Page 106 - 《橡塑技术与装备》2022年3期

橡塑技术与装备 CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT

功率手持清洗机。中、小功率激光光源的激光聚焦后， 料针对某一波长激光的吸收系数。
焦斑能量分布不均匀，中心位置能量密度最高，朝着 据文献 [2] 可知轮胎模具常用材料的光学特性参
焦斑边缘方向，能量密度逐渐降低。用这种光源进行 数：
清洗，极易损伤模具。同时，手持清洗机手持操作存 表 1 各材料 1 064 nm 激光的光学特性
在激光辐射安全隐患，影响使用操作人员的职业健康。 材料 折射系数 /k 吸收系数 /n
Al 8.5 1.75
在全自动激光清洗系统产品方面，国内只有极少数企 Fe 4.44 3.81
业做了长时间的开发工作。其中南京集萃激光公司开
将表 1 的参数带入（1）式中可得到 AL 的 1 064
发的全自动轮胎模具激光清洗系统目前已成功应用于
nm 吸收率为 ： 8.8%，Fe 的 1 064 nm 吸收率为 ：
国内多家轮胎企业。其产品采用全密封防护结构，激
35.6%。
光清洗作业时无激光辐射危害风险，安全可靠。南京
轮胎模具通常用模具钢或铝合金制成。由于铝的
集萃激光公司的全自动激光清洗系统与德国同类激光
激光吸收率远低于铁，可知铝的激光损伤阈值远高于
清洗设备相比，有如下不同 ：
模具钢，本文只研究模具钢表面氧化变色所需的能量
（1）光源免维护。 [3]
密度和脉宽。模具钢的熔点在 1 495 ℃左右。据文献
（2）光路无需调整。
可知，基材表面热作用深度与激光脉宽有关 ：
（3）采用方形光斑，效率更高。
D= 4αt （2）
（4）运动部件采用稳定可靠的机器人。
其中 α 为热扩散率，t 为脉冲宽度，当激光脉冲
（5）工艺库参数录入简单易学，看图测量几个参
宽度为 40 ns 时，激光脉冲能量作用于基材深度为 1.5
数即可。
um. 当 激光 脉 冲宽 度 为 60 ns 时， 作用 深 度为 1.76
（6）操作简单易学，培训 1 h 即可单独操作。
um，100 ns 时作用深度为 2.3 um。激光焦斑是 2×2
（7）采用模具分体式清洗，清洗更为灵活。
mm 的一个方形光斑，这样可以通过 M=ρV 计算出
（8）模具花纹块可采用多角度清洗，且角度可调。 -5
受单脉冲激光束作用的物质质量分别为 4.51×10 g、
本文所有数据均通过南京集萃激光公司的全自动
5.53×10 -5 g、7.14×10 -5 g。根据文献 [4] 可知纳秒级激
轮胎模具激光清洗系统实际使用过程得出。该系统采
光脉冲轰击物件后表面的瞬时温升 ：
用了 IPG 公司功率 500 W 的纳秒脉冲激光器，激光束
ΔT=Q/(CM) （3）
经过光学系统聚焦后焦斑为 2 mm 边长的方形平顶光，
其中 Q 为吸收能量，单位为 J； C 为基材的比热容，
高速振镜扫描的清洗带宽为 50 mm。激光束与模具表
单位为 J/(g·℃ )； M 为物质质量，单位为 g。根据上
面法线夹角最大为 45° 时，可保证打在模具表面上的
式可计算出在不同能量脉宽的激光脉冲下基材温升数
激光扫描线条均在激光束焦深范围之内，从而最大限
据。
度地保证清洗质量的一致性。
表 2 不同脉冲时模具钢的温升
脉宽
-2
2 轮胎模具的激光损伤阈值 温升 40 60 100 能量密度 /(j . cm )
脉冲能量 /mj
激光清洗系统实际应用中是否会损伤模具，在激
100 1 791 1 462 1 132 2.5
光平均功率确定的条件下需要从两个方面综合考虑 ： 80 1 433 1 170 906 2
60 1 074 877 680 1.5
（1）单脉冲激光束的能量密度（j/cm²）。
40 717 585 453 1
（2）激光束的脉冲宽度。
按上表计算数据结合 45 号钢的熔点，可知单脉
（3）假设激光垂直入射于洁净的模具表面，观察
冲能量在 100 mj 时，脉宽在 40 ns 和 60 ns 时，模具
模具表面发生氧化变色（开始产生损伤现象）的情况，
基材会损伤，脉冲能量在 80 mj 时，脉宽在 40 ns 时
通过测量、计算开始发生氧化变色时的能量密度及脉
模具基材会被损伤。按上表所示数据在一块洁净的 45
宽，确定激光对于模具的损伤阈值。据文献 [1] 可知金
号钢工件上进行了测试，基本符合，激光单脉冲 40
属材料的吸收率 :
2
2
A=4 n /[(n+1) +k ] （1） 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
n 为材料针对某一波长的激光的折射系数，k 是材
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