激光清洗铝合金轮胎模具应用分析
激光清洗铝合金轮胎模具应用分析：模具是轮胎硫化生产过程中所使用的重要工具，轮胎模具在使用过程中受到橡胶、配合剂以及脱模剂的综合沉积污染，不可避免地会出现积碳、粘胶、脱模难等问题，造成花纹污染死区，干净的模具对于获得高质量的产品至关重要，必须经常清洗模具以保持其表面洁净度，才能保证模具的寿命及轮胎质量。
轮胎模具常用的清洗方法主要包括机械清洗、化学清洗、超声清洗以及干冰清洗。尽管这些清洗方法在清洗行业中得到广泛的应用，但在在线式高精度的自动化清洗要求下，其应用受到很大的限制。相对其他清洗方法而言，干冰清洗在轮胎模具领域具有独特的技术优势，成为目前模具清洗的主流方法，但干冰属于化工用品，原材料制备、运输困难，二次消耗较大，清洗成本相对较高。
激光清洗技术是近年来新兴的一种绿色清洗技术，就其用于模具清洗的机理而言，是利用模具基体与表面附着物对某一激光波长的能量吸收程度有较大差别，辐射到表面的激光能量大部分被表面附着物所吸收，使之受热、汽化蒸发或瞬间膨胀，并被表面形成的蒸汽流带动，脱离物体表面，从而达到清洗目的。激光清洗相对于干冰清洗的优势在于清洗过程成本低，可以清除各种不同厚度、不同成分的污物，清洁过程易于实现自动化控制、远距离遥控清洗，且清洗过程无二次消耗。
图1 轮胎模具激光清洗与抛丸喷砂效果对比
强远激光以铝合金轮胎模具作为研究对象，通过对比激光清洗前后模具表面粗糙度、显微形貌以及及表面元素含量，研究了激光对铝合金轮胎模具表面硫化物的清洗机制。
实验采用强远激光自主研发的全固态光纤耦合输出激光器作为实验光源，激光器输出波长为1064nm，平均功率500W，最大峰值功率800kW，最小脉宽为50ns，最大脉冲频率为20kHz。激光束通过光纤耦合传输，经准直后通过高频振镜快速输出线光斑，扫描宽度1-10cm可调，通过机械手加持清洗头运动，保证清洗均匀性，从而完成激光清洗的工作。激光清洗装置实物图如图2所示。
为保证实验清洗效果及效率，通过实验得到在激光平均功率350W、频率10kHz、脉宽70ns时可有效快速去除铝合金轮胎模具表面硫化物，研究了不同激光功率对铝合金表面宏观形貌、微观形貌、元素含量、显微硬度、残余应力和抗腐蚀性能的影响。激光清洗输出系统所使用的能量光纤芯径400μm，数值孔径为0.22，采用焦距160mm的聚焦场镜，清洗过程使用99.9%的氩气作为保护气体，防止清洗过程二次氧化，气体流量为15L/min。
清洗前后宏观效果图对比
（1）宏观形貌分析
轮胎模具的表面形貌和粗糙度主要决定着制备橡胶轮胎的表面质量，表面粗糙度越低，制备的轮胎表面凹点等缺陷越少，另外表面形貌和粗糙度对疏水性和摩擦系数也有一定影响。
清洗式样
实验采用RETC摩擦磨损试验机附带的白光干涉仪进行粗糙度测试，采用面扫的方式，分别在清洗前、后区域各选3个区域，如图4所示，标记点1-3为已清洗表面，4-6为未清洗表面。在每个标记点区域沿x、y方向各选取3块大小为2mm*2mm的测试区域，分别计算粗糙度并取平均值，得到结果如图5所示。
样件不同位置粗糙度Ra值
测量粗糙度同时，利用基恩士VH-Z2500R数码显微镜在每个标记区域记录其三维形貌，激光清洗铝合金前后测试区域表面三维形貌如图6所示。
样件不同位置表面三维形貌
（a） -（f）分别为样件标记点1-6
由图5、6可见，清洗前后轮胎模具表面粗糙度及三维形貌有明显变化，激光清洗后表面粗糙度分布较为均匀，与清洗前相比表面粗糙度有明显降低，这是由于激光清洗去除了轮胎模具表面残留的橡胶硫化物及其他污染物，暴露出平整的铝合金基体。通过清洗前后轮胎模具表面三维形貌图也可得出，清洗后模具表面平坦，说明显著提高了轮胎模具表面质量。
激光清洗轮胎模具前、后SEM照片
7(a)-(c)为清洗前放大500/1500/5000倍的SEM照片
(d)-(f)为清洗后放大500/1500/5000倍的SEM照片
