口腔科点焊-加热三用机研制与临床应用*
作者：姚森 应可满 李忠科 沈兰花
单位：姚森 应可满(解放军第174医院口腔正畸中心 (361003)；李忠科(第二炮兵工程学院计算中心 (710025)；沈兰花(黑龙江省人民医院二门诊口腔科
关键词：点焊；加热回复；过载变形
中国医疗器械杂志990407 提要 运用现代机电技术，研制了点焊-加热三用机，巧妙地利用电能来实现口腔科点焊、不锈钢矫正丝加热回复以及镍钛矫正丝的加热过载样变形效能，为口腔正畸临床提供了极为有用的工具。描述了上述三种功能的临床使用方法，对不锈钢丝的性能增强原理以及镍钛丝的加热过载样变形效能原理进行了探讨。
Development and Clinical Application of Dental Spot
Weld & Heat-Treat Tri-uses Device
, 百拇医药
Yao Sen,Ying Keman
Center of Orthodontics,No.174 Hospital of PLA
Li Zhongke
Center of Computer,The Second Artiller College
Shen Lanhua
Dept. of Dentistry,Second Clinic,Heilongjang Province Hospital
ABSTRACT A spot weld & heating treatment tri-uses device based on modern mechanical-electric technique,was developed for dental spot weld,stainless steel orthodontic wire heating-reversion and Ni-Ti orthodontic wire heating-overload metamorphism. The device will be very helpful instrument in orthodontic clinic. The paper not only described the operating methods of the device,but also discussed the Performance-improved principles of stainless steel orthodontic wire and the principles of heating overload metamorphism of Ni-Ti orthodontic wire.
, 百拇医药
KEY WORDS Spot Weld Heating-Reversion Over-force Metamorphose
在进行牙齿不齐矫正时，常常需要将颊侧管等附件焊接于带环上，然后再装配在牙齿上。另外使用的不锈钢矫正弓丝在弯制完毕后也需要进行加热处理以增强钢丝的性能。随着镍钛矫正弓丝的广泛应用，弓丝在常温下难于调节等问题也急待解决。为此，我们研制了口腔科点焊-加热三用机专用仪器。经过五年多的临床应用，效果满意。
1 口腔科点焊及矫正钢丝加热处理的原理
1.1 点焊的原理
点焊是借助点焊机进行焊接的一种焊接方法。点焊机是以电力为能源的焊接仪器，适用于金属特别是薄片金属的焊接。其原理是利用变压器次级回路中被焊材料接触处电阻最大的特点，用上下焊头对被焊材料施加接触压力并通电，巨大的电流在金属结合处瞬间产生金属熔池并在冷却后形成焊核，从而将被焊材料牢固地结合在一起，而热扩散点很小，不影响被焊材料其它部分的外观与性能。点焊具有无污染、无消耗性材料、成本低、焊接牢、美观等优点。其原理图如图1所示。
, 百拇医药
图1 点焊原理图 1.控制电路 2.主变压器
3、4.上下焊头 5.被焊金属
1.2 不锈钢牙齿矫正钢丝性能增强的原理
牙齿矫正所使用的钢丝可以分为需加热处理钢丝和不需加热处理钢丝两大类(1)。需要加热处理的钢丝(如不锈钢丝)在弯制完毕后装配到牙齿上之前，必须经过加热处理，否则钢丝非常容易变形，牙齿矫正的效果会很差。以往口腔科临床曾采用酒精灯给钢丝加热的方法，但此种方法有加热不均匀、温度难控制等缺点。利用仪器给钢丝进行通电加热，进行低温回火加热处理，其原理主要是去除钢丝内残余应力，提高其弹性及抗扭转强度(2)。通过集成电路控制通电，可使钢丝加热均匀，重复使用性好。钢丝加热原理如图2所示。
, 百拇医药
图2 不锈钢矫正弓丝通电加热原理图
1.3 镍钛矫正弓丝常温下形态调节的原理
