激光清洗7075鋁合金輪胎模具表面質(zhì)量?jī)?yōu)化分析

王 濤,張譯之,苗潤(rùn)芃

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300132)

1 引 言

汽車輪胎模具作為汽車輪胎生產(chǎn)過(guò)程中的重要工具,決定了輪胎的外形和壽命。由于工況惡劣,常處在高溫下工作的模具極易發(fā)生氧化反應(yīng),且會(huì)被輪胎硫化過(guò)程中析出的二氧化硫腐蝕,因此生成的化合物會(huì)在花紋痕跡處存在清理死區(qū)[1],清洗模具上的污漬顯得尤為重要。7075鋁合金耐腐蝕性能強(qiáng),加工性能好,作為制造輪胎模具的材料。其化學(xué)性質(zhì)活潑,正常暴露在空氣中會(huì)形成約4 nm厚的氧化膜。目前,多數(shù)企業(yè)清洗輪胎模具時(shí)常采用機(jī)械清洗、化學(xué)清洗、噴砂清洗等方法[2]。機(jī)械清洗過(guò)程中使用砂布和鋼絲等會(huì)損傷輪胎模具的表面；化學(xué)清洗中化學(xué)試劑對(duì)工人健康造成危害,同時(shí)也污染環(huán)境；噴砂工藝使清洗過(guò)程繁瑣,工作效率低,成本較高[3]。激光清洗技術(shù)是近些年發(fā)展迅速、應(yīng)用越來(lái)越廣泛的一項(xiàng)技術(shù),相比于傳統(tǒng)的清洗方法,它具有清潔、高效、無(wú)損傷、可遠(yuǎn)距離操作等明顯的優(yōu)點(diǎn),因此作為一種新式的綠色清潔方法活躍在大眾的視野中[4]。

當(dāng)前已有較多學(xué)者對(duì)激光清洗技術(shù)進(jìn)行研究,董俊等[5]采用激光技術(shù)對(duì)飛機(jī)蒙皮鋁板進(jìn)行脫漆,并且與用溶劑脫漆后的蒙皮鋁板進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)激光脫漆后的鋁板表面陽(yáng)極化層完好,電導(dǎo)率值沒(méi)有變化,材料的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等變化不明顯,與溶劑脫漆后的試驗(yàn)效果相似。陳昊楠[6]通過(guò)曲線線性擬合研究激光功率和工件運(yùn)行速度對(duì)激光清洗亞克力板表層鐵銹的清洗結(jié)果,得知功率越大,工件運(yùn)行速度越小,清洗效果越佳。王利華等[7]用激光清除鈦合金表面氧化皮,并且通過(guò)掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡等研究了清洗后基體表面性能和化學(xué)元素組成的變化。林敏等[8]通過(guò)對(duì)樣品表面粗糙度測(cè)量、SEM分析和金相分析,得出激光可以有效除去EA4T車軸鋼表面油漆層,且對(duì)基材無(wú)損傷。元泉等[9]通過(guò)研究激光的單脈沖能量、離焦量等參數(shù),發(fā)現(xiàn)激光能量過(guò)高不僅能清除鋁合金的漆層和氧化層,也對(duì)鋁合金造成損傷,焦點(diǎn)附近的激光可以較好的去除鋁合金表面的漆層和氧化層。目前,對(duì)于通過(guò)改變激光參量清洗鋁合金汽車輪胎模具表層污漬的研究尚未完備,觀察不同參數(shù)下的激光器對(duì)合金模具的清洗效果還需要進(jìn)一步研究。

綜上,本文選用汽車輪胎模具常用的7075鋁合金作為實(shí)驗(yàn)樣品,樣品表面已被處理。通過(guò)改變激光能量密度和掃描速度,使用脈沖光纖激光器對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品表面進(jìn)行清洗,分析清洗前后表面微觀形貌及元素組成變化,并研究能量密度及掃描速度對(duì)清洗鋁合金表面污染物的作用機(jī)理及影響規(guī)律,為輪胎模具清洗技術(shù)的應(yīng)用提供重要的理論技術(shù)參考。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取實(shí)驗(yàn)樣品為5 mm×5 mm×5 mm的7075鋁合金板材,表面已被氧化處理,且被二氧化硫氣體腐蝕。表1所示是該鋁合金組成成分。及時(shí)對(duì)鋁合金輪胎模具表面清理有助于提高輪胎的質(zhì)量和性能。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 7075 aluminium alloy

