金管。靠近热源中心处等温线分布较为密集，远离热源中心等温线分布相对稀疏，这表明高斯激光热源不是一种均匀热源，并且在热源移动过程中，靠近热源中心位置处的温度梯度较大，远离热源中心位置处的温度梯度较小。

图3 不同时刻温度场分布图

2.2 不同工艺参数对温度的影响

影响支架切割质量的工艺参数较多[12-13]，但从可控性方面考虑，本文选取激光功率和切割速度两个工艺参数设计单因素仿真试验，探究其在激光切割时对温度变化的影响。本文分别选取激光功率90 W、100 W、110 W、120 W，切割速度3 mm/s、4 mm/s、5 mm/s、6 mm/s。分别选取4 条切割路径上的中点A、B、C和D，记录各点在不同工艺参数情况下的温度变化情况。

图4 是在保持切割速度为3 mm/s 前提下，对激光功率进行单因素试验分析获得的各节点温度变化曲线图。由图可知，每个节点温度呈现先增大后减小的高斯分布趋势。这是因为当激光热源到达各个节点位置时，被加工区域温度迅速上升达到峰值。当热源离开时，由于冷却液的作用，材料开始冷却，温度从最高点迅速降低，最后趋于室温。同时，A、B、C和D这4 个节点的温度均随着激光功率的升高而依次增大。以节点A为例，节点A在激光功率分别为90 W、100 W、110 W 和120 W 时最高温度可达1 382.5 ℃、1 654.6 ℃、1 926.7 ℃和2 198.8 ℃。激光功率由90 W 提高至120 W，温度升高59%。B、C、D这3 个节点的温度变化趋势与节点A基本一致，温度均升高59%左右。这是由于激光功率增大，功率密度和峰值功率会随之升高，作用在材料表面的热流密度不断增多，切割区域温度升高。激光功率过高，意味着镍钛合金管表面吸收的热量过多，会导致切缝变宽，支架内表面熔渣堆积严重；激光功率过低，会导致被加工区域大的温度达不到熔点，镍钛合金管不能被完全切透。综上，通过温度变化分析可知切割质量会随激光功率的增大呈现先变好后变差的趋势。其中最高温度出现在热源作用的中心区域，当切割区域温度达到材料的熔点，材料被熔化汽化，并在辅助气体氩气作用下被吹除，达到成形加工的目的。通过对比可知，每个节点的整体温度均高于前一节点。以P=120 W 为例，A、B、C和D这4 个节点的温度分别为2 198.8 ℃、2 299.6 ℃、2 666.5 ℃和2 751.3 ℃，激光功率为90 W、100 W、110 W 时4 个节点温度也呈现类似升高趋势。这是因为上一条切缝的热量虽然由于冷却作用而降低，但依然传递给后面的节点，导致整体温度升高。可以看出激光功率对切割时温度影响较为显著。

图4 不同激光功率下各节点温度变化曲线图

图5 是在保持激光功率为100 W 前提下，对切割速度进行单因素试验分析获得的各节点温度变化曲线图。由图可知，每个节点温度依旧呈现出先增大后减小的高斯分布趋势。切割速度增大，4 个节点的温度均依次减小。以节点A为例，节点A在切割速度分别为3 mm/s、4 mm/s、5 mm/s 和6 mm/s时最高温度可达1 654.6 ℃、1 610.6 ℃、1 568.2 ℃和1 536.8 ℃。切割速度由3 mm/s 提高至6 mm/s，温度降低7.1%。B、C、D节点的温度变化趋势与节点A基本一致，温度分别降低13%、13.9%和19.6%。这是因为热源移动速度快，导致切割区域单位时间吸收的热量减少，切割区域温度降低。切割速度过高，热源在切割路径停留时间短，会导致加工区域单位时间吸收的热量减少，温度达不到材料熔点，镍钛合金管不能被完全切透；切割速度过低，热源在切割路径停留时间长，材料表面吸收的热量多，会使切缝变宽，支架内表面熔渣堆积严重。综上，通过温度变化分析可知切割质量会随切割速度的增大呈现先变好后变差的趋势。

图5 不同切割速度下各节点温度变化曲线图

3 试验验证

3.1 试验设备

为了验证有限元仿真的可靠性，将仿真结果与试验结果进行比较分析，对仿真数据进行试验验证。试验设备使用山东威海维心医疗器械股份有限公司的TLS-HT1100 型微秒光纤激光湿式切割系统（如图6 所示），该系统激光器型号为IPG YLR-200-AC，具体参数如表2 所示。

图6 TLS-HT1100 型微秒光纤激光湿式切割系统

表2 光纤激光器参数

选取与仿真一致的工艺参数，对镍钛合金管进行加工获得样件。采用美国的场发射环境扫描电子显微镜（FEI,Quanta 250FEG）分析样件表面微观形貌来阐述不同工艺参数对支架切割后质量的影响。

3.2 试验结果

图7 是在保持切割速度不变的情况下，仅改变激光功率参数得到的支架微观形貌图。如图所示，当P=90 W 时，激光功率较小，传递到管壁底部的能量不足，支架未完全切透。当P≥100 W 时，随着激光功率增加，光斑传递的能量增大，材料表面吸收的热量增多，切缝变宽，支架均被完全切透。P=100 W 时，支架内表面熔渣最少，分布最均匀，平均长度最短，最长为49 μm，表面微观形貌最好。随着激光功率继续增大至110 W 时，支架内表面熔渣堆积增多，分布均匀性变差，熔渣长度增长，最长为156 μm，表面微观形貌变差。当激光功率继续增大至120 W 时，熔渣长度最长可达208 μm，且呈瀑布状分布，与基体基本融为一体，无明显界限，表面微观形貌更差。综上，激光功率从90 W 增大到120 W 支架表面形貌呈现先变好后变差的情况，与仿真结论相符。

图7 不同激光功率下支架表面微观形貌图

图8 是在保持激光功率不变的情况下，仅改变切割速度参数得到的支架微观形貌图。如图所示，当v=3 mm/s 时，激光热源在镍钛合金管表面移动速度缓慢，停留时间长，切割后的支架内表面熔渣堆积严重，测得熔渣最长可达168 μm。随着切割速度升高，热源停留在支架表面的时间变短，吸收的能量减少，当v=4 mm/s 时，熔渣最长为146 μm。v=5 mm/s 时，支架内表面熔渣最少，平均长度最短，最长为130 μm，表面微观形貌最好。v=6 mm/s 时，镍钛合金管内表面出现与切割速度方向相反的熔渣，其主要原因是切割速度过快，熔融材料流动的速度低于光斑移动的速度造成的。切割速度继续增大，可能出现支架未能被完全切透。综上，支架表面形貌随切割速度的增大呈现先变好后变差的情况，与仿真结论相符。