钛镍丝是近年来广泛应用于牙齿矫正临床的高弹性特种钢丝，它回弹性极好，能连续释放出柔和而持续的矫治力，不容易发生永久性变形。特别是口腔直丝弓牙齿矫正技术被应用于临床以来，钛镍丝更显示出了它的优越性。钛镍丝在出厂时一般已被做成了预成弓型，但这种弓型不一定与每个病人的牙弓宽度相匹配，应该进行弓型调节。由于镍钛丝本身的特殊性，常温下很难对其进行形态调节，利用通电加热则可以解决这个问题。其原理是加热能使镍钛丝产生过应变，改变镍钛丝的记忆效应(3)。即当镍钛丝受到比Af点(加热时马氏体相转变的终了温度)高60℃以上的温度时，相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的屈服应力，镍钛合金形状记忆特性被部分影响，产生永久性变形，从而达到形态调节的目的。
2 口腔科点焊-加热三用机的使用
, 百拇医药
进行口腔科点焊、不锈钢丝性能增强、镍钛丝形态调节实际属三种功能。为了减小仪器的体积，提高其使用性能，我们将上述三种功能优化设计于一台微型仪器上。
2.1 口腔科点焊功能的使用
首先应将点焊-加热转换开关拨至点焊档，打开仪器的电源开关，依据被焊材料的厚度，将功率调节旋钮调至合适的刻度。按压焊接操作按板，将焊件放入上下焊头之间并夹紧。点按焊接开关，时间长短视焊接需要而定，通常为0.1～0.5s，焊件即可被焊牢，整个焊接过程即告完成。
2.2 不锈钢矫正弓丝加热功能的使用
将点焊-加热转换开关拨至加热档。将功率调节旋钮调至合适的档次。下压弓丝夹持操作压柄，使弓丝夹持电极分开，将需加热的钢丝放入弓丝夹持电极内，持续按压加热开关缓缓加热，不论时间长短，主要应观察钢丝颜色的变化。当钢丝颜色由银白色变为浅茶色时，加热处理结束。
, 百拇医药
2.3 镍钛丝的弯制和形态调节功能的使用
2.3.1 使用钛镍丝形态调节功能
将功率调节旋钮调至最大档次，将预成弓型的钛镍丝放入弓丝加热板的两个电极内，调节钢丝宽度与患者牙弓宽度相匹配。持续按压加热开关，直至钛镍弓丝瞬间微红为止(温度约为350℃)(注意：不得使镍钛丝完全变红，否则，该丝将失去原有的弹性)。
2.3.2 给钛镍丝加弯司匹氏曲
夹持镍钛丝的方法同上。左手持细玻璃棒于镍钛丝的中点将其挑起，给该丝加上司匹氏曲，持续按压加热开关，直至钛镍弓丝瞬间微红为止。左手能感觉出镍钛丝已定型(图3)。带司匹氏曲的钛镍丝有利于咬合的打开。若要将弓丝末端内收，可以利用钛镍丝弯制热处理钳来进行。
2.3.3 给钛镍丝加弯微型弯曲
, 百拇医药
确保电源开关处于关闭状态，取下弓丝加热板，将脚控开关的插头插入机器顶部的插座内，旋紧螺丝。将钛镍丝弯制热处理钳的两个电极分别插入机器顶部的电极插座内。将功率调节旋钮调至合适的档次，同时用两把热处理钳给钛镍丝加弯微型曲(如外展弯、内收弯或后倾曲等)，用脚点踩脚控开关，给钛镍丝的微型曲加热定型(图4)。
图3 给镍钛丝加弯司匹氏曲度
图4 通电加热，给镍钛丝的微小弯曲定型
3 讨论
在口腔科进行牙齿矫正时，必须将颊侧管等附件焊接于金属带环上。以前曾有人采用银焊的方法，但使用银焊有位置难于准确确定、管口容易堵塞等问题。在患者口腔内确定了颊侧管的确切位置后，再在牙椅旁用点焊机将颊侧管牢固焊接于带环上，不失为一种好方法。
, 百拇医药
矫正用不锈钢丝经过冷拔加工到一定尺寸后出售使用，此时钢丝内部已残存一定的内应力。钢丝在临床经过弯制过程，又有一部分内应力残存。将钢丝弯制完毕进行加热回复处理，将增加钢丝的弹性(4)，在受力后钢丝的回弹性明显提高，其机理是加热消除了钢丝的内应力；利用通电进行加热，温度和时间均可较好控制。但经过加热回复处理后，钢丝的疲劳强度降低，做连续循环弯曲时容易折断。故在临床实际使用时，应注意避免在加热处理后再反复弯曲钢丝。
镍钛合金发现于60年代初期，这种合金具有记忆和恢复原来形状的特性，经过适当温度处理后的镍钛合金，当温度达到转变温度范围之内时，可恢复其原来的形状。由于镍钛合金具有这种特性，在适当温度时其恢复到原来的形状可产生一定的力。目前利用镍钛丝的形状记忆特性已制作成了具有记忆特性的镍钛矫正弓丝，出厂时其被制作成了一定的形状，当被轻松地结扎到牙弓上后，在36℃左右的转变温度时，其可恢复成原来的形状，进而将牙齿矫正排齐。虽然镍钛丝属于一种在低温下加载形变，一旦受热就会回复到原来形状的形状记忆合金，但并不是说无论承受怎样的变形后只要受热就都可以完全恢复到原来的形状。不同的变形方式可使永久性变形残留，镍钛丝形状难于完全恢复。这种永久性变形在一般情况下应当避免，但有时候却可以被利用。在临床上改变镍钛丝的宽度以及给预成镍钛丝加弯各种弯曲，就是利用这种永久性变形的特性的。与过载变形原理一样，加热可以改变镍钛丝的记忆效应(5)。当镍钛丝受到约束力时，再受到比Af点(加热时马氏体相转变的终了温度)高60℃以上的温度时，则相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的屈服应力，合金形状记忆特性被部分影响，产生永久性变形。通过过载使镍钛丝产生永久性变形，需要的时间比较长，也比较费力。在加载外力的情况下，通过瞬间加热使镍钛丝重新定型的方法则相对简单、省时，更适合临床使用。