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)可發(fā)出中心波長(zhǎng)為1064 nm的脈沖光纖激光設(shè)備進(jìn)行清洗工作,且需使用(24±1) V DC直流電進(jìn)行連續(xù)供電。此激光器能夠輸出的最大功率為30 W,功率調(diào)節(jié)范圍為1 %～100 %,脈沖寬度在100～130 ns,激光重復(fù)頻率調(diào)節(jié)范圍在20～80 kHz,輸出光斑直徑為50 μm,通過(guò)風(fēng)冷的方式進(jìn)行冷卻。圖1為脈沖光纖激光清洗設(shè)備,清洗結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖1 脈沖光纖激光設(shè)備Fig.1 Pulsed fiber laser equipment

圖2 激光清洗結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structure principle of laser cleaning

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)時(shí),將鋁合金板材放于激光焦平面上,在X、Y軸振鏡的運(yùn)動(dòng)下,光束輻照在板材上進(jìn)行清洗工作。影響清洗效果的因素有很多,如激光功率、掃描速度、掃描次數(shù)、離焦率等[10],試驗(yàn)選取對(duì)清洗效果影響較大的激光能量密度和掃描速度作為研究對(duì)象。

此實(shí)驗(yàn)為單因素實(shí)驗(yàn),通過(guò)改變參數(shù)能量密度和掃描速度,探究在不同參數(shù)下激光清洗的效果。在每次清洗后,通過(guò)掃描電鏡SEM進(jìn)行清洗后的表面形貌觀察,用SHR112便攜式粗糙度儀測(cè)量清洗后試樣表面粗糙度,對(duì)每個(gè)試樣分別測(cè)量三次取平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。

在實(shí)驗(yàn)最后,采用所得的最優(yōu)工藝參數(shù)對(duì)鋁合金板材再次清洗,通過(guò)掃描電鏡SEM和EDS能譜分析觀察激光清洗后的樣品表面形貌和元素含量,并與清洗前表面形貌及元素含量進(jìn)行對(duì)比分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同激光能量密度下的試樣表面粗糙度

首先選取激光能量密度作為單因素變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分析實(shí)驗(yàn)后的表面粗糙度變化情況。激光能量密度是指,在相同的脈沖寬度下,單個(gè)激光輻照靶材的能量密度,即激光作用到靶向目標(biāo)單位面積上的能量[11]。

已知能量密度可通過(guò)下式計(jì)算:

(1)

其中,E為單脈沖能量(J)；S為光斑面積(cm2)；P為激光平均功率(W)；f為重復(fù)頻率(kHz)；D為光斑直徑(cm)。

由公式(1)可知,當(dāng)光斑直徑一定時(shí),脈沖頻率與激光功率共同決定著能量密度的大小,進(jìn)而影響激光清洗效果。而當(dāng)激光能量密度一定時(shí),鋁合金表面單位面積內(nèi)所受激光能量大小由掃描速度所決定。

實(shí)驗(yàn)確定激光器的輸出光斑直徑為50 μm,掃描速度為240 cm/s,其他參量保持不變。選擇激光重復(fù)頻率為20 kHz、50 kHz、80 kHz,激光功率為10 W、15 W、25 W、30 W,獲得不同能量密度值進(jìn)行清洗試驗(yàn),并用粗糙度測(cè)試儀測(cè)量幾組實(shí)驗(yàn)的粗糙度。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 能量密度實(shí)驗(yàn)參量表Tab.2 Energy density table

激光清洗結(jié)果如圖3所示,可以看出在不同激光能量密度下試樣的表面粗糙度變化情況。由圖3可知,在激光能量密度為25.5 J/cm2的情況下,表面粗糙度最小,為3.42 μm。此時(shí)對(duì)應(yīng)的激光輸出功率為25 W,激光重復(fù)頻率為50 kHz,作為接下來(lái)實(shí)驗(yàn)的參考。

圖3 不同能量密度下的表面粗糙度Fig.3 Surface roughness at different energy densities

由圖3可知,表面粗糙度隨著能量密度的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì),這是因?yàn)榍逑催^(guò)程中能量密度存在清洗閾值和損傷閾值。當(dāng)污物開(kāi)始與鋁合金表面分離并有脫落趨勢(shì)時(shí)對(duì)應(yīng)的能量密度為清洗閾值。而當(dāng)鋁合金表面發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷時(shí)的能量密度為損傷閾值。如果能量密度超過(guò)損傷閾值,基底材料將被破壞,所以應(yīng)保證基底材料不被損傷的前提下進(jìn)行有效的清潔,實(shí)驗(yàn)時(shí)必須根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整激光參數(shù),使激光脈沖的能量密度嚴(yán)格處于兩個(gè)閾值之間[12]。

