1 引 言
高分子材料是金屬和玻璃的良好替代品，在工業領域中應用日趨廣泛。如汽車業、電子產品、包裝業及醫療器械等諸多產業中都離不開各種工程高分子材料[1].由於採用激光透射焊接技術對熱塑性高分子材料進行焊接具有許多優點[2-6],如表面成型質量好，能形成精密、牢固和密封的焊縫，樹脂降解少，產生的碎屑少，不會產生污染等，近年來，得到迅速發展和產業化。國外已經開始將塑料激光焊接應用於汽車、電子和醫療等行業，如日本豐田公司現已採用多關節機器人組合的光纖激光器進行批量生產 PA6高分子材料進氣歧管，取代了以往的螺栓連接方式，減小了進氣歧管的體積和重量，提高了其生產效率；奔馳公司將激光焊接應用於製造汽車的電子開門器，提高了外形和焊接接頭質量及生產效率。
傳統焊接方法中，採用激光頭旋轉或工作臺旋轉的方式，對環形焊縫沿周線旋轉焊接。而關於環形焊縫的激光同步焊接方法，國內外還沒有相關報導。 總之，目前國內外研究主要集中在焊接工藝參數對焊接質量的影響，研究結果表明，激光的光強分佈[7-10]、焊接速度[11-12]、透光焊接件的光學性能[13]及吸光劑[14]是影響結合質量的主要因素。本文利用光纖激光研究了環形激光束的形成原理，設計出能產生環形激光束的激光焊接頭，研究了不同激光功率和輻照時間對拉伸剪切強度的影響，確定了 TPV-彈性體和 PP-聚丙烯的最佳工藝參數，實現了高分子材料環形焊縫超高速同步焊接，提高了生產效率和焊接質量。
2 試驗材料及方法
2.1 試驗材料及設備
內部（黃色）高分子材料（TPV-彈性體）爲透射激光高分子材料，其外緣厚度爲 2 mm,內緣厚度爲 3 mm.
外部（黑色）高分子材料（PP-聚丙烯）爲吸收激光高分子材料，其外緣厚度爲 3 mm 及內緣厚度爲 1 mm.其搭接部分厚度爲（2+1） mm.
環形激光束試驗系統示意圖如圖 1所示，該試驗系統由光纖激光器（2.0 kW）、環形激光焊接頭、水冷機、光束測量儀及焊接工裝夾具等組成。工裝夾具部分由工作臺、熱塑性激光吸收材料、熱塑性激光透射材料、高強螺栓和墊圈及激光透射壓板組成。用光束測量儀測量了環形激光束的輪廓，並由 JIS標準確定了激光束直徑，即光束強度爲最大光束強度的 1/e2時對應的直徑被定義爲光束直徑。
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爲 110°，直徑均爲 50 mm.各符號的含義：f爲準直鏡的焦距（分別爲 f=60 mm和 f=80 mm）、NA爲激光束的數值孔徑（0.11 rad），D 爲透過準直鏡激光束的直徑，2R 爲透過第二枚圓錐透鏡激光束的外徑，2r爲透過第二枚圓錐透鏡激光束的內徑，H1和 H2爲第一枚和第二枚圓錐透鏡的厚度（均爲21 mm），L12爲第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡之間的距離，θ1爲準直後的激光束經過第一枚圓錐透鏡的入射角，θ2爲經過第一枚圓錐透鏡後的折射角，光學鏡片折射率均爲 1.46,空氣的折射率爲 1.00.
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爲準直鏡的焦距，經過準直鏡後，激光束變爲平行光束，其直徑爲 D;由於第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡的頂角均爲 110o,所以穿過準直透鏡後的平行光束照射到第一枚圓錐透鏡上，然後折射到第二枚圓錐透鏡上，穿過第二枚圓錐透鏡後，將形成外徑爲2R和內徑爲 2r的環形激光束，環形激光束的光環寬度爲 R-r.由原理圖進一步可知，隨着準直鏡焦距的增加，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後，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；隨着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佈的均勻性。
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）恆定不變。
光的折射定律如下式所示：
然後，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，隨着準直鏡焦距的增加，激光束的外徑幾乎沒有變化，而內徑減小，所以隨着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，隨着間距 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。
3.2 環形激光束的強度分佈
透過上述的分析可知，環形激光束的強度（能量密度）分佈不均勻。造成這一現象的主要原因是由於準直鏡、第一枚圓錐透鏡及第二枚圓錐透鏡的同軸性較差的緣故。透過上述三枚光學鏡片的同軸性調節，可獲得能量密度分佈均勻的環形激光束，其結果如圖 5所示。
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，同時由於熱傳導使與之相接觸的透射激光熔化，並且隨着照射時間的增加，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。由於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。焊接壓力的施加是透過中間有圓孔（直徑爲 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爲待焊接區域。
當焊接壓力爲 100 N、準直鏡焦距爲 60 mm、環形激光束的外徑爲 54 mm、環形激光束的'內徑爲 47 mm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 400 W 及激光照射時間 0.4 s）時，由於熱輸入量不足，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，兩種材料只是透過範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並且結合不良，如圖 7（a）所示；當熱輸入量過高（激光輸出功率 1200 W 及激光照射時間 0.4 s）時，在照片中可以看到黑色孔洞，這是由於熱輸入量過高，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 800 W 及激光照射時間 0.4 s）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。
當焊接壓力爲 100 N;激光輸出功率爲 400~1400 W,激光照射時間爲 0.08~0.6 s;準直鏡焦距爲 60 mm、環形激光束的外徑爲 54 mm、內徑爲 47 mm 時，對 TPV-彈性體和 PP-聚丙烯進行多組激光焊接試驗，並將不同焊接工藝下的試驗樣件沿垂直於環形焊縫方向切割成 10 mm×30 mm 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，當激光輸出功率爲800 W,激光照射時間爲 0.6 s時，其拉伸剪切強度達到最大值（斷裂位置位於 TPV-彈性體的母材上，2.4 MPa）；當激光輸出功率爲 1000 W,激光照射時間爲 0.08 s時，其拉伸剪切強度較小（1.0 MPa），斷裂位置位於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。這也是由於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。
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。隨着準直鏡焦距的增加，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；隨着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，透過準直鏡、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佈的不均勻性。
2） 當焊接壓力爲 100 N,準直鏡焦距爲 60 mm、環形激光束的外徑爲 54 mm及環形激光束的內徑爲 47 mm,激光輸出功率爲 800 W,激光照射時間爲 0.6 s時，對厚度爲 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,且拉伸剪切斷口位於TPV-彈性體的母材上。
參 考 文 獻
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