RO128983A2 - Instalaţie automatizată de sudare cu fascicul laser a capsulelor radioactive pentru medicină nucleară şi procedeu de utilizare - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o instalaţie automatizată de sudare cu fascicul laser, şi la un procedeu de de utilizare a acesteia, destinate etanşării capsulelor cu conţinut radioactiv, utilizate atât în cabinetele de radioterapie, pentru tratamentul tumorilor maligne, care folosesc surse radioactive de Co-60, Ir-192, I-125 sau Y-90, cât şi pentru aplicaţii industriale în unităţi de gammagrafie industrială, control nedistructiv şi monitorizarea proceselor industriale care utilizează surse radioactive γ emiţătoare de Ir-192, Co-60, Se-75 sau Cs-137. Instalaţia conform invenţiei este constituită dintr-o sursă (1) laser, un cap (2) de sudare conectat la sursa (1) laser printr-o fibră (3) optică, o cameră (4) de luat vederi, un sistem (5) de poziţionare, o unitate (6) de comandă şi control, prevăzută cu un joy-stick (7) cu ajutorul căruia se manipulează capsula (8) radioactivă în interiorul camerei (9) fierbinţi. Procedeul conform invenţiei începe cu o curăţare a capsulei (8) prin imersarea acesteia, timp de 30 min, într-o cuvă supusă ultrasunetelor, care conţine mai întâi o soluţie de acetonă, apoi o soluţie de propanol sau etanol, urmată de introducerea capsulei (8) în interiorul camerei (9) fierbinţi, folosind un joy-stick (7), şi fixarea acesteia în sistemul (5) de poziţionare al instalaţiei de sudare unde are loc sudarea propriu-zisă, fără material de adaos, prin topirea controlată a marginilor corpului şi a capacului capsulei, sursa (1) laser folosind o energie E = 1,66...2 J, o putere de vârf P= 1...1,2 kW, o durată puls laser t = 2,5 ms, o putere medie P= 33,1...40 W, cu frecvenţa pulsurilor laser f = 20 kHz, şi un număr tota

Description

Invenția se referă la o instalație automatizată de sudare cu fascicul laser și la un procedeu de utilizare a acesteia destinate etanșării capsulelor pentru sursele radioactive închise utilizate atât în domeniul medical în cadrul cabinetelor de radioterapie din unitățile de medicina nucleara destinate tratamentului tumorilor maligne care folosesc surse radioactive de Co-60, lr-192, 1-125 sau Y-90 cat si pentru aplicații industriale în unitati de gammagrafie industriala, control nedistructiv si monitorizarea proceselor industriale care utilizează surse radioactive gamma emitatoare de lr-192, Co-60, Se-75 sau Cs-137 . în medicina nucleară sursele de radiații nucleare, constituite din cantități de material radioactiv bine dozate, sunt închise prin sudare in capsule protectoare realizate din otel inoxidabil austenitic bio-compatibil, care trebuie sa prezinte o rezistenta mecanica suficienta pentru a asigura etanșeitatea sursei de radiații nucleare.

Un exemplu de utilizare a surselor radioactive în cadrul medicinei nucleare este acela al încapsulării materialului radioactiv 1-125 în capsule etanșe pentru tratamente de brahiterapie. In cazul acestor surse materialul radioactiv este adsorbit pe o matrice ceramica încapsulata intr-o teacă de titan cu grosime de 150 pm. 1-125 este radioizotop ce emite radiații de energie joasa in domeniul razelor X si are un timp de înjumătățire relativ mic, ceea ce permite distrugerea prin iradiere a țesutului malign si evitarea efectelor daunatoare ale iradierii produse țesutului sănătos adiacent [Michaei T. Gillin. Calibration of a lîquid 1-125 source in a syringe. Journal of applied clinical medical physics, Volume 3, Number 3, Summer 2002, p. 218-220], în medicină sunt utilizate numeroase tipuri de capsule având forme și dimensiuni adaptate scopului urmărit, care conțin diferite surse radioactive cu rol complex în diagnosticul, prognosticul și tratamentul unor afecțiuni medicale [Oz Cabiri, Benad Goldwasser, Boris Degtiar. Capsule for use in small intestine. US Patent, no. 2007/0244359 A1; Xingwu Wang, Howard J Greenwald, Robert D. Gunderman. Medical device with low magnetic susceptibility. US Patent, no. 2005/0079132 A1 ].

