激光清洗技术在轮胎模具清洗中的应用研究

潘济堂

(南京集萃激光智能制造有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

模具是轮胎制造过程中的关键装备，如何高效、快捷、有效且低成本地清洁模具一直是轮胎企业苦恼的问题。尤其面对弹簧气孔套式模具和PVD镀层模具，传统的喷砂、喷干冰、超声波清洗方式无能为力。喷砂清洗会损伤模具，存在后续繁重的气孔通孔作业，而且喷砂无法清洗弹簧气孔套式模具。干冰清洗耗材昂贵，噪音大，无法有效彻底地清洁模具。化学药液超声波清洗模具耗时长，还面临废液处理排放的问题。

轮胎模具激光清洗技术，是用高能高频纳秒超短脉冲激光轰击模具表面，使其表面的污染层瞬间蒸发或爆破剥离，从而达到清洁的工艺过程。相对传统清洗方法，激光清洗模具有很多优势：

（1）清洗无需耗材辅料。

（2）运行成本低。

（3）能量密度可精准调整。

（4）不会损伤模具。

（5）不会出现堵塞排气孔现象。

（6）清除的固体粉末易于收集，对环境无污染。

激光清洗质量的好坏和清洗效率的高低取决于激光清洗过程中对激光能量的有效控制。采用全自动激光清洗系统可精确控制模具表面获得的激光能量密度，在保证不损伤模具的前提下最大可能的提高效率，保证清洗的一致性。由于手持激光清洗机采用手持清洗作业方式，无法保证模具表面激光能量密度的一致性，从而导致清洗不均匀，存在“花斑”现象，影响轮胎外观及产品品质，严重时会损伤模具。采用全自动激光清洗系统是必然趋势，全自动激光清洗系统有以下特点：

（1）能量密度可精确控制，在不损伤模具的基础上高效清洁。

（2）可精确控制脉冲重叠率，充分利用激光能量，确保效率。

（3）清洗无“花斑”，一致性好。

（4）可长时间连续稳定工作，无耗材，运行成本低。

（5）设有清洗参数工艺库。

1 全自动激光清洗系统在轮胎模具清洗中的应用

全自动激光清洗系统在轮胎模具清洗中的应用逐年增多。尤其对于弹簧气孔套式轮胎模具的清洗，激光清洗是最佳的清洗方式。前几年德国制造的激光清洗系统开始进入国内的一些轮胎企业。但由于售价高、维护费用高、服务不及时、光路调整复杂、故障率高等原因，阻碍了其进一步的推广。

这几年随着适合激光清洗的稳定可靠激光光源的出现，国内很多企业加大了激光清洗技术工业化应用的研发投入，做了不同方向的尝试工作。大部分企业由于技术及资金的原因，其产品开发仅止步于中、小功率手持清洗机。中、小功率激光光源的激光聚焦后，焦斑能量分布不均匀，中心位置能量密度最高，朝着焦斑边缘方向，能量密度逐渐降低。用这种光源进行清洗，极易损伤模具。同时，手持清洗机手持操作存在激光辐射安全隐患，影响使用操作人员的职业健康。在全自动激光清洗系统产品方面，国内只有极少数企业做了长时间的开发工作。其中南京集萃激光公司开发的全自动轮胎模具激光清洗系统目前已成功应用于国内多家轮胎企业。其产品采用全密封防护结构，激光清洗作业时无激光辐射危害风险，安全可靠。南京集萃激光公司的全自动激光清洗系统与德国同类激光清洗设备相比，有如下不同：

