圖1 環(huán)形激光束試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of ring laser beam experimental equipment

2.2環(huán)形激光束形成原理

環(huán)形激光束的形成原理如圖2所示。該原理圖包括一枚準(zhǔn)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(zhǔn)直鏡的焦距（分別為f=60mm和f=80mm）、NA為激光束的數(shù)值孔徑（0.11rad），D為通過準(zhǔn)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(nèi)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(zhǔn)直后的激光束經(jīng)過第一枚圓錐透鏡的入射角，θ2為經(jīng)過第一枚圓錐透鏡后的折射角，光學(xué)鏡片折射率均為1.46，空氣的折射率為1.00.

圖2 環(huán)形激光束的形成原理Fig.2 Formative principle of ring laser beam

光纖輸出端發(fā)出的激光束照射到準(zhǔn)直鏡，激光束到準(zhǔn)直鏡的距離為準(zhǔn)直鏡的焦距，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡后，激光束變?yōu)槠叫泄馐?，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(zhǔn)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(nèi)徑為2r的環(huán)形激光束，環(huán)形激光束的光環(huán)寬度為R-r。由原理圖進(jìn)一步可知，隨著準(zhǔn)直鏡焦距的增加，激光束經(jīng)過準(zhǔn)直鏡入射到第一枚圓錐透鏡的直徑D增加，經(jīng)過兩枚頂角相對的圓錐透鏡折射后，導(dǎo)致環(huán)形激光束的內(nèi)徑減小，而外徑不變，從而使環(huán)形激光束的光環(huán)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(huán)形激光束的外徑和內(nèi)徑同時(shí)增加，而環(huán)形激光束的光環(huán)寬度幾乎不變。另外，由原理圖可知，準(zhǔn)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(huán)形激光束強(qiáng)度分布的均勻性。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1環(huán)形激光束的特性

當(dāng)準(zhǔn)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(shí)，環(huán)形激光束的分析結(jié)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(cè)的折射率，n2折射光線一側(cè)的折射率。
結(jié)合圖2，由下面4個(gè)式子計(jì)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(jù)正弦定理計(jì)算得出不同f 及L12下的環(huán)形激光束尺寸。

由表1和圖3的實(shí)際測量值與理論計(jì)算值研究分析結(jié)果表明，隨著準(zhǔn)直鏡焦距的增加，激光束的外徑幾乎沒有變化，而內(nèi)徑減小，所以隨著準(zhǔn)直鏡焦距的增加激光束的光環(huán)寬度也增加。由試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際測量值與理論計(jì)算值基本吻合。

由表1 和圖4 的實(shí)際測量值與理論計(jì)算值研究分析結(jié)果表明，隨著間距L12的增加，環(huán)形激光束的內(nèi)徑和外徑同時(shí)增加，而環(huán)形激光束的光環(huán)寬度幾乎不變。由試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際測量值與理論計(jì)算值基本吻合。
表1 計(jì)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(zhǔn)直鏡焦距對環(huán)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(huán)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(huán)形激光束的強(qiáng)度分布

通過上述的分析可知，環(huán)形激光束的強(qiáng)度(能量密度)分布不均勻。造成這一現(xiàn)象的主要原因是由于準(zhǔn)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(xué)鏡片的同軸性調(diào)節(jié)，可獲得能量密度分布均勻的環(huán)形激光束，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 光學(xué)鏡片同軸性對環(huán)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(shí)由于熱傳導(dǎo)使與之相接觸的透射激光熔化，并且隨著照射時(shí)間的增加，熔化區(qū)逐漸增大，當(dāng)達(dá)到所需的熔核尺寸時(shí)，停止激光束的照射，在壓力的繼續(xù)維持下，在高分子材料的搭接接頭的結(jié)合面形成了永久性連接。由于焊縫在搭接接頭的結(jié)合面形成，所以高分子材料的激光焊接表面質(zhì)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(jī)透玻璃板(70 mm×70 mm×4 mm)實(shí)現(xiàn)。圖6中兩條圓線圍成的區(qū)域?yàn)榇附訁^(qū)域。

 
圖6 環(huán)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(dāng)焊接壓力為100N、準(zhǔn)直鏡焦距為60mm、環(huán)形激光束的外徑為54mm、環(huán)形激光束的內(nèi)徑為47mm時(shí)，激光輸出功率和照射時(shí)間對焊接質(zhì)量影響的橫斷面金相照片如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)熱輸入量過低(激光輸出功率400W及激光照射時(shí)間0.4s)時(shí)，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(jié)合在一起，所以環(huán)形焊縫高分子材料搭接接頭結(jié)合面積小并且結(jié)合不良，如圖7(a)所示；當(dāng)熱輸入量過高(激光輸出功率1200W 及激光照射時(shí)間0.4s)時(shí)，在照片中可以看到黑色孔洞，這是由于熱輸入量過高，導(dǎo)致環(huán)形焊縫搭接接頭的高分子材料發(fā)生裂解，產(chǎn)生氣體造成的，如圖7(c)所示；當(dāng)熱輸入量適當(dāng)(激光輸出功率800W 及激光照射時(shí)間0.4s)時(shí)，環(huán)形焊縫高分子材料搭接接頭結(jié)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(shí)間對焊接質(zhì)量影響。(a) 熱輸入量過低(400W, 0.4s); (b) 熱輸入量適當(dāng)(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(dāng)焊接壓力為100N；激光輸出功率為400~1400W，激光照射時(shí)間為0.08~0.6s；準(zhǔn)直鏡焦距為60mm、環(huán)形激光束的外徑為54mm、內(nèi)徑為47mm 時(shí)，對TPV-彈性體和PP-聚丙烯進(jìn)行多組激光焊接試驗(yàn)，并將不同焊接工藝下的試驗(yàn)樣件沿垂直于環(huán)形焊縫方向切割成10mm×30mm 小塊，進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)。激光輸出功率和照射時(shí)間對環(huán)形焊縫高分子材料搭接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度如圖8所示。由圖可知，當(dāng)激光輸出功率為800W，激光照射時(shí)間為0.6s時(shí)，其拉伸剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值(斷裂位置位于TPV-彈性體的母材上，2.4MPa)；當(dāng)激光輸出功率為1000W，激光照射時(shí)間為0.08s時(shí)，其拉伸剪切強(qiáng)度較小(1.0MPa)，斷裂位置位于搭接接頭的結(jié)合面上。

在最大拉伸剪切強(qiáng)度時(shí)環(huán)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(chǎn)生了高低不平的現(xiàn)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(dǎo)致兩種高分子材料分子發(fā)生相互擴(kuò)散，形成了化學(xué)鍵，緊密接合在一起。

圖8 激光輸出功率和照射時(shí)間對拉伸剪切強(qiáng)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(jié)論

1) 利用光纖激光和光學(xué)整形系統(tǒng)，形成了環(huán)形激光束。隨著準(zhǔn)直鏡焦距的增加，環(huán)形激光束的外徑不變，而內(nèi)徑減小，從而使環(huán)形激光束的光環(huán)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(huán)形激光束的外徑和內(nèi)徑同時(shí)增加，而環(huán)形激光束的光環(huán)寬度幾乎不變。另外，通過準(zhǔn)直鏡、第一枚圓錐透鏡及第二枚圓錐透鏡的同軸性調(diào)節(jié)，可改善環(huán)形激光束強(qiáng)度分布的不均勻性。

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

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