Este cunoscut un tip de capsulă (fig. 1) pentru surse radioactive utilizate în medicina nucleară, propuse pentru a fi etanșate prin sudare cu fascicul laser [Sudarea cu laser a capsulelor pentru surse radioactive - LASERCAP. Contract PNCD II 71-132/2007 - UPB - CNMP].

Capsula se compune din doua componente executate din oțel inoxidabil, corpul - a si capacul - b, la interiorul căreia se afla sursa radioactiva. Uzual, capsula are un diametru de 1 - 30 mm, cu lungimi intre 5 - 80 mm. închiderea permanentă si etanșă a capacului fată de corpul capsulei se realizează prin sudare cu diverse procedee, cordonul de sudură

2-77335-3 '05- 2012

<2 3 1

t) având forma unei coroane circulare cu lățime, pătrundere, supraînălțare și diametru stabilit prin tehnologia de sudare, alese in funcție de dimensiunile capsulei (fig. 2).

Sunt cunoscute mai multe procedee și tehnologii de realizare a unor asemenea suduri, aplicabile pentru instrumente medicale de mare precizie, cum ar fi: sudarea WIG, sudarea cu microplasmă, sudarea cu fascicul de electroni, sudarea cu laser, fiecare dintre acestea cu avantaje și dezavantaje [Sudarea cu laser a capsulelor pentru surse radioactive LASERCAP. Contract PNCD II 71-132 /2007 - UPB - CNMP; /., Voiculescu, O., Dontu, D., Besnea, V., Geanta, /., Avarvarei, R., Ciobanu, Laser Microwelding of Radioactive Microcapsules Made of High-Alloyed Steel, 2010 1th Internațional Conference on Mechanical Engineering, Robotics and Aerospace, ICMERA 2010, 2-4 dec. 2010, p. 105-109, ISBN: 978-1-4244-8867-4; Voiculescu, /., Dontu, O., Besnea, D., Geantă, V., Avarvarei, /., Ciobanu, R. Laser Microwelding of Radioactive Microcapsules Made of High-Alloyed Steel. ICMERA 2010, Bucharest Romania, 2010, IEEE Catalog Number: CFP1057L-PRT, ISBN: 978-1-4244-88674, p.105-109; Folkhard, E. Welding Metallurgy of Stainless Steels, Editura Springer-Verlag, Wien 1988; Harish Kumar, P. Ganesh, B.Tirumala Rao, et. Col - Laser Welding of 3 mm Thick Laser Cut AISI 304 Stainless Steel Sheet, Journal of Materials Engineering and Performance, Voi. 15(1), Febr. 2006 - 23],

Cele mai ieftine instalații de sudare utilizate pentru etanșarea celor două componente ale capsulei radioactive (capacul și corpul) sunt cele cu arc electric în mediu protector de argon. Dezavantajul principal al acestui procedeu este acela că nu permite controlul riguros si dozarea precisa a energiei termice introduse in zona de sudare, fapt care afectează precizia de topire a zonei de etanșare a capsulei, gradul de disipare a căldurii in corpul metalic, cu afectarea materialului radioactiv plasat in interiorul acesteia.

Un dezavantaj major care apare la sudare este deformarea capsulei (datorita supraîncălzirii, scurgerilor de metal topit, pătrunderii excesive sau străpungerii peretelui), aceasta nemaiputând fi introdusă în tija port-sursă. In consecință, capsula sudată conținând sursa radioactiva nu mai poate fi utilizată, fapt care generează atât rebutarea produsului, cât și producerea de deșeuri radioactive, a căror tratare este costisitoare [I. Teoreanu, A/., Deneanu, M., Dulamă. Matrici liante pentru condiționarea deșeurilor radioactive organice, Revista Romana de Materiale, 2010, 40 (2), 112-121], Rata de rebuturi prin utilizarea procedeului de sudare cu arcul electric in mediu de argon este de aproximativ 40%.

Pe plan internațional, procedeul de sudare cu arc electric a fost înlocuit treptat cu procedeul de sudare cu laser, care permite reducerea aproape totală a numărului surselor închise declarate necorespunzătoare in urma testului de etanșeitate, ceea ce are efecte pozitive atât asupra costurilor dar si asupra protecției mediului, prin reducerea cantității de deșeuri radioactive.