, 百拇医药
本研究运用现代机电技术，巧妙地利用电能来实现点焊、不锈钢丝的加热回复以及镍钛丝的过载样变形效能，为口腔正畸临床提供了极为有用的工具。
*国家自然科学基金“快速反应项目”，编号：69773042(150036)
参 考 文 献
1 Tenti FV. Atlas of Orthodontic Appliances. Ortho-Cycle Co. First edition. New York:1986;12
2 史美堂 主编. 金属材料与热处理. 第1版. 上海：上海科技出版社，1980：P23-25
3 舟久保 熙康 编(千东范译). 形状记忆合金. 第1版. 北京：机械工业出版社，1992：P64
4 Kusy RP. A Review of Contemporary Archwires:Their Properties and Characteristics. Angle Orthod 1997;67:197-208
5 Hurst CL, et al. An evaluation of the shape-memory phenomenon of nickel-titanium orthodontic wires. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 1990;98(1):72-6
(1998年12月5日收稿), http://www.100md.com
单位：姚森 应可满(解放军第174医院口腔正畸中心 (361003)；李忠科(第二炮兵工程学院计算中心 (710025)；沈兰花(黑龙江省人民医院二门诊口腔科
关键词：点焊；加热回复；过载变形
中国医疗器械杂志990407 提要 运用现代机电技术，研制了点焊-加热三用机，巧妙地利用电能来实现口腔科点焊、不锈钢矫正丝加热回复以及镍钛矫正丝的加热过载样变形效能，为口腔正畸临床提供了极为有用的工具。描述了上述三种功能的临床使用方法，对不锈钢丝的性能增强原理以及镍钛丝的加热过载样变形效能原理进行了探讨。
Development and Clinical Application of Dental Spot
Weld & Heat-Treat Tri-uses Device
, 百拇医药
Yao Sen,Ying Keman
Center of Orthodontics,No.174 Hospital of PLA
Li Zhongke
Center of Computer,The Second Artiller College
Shen Lanhua
Dept. of Dentistry,Second Clinic,Heilongjang Province Hospital
ABSTRACT A spot weld & heating treatment tri-uses device based on modern mechanical-electric technique,was developed for dental spot weld,stainless steel orthodontic wire heating-reversion and Ni-Ti orthodontic wire heating-overload metamorphism. The device will be very helpful instrument in orthodontic clinic. The paper not only described the operating methods of the device,but also discussed the Performance-improved principles of stainless steel orthodontic wire and the principles of heating overload metamorphism of Ni-Ti orthodontic wire.
