激光透射焊接在固态聚丙烯与膨胀聚丙烯连接中的应用研究：一种无需粘合剂的异形材料连接方法

《Journal of Materials Research and Technology》：Investigation of Laser Transmission Welding for Joining Solid Polypropylene to Expanded Polypropylene: An Adhesive-Free Joining Approach for Dissimilar Morphologies

　　安德烈·F.R.C. 萨拉伊瓦 | 安东尼奥·J.O. 费雷拉 | J. 梅斯基塔-吉马良斯 | 安东尼奥·B. 佩雷拉 | 法比奥·A.O. 费尔南德斯
主题：机械技术与自动化中心，阿威罗大学机械工程系，葡萄牙阿威罗3810-193

**摘要**
发泡和固态热塑性塑料广泛用于汽车及其他工业应用的轻量化结构中，通常通过粘合剂进行连接。然而，粘合剂存在一些局限性，包括增加自动化复杂性、工艺灵活性有限、固化时间受限制以及与热固性材料相关的可持续性问题。激光透射焊接（LTW）提供了一种精确且高效的替代方案，可以实现局部加热、减少变形并提高生产率。本研究探讨了非发泡聚丙烯（PP）与发泡聚丙烯（EPP）的LTW过程，其中泡沫结构对界面热传递和接触演变有显著影响。为了克服不同形态热塑性塑料之间的连接挑战，进行了系统的参数研究，改变了激光功率、扫描速度、夹紧压力、频率、扫描图案密度和方向以及光束抖动。基于初步的差示扫描量热法和热重分析确定了加工窗口。通过搭接剪切测试、傅里叶变换红外光谱、X射线微计算机断层扫描和扫描电子显微镜评估了接头性能和界面形态。结果表明，优化的工艺条件能够实现结构连贯的接头，其强度接近基材泡沫材料。研究还揭示了接头形成受能量输入和压力共同作用的影响，这些因素控制着界面熔化、聚合物链互扩散和泡沫塌陷。研究发现了从界面融合不足到连贯连接再到泡沫降解的不同连接状态之间的转变。该研究为聚合物-泡沫激光焊接中能量输入、热扩散和机械约束之间的相互作用提供了见解，将LTW技术扩展到了可回收、无粘合剂的聚合物-泡沫组合中。

**1. 引言**
在汽车、移动设备和防护装备等领域，对轻量化、可回收且成本效益高的材料需求不断增加，加速了热塑性塑料和聚合物泡沫的应用[1][2]。其中，聚丙烯（PP）因其低密度、化学耐受性和可回收性而脱颖而出[1]。其发泡形式——发泡聚丙烯（EPP）结合了这些特性，并由于其闭孔结构而具有高能量吸收和抗冲击性[2][3]。高效可靠地连接PP和EPP对于制造兼具刚性和能量吸收的结构至关重要[4]。在当前工业实践中，固体-泡沫热塑性塑料组件通常通过粘合剂或机械紧固件连接[5][6]。然而，粘合剂接头往往固化时间较长、可回收性有限，并且在环境作用下容易降解；而机械紧固件则可能引入局部应力集中并损坏泡沫结构[5][6]。因此，由于泡沫的细胞形态和拓扑结构限制了实际接触面积、降低了有效热导率，并在加工过程中产生依赖性的界面条件，实现强而无缺陷的PP-EPP接头仍然具有挑战性[3][7]。

激光透射焊接（LTW）作为一种有前景的热塑性塑料连接技术，具有高精度、清洁度和自动化能力[8][9]。在LTW过程中，激光束穿过透明聚合物并被下层材料吸收，在界面产生局部热量并促进分子扩散[10]。在块状热塑性塑料中，这一过程主要由光吸收和热传导控制。但在聚合物-泡沫系统中，热传递与细胞结构的机械变形密切相关，这改变了焊接过程中的实际接触面积和局部热路径。对于半结晶聚合物（如PP），关键在于将温度保持在一个狭窄的工艺窗口内：足够高以促进链互扩散和连接，但又低于降解阈值以避免孔隙形成或表面塌陷[11][12]。当其中一种材料是泡沫（如EPP）时，这种平衡变得更加关键，因为过高的热量可能导致细胞融合和收缩[3][7]。尽管已有许多研究探讨了非细胞热塑性塑料的激光焊接[8][12][13][14][15][16][17][18]，但尚未有研究针对形态不同的系统进行连接研究。关于聚合物泡沫激光焊接的文献也非常少，仅有少数研究涉及泡沫加工[7]。与块状材料不同，细胞结构的存在引入了额外的复杂性，包括异质热传递、压力依赖的接触演变以及热载荷下泡沫塌陷的风险。因此，针对PP-PP接头的优化工艺参数不能直接应用于PP-EPP系统。理解工艺参数如何控制能量输入、界面形态和机械性能之间的耦合关系对于建立可靠的连接条件至关重要。

本研究旨在探讨PP-EPP系统的激光透射焊接，特别关注不同形态热塑性塑料之间界面连接的控制机制。首先通过热分析（差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）确定加工窗口。随后系统研究了激光工艺参数、扫描策略和泡沫变形的影响。结合搭接剪切测试、X射线微计算机断层扫描（Micro-CT）和扫描电子显微镜（SEM）来建立能量输入、焊接形态和接头性能之间的关联，并确定失效模式。傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于验证材料的化学稳定性并确定激光加工过程中的降解情况。研究的目的不仅是证明可行性，还要定义工艺-结构-性能关系，并识别聚合物-泡沫系统中不同连接状态之间的转变。