Problema tehnica pe care o rezolvă invenția constă în realizarea operației de sudare a elementelor de închidere cu etanșare a capsulelor ce conțin pastile din material ¢2012-00305-0 3 -05- 2012 radioactiv cu ajutorul unei instalații automatizate de sudare cu fascicul laser, care reprezintă o soluție optimă de realizare a etanșării prin sudare a capsulelor pentru surse radioactive prin aceea că elimină dezavantajele care apar la sudarea cu arc electric in mediu de argon si asigură obținerea unei îmbinări sudate de calitate (geometrie corectă, topire uniformă a zonei de asamblare și pătrundere controlată a băii de metal topit), simultan cu obținerea unei zone afectate de căldură minime si implicit a unor deformări reduse ale capsulei, procedura de lucru neimplicând contact fizic al operatorului cu piesa ce urmează a fi sudată. De asemenea, rata de rebuturi este redusă considerabil, pană la sub 0,5%, aceasta fiind datorata modului de prelucrare a interstițiului dintre corpul si capacul capsulei.

Condițiile de calitate prevăd ca respectivele capsule pentru surse radioactive să fie sudate in condiții de maximă securitate, în incinte vidate sau cu atmosferă controlată. Sudarea cu laser permite accesul precis la locul de sudare si realizarea unor suduri fără discontinuități, in spatii securizate, iar controlul si comanda operațiilor de pregătire si sudare pot fi realizate utilizând sisteme automatizate.

Instalația automatizată de sudare cu fascicul laser a capsulelor radioactive (fig.

3), conform invenției, are în componență următoarele subsisteme: sursa laser (1), capul de sudare (2) conectat la sursa laser prin fibra optică (3), camera de luat vederi (4), sistemul de poziționare (5), unitatea de comandă și control (6) prevăzuta cu soft special conceput pentru manipularea cu ajutorul unui joy-stick (7) a capsulelor radioactive (8) din exteriorul camerei de lucru (9), denumita in continuare camera fierbinte.

Procedeul de utilizare a instalației este caracterizat prin aceea că sudarea se realizează prin deplasarea mecanizata a componentelor fixate în dispozitivul de rotire și poziționare comandat de computer, expunând succesiv zona de îmbinat sub fasciculul laser [I. Voiculescu, O. Dontu, V. Geanta, D. Besnea, E. Stanciu, Effects of the laser welding parameters on the weld geometry and evaporation, Proceedings of Internațional Conference on Technology and Quality for Sustainned Development - TQSD 08, București, 2008, Published by Academy of Technical Sciences of Romania Publishing House, ISSN 1844-9158, p. 376- 378],

Sudarea se efectuează fără material de adaos, prin topirea împreuna a marginilor componentelor care fac parte din ansamblul capsulei (corp cilindric si capac), acestea fiind realizate din același material, respectiv otel inoxidabil austenitic. Asigurarea calității corespunzătoare a sudurii si evitarea contaminării cu elemente chimice nedorite depind de gradul de curățire a suprafețelor înainte de sudare, recomandandu-se curățirea prin imersie a componentelor capsulei cu maxim 30 minute înainte de sudare în cuva cu ί\- 2 0 1 2 - 0 0 3 0 5 --

3 -05- 2012 ultrasunete, mai întâi cu soluție de acetonă, apoi soluție de propanol sau etanol, timp de încă 30 de minute.

Mărirea puterii medii a fasciculului si focalizarea la adâncimea de 2,5 mm sub nivelul suprafeței de sudat determina obținerea unei valori mai mari a pătrunderii cordonului. Reducerea riscului de fisurare superficială cauzată de răcirea foarte rapidă la sudare impune o ușoara preîncălzire prin tratare superficială cu laser defocalizat înainte de sudarea propriu-zisa,.

Alegerea valorilor parametrilor de sudare se urmărește asigurarea unei suprapuneri optime a spoturilor consecutive generate de fasciculul laser, dar si o topire corespunzătoare a marginilor componentelor capsulei (corp si capac) cu realizarea cordonului circular de sudare (fig. 4). Valorile optime care au permis obținerea unor suduri cu caracteristici corespunzătoare sunt: Energia de puls laser E = 1,66 - 2 J; Puterea de vârf Pv = 1 - 1,2 kW; Durata puls laser t = 2,5 msec; Puterea medie Pm = 33,1 - 40 W; Frecventa pulsurilor laser f = 20 kHz; Numărul total de pulsuri in secvența laser Np = 104; Viteza de rotație a capsulei Vr = 0,2 rot/sec.