, 百拇医药
KEY WORDS Spot Weld Heating-Reversion Over-force Metamorphose
在进行牙齿不齐矫正时，常常需要将颊侧管等附件焊接于带环上，然后再装配在牙齿上。另外使用的不锈钢矫正弓丝在弯制完毕后也需要进行加热处理以增强钢丝的性能。随着镍钛矫正弓丝的广泛应用，弓丝在常温下难于调节等问题也急待解决。为此，我们研制了口腔科点焊-加热三用机专用仪器。经过五年多的临床应用，效果满意。
1 口腔科点焊及矫正钢丝加热处理的原理
1.1 点焊的原理
点焊是借助点焊机进行焊接的一种焊接方法。点焊机是以电力为能源的焊接仪器，适用于金属特别是薄片金属的焊接。其原理是利用变压器次级回路中被焊材料接触处电阻最大的特点，用上下焊头对被焊材料施加接触压力并通电，巨大的电流在金属结合处瞬间产生金属熔池并在冷却后形成焊核，从而将被焊材料牢固地结合在一起，而热扩散点很小，不影响被焊材料其它部分的外观与性能。点焊具有无污染、无消耗性材料、成本低、焊接牢、美观等优点。其原理图如图1所示。
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图1 点焊原理图 1.控制电路 2.主变压器
3、4.上下焊头 5.被焊金属
1.2 不锈钢牙齿矫正钢丝性能增强的原理
牙齿矫正所使用的钢丝可以分为需加热处理钢丝和不需加热处理钢丝两大类(1)。需要加热处理的钢丝(如不锈钢丝)在弯制完毕后装配到牙齿上之前，必须经过加热处理，否则钢丝非常容易变形，牙齿矫正的效果会很差。以往口腔科临床曾采用酒精灯给钢丝加热的方法，但此种方法有加热不均匀、温度难控制等缺点。利用仪器给钢丝进行通电加热，进行低温回火加热处理，其原理主要是去除钢丝内残余应力，提高其弹性及抗扭转强度(2)。通过集成电路控制通电，可使钢丝加热均匀，重复使用性好。钢丝加热原理如图2所示。
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图2 不锈钢矫正弓丝通电加热原理图
1.3 镍钛矫正弓丝常温下形态调节的原理
钛镍丝是近年来广泛应用于牙齿矫正临床的高弹性特种钢丝，它回弹性极好，能连续释放出柔和而持续的矫治力，不容易发生永久性变形。特别是口腔直丝弓牙齿矫正技术被应用于临床以来，钛镍丝更显示出了它的优越性。钛镍丝在出厂时一般已被做成了预成弓型，但这种弓型不一定与每个病人的牙弓宽度相匹配，应该进行弓型调节。由于镍钛丝本身的特殊性，常温下很难对其进行形态调节，利用通电加热则可以解决这个问题。其原理是加热能使镍钛丝产生过应变，改变镍钛丝的记忆效应(3)。即当镍钛丝受到比Af点(加热时马氏体相转变的终了温度)高60℃以上的温度时，相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的屈服应力，镍钛合金形状记忆特性被部分影响，产生永久性变形，从而达到形态调节的目的。
2 口腔科点焊-加热三用机的使用
, 百拇医药
进行口腔科点焊、不锈钢丝性能增强、镍钛丝形态调节实际属三种功能。为了减小仪器的体积，提高其使用性能，我们将上述三种功能优化设计于一台微型仪器上。
2.1 口腔科点焊功能的使用
首先应将点焊-加热转换开关拨至点焊档，打开仪器的电源开关，依据被焊材料的厚度，将功率调节旋钮调至合适的刻度。按压焊接操作按板，将焊件放入上下焊头之间并夹紧。点按焊接开关，时间长短视焊接需要而定，通常为0.1～0.5s，焊件即可被焊牢，整个焊接过程即告完成。
2.2 不锈钢矫正弓丝加热功能的使用
将点焊-加热转换开关拨至加热档。将功率调节旋钮调至合适的档次。下压弓丝夹持操作压柄，使弓丝夹持电极分开，将需加热的钢丝放入弓丝夹持电极内，持续按压加热开关缓缓加热，不论时间长短，主要应观察钢丝颜色的变化。当钢丝颜色由银白色变为浅茶色时，加热处理结束。
, 百拇医药
2.3 镍钛丝的弯制和形态调节功能的使用
2.3.1 使用钛镍丝形态调节功能
将功率调节旋钮调至最大档次，将预成弓型的钛镍丝放入弓丝加热板的两个电极内，调节钢丝宽度与患者牙弓宽度相匹配。持续按压加热开关，直至钛镍弓丝瞬间微红为止(温度约为350℃)(注意：不得使镍钛丝完全变红，否则，该丝将失去原有的弹性)。
2.3.2 给钛镍丝加弯司匹氏曲
夹持镍钛丝的方法同上。左手持细玻璃棒于镍钛丝的中点将其挑起，给该丝加上司匹氏曲，持续按压加热开关，直至钛镍弓丝瞬间微红为止。左手能感觉出镍钛丝已定型(图3)。带司匹氏曲的钛镍丝有利于咬合的打开。若要将弓丝末端内收，可以利用钛镍丝弯制热处理钳来进行。
