上篇——轮胎模具的激光清洗应用

在轮胎的生产中, 模具是必不可少的器具。模具的好坏直接影响轮胎的质量。轮胎或制品的模具中都有花纹和标志图案, 这些均为雕刻工艺, 比较细腻, 在使用过程中容易被橡胶覆盖。模具的使用都是在一定的压力和高频率的条件下进行的, 这就必然会积存大量的橡胶材料, 当材料积累到一定程度, 就会影响轮胎或制品的表面形状, 导致产品成为次品或废品, 所以模具表面必须经常清洗。

模具的应用, 促进了工业化生产, 而模具的清洗则成为人们一直关心的问题。经过长期的探索与实践, 人们积累了很多清洗模具的方法。最初是使用高温盐水浸泡的方法进行模具清洗, 但这种方法效率低, 主要用于清洗小型模具, 而对大型模具则费时费力。随着时代的发展, 产生了喷砂法清洗, 这也是现代人们最常用的方法, 在具体应用中常用的有砂子、玻璃球或塑料珠等。然而，这种清洗方法会损伤模具表面, 影响产品的质量, 缩短模具的使用寿命, 从而增加生产成本。近几年, 在清洗模具方法中, 常用的还有: 化学清洗法、干冰法、高压水清洗法及超声波清洗法, 但这些清洗方法在规模及清洗效率等方面还存在着一定的局限性, 并且这些方法都存在一定的污染, 因此不能完全满足环保需求。根据社会的需求, 目前轮胎和橡胶制品行业亟需一种高效、成本低、对环境无污染的清洗技术。因此激光清洗便逐渐在轮胎模具行业中得到广泛应用。

◆◆◆传统清洗方法和激光清洗方法在轮胎模具清洗中的优劣性对比

1.激光清洗与传统清洗对比（噪音、粉尘、安全）

结论：激光清洗更为环保，安全。

2.清洁效率对比

结论：激光清洗速度更快，清洗效果佳，对模具无任何损伤。

3. 激光清洗带来的增产和利润对比

结论：激光清洗和其它方式对比，清洗所花的成本最少，利润率高。

◆◆◆激光清洗轮胎模具损伤阈值研究

激光清洗可以看作是合适的单脉冲能量的激光束按照一定的规律叠加。但脉冲能量的选择一定要在清洗阈值和损伤阈值之间。叠加：Dx=v/f=速度/频率 ；Dy由移动速度决定（如图1）。（不同材料的最佳清洗参数需要依据材料特性按照这种方法进行实验确定）

图1

在同样的试验装置条件下进行激光模具表面胶层清洗，保证三组轮胎模具清洗一致，实验表明，当激光能量密度小于2.5J/cm²时，在此范围内无论怎么提高能量密度，激光照射在模具胶层上均无变化，如图2所示；而只有当激光能量密度大于2.5J/cm²时，激光清洗才有效果，继续加大能量密度，当激光能量密度提高到7.7J/cm²时，模具表面部分区域有轻微的变色痕迹，表面再度发生了氧化，如图3所示; 而只有在2.5-7.7J/cm²之间的能量密度下表面胶层能彻底清除干净也不会发生氧化。可见，激光清洗存在一定的激光能量密度，即存在清洗阈值和损伤阈值，当激光能量密度大于清洗阈值时，激光清洗才有效果，而当激光能量密度大于损伤阈值时，清洗效果虽然存在，但模具表面也已氧化，只有当激光能量密度趋于清洗阈值和损伤阈值之间，提高激光能量密度才能提高清洗效果。(图4）

图2.能量密度＜2.5 J/cm²

图3.能量密度＞7.7J/cm²

图4. 2.5J/cm²＜能量密度＜7.7J/cm²

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下篇——激光清洗在高铁行业的应用研究

◆◆◆激光清洗在高铁机车维护运营中的应用

轨道交通设备主要是做地铁设备保养和维修工作，而需要清洗的工件为长期在地铁上的轮对轴，在清洗轮对轴的过程中要保证不产生氧化条纹的前提下将轮对轴清洗干净，然后进行探伤处理。虽然目前国内外对激光清洗的工艺研究比较多，但是针对轨道交通轮对轴维修方面的研究仍相对较少，特别是如何结合轮对轴脱漆的要求，为了保证清洗效率要求，提出了激光清洗技术，通过机器人集成不同激光器组合，合理确定激光器各工艺的参数，保证脱漆的效率与表面质量。

试验设备主要采用RFL-P500 200微米芯径的纳秒光纤激光器，配以FANUC机器人以及定制的激光清洗扫描系统，针对旋转夹具中的轮对集成一套系统。其中激光器单脉冲能量25mJ下采用螺旋方式清洗，重复频率为20kHz。

采用现有清洗系统，螺旋偏移的方式进行清洗，清洗的方法为一个往复程序，清洗后表面涂层清洗干净，显露金属色，且表面没有氧化色，也没有激光痕迹，效果得到客户满意，后续会提高专用清洗激光器的单脉冲能量，更有效发挥500W高功率脉冲的优势。

◆◆◆激光清洗在机车轻量化车身制造中的应用

铝合金作为一种轻质金属，因其较高比强度、耐腐蚀、易加工、力学性能优良等特点，广泛地应用于车体、机身等焊接构件。但铝合金在空气中易氧化并吸收水分，在焊接前若未彻底清除氧化层将会影响焊接质量，如产生合金元素损失，热裂纹等缺陷，不利于工业生产质量的提高，给汽车等带来安全隐患。

对于铝合金焊接过程中出现的气孔问题，一般的处理方法如机械清洗和化学清洗，已不能满足汽车工业等领域高质量焊接的需求，机械清洗方式效率低下，氧化膜清除不彻底；化学清洗对环境污染较为严重，对大尺寸的部件无法清洗。近几十年，发展起来的高效、无损、绿色环保的激光清洗技术可以解决这一难题。

首先对铝合金表面氧化层清洗效果做测试，如下图

清洗前显微镜图

清洗前表面

清洗前截面

清洗后显微镜图

清洗后表面

清洗后截面

实验所选的铝合金为5系铝合金，材料表面本身就有一层致密的氧化膜，从而起到保护铝合金基体的作用，激光清洗后铝合金试板银白色金属光泽变浅。

未清洗6061铝合金试样→→ 焊接试样1 →→ 金相分析1

清洗后6061铝合金试样→→ 焊接试样2 →→ 金相分析2

◆◆◆测试铝合金焊缝的力学性能，进行拉力测试

采用100W 的激光器，600mm/min的清洗速度可有效地清除铝合金试板表面氧化层等污染物。通过扫描电子显微镜分析，从截面图上看激光清洗后氧化层确实减少甚至完全被清除，说明激光清洗对氧化层的清除效果显著。对激光清洗后的试板进行激光焊接，通过表征激光清洗前后焊缝表面的形貌发现，激光清洗后原有焊缝表面的夹杂气孔等缺陷显著减少，焊缝表面呈现银白色金属光泽，根据截面焊缝检测结果可知，激光清洗后的焊缝无气孔，而清洗前很明显发现有三处小气孔。

随着激光清洗专用光纤激光器和清洗设备的研发生产技术不断提升，同时激光清洗应用工艺的日益进步，使激光清洗正逐渐被模具制造、汽车高铁制造与维护、航空海运等领域广泛应用。也因其效率高、绿色环保、经济效益好等优势，使越来越多的企业开始关注激光清洗，并不断研发与之相关的新应用新设备，令激光清洗行业爆发出蓬勃的发展力。