**2. 材料与方法**
**2.1. 材料**
使用了两种基于聚丙烯的材料：天然PP（均聚物）作为激光透射材料，以及闭孔EPP作为激光吸收基底。这两种材料在熔化时具有化学相容性，允许分子在界面扩散。天然PP的标称厚度为2毫米，密度为900千克/立方米；EPP板的密度约为55千克/立方米，厚度为4.5毫米。

**2.2. 样品制备和夹具**
PP和EPP之间的单搭接接头的标称重叠长度为25毫米，有效扫描区域为12毫米×4毫米，如图1所示。选择这种重叠长度是为了保持在15毫米的样品宽度范围内，同时避免边缘效应和泡沫边界处的过度热量积累。样品被夹在一个定制设计的夹具中，以确保焊接过程中的准确对齐和一致的接触压力。图1展示了夹具和相应的组装配置。示意图中突出显示了激光束照射区域，用于形成搭接接头。

**2.3. 激光焊接策略**
焊接测试使用连续波光纤激光器（YLR-200-AC，IPG Photonics）进行，波长为1070纳米，最大光束功率为200瓦，光斑尺寸为85微米，无失焦，并配备了伽利略扫描头（AM-Module Next Gen，Raylase）。工艺控制通过Weldmark软件实现。实验过程采用逐步优化策略：
I. 首先进行功率-速度映射。在无泡沫变形的情况下，使用参考图案（图1）在250千赫兹下进行测试。激光功率从30瓦增加到110瓦，以20瓦为增量；扫描速度从200毫米/秒增加到3800毫米/秒，通常以400毫米/秒为增量。在条件良好的情况下，将速度增量细化到200毫米/秒，以更精确地定位更强固的接头。例如，在30瓦时扫描速度为2000-2800毫米/秒，在50瓦时为2800-3200毫米/秒，在70瓦时为3600-4200毫米/秒。
II. 基于第一阶段确定的两种最有前景的功率-速度组合（30瓦//1800毫米/秒和50瓦//3000毫米/秒），通过改变施加的泡沫变形（20%至65%，以15%为增量）来评估接触压力的影响。参考图案（图1）和激光频率（250千赫兹）保持不变。
III. 在确定65%的泡沫变形是接触质量和细胞结构保持之间的最佳平衡后，研究激光频率的影响，同时保持功率、扫描速度、扫描图案和变形不变。频率在0.25千赫兹到1千赫兹之间变化，以0.25千赫兹为增量，随后在10千赫兹、50千赫兹和250千赫兹下进行离散测试。
IV. 在优化条件下（50瓦、3000毫米/秒、250千赫兹、65%泡沫变形），使用顺序方法研究了线间距（“图案填充”）和扫描方向的影响。在第一阶段，使用垂直于样品纵向轴的平行扫描线（与搭接剪切加载方向成90°）评估线密度的影响（图2a）。测试了166.8微米、333.5微米和1000.5微米的线间距，以确定相邻熔融轨迹之间的最小重叠量，以确保适当的界面粘合。根据这些结果，由于机械性能系统性较差，最大间距（1000.5微米）被排除在后续分析之外。在第二阶段，通过将平行线旋转到0°和45°来评估剩余间距（166.8微米、333.5微米和667微米）的扫描方向的影响（图2b和c）。最后，在第三阶段，实施了交叉阴影扫描策略（0°/90°）（图2d）。由于这种配置会自然增加熔融轨迹之间的重叠，因此仅评估了333.5微米、667微米和1000.5微米的间距，以避免能量过度集中。

**2.4. 热表征**
使用DSC和TGA对PP和EPP的热行为进行了表征，以确定它们的熔化和降解极限。DSC测试在氮气氛围中进行， purge气体流速为50毫升/分钟，加热速率从室温到250摄氏度为10摄氏度/分钟，随后冷却以评估结晶行为。TGA测量从室温到600摄氏度进行，加热速率为10摄氏度/分钟，氮气流速为50毫升/分钟。**机械测试**
对焊接接头进行了搭接剪切测试，并对基材进行了拉伸测试，两者均使用配备了500 N负载传感器的Shimadzu AG-50kN万能试验机。横梁速度为5 mm·min-1，初始标距长度为45 mm。样品通过垫片固定，以确保在搭接界面处发生纯剪切。对于机械强度的计算，对于通过接头失效的样品，考虑了接头面积（12 × 4 mm2）；而对于通过EPP泡沫失效的样品，则考虑了其横截面（15 × 4.5 mm2）。这种做法允许对具有不同失效模式的接头进行一致的比较。

**2.6. 傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）**
使用配备了衰减全反射（ATR）附件的PerkinElmer Spectrum Two FTIR光谱仪进行了FTIR测量。光谱记录在400–4000 cm-1范围内，光谱分辨率为0.5 cm-1，每个光谱进行了20次累积以改善信噪比。测量在压缩PP表面、EPP泡沫表面以及接头机械分离后的焊接界面进行。光谱以透射率（%）的形式导出，并在基线校正后进行查看；未进行吸光度转换。由于EPP是蜂窝状的且具有柔韧性，因此特别小心以确保样品间的ATR接触压力一致。该技术能够识别等规PP的特征吸收带，并检测激光焊接过程可能引起的任何化学变化。

