激光清洗技術在輪胎模具清洗中的應用研究

潘濟堂

(南京集萃激光智能制造有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

模具是輪胎制造過程中的關鍵裝備，如何高效、快捷、有效且低成本地清潔模具一直是輪胎企業苦惱的問題。尤其面對彈簧氣孔套式模具和PVD鍍層模具，傳統的噴砂、噴干冰、超聲波清洗方式無能為力。噴砂清洗會損傷模具，存在后續繁重的氣孔通孔作業，而且噴砂無法清洗彈簧氣孔套式模具。干冰清洗耗材昂貴，噪音大，無法有效徹底地清潔模具。化學藥液超聲波清洗模具耗時長，還面臨廢液處理排放的問題。

輪胎模具激光清洗技術，是用高能高頻納秒超短脈沖激光轟擊模具表面，使其表面的污染層瞬間蒸發或爆破剝離，從而達到清潔的工藝過程。相對傳統清洗方法，激光清洗模具有很多優勢：

（1）清洗無需耗材輔料。

（2）運行成本低。

（3）能量密度可精準調整。

（4）不會損傷模具。

（5）不會出現堵塞排氣孔現象。

（6）清除的固體粉末易于收集，對環境無污染。

激光清洗質量的好壞和清洗效率的高低取決于激光清洗過程中對激光能量的有效控制。采用全自動激光清洗系統可精確控制模具表面獲得的激光能量密度，在保證不損傷模具的前提下最大可能的提高效率，保證清洗的一致性。由于手持激光清洗機采用手持清洗作業方式，無法保證模具表面激光能量密度的一致性，從而導致清洗不均勻，存在“花斑”現象，影響輪胎外觀及產品品質，嚴重時會損傷模具。采用全自動激光清洗系統是必然趨勢，全自動激光清洗系統有以下特點：

（1）能量密度可精確控制，在不損傷模具的基礎上高效清潔。

（2）可精確控制脈沖重疊率，充分利用激光能量，確保效率。

（3）清洗無“花斑”，一致性好。

（4）可長時間連續穩定工作，無耗材，運行成本低。

（5）設有清洗參數工藝庫。

1 全自動激光清洗系統在輪胎模具清洗中的應用

全自動激光清洗系統在輪胎模具清洗中的應用逐年增多。尤其對于彈簧氣孔套式輪胎模具的清洗，激光清洗是最佳的清洗方式。前幾年德國制造的激光清洗系統開始進入國內的一些輪胎企業。但由于售價高、維護費用高、服務不及時、光路調整復雜、故障率高等原因，阻礙了其進一步的推廣。

這幾年隨著適合激光清洗的穩定可靠激光光源的出現，國內很多企業加大了激光清洗技術工業化應用的研發投入，做了不同方向的嘗試工作。大部分企業由于技術及資金的原因，其產品開發僅止步于中、小功率手持清洗機。中、小功率激光光源的激光聚焦后，焦斑能量分布不均勻，中心位置能量密度最高，朝著焦斑邊緣方向，能量密度逐漸降低。用這種光源進行清洗，極易損傷模具。同時，手持清洗機手持操作存在激光輻射安全隱患，影響使用操作人員的職業健康。在全自動激光清洗系統產品方面，國內只有極少數企業做了長時間的開發工作。其中南京集萃激光公司開發的全自動輪胎模具激光清洗系統目前已成功應用于國內多家輪胎企業。其產品采用全密封防護結構，激光清洗作業時無激光輻射危害風險，安全可靠。南京集萃激光公司的全自動激光清洗系統與德國同類激光清洗設備相比，有如下不同：