（1）光源免维护。

（2）光路无需调整。

（3）采用方形光斑，效率更高。

（4）运动部件采用稳定可靠的机器人。

（5）工艺库参数录入简单易学，看图测量几个参数即可。

（6）操作简单易学，培训1 h即可单独操作。

（7）采用模具分体式清洗，清洗更为灵活。

（8）模具花纹块可采用多角度清洗，且角度可调。

本文所有数据均通过南京集萃激光公司的全自动轮胎模具激光清洗系统实际使用过程得出。该系统采用了IPG公司功率500 W的纳秒脉冲激光器，激光束经过光学系统聚焦后焦斑为2 mm边长的方形平顶光，高速振镜扫描的清洗带宽为50 mm。激光束与模具表面法线夹角最大为45°时，可保证打在模具表面上的激光扫描线条均在激光束焦深范围之内，从而最大限度地保证清洗质量的一致性。

2 轮胎模具的激光损伤阈值

激光清洗系统实际应用中是否会损伤模具，在激光平均功率确定的条件下需要从两个方面综合考虑：

（1）单脉冲激光束的能量密度（j/cm²）。

（2）激光束的脉冲宽度。

（3）假设激光垂直入射于洁净的模具表面，观察模具表面发生氧化变色（开始产生损伤现象）的情况，通过测量、计算开始发生氧化变色时的能量密度及脉宽，确定激光对于模具的损伤阈值。据文献[1]可知金属材料的吸收率:

n为材料针对某一波长的激光的折射系数，k是材料针对某一波长激光的吸收系数。

据文献[2]可知轮胎模具常用材料的光学特性参数：

将表1的参数带入（1）式中可得到AL的1 064 nm吸收率为：8.8%，Fe的1 064 nm吸收率为：35.6%。

表1 各材料1 064 nm激光的光学特性

轮胎模具通常用模具钢或铝合金制成。由于铝的激光吸收率远低于铁，可知铝的激光损伤阈值远高于模具钢，本文只研究模具钢表面氧化变色所需的能量密度和脉宽。模具钢的熔点在1 495 ℃左右。据文献[3]可知，基材表面热作用深度与激光脉宽有关：

其中α为热扩散率，t为脉冲宽度，当激光脉冲宽度为40 ns时，激光脉冲能量作用于基材深度为1.5 um.当激光脉冲宽度为60 ns时，作用深度为1.76 um，100 ns时作用深度为2.3 um。激光焦斑是2×2 mm的一个方形光斑，这样可以通过M=ρV计算出受单脉冲激光束作用的物质质量分别为 4.51×10-5g、5.53×10-5g、7.14×10-5g。根据文献[4]可知纳秒级激光脉冲轰击物件后表面的瞬时温升：

其中Q为吸收能量，单位为J；C为基材的比热容，单位为J/(g·℃)；M为物质质量，单位为g。根据上式可计算出在不同能量脉宽的激光脉冲下基材温升数据。

按上表计算数据结合45号钢的熔点，可知单脉冲能量在100 mj时，脉宽在40 ns和60 ns时，模具基材会损伤，脉冲能量在80 mj时，脉宽在40 ns时模具基材会被损伤。按上表所示数据在一块洁净的45号钢工件上进行了测试，基本符合，激光单脉冲40 ns/100 mj时，工件表面有严重的熔化氧化变色现象（如图1所示），在激光脉冲40 ns/80 mj和60 ns/100 mj两种情况下，工件表面有轻微氧化变色现象（如图2所示）。在实际应用中要避免清洗设备的激光参数设定在损伤模具基材的范围。

3 轮胎模具激光清洗最佳参数

淡色的橡胶对1 064 nm的激光吸收率非常低，轮胎模具表面黑色残留物可以用1 064 nm的脉冲激光清洗。因为轮胎材料中含有炭黑，根据文献[5]可知，添加炭黑后的橡胶对激光的吸收率高达80%，其吸收率远大于模具基材对激光的吸收率。这也能解释为何其单纯的除油能力比较弱，去除油渍主要依靠基材表面的瞬时温升气化油膜，油膜较多的区域被瞬时气化的油气吹到周围。只能去除基材表面一层薄薄的油膜，之后模具深层的油又会慢慢渗出到表面。

