脈沖YAG激光清洗輪胎模具的實驗研究

張自豪，余曉暢，王 英，陳培鋒*

(1.華中科技大學 光學與電子信息學院，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驗研究

張自豪1,2，余曉暢1,2，王 英1，陳培鋒1*

(1.華中科技大學 光學與電子信息學院，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250W的脈沖式YAG激光清洗設備開展了輪胎模具激光清洗實驗研究。取得了不同激光參量對輪胎模具清洗效果的實驗數據，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、清洗效果的關系。結果表明，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。此結果為激光清洗設備的研究提供了參考。

激光技術；激光清洗；輪胎模具；YAG激光

引 言

常見的工業清洗方式有化學清洗和機械清洗等方式，都不可避免地會出現環境污染，或者會對需要清洗的零件造成損傷。隨著現代社會環保要求日趨嚴格、加工精度越來越高，工業清洗領域亟需一種環保清潔、精密的新型清洗方式。激光清洗具有無研磨、非接觸、適用于各種材質的物體等清洗特點，被認為是最可靠、最有效的解決辦法。

作為一種新型清洗方式，激光清洗已被證實應用于諸多領域[1]，例如激光清洗細微顆粒[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]。國內外開展了眾多關于激光脫漆的研究[5-12]。激光清洗無接觸的特點保證了激光清洗對精密部件或物品精細部位清洗的安全性，可以維持其精度，特別適合文物和藝術品的清洗[13-16]。除此以外，激光清洗技術在城市涂鴉清除等日常使用中也逐漸得到認可[17]。

模具清洗是輪胎制造業不可避免的一道工序，直接影響到輪胎成型后的質量等級[18]。目前我國輪胎制造企業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(米其林、馬牌輪胎、優科豪馬、韓泰等)采用激光清洗。

目前大多數廠家都沒有激光清洗設備，主要原因是能夠用于輪胎行業的大功率激光清洗機目前只有德國CleanLaser一家供貨商，壟斷優勢導致200W的激光清洗設備高達200萬元/臺。國內開發的激光清洗機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合。

本文中開發了一臺半導體抽運固體激光器(diode pumped solid-state lasers，DPSSL)，采用柔性能量光纖傳輸激光能量，設計了一款實用的便攜式清洗掃描頭。研制的激光清洗機最高平均功率達到250W，性能指標已經與德國類似設備相當。使用該清洗機開展了輪胎模具清洗試驗，該清洗機亦可用于激光除銹等領域。

1 清洗光源的選擇實驗研究

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CO2激光和YAG激光的吸收率，結果表明，橡膠對YAG脈沖激光的吸收率明顯高于CO2激光，對比見圖1。鑒于輪胎模具表面需要清洗的物質為長期硫化形成的“橡膠垢”，且大功率的CO2激光難以采用柔性光纖進行傳輸，對于實際操作造成不便，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驗與結果分析

通過橡膠吸收效果對比，得出脈沖YAG激光適用于輪胎模具的激光清洗。鑒于此，作者開發了一臺全固態脈沖YAG激光清洗機，基于該清洗機開展了輪胎模具激光清洗實驗。

2.1 實驗方案

工業環境中對設備的穩定性要求十分嚴格，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，掃描結構應該盡可能輕巧。將激光器及其附屬水冷、電控裝置置于穩定平臺，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直透鏡、掃描電機與振鏡、聚焦場鏡。相比于將整個激光器置于手持部分的方案，在實際操作時更加靈活便利，設備穩定性更好。

整體方案示意圖如圖2所示。實驗中采用全固態半導體抽運調Q激光器、全反鏡M1和輸出鏡M2構成激光諧振腔，腔內有半導體抽運模塊和調Q器件，產生的YAG脈沖激光通過耦合透鏡將激光能量耦合進入能量光纖中，激光通過光纖的傳輸，出纖后進行準直、掃描、聚焦，作用于待清洗物體表面。

實驗在山東省某輪胎制造工廠進行，實驗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

實驗中為了探索不同激光參量對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輪胎模具進行清洗。圖3為激光清洗設備整機。平均功率150W～250W，脈沖重復頻率5kHz～15kHz，聚焦場鏡有f=63mm，f=100mm兩種規格，掃描頻率20Hz～100Hz。圖4為激光清洗設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輪胎模具開展了一系列清洗實驗。實驗表明,當平均功率達到200W、脈沖頻率10kHz、使用f=63mm的聚焦場鏡時，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

通過測量，YAG激光脈沖寬度為200ns，可計算出單脈沖能量為20mJ，峰值功率為100kW。所使用的能量光纖芯徑D1=400μm，數值孔徑為0.2，準直后光斑直徑d=15mm，可以計算出聚焦光斑直徑D2=0.34mm(實際光斑直徑約0.4mm)，f=63mm場鏡對應的掃描寬度為50mm，可以算出掃描速率為2000mm/s，能量密度為250mJ/mm2。

2.3 激光能量密度的對清洗效果影響分析

實驗結果表明，當加快掃描速率、降低平均功率或者換用f=100mm的場鏡，導致激光清洗的能量密度明顯低于250mJ/mm2時，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場鏡時的清洗效果，可見明顯的污物殘留。當增加激光的平均功率時，清洗速度明顯變快。通過計算德國CleanLaser 150W清洗設備的激光參量，可知其工作時的功率密度為270mJ/mm2。由此可見，輪胎模具清洗效果與激光能量密度有關，高于250mJ/mm2時，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 激光峰值功率對清洗效果影響分析

實驗表明，當保持激光功率仍為200W，增加激光脈沖重復頻率時，激光脈沖的峰值功率會降低，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分別為重復頻率為12kHz,8kHz時的清洗效果圖。由此可見，峰值功率太低時無法將模具清洗干凈，而且還發現，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 光束質量的影響

在研制這臺激光清洗機的過程中發現，激光的光束質量太差會限制光纖芯徑，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鏡，導致清洗模具時操作不便。但是提高光束質量與提高平均功率是一對矛盾體，如何在兩者之間達到平衡，以達到更好的清洗效果是需要繼續努力的方向。

3 結 論

介紹了自主研制的激光清洗機，采用DPSSL調Q脈沖激光器，能量光纖連接激光器和輕便靈巧的掃描頭，平均功率達到250W。通過實驗，本激光清洗機通過合理調整參量后對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。對比CleanLaser激光清洗機，該機在能量密度、脈沖頻率、單脈沖能量等主要性能指標上已經達到國外激光清洗設備的水平；但峰值功率還有一定的差距，光束質量也還有改善的空間。

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

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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，現主要從事大功率脈沖激光器、工業激光應用等方面的研究。

*通訊聯系人。E-mail：pfchen@hust.edu.cn

2017-03-08；

2017-04-14

TN249

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.025