（1）光源免維護。

（2）光路無需調整。

（3）采用方形光斑，效率更高。

（4）運動部件采用穩定可靠的機器人。

（5）工藝庫參數錄入簡單易學，看圖測量幾個參數即可。

（6）操作簡單易學，培訓1 h即可單獨操作。

（7）采用模具分體式清洗，清洗更為靈活。

（8）模具花紋塊可采用多角度清洗，且角度可調。

本文所有數據均通過南京集萃激光公司的全自動輪胎模具激光清洗系統實際使用過程得出。該系統采用了IPG公司功率500 W的納秒脈沖激光器，激光束經過光學系統聚焦后焦斑為2 mm邊長的方形平頂光，高速振鏡掃描的清洗帶寬為50 mm。激光束與模具表面法線夾角最大為45°時，可保證打在模具表面上的激光掃描線條均在激光束焦深范圍之內，從而最大限度地保證清洗質量的一致性。

2 輪胎模具的激光損傷閾值

激光清洗系統實際應用中是否會損傷模具，在激光平均功率確定的條件下需要從兩個方面綜合考慮：

（1）單脈沖激光束的能量密度（j/cm2）。

（2）激光束的脈沖寬度。

（3）假設激光垂直入射于潔凈的模具表面，觀察模具表面發生氧化變色（開始產生損傷現象）的情況，通過測量、計算開始發生氧化變色時的能量密度及脈寬，確定激光對于模具的損傷閾值。據文獻[1]可知金屬材料的吸收率:

n為材料針對某一波長的激光的折射系數，k是材料針對某一波長激光的吸收系數。

據文獻[2]可知輪胎模具常用材料的光學特性參數：

將表1的參數帶入（1）式中可得到AL的1 064 nm吸收率為：8.8%，Fe的1 064 nm吸收率為：35.6%。

表1 各材料1 064 nm激光的光學特性

輪胎模具通常用模具鋼或鋁合金制成。由于鋁的激光吸收率遠低于鐵，可知鋁的激光損傷閾值遠高于模具鋼，本文只研究模具鋼表面氧化變色所需的能量密度和脈寬。模具鋼的熔點在1 495 ℃左右。據文獻[3]可知，基材表面熱作用深度與激光脈寬有關：

其中α為熱擴散率，t為脈沖寬度，當激光脈沖寬度為40 ns時，激光脈沖能量作用于基材深度為1.5 um.當激光脈沖寬度為60 ns時，作用深度為1.76 um，100 ns時作用深度為2.3 um。激光焦斑是2×2 mm的一個方形光斑，這樣可以通過M=ρV計算出受單脈沖激光束作用的物質質量分別為 4.51×10-5g、5.53×10-5g、7.14×10-5g。根據文獻[4]可知納秒級激光脈沖轟擊物件后表面的瞬時溫升：

其中Q為吸收能量，單位為J；C為基材的比熱容，單位為J/(g·℃)；M為物質質量，單位為g。根據上式可計算出在不同能量脈寬的激光脈沖下基材溫升數據。

按上表計算數據結合45號鋼的熔點，可知單脈沖能量在100 mj時，脈寬在40 ns和60 ns時，模具基材會損傷，脈沖能量在80 mj時，脈寬在40 ns時模具基材會被損傷。按上表所示數據在一塊潔凈的45號鋼工件上進行了測試，基本符合，激光單脈沖40 ns/100 mj時，工件表面有嚴重的熔化氧化變色現象（如圖1所示），在激光脈沖40 ns/80 mj和60 ns/100 mj兩種情況下，工件表面有輕微氧化變色現象（如圖2所示）。在實際應用中要避免清洗設備的激光參數設定在損傷模具基材的范圍。

3 輪胎模具激光清洗最佳參數

淡色的橡膠對1 064 nm的激光吸收率非常低，輪胎模具表面黑色殘留物可以用1 064 nm的脈沖激光清洗。因為輪胎材料中含有炭黑，根據文獻[5]可知，添加炭黑后的橡膠對激光的吸收率高達80%，其吸收率遠大于模具基材對激光的吸收率。這也能解釋為何其單純的除油能力比較弱，去除油漬主要依靠基材表面的瞬時溫升氣化油膜，油膜較多的區域被瞬時氣化的油氣吹到周圍。只能去除基材表面一層薄薄的油膜，之后模具深層的油又會慢慢滲出到表面。