激光清洗最佳参数与轮胎模具污染层的厚度相关。生产1 000条和生产3 000条轮胎后的模具，由于污染层厚度不同，其最佳清洗参数也有区别。

刚从硫化机上拆下的模具由于其基材温度较高，且模具表面的污染物还处于浸润状态，此时的附着力最小，最易清洗。

为了高效的利用好每一个脉冲，找到高效的最佳清洗参数，需要考虑五个最基本的参数：

（1）功率大小P/w

光源功率的百分比，一般设定值≥90%，甚至满功率运行。

（2）脉冲宽度T/ns

由表2中计算结果可以看出，单脉冲能量一定的情况下，脉宽越小，越利于清洗，但是要关注损伤阈值的范围。实际清洗中，发现基材表面有变色现象发生意味着很可能已经接近损伤临界值。考虑到污染层的清洗效果，40 ns时能量密度不能过大，实际应用中一般用60 ns或者100 ns。这个参数由激光器设定，设定好以后不得随意改动。

表2 不同脉冲时模具钢的温升

（3）能量密度Δ/(J.cm-2)

由于光源采用的脉宽为纳秒级别的脉冲激光器，清洗参数考虑能量密度更为合适，由表2可以看出60 ns时，Δ=2.5j/cm²时，45号模具钢就处于基材损伤的临界值。所以实际应用中，建议不要超过这个能量密度。

（4）脉冲重叠率α1=b/l×100%

为了提高效率，利用好每个脉冲的能量，必须让脉冲有序的按照某一规律排列，首先考虑到单个脉冲的重叠率，此时就直观的体现出了方形平顶光斑的优势。

（5）行重叠率α2=c/l ×100%

下图所示的平行线式出光的行重叠率是比较理想的情况，实际的重叠率更为复杂，这要根据清洗头扫描出光的方式来具体分析确定。平行线出光方式的出光时间利用率为40%左右，像南京集萃激光公司的全自动激光清洗设备采用了类似Z形的出光方式，其出光时间利用率达到90%，对激光能量的利用效率更高。

还有一种利用转镜提高效率的出光方式，由于转镜的体积过大，控制方式繁琐，最主要的是转镜表面平均反射率不到80%，有将近20%以上的激光能量被损失，所以采用此方式的系统很少。

根据清洗效果确定这5个基本参数后，其它运行参数均可计算得出。

τ（kHz）激光器的运行频率的计算公式：

其中P（W）为实际给定功率，Δ（j/cm²）为设定的能量密度，l（mm）为焦斑边长。

振镜扫描速度f（M/S）的计算公式：

其中τ（kHz）为激光器频率，l（mm）为焦斑边长，α1为脉冲重叠率，百分数。

清洗头相对工件的清洗速度F（M/min）的计算公式：

其中l（mm）为焦斑边长，为行重叠率，50（mm）为扫描线长，f（M/S）为上式计算结果，t（s）为振镜的空走系数，振镜的空走系数是实测出振镜一个循环中不出光空走的时间。

根据以上所确定的损伤阈值范围，及各参数的详细分析，经过实验确定其最佳清洗参数。在实际应用中，清洗一个12.00 R20规格模具侧板用时5 min左右，清洗模具效果见图5。从四个角度照射模具，全方位无死角清洗一个同规格全钢花纹块用时4.5 min，清洗效果见图6。南京集萃激光公司的全自动激光清洗系统配有双工作台，一个工作台进行清洗作业时，另一个工作台可进行模具的上下料。整体清洗一副12.00R20的全钢模具，总耗时1 w左右。

4 结论

综上所述，全自动激光清洗系统相较于手持激光清洗机，在轮胎模具清洗中有着诸多技术、质量和安全优势。合理控制激光清洗参数对于高效高质无损清洗模具至关重要。在国内减碳降排、绿色制造、智能制造政策的指引下，在企业节能降耗，减少生产成本，提升经济效益的追求下，国产全自动激光清洗系统必将发挥自身技术、成本、服务优势，更好地服务于轮胎制造企业的生产经营，应用前景广阔。