張自豪，余曉暢，王 英，陳培鋒*

(1.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074；2.武漢市杰都易光電科技有限公司，武漢 430014)

脈沖YAG激光清洗輪胎模具的實(shí)驗(yàn)研究

張自豪1,2，余曉暢1,2，王 英1，陳培鋒1*

(1.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074；2.武漢市杰都易光電科技有限公司，武漢 430014)

為了獲得激光清洗輪胎模具的工藝參量，采用自主研制的平均功率達(dá)250W的脈沖式Y(jié)AG激光清洗設(shè)備開展了輪胎模具激光清洗實(shí)驗(yàn)研究。取得了不同激光參量對(duì)輪胎模具清洗效果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并研究了激光峰值功率、能量密度等參量與輪胎模具清洗速度、清洗效果的關(guān)系。結(jié)果表明，清洗輪胎模具脈沖YAG激光比CO2激光更高效；輪胎模具清洗的激光能量密度閾值約為250mJ/mm2，提高激光峰值功率和平均功率能提高清洗速度和清潔效果。此結(jié)果為激光清洗設(shè)備的研究提供了參考。

激光技術(shù)；激光清洗；輪胎模具；YAG激光

引 言

常見的工業(yè)清洗方式有化學(xué)清洗和機(jī)械清洗等方式，都不可避免地會(huì)出現(xiàn)環(huán)境污染，或者會(huì)對(duì)需要清洗的零件造成損傷。隨著現(xiàn)代社會(huì)環(huán)保要求日趨嚴(yán)格、加工精度越來越高，工業(yè)清洗領(lǐng)域亟需一種環(huán)保清潔、精密的新型清洗方式。激光清洗具有無研磨、非接觸、適用于各種材質(zhì)的物體等清洗特點(diǎn)，被認(rèn)為是最可靠、最有效的解決辦法。

作為一種新型清洗方式，激光清洗已被證實(shí)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域[1]，例如激光清洗細(xì)微顆粒[2-3]、清洗K9玻璃表面的SiO2顆粒[4]、清除微電子元件上的微小顆粒[5]。國內(nèi)外開展了眾多關(guān)于激光脫漆的研究[5-12]。激光清洗無接觸的特點(diǎn)保證了激光清洗對(duì)精密部件或物品精細(xì)部位清洗的安全性，可以維持其精度，特別適合文物和藝術(shù)品的清洗[13-16]。除此以外，激光清洗技術(shù)在城市涂鴉清除等日常使用中也逐漸得到認(rèn)可[17]。

模具清洗是輪胎制造業(yè)不可避免的一道工序，直接影響到輪胎成型后的質(zhì)量等級(jí)[18]。目前我國輪胎制造企業(yè)采用的模具清洗方式主要有噴砂清洗、干冰清洗，只有少部分外資企業(yè)(米其林、馬牌輪胎、優(yōu)科豪馬、韓泰等)采用激光清洗。

目前大多數(shù)廠家都沒有激光清洗設(shè)備，主要原因是能夠用于輪胎行業(yè)的大功率激光清洗機(jī)目前只有德國CleanLaser一家供貨商，壟斷優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致200W的激光清洗設(shè)備高達(dá)200萬元/臺(tái)。國內(nèi)開發(fā)的激光清洗機(jī)大都基于小功率的光纖激光器，功率往往只有50W～100W，難以滿足輪胎模具清洗的場(chǎng)合。

本文中開發(fā)了一臺(tái)半導(dǎo)體抽運(yùn)固體激光器(diode pumped solid-state lasers，DPSSL)，采用柔性能量光纖傳輸激光能量，設(shè)計(jì)了一款實(shí)用的便攜式清洗掃描頭。研制的激光清洗機(jī)最高平均功率達(dá)到250W，性能指標(biāo)已經(jīng)與德國類似設(shè)備相當(dāng)。使用該清洗機(jī)開展了輪胎模具清洗試驗(yàn)，該清洗機(jī)亦可用于激光除銹等領(lǐng)域。

