圖1 環形激光束試驗系統示意圖Fig.1 Schematic of ring laser beam experimental equipment

2.2環形激光束形成原理

環形激光束的形成原理如圖2所示。該原理圖包括一枚準直鏡，第一枚圓錐透鏡、第二枚圓錐透鏡，第一枚和第二枚圓錐透鏡的頂角均為110°，直徑均為50mm。各符號的含義：f為準直鏡的焦距（分別為f=60mm和f=80mm）、NA為激光束的數值孔徑（0.11rad），D為通過準直鏡激光束的直徑，2R為通過第二枚圓錐透鏡激光束的外徑，2r為通過第二枚圓錐透鏡激光束的內徑，H1和H2為第一枚和第二枚圓錐透鏡的厚度（均為21mm），L12為第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡之間的距離，θ1為準直后的激光束經過第一枚圓錐透鏡的入射角，θ2為經過第一枚圓錐透鏡后的折射角，光學鏡片折射率均為1.46，空氣的折射率為1.00.

圖2 環形激光束的形成原理Fig.2 Formative principle of ring laser beam

光纖輸出端發出的激光束照射到準直鏡，激光束到準直鏡的距離為準直鏡的焦距，經過準直鏡后，激光束變為平行光束，其直徑為D；由于第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡的頂角均為110°，所以穿過準直透鏡后的平行光束照射到第一枚的圓錐透鏡上，然后折射到第二枚圓錐透鏡上，穿過第二枚圓錐透鏡后，將形成外徑為2R和內徑為2r的環形激光束，環形激光束的光環寬度為R-r。由原理圖進一步可知，隨著準直鏡焦距的增加，激光束經過準直鏡入射到第一枚圓錐透鏡的直徑D增加，經過兩枚頂角相對的圓錐透鏡折射后，導致環形激光束的內徑減小，而外徑不變，從而使環形激光束的光環寬度增加；隨著第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡之間距離L12增加，環形激光束的外徑和內徑同時增加，而環形激光束的光環寬度幾乎不變。另外，由原理圖可知，準直鏡、第一枚圓錐透鏡及第二枚圓錐透鏡的同軸性，將直接影響到環形激光束強度分布的均勻性。

3試驗結果與討論

3.1環形激光束的特性

當準直鏡的焦距f 及第一枚圓錐透鏡與第二枚圓錐透鏡之間的距離L12 變化時，環形激光束的分析結果如表1、圖3及圖4所示。分析過程中，激光輸出功率(300 W)恒定不變。

光的折射定律如下式所示:
n1·sinα1 = n2·sin α2 ,(1)
式中α1 為光線的入射角，α2 為光線的折射角，n1為入射光線一側的折射率，n2折射光線一側的折射率。
結合圖2，由下面4個式子計算得出θ1、θ2及θ3。
n = = 1.46 , (2)
θ1 =  - = 35° , (3)
θ2 = arcsin(sinθ1×n)= 56.869° , (4)
θ3 = = 34.06° (5)
然后，根據正弦定理計算得出不同f 及L12下的環形激光束尺寸。

由表1和圖3的實際測量值與理論計算值研究分析結果表明，隨著準直鏡焦距的增加，激光束的外徑幾乎沒有變化，而內徑減小，所以隨著準直鏡焦距的增加激光束的光環寬度也增加。由試驗結果可知，實際測量值與理論計算值基本吻合。

由表1 和圖4 的實際測量值與理論計算值研究分析結果表明，隨著間距L12的增加，環形激光束的內徑和外徑同時增加，而環形激光束的光環寬度幾乎不變。由試驗結果可知，實際測量值與理論計算值基本吻合。
表1 計算和測量所得激光束尺寸對比

Tab 1 Results of calculation and measurement for the ring laser beam profile

 
圖3 準直鏡焦距對環形激光束的影響(L12=31 mm)。

(a) f=60 mm; (b) f=80 mm

Fig.3 Effect of focal length as a collimate on ring laser beam profiles(L12=31mm).(a)f=60mm; (b)f=80mm

圖4 L12對環形激光束的影響(f=60 mm)。

(a) L12=25 mm; (b) L12=31 mm
Fig.4 Effect of L12 on ring laser beam profiles (f=60 mm).
(a) L12=25 mm; (b) L12=31mm

3.2 環形激光束的強度分布

通過上述的分析可知，環形激光束的強度(能量密度)分布不均勻。造成這一現象的主要原因是由于準直鏡、第一枚圓錐透鏡及第二枚圓錐透鏡的同軸性較差的緣故。通過上述三枚光學鏡片的同軸性調節，可獲得能量密度分布均勻的環形激光束，其結果如圖5所示。

圖5 光學鏡片同軸性對環形激光束能量密度分布的影響(f=60 mm, L12=25 mm)Fig.5 Effect of optical lenses coaxality on the ring laser beam energy density distribution (f=60 mm, L12=25 mm)