**2.7. 光学显微镜**
光学显微镜作为一种初步检查技术，用于观察焊接接头的表面形态，并在Micro-CT和SEM分析之前识别焊缝区域的不规则性。观察使用Inspectis WELDinspect FHD数字倒置显微镜进行，放大倍率最高可达500倍。观察前，样品用异丙醇清洗以去除表面颗粒并减少成像伪影。使用WELDinspect软件获取数字图像，以便评估PP–EPP界面的连续性、熔合区的定义以及检测微裂纹、气泡和表面不规则性等缺陷。

**2.8. 微计算机断层扫描（Micro-CT）**
在光学显微镜初步表面检查之后，使用Bruker SkyScan 1275系统进行了Micro-CT，以评估PP–EPP接头的内部形态，特别关注熔合区的连续性和内部缺陷（如空洞、孔隙或缺失熔合区域）的存在。样品垂直于扫描方向切片，并安装在泡沫支撑上以确保采集过程中的稳定性。扫描的体素分辨率约为10–12 μm，在使用NRecon软件重建过程中应用了束硬化和环状伪影校正。使用DataViewer和CTVOX分析重建的体积，以评估熔合线的连续性和深度、内部缺陷的空间分布以及EPP在焊接附近的局部致密化情况。这种方法能够直接比较不同加工条件下的特征形态特征。

**2.9. 扫描电子显微镜（SEM）**
使用Hitachi TM4000 Plus扫描电子显微镜在5–10 kV下进行SEM，以获得PP–EPP界面区域和断裂表面的高分辨率观察。截面观察集中在PP–EPP界面，以评估熔化均匀性、界面现象以及微缺陷（如裂纹、未熔化区域或局部降解）的存在。此外，还识别了界面失效机制，并将其与EPP的凝聚性断裂区分开来。

**3. 结果与讨论**
**3.1. 热分析**
DSC和TGA分析确定了基于PP的材料的安全部热加工窗口。PP和EPP的DSC加热曲线分别显示在图4a和图4b中，而从这些测试中提取的主要热性能总结在表1中。147–165 °C的熔化范围和420 °C以上的分解起始温度提供了一个宽广的区间，在此区间内可以发生足够的分子扩散而不会发生降解。对于LTW（激光传输焊接），这意味着界面温度必须超过大约150 °C以实现聚合物链的互穿，同时保持在400 °C以下以防止降解或气泡形成。图5中显示的TGA质量损失曲线证实了这两种材料在大约420 °C之前的热稳定性。这一范围指导了后续工艺参数的选择。EPP较低的结晶度和较低的热导率影响了热量积累，因此参数优化对于平衡EPP细胞的熔化和结构稳定性至关重要。

**3.2. 功率-速度映射**
**3.2.1. 接头强度**
图6展示了一个矩阵，说明了从30 W到110 W的激光功率和从200 mm·s-1到3800 mm·s-1的扫描速度范围内的连接成功率。红色单元格代表未产生连接的功率-焊接速度组合；绿色单元格代表用于进一步测试的焊接样品。
图7显示了每种激光功率下接头强度作为扫描速度的函数。作为参考，对块状EPP进行的拉伸测试得出的极限强度为1137.3 ± 146.4 kPa。总体而言，接头强度随扫描速度的增加而增加，达到某个最大值后，剪切应力趋于稳定或略有下降。这种行为反映了能量输入和热耗散之间的平衡：在低速度下，长时间的光束照射会导致EPP泡沫过热和降解；在过高的速度下，提供的能量不足以促进完全的界面熔合，从而导致接头强度减弱。这一趋势证实了PP–EPP接头LTW存在最佳加工窗口。

**3.3. 表面和焊缝形态**
参数扫描涵盖了从30 W到110 W的激光功率和从200 mm·s-1到3800 mm·s-1的扫描速度，揭示了能量输入与焊缝质量之间的典型权衡。在低速度和高功率下，过度加热会导致表面起泡和透明PP变色；相反，高速/低功率组合会导致连接不完全或可见的界面间隙。在30–35 W和1800–3000 mm·s-1的中间范围内获得了更好的接头，此时熔化均匀且泡沫未发生塌陷。这些结果与之前对半结晶热塑性塑料在LTW中的观察结果一致[3]、[5]、[11]，强调在激光传输焊接中，决定接头质量的不是功率或速度的绝对值，而是它们之间的平衡，即单位面积或长度上的有效能量密度，这决定了焊缝的连续性。
图8显示了使用数字显微镜获得的焊接PP区域的代表性表面形态。优化条件（30 W // 1800 mm·s-1）显示出均匀且熔合良好的表面，没有可见缺陷；而过度处理的条件（110 W // 3400 mm·s-1）显示出明显的表面降解和由于过度热输入导致的局部聚合物劣化。这些观察结果与搭接剪切测试中识别的机械趋势相符。
Micro-CT分析提供了关于PP–EPP接头内部形态和不同加工条件下熔合区演变的补充见解。图9展示了两种选定的功率-速度条件下的代表性重建结果。对于30 W // 1800 mm·s-1的条件，二维正交截面（图9a）显示熔合区连续但相对较浅，表明能量输入足以确保粘附但不足以实现深度界面穿透；三维重建（图9b）证实了界面区域的凝聚性但有限。这种形态与该条件下记录的较低搭接剪切强度一致。
SEM观察进一步阐明了界面现象和失效机制。对于30 W // 1800 mm·s-1的条件，PP–EPP界面显示出较差的粘附性和不规则的熔化现象。如图11所示，焊缝的上部区域（图11a）包含部分熔化的细胞壁和PP与EPP表面之间的明显间隙；在中心区域（图11b）可见微裂纹、未熔化区域和不连续的熔融斑块，表明熔融PP对EPP的润湿不足。这些缺陷充当应力集中器，与拉伸载荷下观察到的低机械强度和粘附失效直接相关。在30 W // 1800 mm·s-1的功率下，使用0°/90°交叉图案、667 μm的线间距和65%的泡沫变形量焊接得到的PP–EPP界面的扫描电子显微镜（SEM）显微图，同一放大倍数下显示了焊缝的不同区域：(a) 焊缝的上部，显示出不规则的接触和部分熔化的细胞壁；(b) 焊缝的中心部分，显示出EPP表面上的不连续熔合和微裂纹。在中等能量输入（50 W // 3000 mm·s-1和平行线扫描策略）下，观察到EPP细胞膜的部分融合和更均匀的润湿现象（见图12）。尽管熔合区变得更厚且更连续，但仍然存在孤立的空洞和局部不均匀熔化，表明这是从熔化不足到完全优化熔化之间的过渡状态。下载：下载高分辨率图像（642KB）下载：下载全尺寸图像

