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].由于采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于汽車、電子和醫療等行業，如日本豐田公司現已采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于制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，采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。而關于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，激光的光強分布[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）為透射激光高分子材料，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）為吸收激光高分子材料，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，并由 JIS標準確定了激光束直徑，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 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為激光束的數值孔徑（0.11 rad），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.
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 110o,所以穿過準直透鏡后的平行光束照射到第一枚圓錐透鏡上，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：
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。
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。