3.3 高分子材料的超高速激光焊接

高分子材料的激光透射焊接原理，即在一定壓力條件下，使透射激光高分子材料和吸收激光高分子材料形成搭接接頭。激光束穿過透射激光高分子材料照射到吸收激光高分子材料被加熱而熔化，同時由于熱傳導使與之相接觸的透射激光熔化，并且隨著照射時間的增加，熔化區逐漸增大，當達到所需的熔核尺寸時，停止激光束的照射，在壓力的繼續維持下，在高分子材料的搭接接頭的結合面形成了永久性連接。由于焊縫在搭接接頭的結合面形成，所以高分子材料的激光焊接表面質量非常好。

將TPV-彈性體和PP-聚丙烯按照如圖6所示的方式，形成搭接接頭。焊接壓力的施加是通過中間有圓孔(直徑為6 mm)的透明有機透玻璃板(70 mm×70 mm×4 mm)實現。圖6中兩條圓線圍成的區域為待焊接區域。

 
圖6 環形焊縫高分子材料搭接接頭的外觀形貌Fig.6 Appearance of polymer materials lap joints with a ring form

當焊接壓力為100N、準直鏡焦距為60mm、環形激光束的外徑為54mm、環形激光束的內徑為47mm時，激光輸出功率和照射時間對焊接質量影響的橫斷面金相照片如圖7所示。由圖7可知，當熱輸入量過低(激光輸出功率400W及激光照射時間0.4s)時，由于熱輸入量不足，使得PP-聚丙烯沒有充分熔化，熱量不能充分傳遞給TPV-彈性體，兩種材料只是通過范德華分子間力結合在一起，所以環形焊縫高分子材料搭接接頭結合面積小并且結合不良，如圖7(a)所示；當熱輸入量過高(激光輸出功率1200W 及激光照射時間0.4s)時，在照片中可以看到黑色孔洞，這是由于熱輸入量過高，導致環形焊縫搭接接頭的高分子材料發生裂解，產生氣體造成的，如圖7(c)所示；當熱輸入量適當(激光輸出功率800W 及激光照射時間0.4s)時，環形焊縫高分子材料搭接接頭結合良好，沒有焊接缺陷存在，如圖7(b)所示。

圖7 激光輸出功率和照射時間對焊接質量影響。(a) 熱輸入量過低(400W, 0.4s); (b) 熱輸入量適當(800W, 0.4s);(c) 熱輸入量過高(1200W, 0.4s)Fig.7 Effect of laser power and irradiation times on bonding property. (a) Low heat input (400 W, 0.4 s);(b) optimal heat input (800 W, 0.4 s); (c) high-heat input (1200 W, 0.4 s)

當焊接壓力為100N；激光輸出功率為400~1400W，激光照射時間為0.08~0.6s；準直鏡焦距為60mm、環形激光束的外徑為54mm、內徑為47mm 時，對TPV-彈性體和PP-聚丙烯進行多組激光焊接試驗，并將不同焊接工藝下的試驗樣件沿垂直于環形焊縫方向切割成10mm×30mm 小塊，進行拉伸剪切試驗。激光輸出功率和照射時間對環形焊縫高分子材料搭接接頭的拉伸剪切強度如圖8所示。由圖可知，當激光輸出功率為800W，激光照射時間為0.6s時，其拉伸剪切強度達到最大值(斷裂位置位于TPV-彈性體的母材上，2.4MPa)；當激光輸出功率為1000W，激光照射時間為0.08s時，其拉伸剪切強度較小(1.0MPa)，斷裂位置位于搭接接頭的結合面上。

在最大拉伸剪切強度時環形焊縫高分子材料搭接接頭的橫斷面如圖9 所示。由圖可知，兩種高分子材料很好地熔合在一起，熔合線處產生了高低不平的現象。這也是由于兩種高分子材料在適合溫度下被激勵，在焊接壓力的作用下，導致兩種高分子材料分子發生相互擴散，形成了化學鍵，緊密接合在一起。

圖8 激光輸出功率和照射時間對拉伸剪切強度的影響Fig.8 Effect of laser power and irradiation times on tensileshear strength

圖9 高分子材料搭接接頭的微觀橫斷面Fig.9 Micro-photograph section of polymer materials for lap joints

4 結論

1) 利用光纖激光和光學整形系統，形成了環形激光束。隨著準直鏡焦距的增加，環形激光束的外徑不變，而內徑減小，從而使環形激光束的光環寬度增加；隨著第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡之間距離L12增加，環形激光束的外徑和內徑同時增加，而環形激光束的光環寬度幾乎不變。另外，通過準直鏡、第一枚圓錐透鏡及第二枚圓錐透鏡的同軸性調節，可改善環形激光束強度分布的不均勻性。

2) 當焊接壓力為100N，準直鏡焦距為60mm、環形激光束的外徑為54mm 及環形激光束的內徑為47mm，激光輸出功率為800W，激光照射時間為0.6s時，對厚度為1~2 mm 的高分子材料(TPV-彈性體+PP-聚丙烯)環形焊縫搭接接頭進行了超高速同步焊接，其搭接接頭的拉伸剪切強度達2.4 MPa，且拉伸剪切斷口位于TPV-彈性體的母材上。

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