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].由於採用鐳射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，不會產生汙染等，近年來，得到迅速發展和產業化。國外已經開始將塑料鐳射焊接應用於汽車、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鐳射器進行批量生產 PA6高分子材料進氣歧管，取代了以往的螺栓連線方式，減小了進氣歧管的體積和重量，提高了其生產效率；賓士公司將鐳射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，採用鐳射頭旋轉或工作臺旋轉的方式，對環形焊縫沿周線旋轉焊接。而關於環形焊縫的鐳射同步焊接方法，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引數對焊接質量的影響，研究結果表明，鐳射的光強分佈[7-10]、焊接速度[11-12]、透光焊接件的光學效能[13]及吸光劑[14]是影響結合質量的主要因素。本文利用光纖鐳射研究了環形鐳射束的形成原理，設計出能產生環形鐳射束的鐳射焊接頭，研究了不同鐳射功率和輻照時間對拉伸剪下強度的影響，確定了 TPV-彈性體和 PP-聚丙烯的最佳工藝引數，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 試驗材料及裝置
內部（黃色）高分子材料（TPV-彈性體）為透射鐳射高分子材料，其外緣厚度為 2 mm,內緣厚度為 3 mm.
外部（黑色）高分子材料（PP-聚丙烯）為吸收鐳射高分子材料，其外緣厚度為 3 mm 及內緣厚度為 1 mm.其搭接部分厚度為（2+1） mm.
環形鐳射束試驗系統示意圖如圖 1所示，該試驗系統由光纖鐳射器（2.0 kW）、環形鐳射焊接頭、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、熱塑性鐳射吸收材料、熱塑性鐳射透射材料、高強螺栓和墊圈及鐳射透射壓板組成。用光束測量儀測量了環形鐳射束的輪廓，並由 JIS標準確定了鐳射束直徑，即光束強度為最大光束強度的 1/e2時對應的直徑被定義為光束直徑。
2.2 環形鐳射束形成原理
環形鐳射束的形成原理如圖 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 50 mm.各符號的含義：f為準直鏡的焦距（分別為 f=60 mm和 f=80 mm）、NA為鐳射束的數值孔徑（0.11 rad），D 為通過準直鏡鐳射束的直徑，2R 為通過第二枚圓錐透鏡鐳射束的外徑，2r為通過第二枚圓錐透鏡鐳射束的內徑，H1和 H2為第一枚和第二枚圓錐透鏡的厚度（均為21 mm），L12為第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡之間的距離，θ1為準直後的鐳射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後的折射角，光學鏡片折射率均為 1.46,空氣的折射率為 1.00.
光纖輸出端發出的鐳射束照射到準直鏡，鐳射束到準直鏡的距離為準直鏡的焦距，經過準直鏡後，鐳射束變為平行光束，其直徑為 D;由於第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡的頂角均為 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，將形成外徑為2R和內徑為 2r的環形鐳射束，環形鐳射束的光環寬度為 R-r.由原理圖進一步可知，隨著準直鏡焦距的增加，鐳射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，導致環形鐳射束的內徑減小，而外徑不變，從而使環形鐳射束的光環寬度增加；隨著第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡之間距離 L12增加，環形鐳射束的外徑和內徑同時增加，而環形鐳射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，將直接影響到環形鐳射束強度分佈的均勻性。
3 試驗結果與討論
3.1 環形鐳射束的特性
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，環形鐳射束的分析結果如表 1、圖 3及圖 4所示。分析過程中，鐳射輸出功率（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下的環形鐳射束尺寸。
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，鐳射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鐳射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，環形鐳射束的內徑和外徑同時增加，而環形鐳射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 環形鐳射束的強度分佈
通過上述的分析可知，環形鐳射束的強度（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。通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鐳射束，其結果如圖 5所示。
3.3 高分子材料的超高速鐳射焊接
高分子材料的鐳射透射焊接原理，即在一定壓力條件下，使透射鐳射高分子材料和吸收鐳射高分子材料形成搭接接頭。鐳射束穿過透射鐳射高分子材料照射到吸收鐳射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鐳射熔化，並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，停止鐳射束的照射，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線。由於焊縫在搭接接頭的結合面形成，所以高分子材料的鐳射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。
當焊接壓力為 100 N、準直鏡焦距為 60 mm、環形鐳射束的外徑為 54 mm、環形鐳射束的'內徑為 47 mm時，鐳射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（鐳射輸出功率 400 W 及鐳射照射時間 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，兩種材料只是通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（鐳射輸出功率 1200 W 及鐳射照射時間 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（鐳射輸出功率 800 W 及鐳射照射時間 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。
當焊接壓力為 100 N;鐳射輸出功率為 400~1400 W,鐳射照射時間為 0.08~0.6 s;準直鏡焦距為 60 mm、環形鐳射束的外徑為 54 mm、內徑為 47 mm 時，對 TPV-彈性體和 PP-聚丙烯進行多組鐳射焊接試驗，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，進行拉伸剪下試驗。鐳射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下強度如圖8所示。由圖可知，當鐳射輸出功率為800 W,鐳射照射時間為 0.6 s時，其拉伸剪下強度達到最大值（斷裂位置位於 TPV-彈性體的母材上，2.4 MPa）；當鐳射輸出功率為 1000 W,鐳射照射時間為 0.08 s時，其拉伸剪下強度較小（1.0 MPa），斷裂位置位於搭接接頭的結合面上。
在最大拉伸剪下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） 利用光纖鐳射和光學整形系統，形成了環形鐳射束。隨著準直鏡焦距的增加，環形鐳射束的外徑不變，而內徑減小，從而使環形鐳射束的光環寬度增加；隨著第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡之間距離 L12增加，環形鐳射束的外徑和內徑同時增加，而環形鐳射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，可改善環形鐳射束強度分佈的不均勻性。
2） 當焊接壓力為 100 N,準直鏡焦距為 60 mm、環形鐳射束的外徑為 54 mm及環形鐳射束的內徑為 47 mm,鐳射輸出功率為 800 W,鐳射照射時間為 0.6 s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下強度達2.4 MPa,且拉伸剪下斷口位於TPV-彈性體的母材上。
參 考 文 獻
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