1 清洗光源的選擇實(shí)驗(yàn)研究

為了探究哪種激光光源能更有效地清洗輪胎模具，作者采用功率相近的兩種激光作用于鋼板表面的橡膠，比較了橡膠對(duì)CO2激光和YAG激光的吸收率，結(jié)果表明，橡膠對(duì)YAG脈沖激光的吸收率明顯高于CO2激光，對(duì)比見圖1。鑒于輪胎模具表面需要清洗的物質(zhì)為長期硫化形成的“橡膠垢”，且大功率的CO2激光難以采用柔性光纖進(jìn)行傳輸，對(duì)于實(shí)際操作造成不便，故光源采用脈沖YAG激光器較好。

2 脈沖YAG激光清洗輪胎模具實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

通過橡膠吸收效果對(duì)比，得出脈沖YAG激光適用于輪胎模具的激光清洗。鑒于此，作者開發(fā)了一臺(tái)全固態(tài)脈沖YAG激光清洗機(jī)，基于該清洗機(jī)開展了輪胎模具激光清洗實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

工業(yè)環(huán)境中對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性要求十分嚴(yán)格，輪胎模具屬于異形工件，為了方便清洗，掃描頭需要靈活移動(dòng)，掃描結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡可能輕巧。將激光器及其附屬水冷、電控裝置置于穩(wěn)定平臺(tái)，采用柔性能量光纖連接激光器與掃描頭，這樣手持掃描頭部分只需要準(zhǔn)直透鏡、掃描電機(jī)與振鏡、聚焦場(chǎng)鏡。相比于將整個(gè)激光器置于手持部分的方案，在實(shí)際操作時(shí)更加靈活便利，設(shè)備穩(wěn)定性更好。

整體方案示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中采用全固態(tài)半導(dǎo)體抽運(yùn)調(diào)Q激光器、全反鏡M1和輸出鏡M2構(gòu)成激光諧振腔，腔內(nèi)有半導(dǎo)體抽運(yùn)模塊和調(diào)Q器件，產(chǎn)生的YAG脈沖激光通過耦合透鏡將激光能量耦合進(jìn)入能量光纖中，激光通過光纖的傳輸，出纖后進(jìn)行準(zhǔn)直、掃描、聚焦，作用于待清洗物體表面。

實(shí)驗(yàn)在山東省某輪胎制造工廠進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)用輪胎模具為工廠模具車間需要清洗的模具，模具材料為鋁。

Fig.2 Schematic diagram of the proposed system

實(shí)驗(yàn)中為了探索不同激光參量對(duì)輪胎模具清洗效果的影響，盡可能多地采用不同參量的激光對(duì)輪胎模具進(jìn)行清洗。圖3為激光清洗設(shè)備整機(jī)。平均功率150W～250W，脈沖重復(fù)頻率5kHz～15kHz，聚焦場(chǎng)鏡有f=63mm，f=100mm兩種規(guī)格，掃描頻率20Hz～100Hz。圖4為激光清洗設(shè)備手持掃描頭裝置圖。

Fig.3 Overall drawing of laser cleaning equipment

Fig.4 Hand-held laser scanner of laser cleaning equipment

2.2 輪胎模具清洗效果分析

采用各種不同的激光參量對(duì)輪胎模具開展了一系列清洗實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)平均功率達(dá)到200W、脈沖頻率10kHz、使用f=63mm的聚焦場(chǎng)鏡時(shí)，可以有效開展模具表面的橡膠污垢清洗，得到較好的清洗效果。圖5為清洗效果。

Fig.5 Comparison of the tire mold before and after cleaning

通過測(cè)量，YAG激光脈沖寬度為200ns，可計(jì)算出單脈沖能量為20mJ，峰值功率為100kW。所使用的能量光纖芯徑D1=400μm，數(shù)值孔徑為0.2，準(zhǔn)直后光斑直徑d=15mm，可以計(jì)算出聚焦光斑直徑D2=0.34mm(實(shí)際光斑直徑約0.4mm)，f=63mm場(chǎng)鏡對(duì)應(yīng)的掃描寬度為50mm，可以算出掃描速率為2000mm/s，能量密度為250mJ/mm2。

