1 引 言
高分子材料是金属和玻璃的良好替代品，在工业领域中应用日趋广泛。如汽车业、电子产品、包装业及医疗器械等诸多产业中都离不开各种工程高分子材料[1].由于采用激光透射焊接技术对热塑性高分子材料进行焊接具有许多优点[2-6],如表面成型质量好，能形成精密、牢固和密封的焊缝，树脂降解少，产生的碎屑少，不会产生污染等，近年来，得到迅速发展和产业化。国外已经开始将塑料激光焊接应用于汽车、电子和医疗等行业，如日本丰田公司现已采用多关节机器人组合的光纤激光器进行批量生产 PA6高分子材料进气歧管，取代了以往的螺栓连接方式，减小了进气歧管的体积和重量，提高了其生产效率；奔驰公司将激光焊接应用于制造汽车的电子开门器，提高了外形和焊接接头质量及生产效率。
传统焊接方法中，采用激光头旋转或工作台旋转的方式，对环形焊缝沿周线旋转焊接。而关于环形焊缝的激光同步焊接方法，国内外还没有相关报导。 总之，目前国内外研究主要集中在焊接工艺参数对焊接质量的影响，研究结果表明，激光的光强分布[7-10]、焊接速度[11-12]、透光焊接件的光学性能[13]及吸光剂[14]是影响结合质量的主要因素。本文利用光纤激光研究了环形激光束的形成原理，设计出能产生环形激光束的激光焊接头，研究了不同激光功率和辐照时间对拉伸剪切强度的影响，确定了 TPV-弹性体和 PP-聚丙烯的最佳工艺参数，实现了高分子材料环形焊缝超高速同步焊接，提高了生产效率和焊接质量。
2 试验材料及方法
2.1 试验材料及设备
内部（黄色）高分子材料（TPV-弹性体）为透射激光高分子材料，其外缘厚度为 2 mm,内缘厚度为 3 mm.
外部（黑色）高分子材料（PP-聚丙烯）为吸收激光高分子材料，其外缘厚度为 3 mm 及内缘厚度为 1 mm.其搭接部分厚度为（2+1） mm.
环形激光束试验系统示意图如图 1所示，该试验系统由光纤激光器（2.0 kW）、环形激光焊接头、水冷机、光束测量仪及焊接工装夹具等组成。工装夹具部分由工作台、热塑性激光吸收材料、热塑性激光透射材料、高强螺栓和垫圈及激光透射压板组成。用光束测量仪测量了环形激光束的轮廓，并由 JIS标准确定了激光束直径，即光束强度为最大光束强度的 1/e2时对应的直径被定义为光束直径。
2.2 环形激光束形成原理
环形激光束的形成原理如图 2所示。该原理图包括一枚准直镜，第一枚圆锥透镜、第二枚圆锥透镜，第一枚和第二枚圆锥透镜的顶角均为 110°，直径均为 50 mm.各符号的含义：f为准直镜的焦距（分别为 f=60 mm和 f=80 mm）、NA为激光束的数值孔径（0.11 rad），D 为通过准直镜激光束的直径，2R 为通过第二枚圆锥透镜激光束的外径，2r为通过第二枚圆锥透镜激光束的内径，H1和 H2为第一枚和第二枚圆锥透镜的厚度（均为21 mm），L12为第一枚圆锥透镜和第二枚圆锥透镜之间的距离，θ1为准直后的激光束经过第一枚圆锥透镜的入射角，θ2为经过第一枚圆锥透镜后的折射角，光学镜片折射率均为 1.46,空气的折射率为 1.00.
光纤输出端发出的激光束照射到准直镜，激光束到准直镜的距离为准直镜的焦距，经过准直镜后，激光束变为平行光束，其直径为 D;由于第一枚圆锥透镜和第二枚圆锥透镜的顶角均为 110o,所以穿过准直透镜后的平行光束照射到第一枚圆锥透镜上，然后折射到第二枚圆锥透镜上，穿过第二枚圆锥透镜后，将形成外径为2R和内径为 2r的环形激光束，环形激光束的光环宽度为 R-r.由原理图进一步可知，随着准直镜焦距的增加，激光束经过准直镜入射到第一枚圆锥透镜的直径 D增加，经过两枚顶角相对的圆锥透镜折射后，导致环形激光束的内径减小，而外径不变，从而使环形激光束的光环宽度增加；随着第一枚圆锥透镜和第二枚圆锥透镜之间距离 L12增加，环形激光束的外径和内径同时增加，而环形激光束的光环宽度几乎不变。另外，由原理图可知，准直镜、第一枚圆锥透镜及第二枚圆锥透镜的同轴性，将直接影响到环形激光束强度分布的均匀性。
3 试验结果与讨论
3.1 环形激光束的特性
当准直镜的焦距 f及第一枚圆锥透镜与第二枚圆锥透镜之间的距离 L12变化时，环形激光束的分析结果如表 1、图 3及图 4所示。分析过程中，激光输出功率（300 W）恒定不变。
光的折射定律如下式所示：
然后，根据正弦定理计算得出不同 f及 L12下的环形激光束尺寸。
由表 1和图 3的实际测量值与理论计算值研究分析结果表明，随着准直镜焦距的增加，激光束的外径几乎没有变化，而内径减小，所以随着准直镜焦距的增加激光束的光环宽度也增加。由试验结果可知，实际测量值与理论计算值基本吻合。
由表 1和图 4的实际测量值与理论计算值研究分析结果表明，随着间距 L12的增加，环形激光束的内径和外径同时增加，而环形激光束的光环宽度几乎不变。由试验结果可知，实际测量值与理论计算值基本吻合。
3.2 环形激光束的强度分布
通过上述的分析可知，环形激光束的强度（能量密度）分布不均匀。造成这一现象的主要原因是由于准直镜、第一枚圆锥透镜及第二枚圆锥透镜的同轴性较差的缘故。通过上述三枚光学镜片的同轴性调节，可获得能量密度分布均匀的环形激光束，其结果如图 5所示。