Avantajele instalației descrisă în cadrul prezentului brevet de invenție constau în:

• obținerea unei îmbinări sudate de calitate (geometrie corecta, topire uniforma a zonei de asamblare si pătrundere controlata a băii de metal topit), simultan cu formarea unei zone afectate de căldură minime, care nu alterează materialul radioactiv si nu determina deformarea capsulei;

• monitorizarea în timp real a procesului de sudare, înregistrarea datelor de proces și vizualizarea și comanda cu precizie a operațiilor de poziționare si sudare a capsulelor radioactive din exteriorul camerei fierbinți, fără contact fizic cu piesa sudata;

• coerența fasciculul laser care emite unde de frecvență constantă cu același defazaj; acesta se propaga pe un unghi solid foarte redus, este monocromatic, are o singură culoare spectrală si se caracterizează prin densitate de putere foarte mare, in jur de 10⁹W/cm²;

• focalizarea spotului la dimensiuni de ordinul micronilor permite obținerea unei densități mari de energie si apariția unor zone afectate termic reduse;

• obținerea, in cazul unor lucrări de mare precizie (micro-suduri), a unor cordoane de sudură cu geometrie prestabilita (fig. 4);

C\ 2 O 1 2 - O O 3 O 5 - - η ύ

O 3 -05- 2012 ' ' • realizarea posibilă și a unor suduri fără material de adaos, in condiții de automatizare completa a operațiilor, cu asigurarea securității operatorului si a mediului fata de contaminarea cu radiații luminoase sau emisii radioactive;

• protecția sistemului optic, evitarea formarii de stropi și a contaminării zonei de sudare cu impurități, prin faptul că nu este necesar contact direct cu materialul de sudat.

Avantajele procedeului de utilizare a instalației, de conducere si control a parametrilor de lucru propus în cadrul prezentului brevet de invenție si integrat intr-o instalație automatizată de sudare cu fascicul laser a capsulelor radioactive sunt următoarele:

• procedeul reprezintă o aplicație utilizată, de regulă, în domeniul sudării de precizie cu putere specifică si energie concentrata, pentru componente cu dimensiuni reduse, la care dozarea cantitatii de energie este esențiala desfășurării in condiții optime a procesului;

• sudarea se efectuează fără material de adaos, prin topirea extremităților (marginilor) componentelor care fac parte din ansamblul capsula, respectiv corpul cilindric si capac;

• vizualizarea si poziționarea piesei de sudat în focarul obiectivului de focalizare (prin ajustarea de către operator a poziției pe axa Z până în momentul obținerii unei imagini clare pe monitor;

• poziționarea pe axa interstitiului de îmbinare în raport cu axa spotului laser (prin ajustarea poziției piesei pe axele XY), urmărindu-se încadrarea zonei de interes în reticulul electronic (poziția reticulului fiind setată în prealabil astfel încât să coincidă cu poziția spotului laser).

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură cu fig. 1, 2, 3 și 4 care reprezintă: capsulă pentru surse radioactive utilizate în medicina nucleară (fig. 1) compusă din corp (a) și cap (b), detaliu al secțiunii zonei de îmbinare al corpului si capacului capsulei (fig. 2), schema bloc a modelului funcțional al sistemului pentru sudare cu fascicul laser (fig. 3) și cordonul de sudură al capsulei cu material radioactiv executat cu instalația automatizată de sudare cu fascicul laser (fig. 4).

Pe baza schemei bloc se prezintă modelul funcțional al sistemului automat pentru sudare cu fascicul laser care este constituit dintr-o sursa laser (1) de tipul Nd: YAG care emite un fascicul laser cu lungimea de undă de 1,06 pm fiind condus la locul de sudare a capsulei, aflat in interiorul camerei fierbinți, cu ajutorul unei fibre optice (3) cuplată la sursa fa 2 Ο 1 2 - Ο Ο 3 Ο 5 - Ο 3 -05- 2012 laser (1) și capul de sudare (2) printr-un sistem “plug & play”, ușor de manevrat și versatil. Capul de sudare (2), care are rolul de a focaliza fasciculul laser pe interstitiul de etanșare a capsulei cu material radioactiv (8), este conectat la ieșirea sursei laser (1) prin intermediul unei fibre optice (3).

Capul de sudare (2), camera de luat vederi (4) și fibra optică (3) aflate în camera fierbinte (8) sunt complet învelite într-o manta din folie de plumb, astfel încât toate componentele să fie protejate fata de expunerea îndelungată la emisii radioactive. Sistemul de poziționare (5) are 4 grade de libertate și asigură deplasarea și poziționarea capsulei conținând materialul radioactiv, manevrarea sa fiind efectuata din exteriorul camerei fierbinți (9) de către operator, cu ajutorul unui joy-stick manipulator (7). Poziția manșei joy-stick (înclinare față/spate, stănga/dreapta) este corelată cu viteza de deplasare a axelor respective. Când manșa se află în poziție neutră, viteza de deplasare este zero. Maximul vitezei de deplasare este dat de produsul dintre viteza maximă a elementului de deplasare dat (axa de translație in plan orizontal X-Y sau axa de deplasare pe axa Z ascensionala) și o valoare numerică, setată cu ajutorul unui buton rotativ aflat tot pe joystick. în acest fel, operatorul poate manevra piesa fixată pe sistemul de poziționare într-un domeniu continuu de viteze, cu o precizie ajustabila, prin micșorarea dorita a vitezei. Poziția piesei este vizualizata în timp real prin intermediul camerei de luat vederi (4), imaginile fiind afișate pe monitorul calculatorului.