2.3 激光能量密度的對(duì)清洗效果影響分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)加快掃描速率、降低平均功率或者換用f=100mm的場(chǎng)鏡，導(dǎo)致激光清洗的能量密度明顯低于250mJ/mm2時(shí)，清洗效果明顯變差，模具表面的污物難以清除干凈。圖6、圖7和圖8分別為加快掃描頻率、降低平均功率、換用f=100mm場(chǎng)鏡時(shí)的清洗效果，可見明顯的污物殘留。當(dāng)增加激光的平均功率時(shí)，清洗速度明顯變快。通過計(jì)算德國CleanLaser 150W清洗設(shè)備的激光參量，可知其工作時(shí)的功率密度為270mJ/mm2。由此可見，輪胎模具清洗效果與激光能量密度有關(guān)，高于250mJ/mm2時(shí)，才能將模具清洗干凈。

Fig.6 Cleaning effect with sweep frequency of 50Hz

Fig.7 Cleaning effect with laser power of 150W

Fig.8 Cleaning effect with f of 100mm for the field lens

2.4 激光峰值功率對(duì)清洗效果影響分析

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)保持激光功率仍為200W，增加激光脈沖重復(fù)頻率時(shí)，激光脈沖的峰值功率會(huì)降低，清洗效果變差，速度變慢；反之清洗效果變好，清洗速度更快。圖9、圖10分別為重復(fù)頻率為12kHz,8kHz時(shí)的清洗效果圖。由此可見，峰值功率太低時(shí)無法將模具清洗干凈，而且還發(fā)現(xiàn)，峰值功率越高，清洗速度越快。

Fig.9 Cleaning effect with repetition frequency of 12kHz

Fig.10 Cleaning effect with repetition frequency of 8kHz

2.5 光束質(zhì)量的影響

在研制這臺(tái)激光清洗機(jī)的過程中發(fā)現(xiàn)，激光的光束質(zhì)量太差會(huì)限制光纖芯徑，從而限制激光出纖之后的聚焦效果，或者為了保證聚焦效果而采用短焦的場(chǎng)鏡，導(dǎo)致清洗模具時(shí)操作不便。但是提高光束質(zhì)量與提高平均功率是一對(duì)矛盾體，如何在兩者之間達(dá)到平衡，以達(dá)到更好的清洗效果是需要繼續(xù)努力的方向。

3 結(jié) 論

介紹了自主研制的激光清洗機(jī)，采用DPSSL調(diào)Q脈沖激光器，能量光纖連接激光器和輕便靈巧的掃描頭，平均功率達(dá)到250W。通過實(shí)驗(yàn)，本激光清洗機(jī)通過合理調(diào)整參量后對(duì)輪胎模具清洗能夠取得很好的效果。輪胎模具清洗的激光能量密度閾值約為250mJ/mm2，提高激光峰值功率和平均功率能提高清洗速度和清潔效果。對(duì)比CleanLaser激光清洗機(jī)，該機(jī)在能量密度、脈沖頻率、單脈沖能量等主要性能指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到國外激光清洗設(shè)備的水平；但峰值功率還有一定的差距，光束質(zhì)量也還有改善的空間。

作為激光清洗機(jī)在輪胎模具清洗領(lǐng)域的一次探索，可以為該領(lǐng)域激光清洗設(shè)備的研究提供參考。

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ExperimentalstudyaboutcleaningoftiremoldswithpulseYAGlaser

ZHANGZihao1,2,YUXiaochang1,2,WANGYing1,CHENPeifeng1

(1.School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2.Wuhan Jieduyi Photoelectric Technology Co.Ltd., Wuhan 430014, China)

In order to obtain technological parameters for cleaning tire molds with laser, a self-developed pulse YAG laser with the average power of 250W was used to carry out experiment of tire mold cleaning. The experimental data of the relationship between different laser parameters and the cleaning effect of the tire mold was obtained. The relationships between the parameters such as laser peak power, energy density and cleaning speed, cleaning effect of the tire mold were studied. The results show that for cleaning tire molds, pulse YAG laser is more efficient than CO2laser. Laser energy density threshold for cleaning tire molds is about 250mJ/mm2. The increase of laser peak power and average power can improve cleaning speeds and cleaning effect. The research provides the reference for research of laser cleaning equipment in this field.

laser technique; laser cleaning; tire mold; YAG laser

1001-3806(2018)01-0127-04

張自豪(1992-)，男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事大功率脈沖激光器、工業(yè)激光應(yīng)用等方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：pfchen@hust.edu.cn

2017-03-08；

2017-04-14

TN249

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.025