2.3.3 给钛镍丝加弯微型弯曲
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确保电源开关处于关闭状态，取下弓丝加热板，将脚控开关的插头插入机器顶部的插座内，旋紧螺丝。将钛镍丝弯制热处理钳的两个电极分别插入机器顶部的电极插座内。将功率调节旋钮调至合适的档次，同时用两把热处理钳给钛镍丝加弯微型曲(如外展弯、内收弯或后倾曲等)，用脚点踩脚控开关，给钛镍丝的微型曲加热定型(图4)。
图3 给镍钛丝加弯司匹氏曲度
图4 通电加热，给镍钛丝的微小弯曲定型
3 讨论
在口腔科进行牙齿矫正时，必须将颊侧管等附件焊接于金属带环上。以前曾有人采用银焊的方法，但使用银焊有位置难于准确确定、管口容易堵塞等问题。在患者口腔内确定了颊侧管的确切位置后，再在牙椅旁用点焊机将颊侧管牢固焊接于带环上，不失为一种好方法。
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矫正用不锈钢丝经过冷拔加工到一定尺寸后出售使用，此时钢丝内部已残存一定的内应力。钢丝在临床经过弯制过程，又有一部分内应力残存。将钢丝弯制完毕进行加热回复处理，将增加钢丝的弹性(4)，在受力后钢丝的回弹性明显提高，其机理是加热消除了钢丝的内应力；利用通电进行加热，温度和时间均可较好控制。但经过加热回复处理后，钢丝的疲劳强度降低，做连续循环弯曲时容易折断。故在临床实际使用时，应注意避免在加热处理后再反复弯曲钢丝。
镍钛合金发现于60年代初期，这种合金具有记忆和恢复原来形状的特性，经过适当温度处理后的镍钛合金，当温度达到转变温度范围之内时，可恢复其原来的形状。由于镍钛合金具有这种特性，在适当温度时其恢复到原来的形状可产生一定的力。目前利用镍钛丝的形状记忆特性已制作成了具有记忆特性的镍钛矫正弓丝，出厂时其被制作成了一定的形状，当被轻松地结扎到牙弓上后，在36℃左右的转变温度时，其可恢复成原来的形状，进而将牙齿矫正排齐。虽然镍钛丝属于一种在低温下加载形变，一旦受热就会回复到原来形状的形状记忆合金，但并不是说无论承受怎样的变形后只要受热就都可以完全恢复到原来的形状。不同的变形方式可使永久性变形残留，镍钛丝形状难于完全恢复。这种永久性变形在一般情况下应当避免，但有时候却可以被利用。在临床上改变镍钛丝的宽度以及给预成镍钛丝加弯各种弯曲，就是利用这种永久性变形的特性的。与过载变形原理一样，加热可以改变镍钛丝的记忆效应(5)。当镍钛丝受到约束力时，再受到比Af点(加热时马氏体相转变的终了温度)高60℃以上的温度时，则相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的屈服应力，合金形状记忆特性被部分影响，产生永久性变形。通过过载使镍钛丝产生永久性变形，需要的时间比较长，也比较费力。在加载外力的情况下，通过瞬间加热使镍钛丝重新定型的方法则相对简单、省时，更适合临床使用。
, 百拇医药
本研究运用现代机电技术，巧妙地利用电能来实现点焊、不锈钢丝的加热回复以及镍钛丝的过载样变形效能，为口腔正畸临床提供了极为有用的工具。
*国家自然科学基金“快速反应项目”，编号：69773042(150036)
参 考 文 献
1 Tenti FV. Atlas of Orthodontic Appliances. Ortho-Cycle Co. First edition. New York:1986;12
2 史美堂 主编. 金属材料与热处理. 第1版. 上海：上海科技出版社，1980：P23-25
3 舟久保 熙康 编(千东范译). 形状记忆合金. 第1版. 北京：机械工业出版社，1992：P64
4 Kusy RP. A Review of Contemporary Archwires:Their Properties and Characteristics. Angle Orthod 1997;67:197-208
5 Hurst CL, et al. An evaluation of the shape-memory phenomenon of nickel-titanium orthodontic wires. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 1990;98(1):72-6
(1998年12月5日收稿), http://www.100md.com