激光清洗最佳參數與輪胎模具污染層的厚度相關。生產1 000條和生產3 000條輪胎后的模具，由于污染層厚度不同，其最佳清洗參數也有區別。

剛從硫化機上拆下的模具由于其基材溫度較高，且模具表面的污染物還處于浸潤狀態，此時的附著力最小，最易清洗。

為了高效的利用好每一個脈沖，找到高效的最佳清洗參數，需要考慮五個最基本的參數：

（1）功率大小P/w

光源功率的百分比，一般設定值≥90%，甚至滿功率運行。

（2）脈沖寬度T/ns

由表2中計算結果可以看出，單脈沖能量一定的情況下，脈寬越小，越利于清洗，但是要關注損傷閾值的范圍。實際清洗中，發現基材表面有變色現象發生意味著很可能已經接近損傷臨界值。考慮到污染層的清洗效果，40 ns時能量密度不能過大，實際應用中一般用60 ns或者100 ns。這個參數由激光器設定，設定好以后不得隨意改動。

表2 不同脈沖時模具鋼的溫升

（3）能量密度Δ/(J.cm-2)

由于光源采用的脈寬為納秒級別的脈沖激光器，清洗參數考慮能量密度更為合適，由表2可以看出60 ns時，Δ=2.5j/cm2時，45號模具鋼就處于基材損傷的臨界值。所以實際應用中，建議不要超過這個能量密度。

（4）脈沖重疊率α1=b/l×100%

為了提高效率，利用好每個脈沖的能量，必須讓脈沖有序的按照某一規律排列，首先考慮到單個脈沖的重疊率，此時就直觀的體現出了方形平頂光斑的優勢。

（5）行重疊率α2=c/l ×100%

下圖所示的平行線式出光的行重疊率是比較理想的情況，實際的重疊率更為復雜，這要根據清洗頭掃描出光的方式來具體分析確定。平行線出光方式的出光時間利用率為40%左右，像南京集萃激光公司的全自動激光清洗設備采用了類似Z形的出光方式，其出光時間利用率達到90%，對激光能量的利用效率更高。

還有一種利用轉鏡提高效率的出光方式，由于轉鏡的體積過大，控制方式繁瑣，最主要的是轉鏡表面平均反射率不到80%，有將近20%以上的激光能量被損失，所以采用此方式的系統很少。

根據清洗效果確定這5個基本參數后，其它運行參數均可計算得出。

τ（kHz）激光器的運行頻率的計算公式：

其中P（W）為實際給定功率，Δ（j/cm2）為設定的能量密度，l（mm）為焦斑邊長。

振鏡掃描速度f（M/S）的計算公式：

其中τ（kHz）為激光器頻率，l（mm）為焦斑邊長，α1為脈沖重疊率，百分數。

清洗頭相對工件的清洗速度F（M/min）的計算公式：

其中l（mm）為焦斑邊長，為行重疊率，50（mm）為掃描線長，f（M/S）為上式計算結果，t（s）為振鏡的空走系數，振鏡的空走系數是實測出振鏡一個循環中不出光空走的時間。

根據以上所確定的損傷閾值范圍，及各參數的詳細分析，經過實驗確定其最佳清洗參數。在實際應用中，清洗一個12.00 R20規格模具側板用時5 min左右，清洗模具效果見圖5。從四個角度照射模具，全方位無死角清洗一個同規格全鋼花紋塊用時4.5 min，清洗效果見圖6。南京集萃激光公司的全自動激光清洗系統配有雙工作臺，一個工作臺進行清洗作業時，另一個工作臺可進行模具的上下料。整體清洗一副12.00R20的全鋼模具，總耗時1 w左右。

4 結論

綜上所述，全自動激光清洗系統相較于手持激光清洗機，在輪胎模具清洗中有著諸多技術、質量和安全優勢。合理控制激光清洗參數對于高效高質無損清洗模具至關重要。在國內減碳降排、綠色制造、智能制造政策的指引下，在企業節能降耗，減少生產成本，提升經濟效益的追求下，國產全自動激光清洗系統必將發揮自身技術、成本、服務優勢，更好地服務于輪胎制造企業的生產經營，應用前景廣闊。