图12. 在50 W // 3000 mm·s-1的功率下，使用0°/90°交叉图案、667 μm的线间距和65%的泡沫变形量焊接得到的PP–EPP界面的SEM显微图，同一放大倍数下显示了焊缝的不同区域：(a) 焊缝的中心区域，显示出EPP细胞膜的部分融合和熔融PP更均匀的润湿；(b) 焊缝的下部，显示出更厚的熔合层和熔融不均匀渗透的区域。

3.3. 夹紧和泡沫变形的影响
3.3.1. 焊缝强度
夹紧引起的EPP变形对于实现接合表面的紧密接触至关重要。将泡沫变形从20%增加到80%，导致两种研究的功率-速度组合（30 W // 1800 mm·s-1和50 W // 3000 mm·s-1）的搭接剪切强度系统性增加，如图13和表2所示。下载：下载高分辨率图像（203KB）下载：下载全尺寸图像
图13. EPP变形对两种最佳功率-速度组合（30 W // 1800 mm·s-1和50 W // 3000 mm·s-1）强度的影响。将夹紧引起的变形增加到65%可系统性提高焊缝强度，特别是在50 W // 3000 mm·s-1条件下效果更为明显。
表2. 在最佳功率-速度条件下，PP–EPP焊缝的搭接剪切强度[kPa]与施加的EPP泡沫变形（20%、35%、50%、65%和80%）的关系。
条件 泡沫变形
20% 35% 50% 65% 80%
30 W // 1800 mm·s-1 721.7 ± 10 4.98 0 3.8 ± 10 5.78 66.6 ± 67.1 869.1 ± 72.2
-50 W // 3000 mm·s-1 686.6 ± 89.4 775.5 ± 97.7 834.3 ± 62.0 1024.2 ± 60.2 1287.0 ± 68.9

表3. 不同施加变形水平（25%、50%和75%）下膨胀聚丙烯（EPP）泡沫的平均压缩应力，包括从重复压缩测试中获得的标准偏差。
空细胞 泡沫变形
25% 50% 75%
强度（kPa） 166.6 ± 5.8 215.0 ± 6.9 424.3 ± 15.2

对于第一个最佳条件（30 W // 1800 mm·s-1），在65%的变形时达到最大强度（869 ± 72 kPa），超过50%后强度增加不明显，表明在接触改善方面达到了饱和效应。对于第二个最佳条件（50 W // 3000 mm·s-1），变形的效果更为明显。焊缝强度从20%变形时的687 ± 89 kPa增加到65%变形时的1024 ± 60 kPa，超过了1 MPa。当变形进一步增加到80%时，获得了该阶段的最高搭接剪切强度（1287 ± 69 kPa）。然而，压缩测试显示，在80%的变形下，泡沫发生了不可逆的结构坍塌，卸载后没有弹性恢复。这种永久性的致密化表明了闭孔结构的部分破坏，从而影响了EPP的固有能量吸收能力。因此，尽管80%的变形产生了最高的强度值，但从结构完整性的角度来看，它并不合适。选择65%的变形水平作为最佳折中方案，既能提供高的机械性能，又能保持泡沫的可恢复细胞形态。

为了评估所需的夹紧压力并验证施加的夹紧是否会在焊接前对泡沫造成永久性损坏，在同一台机器和相同条件下对五个EPP样品进行了单轴压缩测试。表2展示了EPP在25%、50%和75%变形水平下的平均压缩应力。图14展示了一个EPP样品的代表性压缩应力-应变曲线。该响应表现出闭孔聚丙烯泡沫的特征行为，包括初始弹性区域，随后是随着应变增加而逐渐发生的细胞壁屈曲，以及更高应变下的致密化阶段。这证实了焊接过程中施加的变形水平（最高达到65%）并未超出致密化阶段。卸载后，泡沫几乎完全恢复了其原始厚度，残余应变可以忽略不计。下载：下载高分辨率图像（229KB）下载：下载全尺寸图像

图14. 一个代表性EPP样品的压缩应力-应变响应。

总体而言，随着泡沫变形的增加，焊缝强度的提高归因于界面接触条件的改善和焊接过程中的热传递增强。因此，大约65%的变形水平是在最大化焊缝强度和保持EPP泡沫固有细胞形态之间的有效折中。