（2）微观形貌
采用日本JSM-7910F高分辨率肖特基场发射扫描电子显微镜（SEM）进行微观形貌表征，清洗前铝合金轮胎模具表面较为粗糙，有较多块状结构硫化物及裂痕，这是由于轮胎模具生产后表面温度可达160°C，在自然条件下迅速冷却，由于热胀冷缩形成的结构。当脉冲激光作用于待清洗模具表面时，光能转化为热能，使得铝合金表面的硫化物受热膨胀，同时由于高单脉冲能量对基材产生的冲击力与使得硫化物脱离铝合金模具表面。
从图7可以看出，激光清洗后铝合金表面呈现珊瑚状突起结构，分布较为均匀，且结构尺寸在微米量级，远小于光斑直径（0.9mm），这是由于铝合金达到最低熔点后出现的微融现象，其表面孔洞是铝合金在受热微融到冷却的过程中，析出氢元素使铝合金表面形成较多空缺，这种微结构在下面的疏水性分析结果中被验证对轮胎模具有较好的影响。
（3）元素分布（EDS）
采用日本JSM-7910F高分辨率肖特基场发射扫描电子显微镜（SEM）进行表面元素分析，主要通过比较不同清洗参数下Al、S、C的含量来确定清洗的效果，并对未清洗和完全清洗的试样进行元素分层、EDS点扫及面扫对比，从而证明清洗的效果。
清洗前后样件表面表面元素
（a）、（b）分别为清洗前及清洗后
表2 清洗前后样件表面表面元素含量
激光清洗使得表面硫化物及残留橡胶层从铝合金基体上剥离使基体本色显露出来，从而使得铝含量显著增加。C、S作为橡胶杂质中重要的元素，在清洗后其含量明显减少，这是因为C、S离子所需的电离能比Al要低许多，因此镁比铝更容易融化和蒸发。激光清洗后铝合金表面微观结构和元素含量发生了变化，这可能对铝合金的物理化学性能产生一定的影响，于是下面讨论了激光清洗对铝合金显微硬度、残余应力、抗腐蚀性能的影响。
（4）残余应力
采用加拿大Proto公司X射线残余应力分析仪进行残余应力测试，辐射类型Cr_K-Alpha,衍射bragg角139.0度，波长2.291。通过实验结果的分析对比，对清洗后的铝合金的拉伸及弯曲性能进行表征。残余应力测量点及其残余应力分布如图9、10所示，1-7为清洗区域的应力值测试点，8-10为未清洗区域的应力值测试点。总体趋势为未清洗区域残余应力大多为压应力，而清洗后区域残余应力大多为拉应力。
残余应力测量点位置
残余应力分布(MPa)
从图10分析可以得出，清洗前残余应力为压应力，清洗后残余应力为拉应力，在清洗后铝合金表面残余应力升高。镁元素对铝合金的强化是非常明显的，每增1%的镁，铝合金抗拉强度大约提高30MPa。在进行清洗的过程中，激光的高能量和高热量使得使得镁元素从铝合金表面析出，拉伸和蠕变性能迅速下降，通过固溶强化获得的高强度、高韧性铝合金表面产生破裂重组，残余应力得到释放和重新分布，在基体表面产生的珊瑚结构以及孔洞也是铝合金残余应力增大的一个重要原因，
由于在轮胎成型过程中，橡胶原料长时间对模具持续施加压应力会造成模具寿命周期缩短，通过激光清洗改变轮胎模具表面应力状态，增加其拉应力，会在轮胎成型过程中抵消部分压应力，从而可提高轮胎模具的使用寿命，降低损坏风险，提高轮胎表面质量。
利用平均功率500W的全固态脉冲激光器对铝合金轮胎模具生产后表面进行清洗，为保证清洗效率，分析激光清洗前后铝合金轮胎模具表面宏观形貌、微观形貌、表面元素含量及残余应力的变化。结果表明，激光清洗后可改善轮胎模具生产后的表面粗糙度，并可在其表面形成微珊瑚结构，并可以使铝合金中微量元素析出到模具表面，改变轮胎模具表面应力状态，这对于轮胎模具的使用寿命及轮胎生产都会产生有益影响。综上所述，激光清洗技术不仅可以改善轮胎模具清洗方式，对其表面残留杂质有很好的去除效果，而且还可以提高轮胎表面性能，间接提高轮胎生产质量，为激光清洗在铝合金轮胎模具清洗的实际应用提供了参考。
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