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(hào)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(guò)準(zhǔn)直鏡激光束的直徑，2R為通過(guò)第二枚圓錐透鏡激光束的外徑，2r為通過(guò)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(guò)第一枚圓錐透鏡的入射角，θ2為經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)準(zhǔn)直鏡入射到第一枚圓錐透鏡的直徑D增加，經(jīng)過(guò)兩枚頂角相對(duì)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(guò)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(xiàn)的入射角，α2 為光線(xiàn)的折射角，n1為入射光線(xiàn)一側(cè)的折射率，n2折射光線(xiàn)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(cè)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(méi)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(cè)量值與理論計(jì)算值基本吻合。

由表1 和圖4 的實(shí)際測(cè)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(cè)量值與理論計(jì)算值基本吻合。
表1 計(jì)算和測(cè)量所得激光束尺寸對(duì)比

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

 
圖3 準(zhǔn)直鏡焦距對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(xiàn)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(duì)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(duì)焊接質(zhì)量影響。(a) 熱輸入量過(guò)低(400W, 0.4s); (b) 熱輸入量適當(dāng)(800W, 0.4s);(c) 熱輸入量過(guò)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(duì)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(duì)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(xiàn)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(lì)，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(duì)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(guò)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(duì)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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