3.3.2. 表面和焊缝形态
在50 W // 3000 mm·s-1的功率下，使用0°/90°交叉图案、667 μm的线间距和65%的泡沫变形量焊接得到的焊缝，与在非优化条件下（即较低的泡沫变形量和平行线扫描策略下）得到的焊缝相比，显示出更深且更均匀的熔合线。二维截面（图15a）显示出一个没有不连续性或空洞的清晰界面层，三维重建（图15b）显示出一个均匀且无缺陷的接合区域。观察到EPP细胞在焊缝附近的局部致密化，但闭孔结构保持完整，证实该过程没有引起过度的热降解或结构坍塌。这些发现与研究中观察到的最高机械强度（约1100 kPa）相符，证明了交叉图案在沿界面均匀分布激光能量方面的有效性。下载：下载高分辨率图像（506KB）下载：下载全尺寸图像

图15. 在不同激光焊接参数下制备的PP–EPP焊缝的微CT重建。(a) 使用0°/90°交叉图案、0.667 mm线间距和65%泡沫变形量，在50 W // 3000 mm·s-1下焊接得到的焊缝的二维截面，显示出均匀且无缺陷的界面；(b) 优化后焊缝的三维重建，显示均匀的接合和EPP闭孔结构的保持。

相反，在50 W // 3000 mm·s-1的功率下，使用0°/90°交叉图案、667 μm的线间距和65%的泡沫变形量焊接得到的焊缝，界面看起来完全致密（图16b）。SEM显微图显示了熔合和融合的细胞膜，PP基体平滑地渗透到EPP的表面孔隙中。两种聚合物之间的过渡是渐进的，没有空洞或微裂纹的迹象。这种均匀的微观结构反映了有效的能量分布和足够的界面压力，证实了之前通过Micro-CT观察到的形态连续性。下载：下载高分辨率图像（562KB）下载：下载全尺寸图像

图16. 在50 W // 3000 mm·s-1的功率下，使用0°/90°交叉图案、0.667 mm线间距和65%泡沫变形量（EPP侧）焊接得到的PP–EPP界面的SEM显微图，同一放大倍数下显示了焊缝的不同区域：(a) 焊缝的上部，显示出熔合和融合的细胞膜以及均匀的粘附；(b) 焊缝的中心部分，显示出连续且均匀的界面层以及平滑的聚合物互扩散。

总体而言，SEM观察结果表明，实现PP–EPP边界处的充分熔化和互扩散对于获得牢固的接合至关重要。当工艺参数得到优化时，界面表现为一个单一的、致密的相，而不是由未连接的区域分隔的两种不同材料。

3.4. 激光频率对焊缝性能的影响
在之前确定的最佳功率-速度条件（30 W // 1800 mm·s-1和50 W // 3000 mm·s-1）下，评估了激光频率对焊缝强度的影响，所有其他参数保持不变，泡沫变形量为65%。应用的频率范围从0.25 kHz到250 kHz。图17展示了每种频率-参数组合的焊缝强度。下载：下载高分辨率图像（306KB）下载：下载全尺寸图像

图17. 两种功率-速度组合（30 W // 1800 mm·s-1和50 W // 3000 mm·s-1）的焊接接头强度与激光束频率（0.25 kHz、0.50 kHz、0.75 kHz、1 kHz、10 kHz、50 kHz、150 kHz和250 kHz）的关系。

对于30 W // 1800 mm·s-1的条件，频率变化对焊缝性能产生了中等且非单调的影响。在0.75 kHz时观察到最大的搭接剪切强度（914 kPa），相对于参考频率250 kHz（869 kPa）增加了约5%。在0.5 kHz以下的频率下，经常观察到不连续的熔合和减少的界面润湿，导致机械性能下降。对于1 kHz以上的频率，焊缝强度相对稳定，表明一旦实现了足够的界面熔化，频率对此功率-速度组合的影响是次要的。

相比之下，在50 W // 3000 mm·s-1的条件下，激光频率对焊缝强度有显著影响。在参考频率250 kHz时获得了最高且最一致的强度值（1024 kPa）。将频率降低到1 kHz导致强度下降了约9%，而低于0.5 kHz的频率导致强度下降了多达15%，这与不规则的熔合和部分缺乏界面润湿有关。将频率增加到10 kHz以上促进了更稳定的熔池和沿扫描路径的连续熔合，表现为更高的平均强度和减少的结果散布。

总体而言，频率分析表明，激光频率对30 W // 1800 mm·s-1条件的影响有限，但对50 W // 3000 mm·s-1条件有显著的稳定和增强作用。因此，选择了后者参数组合以及250 kHz的频率进行后续的工艺优化。焊缝形态已在前一节中针对250 kHz下焊接的样品进行了介绍。

3.5. 扫描策略和线密度的影响
3.5.1. 焊缝强度
扫描策略和线密度通过控制熔融轨迹在焊缝区域的空间分布和重叠程度，对焊缝的机械性能产生了强烈影响。结果如图18所示，采用了与实验方法中相同的顺序方法。下载：下载高分辨率图像（873KB）下载：下载全尺寸图像

图18. – 线间距和扫描策略对在50 W和3000 mm·s-1下、65%泡沫变形量和250 kHz激光频率下焊接的PP–EPP焊缝的搭接剪切强度的影响：(a) 以90°方向排列的平行线，不同的线间距；(b) 以0°、45°和90°方向排列的平行线，对于三种最相关的间距；(c) 选定的间距的0°/90°交叉图案。