Unitatea de comandă și control cu soft specializat (6) oferă operatorului maxim de ergonomicitate în procesul de adaptare a parametrilor sistemului de poziționare la dimensiunile piesei, prin utilizarea manșei și a camerei video. Odată definiți parametrii sistemului de poziționare, controlul procesului de sudare devine complet automatizat, intervenția operatorului fiind necesară doar pentru pornirea și oprirea procesului, pentru extragerea piesei sudate și pentru introducerea unei piese noi in locașul pentru sudare. Operatorul încadrează poziția spotului laser cu ajutorul firelor reticulare, după care piesa este adusă în poziția de lucru prin manipularea manșei joy-stick.

Claims (7)

1 - sursa laser; 2 - capul de sudare; 3 - fibră optice;

1 Instalație automatizată de sudare cu fascicul laser a capsulelor radioactive pentru medicina nucleară, caracterizată prin aceea că are în componență o sursa (1) laser, un cap (2) de sudare conectat la sursa laser printr-o fibra (3) optică, o camera de luat vederi (4), un sistem (5) de poziționare, o unitate (6) de comandă și control prevăzuta cu soft special conceput pentru manipularea cu ajutorul unui joy-stick (7) a capsulelor (8) radioactive din exteriorul camerei (9) fierbinți;

2 Ο 1 2 - Ο Ο 3 Ο 5 - Ο 3 -05- 2012

Fig. 3. Schema bloc a modelului funcțional al sistemului pentru sudare cu fascicul laser:

2 O 1 2 - O O

2. Procedeu de utilizare a instalației de sudare cu fascicul laser care folosește o energie a sursei (1) de puls laser E = 1,66...2 J, o putere de vârf Pv ~ 1...1,2 kW, o durată puls laser t = 2,5 msec., o putere medie Pm = 33,1...40 W cu frecvența pulsurilor laser f = 20 kHz, numărul total de pulsuri în secvența laser Np = 104 la o viteză de rotație a capsulei Vr = 0,2 rot/sec. este caracterizat prin aceea că începe cu o curățire a capsulei (8) prin imersarea acesteia, timp de 30 min, într-o cuvă supusă ultrasunetelor conținând mai întâi o soluție de acetonă apoi o soluție de propanol sau etanol, urmată de introducerea capsulei (8) în interiorul camerei (9) fierbinți cu ajutorul unui joy-stik (7) și fixarea acesteia în sistemul (5) de poziționare al instalației de sudare unde se realizează sudarea propriu-zisă prin deplasarea mecanizată a componentelor capsulei (8), respectiv a corpului și a capacului acesteia, expunând succesiv zona de îmbinat sub facicolul laser, sudarea efectuându-se fără material de adaos, prin topirea împreună a marginilor componentelor care fac parte din ansamblul capsulei (corp cilindric și capac), acestea fiind realizate din același material, respectiv otel inoxidabil austenitic, cu valori optime ale parametrilor de sudare pentru asigurarea unei suprapuneri optime a spoturilor consecutive generate de fasciculul laser, dar si o topire corespunzătoare a marginilor componentelor capsulei (corp si capac) cu realizarea cordonului circular de sudare.

3 o 5 - O 3 -05- 2012

DESENE EXPLICATIVE

Fig. 1. Capsulă pentru surse radioactive: a - corpul capsulei; b - capcul capsulei.

Fig. 2. Detaliu al secțiunii zonei de îmbinare al corpului si capacului capsulei pentru surse radioactive utilizate în medicina nucleară: p - pătrundere; B - lățime sudura; h - supraînălțare.

4 - camera de luat vederi;

5 - sistem de poziționare;

6 - unitate de comandă și control cu soft specializat;

7 - joy-stick manipulator; 8 - capsula cu material radioactiv; 9 - camera fierbine

Fig. 4. Aspectul cordonului de sudură al capsulei cu material radioactiv executat cu instalația automatizată de sudare cu fascicul laser.