在第一阶段（图18a）中，评估了以90°方向排列的平行扫描线的线间距的影响。随着间距的增加，搭接剪切强度明显下降。将间距从667 μm减少到333.5 μm，强度从895 ± 103 kPa增加到1074 ± 89 kPa（约+20%）。进一步减少到166.8 μm时，平均强度相当（1076 ± 165 kPa），但散布显著增加，表明局部过热和工艺稳定性降低。相反，将间距增加到1000.5 μm时，强度最低（854 ± 60 kPa），甚至低于EPP基材的抗拉强度，证实相邻熔融轨迹之间的重叠不足。因此，这种间距被排除在后续的扫描方向分析之外。

在第二阶段（图18b）中，评估了三种最相关间距（166.8、333.5和667 μm）的扫描方向（0°、45°和90°）的影响。对于所有方向，333.5 μm时获得了最佳的机械性能，平均强度分别为1064 ± 56 kPa和1056 ± 82 kPa。这些结果表明，一旦达到足够的线密度，扫描方向对焊缝强度的影响相对较小。

在第三阶段（图18c）中，评估了交叉图案（0°/90°）的影响。由于这种多方向图案固有的熔融轨迹重叠增加，只考虑了333.5、667和1000.5 μm的间距。整个研究中最高的强度是在667 μm的间距下获得的（1101 ± 81 kPa），相对于相同间距下的最佳平行线配置提高了约23%。这些结果表明，交叉阴影策略促进了更加均匀的能量分布和更有效的界面结合，同时避免了过度的局部过热。在五个样品中的四个中，断裂主要发生在EPP泡沫内部，而不是焊接界面处，这表明接头强度超过了泡沫本身的抗拉强度。

3.5.2 表面和焊接形态
对于使用90°平行线、间距为333.5 μm的焊接条件（图19），界面看起来是连续且紧密结合的，PP和EPP之间有广泛的融合。EPP表面的特征性蜂窝结构几乎不再可见，这表明所施加的能量足以促进界面处的广泛熔化和相互扩散。在SEM可检测的尺度上，没有观察到系统性的气泡或微裂纹。然而，确实发现了一些局部熔化更为明显的区域，这可能与这种条件下使用的较高线密度有关。需要注意的是，这些观察结果仅限于断裂后的表面，因此反映了机械分离后的形态，而不是完整的内部焊接结构。

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图19. 使用90°平行线、间距为333.5 μm焊接的接头的SEM显微照片，在接头的不同区域以相同的放大倍数拍摄：(a) 中心区域；(b) 下部区域。

对于使用90°平行线、间距为667 μm的焊接条件（图20），界面仍然连续且清晰，但熔合程度较低。在几个区域中，仍能看到EPP的蜂窝结构残余，表明所施加的能量足以促进有效的粘接，但不足以引起深度熔合。没有检测到诸如气泡或微裂纹之类的关键缺陷，接头表现出足够的全局凝聚力，尽管熔合强度低于间距较小的情况。

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图20. 使用90°平行线、间距为667 μm焊接的接头的SEM显微照片，在接头的不同区域以相同的放大倍数拍摄：(a) 中心区域；(b) 下部区域。

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图21. 光束抖动对PP–EPP接头搭接剪切强度的影响。结果显示了无抖动（0 kHz）和圆周抖动幅度为0.4和0.6 mm在不同频率下的情况。
直接比较这两种条件可以确认，较小的线间距（333.5 μm）促进了更宽且更连续的熔化界面区域，从而增强了界面粘接强度，但代价是局部热集中的风险增加。相反，较大的间距（667 μm）导致熔合区域较薄且更为局部化，从而实现了更为温和和均匀的结合，部分保留了泡沫的蜂窝结构，并避免了过度塌陷。这些观察结果与机械测试结果一致，后者显示333.5 μm线间距的搭接剪切性能更优。

3.6 光束抖动
3.6.1 接头强度
参考配置使用了间距为0.6670 mm的90°平行扫描线，且没有光束抖动，以此作为比较基准。该条件对应于之前确定的优化功率-速度参数（50 W，3000 mm·s-1），泡沫变形为65%，激光频率为250 kHz。在这种配置下获得的机械性能总结在表4中，用于评估叠加光束抖动的效果。

表4. 主要工艺条件下PP–EPP接头的强度及相应的失效模式（无抖动）。
条件 泡沫变形（%） 扫描策略 线间距（μm） 强度（kPa） 主要失效模式
30 W 1.8 m·s-1 平行 90° 667 462.8 ± 62.2 接头失效 – 熔合不足
50 W 3 m·s-1 平行 90° 667 439.5 ± 73.4 接头失效 – 熔合不足
30 W 1.8 m·s-1 65 667 869.1 ± 72.2 接头附近材料失效
50 W 3 m·s-1 65 667 102 4.2 ± 60.2 接头附近材料失效
30 W 1.8 m·s-1 667 0°/90° 110 1.3 ± 81.2 接头外部材料失效

引入圆周光束抖动后，接头性能相比无抖动参考条件有所提高。这种效果取决于抖动幅度和频率，突显了沿焊缝控制能量重新分配的重要性。对于0.4 mm的抖动幅度，观察到中等程度的提升。在1 kHz时，搭接剪切强度增加到964 ± 83 kPa，相对于参考配置提高了约8%。将频率增加到3 kHz时，平均强度略有下降（931 ± 42 kPa），但散布显著减少，表明工艺稳定性提高。在5 kHz时，平均强度（893 ± 75 kPa）与非抖动条件相当，表明该频率没有提供显著的机械优势。

将抖动幅度增加到0.6 mm时，在所有测试频率下都产生了更一致和明显的改进。抖动研究中的最高搭接剪切强度出现在1 kHz时，达到1019 ± 55 kPa，相对于无抖动条件提高了约14%。在3 kHz和5 kHz时，平均强度分别为953 ± 74 kPa和972 ± 30 kPa，均超过了基准值，同时保持了较低的结果分散度。
结果表明，引入光束抖动相比无抖动条件具有明显的好处，体现在平均接头强度的增加和重复性的提高上。0.6 mm的幅度比0.4 mm更有效，在所有测试频率下都产生了系统的强度提升。结合0.6 mm幅度和1 kHz抖动频率的条件提供了最高的接头强度，因此被认为是最合适的抖动配置。

这些发现与之前的LTW研究结果一致，后者表明圆周光束振荡促进了更均匀的热量分布和稳定的熔池形成，从而提高了焊接质量。由于材料和焊接条件的差异，最佳频率的定量比较并不直接适用。尽管如此，定性一致性支持了光束抖动作为PP–EPP激光传输焊接工艺优化策略的有效性。

3.6.2 表面和焊接形态
使用圆周光束抖动（90°平行线、线间距0.6670 mm、泡沫变形65%、抖动幅度0.6 mm、频率1 kHz）制备的代表性接头通过Micro-CT进行了内部形态评估。在DataViewer中获得的二维重建（图22a）显示了一个定义明确的接头，但在PP–EPP界面处可见不规则性。这些不规则性表现为局部对比度变化，暗示了界面接触的不连续性。这种中断在没有抖动的优化条件下更为明显，可能是由于激光束的圆周运动引入的轨迹重叠所致。然而，在焊接区域内没有检测到广泛的气泡或连续的空腔。

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图22. (a) 使用圆周光束抖动制备的接头的二维Micro-CT重建，X–Z平面视图；(b) 同一接头的三维重建

CTVOX中的三维重建（图22b）证实了这一解释，显示了一个整体上具有凝聚力的接头，但内部纹理不如优化无抖动条件均匀。这种微观结构的异质性与该条件下的机械行为一致，表现出较高的平均搭接剪切强度，但样品间的分散增加。这些结果表明，虽然圆周光束抖动提高了平均熔合稳定性，但它可能会引入局部能量变化，影响界面均匀性。

3.7 FTIR分析
FTIR用于评估PP和EPP之间的化学稳定性及兼容性，以及在优化激光参数下的焊接界面。用于FTIR分析的焊接接头对应于全局优化的工艺条件（50 W，3000 mm·s-1，交叉阴影0°/90°，泡沫变形65%），因为这一参数组合提供了最高和最稳定的机械性能。在最苛刻的热条件下评估化学完整性可以确保，如果此处未检测到降解，则可以假设较低能量的工艺条件在化学上也是稳定的。
图23显示了所得到的光谱。所有光谱都展示了等规PP的特征振动带。主要吸收带位于大约2950 cm-1和2917 cm-1（C–H伸缩）、1456 cm-1和1375 cm-1（CH2/CH3弯曲），以及1167 cm-1和972 cm-1（C–C/C–H骨架模式）。EPP的光谱显示出与紧凑型PP相同的官能团，证实了它们的化学等效性。由于EPP的密度较低和蜂窝结构，其峰强度略有降低，这降低了红外透射率。

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图23. 紧凑型PP、EPP泡沫和焊接PP–EPP接头（交叉阴影0°/90°模式）的FTIR-ATR透射率（%）光谱。

焊接接头的光谱与基材相比没有新的吸收带或峰位移，表明在激光加工过程中没有发生化学降解、氧化或新官能团的形成。这些光谱观察结果与DSC/TGA窗口（熔化过程中质量损失不超过约420 °C）以及SEM/Micro-CT证据一致，表明界面熔化均匀且没有降解层。
所有特征PP峰的保留证实了激光传输焊接保持了分子完整性，并且界面结合主要是通过热扩散和聚合物链互穿实现的，而不是化学反应。

3.8 讨论
如表4所总结的，搭接剪切测试表明，激光参数、扫描策略和焊接材料之间的夹紧方式明显影响了接头的机械性能。这些参数并非独立作用，而是控制了局部能量输入和界面接触条件，从而控制了热传递、熔化和随后的界面结合。在初步试验中，未进行泡沫压缩，使用参考扫描模式（90°平行线、间距0.667 mm），发现了两个局部最优参数：30 W // 1800 mm·s-1和50 W // 3000 mm·s-1，分别产生了462.8 ± 62.2 kPa和439.5 ± 73.4 kPa的平均抗拉强度。在这个阶段，断裂发生在焊接区域内（接头失效），表明界面熔合不足，聚合物链在界面上的扩散有限。
增加泡沫变形显著改善了界面处的载荷传递。这种效应可以归因于两个耦合机制：i) 由于细胞压缩，PP和EPP之间的实际接触面积增加；ii) 界面的有效热导率增加，促进了更高效的热传递。对于这两组参数，更高的压缩增强了接触和热传导，从而形成了逐渐更强的接头。在65%的变形下，30 W // 1800 mm·s-1的平均强度达到869.1 ± 72.2 kPa，50 W // 3000 mm·s-1的平均强度达到1024.2 ± 60.2 kPa，这表明接头附近材料开始失效。这种转变表明界面达到了一个凝聚态的结合条件，其中强度不再受界面缺陷的限制，而是受到周围泡沫结构的限制。这种转变反映了激光能量和压力之间的更好平衡，确保了界面的完全熔合，同时避免了蜂窝结构的降解。
进一步优化空间能量分布得到了最有效的配置。
使用间距为667 μm的交叉阴影0°/90°模式和65%的泡沫变形，接头达到了1101 ± 81 kPa的平均抗拉强度，接近EPP基材本身的抗拉强度（1137 ± 146 kPa）。性能的提高可以通过更均匀的能量输入空间分布来解释，这减少了局部过热，最小化了可能导致熔化不均匀或局部泡沫降解和塌陷的热梯度。这与非优化条件（0%变形，平行90°模式）相比，机械强度总体提高了约138%。在这些参数下，失效发生在接头外部的材料中，证实焊接界面不再是结构的限制区域。
这些结果揭示了随着工艺条件从不足到优化焊接参数的演变，失效机制的明显进展。这种进展可以解释为三种不同结合机制之间的转变，这些机制由能量输入和机械约束控制：
I. 能量输入不足，导致熔化不完全和界面失效；
II. 最佳的能量-压力平衡，促进界面扩散和凝聚结合；
III. 过量的局部能量输入，可能导致蜂窝结构塌陷和泡沫降解。
在低能量输入且无泡沫变形的情况下，由于熔合不完全，失效发生在焊接界面内部。当引入泡沫变形时，断裂位置转移到了与接头相邻的材料上，表明界面结合得到了改善。在完全优化的条件下，通过结合适当的功率-速度平衡、泡沫变形和交叉扫描技术，失效发生在接头外部的材料中，这证实了焊接接头和热影响区不再是组件中最薄弱的区域。尽管没有直接测量界面温度，但所确定的结合机制与DSC/TGA得到的热极限结果一致，并且FTIR观察到的也没有化学降解现象。未来的工作应集中在原位温度测量或热建模上，以定量解析焊接过程中的界面热场。

与传统的非蜂窝状热塑性塑料的激光透射焊接（LTW）相比，蜂窝状结构的存在引入了热扩散和机械变形之间的额外耦合，使得结合过程强烈依赖于压力诱导的形态演变。这些发现为聚合物-泡沫系统的激光焊接预测控制提供了坚实的基础，因为传统的仅基于非蜂窝状热塑性塑料的方法在这种情况下并不直接适用。

总体而言，这项研究首次证明了激光透射焊接可以成功地将致密热塑性塑料与闭孔聚丙烯泡沫连接在一起，实现了与基材相当的接头强度，同时保持了泡沫的蜂窝结构。更重要的是，它建立了一个机制框架，将加工条件、界面形态和不同形态热塑性塑料系统的机械性能联系起来。这扩展了LTW在聚合物-泡沫组件中的应用范围，并为轻质和可回收的结构部件开辟了新的可能性。

**4. 结论**

这项研究首次证明了激光透射焊接可以将固体聚丙烯（PP）与EPP（闭孔聚丙烯泡沫）成功连接在一起，同时保持了泡沫的蜂窝结构，并实现了机械上坚固的接头。更重要的是，它提供了对不同形态热塑性塑料系统界面结合的机制理解。本研究的主要结论如下：

1. 热分析（DSC/TGA）证实，在激光透射焊接加工窗口内，PP和EPP表现出足够的热稳定性，确保了材料的兼容性且没有发生降解。FTIR-ATR测量进一步验证，在激光加工过程中没有发生化学改性或氧化。

2. 光学显微镜和SEM观察表明，激光能量输入与夹紧引起的泡沫变形之间的平衡强烈影响了界面形态和熔合质量。这种平衡控制了界面熔化和聚合物链相互扩散的程度，同时限制了过度的蜂窝结构塌陷。优化的参数促进了PP-EPP界面处的均匀熔化，避免了EPP蜂窝结构的大规模塌陷。

3. 功率-速度映射结合搭接剪切测试确定了两个最佳加工条件：30 W // 1800 mm·s-1 和 50 W // 3000 mm·s-1。引入65%的泡沫变形显著改善了界面接触和热传递，突出了压力在增加实际接触面积和有效热导率方面的关键作用，从而使接头强度从低于500 kPa（焊接处失效）提高到高于1000 kPa（焊接附近泡沫处失效）。

4. 通过交叉扫描（0°/90°）进行空间能量重新分布，线间距为667 μm，获得了最高的机械性能，平均搭接剪切强度达到1101 ± 81 kPa，约为EPP基材拉伸强度的97%。这种改进归因于更均匀的能量输入，减少了局部热梯度，防止了局部过热和泡沫降解。在这些条件下，失效发生在热影响区外的泡沫中，证实焊接界面不再是组件的薄弱环节。

5. 重叠光束的摆动通过均匀化局部能量分布进一步提高了接头强度和重复性。最有效的条件是摆动幅度为0.6 mm、频率为1 kHz，这表明二次能量重新分配策略可以进一步稳定不同形态系统中的结合过程。

总体而言，研究结果表明，PP-EPP系统中的界面结合受到能量输入、热扩散和压力诱导的形态演变之间的耦合作用的影响，定义了从熔合不足、粘接成功到泡沫降解的不同状态之间的过渡。所建立的过程-结构-性能关系表明，LTW是一种可行且可控的技术，适用于将泡沫材料与非泡沫热塑性塑料连接在一起，具有从提高制造灵活性到提高可持续性等一系列潜在的工业优势。