當(dāng)能量密度為6.4 J/cm2時(shí)鋁合金表面粗糙度值仍較大,這是因?yàn)榇藭r(shí)的能量密度值小不足以對(duì)污染物產(chǎn)生較大影響,光能量只是使其受熱融化,還未脫落,此時(shí)的試件表面比較粗糙。當(dāng)能量密度增為9.6 J/cm2時(shí),部分污染物開(kāi)始被分解清除,即將脫離鋁合金表面,此時(shí)達(dá)到清洗閾值。隨著能量密度數(shù)值的不斷提高,輻照在基體表面污物單位面積上的激光束的能量越高,光斑到達(dá)的深度不斷加深,基體表面上的污染越來(lái)越少,試件表面逐漸平整,粗糙度值降低。當(dāng)能量密度為25.5 J/cm2時(shí),大部分污漬得到清除,這時(shí)的表面粗糙度最小,為3.42 μm,且鋁合金表面沒(méi)有受損。此過(guò)程中清除機(jī)理為振動(dòng)效應(yīng),即污染物以振動(dòng)剝脫的形式被激光能量從鋁合金表面帶走。這是由于污漬和基底有不同的熱膨脹系數(shù),當(dāng)激光束輻射時(shí)會(huì)在兩者結(jié)合處出現(xiàn)溫度梯度,從而產(chǎn)生的熱應(yīng)力將污漬帶離鋁合金表面[13]。當(dāng)能量密度繼續(xù)增大至25.6 J/cm2時(shí),表面粗糙度值開(kāi)始略微回升,這是因?yàn)榧す馐呀?jīng)作用到部分基體表面,對(duì)鋁合金表層造成輕微破壞。當(dāng)能量密度為30.6 J/cm2時(shí),Ra為3.86 μm,這時(shí)污染物已被全部清除。當(dāng)能量密度增為38.2 J/cm2時(shí),基體表面更為粗糙,此時(shí)達(dá)到除污的損傷閾值,當(dāng)污漬被清除完全后,激光束則直接照射鋁合金表面使其產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷。這階段的激光除污機(jī)理既有振動(dòng)效應(yīng)也有燒蝕效應(yīng),燒蝕效應(yīng)即激光照射的溫度超過(guò)污染物的熔點(diǎn),使其熔融得以實(shí)現(xiàn)清除[14]。同時(shí),高能量密度下的激光溫度也超過(guò)了鋁合金的熔點(diǎn),發(fā)生明顯的熔融現(xiàn)象,導(dǎo)致基底表面再次粗糙。

如圖4(a)、(b)、(c)所示分別為I=9.6 J/cm2,I=25.5 J/cm2,I=38.2 J/cm2時(shí)的表面形貌圖。圖4(a)可以看出清洗閾值下的污染物已經(jīng)開(kāi)始分解,即將脫離基體,圖4(b)時(shí)表面粗糙度最小,大部分污漬被去除,圖4(c)表明能量密度達(dá)到損傷閾值時(shí)鋁合金表面在激光束的作用下形成明顯的凹坑,表面粗糙度值較大。

圖4 不同能量密度下的表面形貌圖Fig.4 Surface topography at different energy densities

3.2 不同掃描速度下的試樣表面粗糙度

激光在單位時(shí)間內(nèi)所作用的距離是掃描速度,對(duì)掃描速度的控制一定程度上影響機(jī)器作業(yè)的效果。掃描速度太慢,激光束在單位面積上作用的時(shí)間太長(zhǎng),會(huì)發(fā)生過(guò)度清洗,破壞基體本身；掃描速度過(guò)快,基體表層的污物未得到充分輻照,清洗效果不理想[15]。而激光清洗技術(shù)是利用激光光斑依次搭接在基體表面實(shí)現(xiàn)清洗的,光斑搭接率對(duì)清潔效果有重要影響,光斑搭接率即相鄰兩個(gè)光斑重疊的程度[16],圖5為光斑搭接示意圖。

圖5 光斑搭接示意圖Fig.5 Schematic diagram of light spot lap

由于激光光斑符合高斯型分布,即光束中心能量集中,邊緣能量較低,若想實(shí)現(xiàn)污漬的完全清除,光斑之間應(yīng)有合適的搭接率。

已知光斑搭接率:

(2)

其中,v是掃描速度(cm/s);D是光斑直徑(μm);f是激光重復(fù)頻率(kHz)。

當(dāng)光斑直徑D和重復(fù)頻率f保持不變時(shí),掃描速度越大,搭接率越小,掃描速度通過(guò)光斑搭接率影響清洗效果。

由之前的實(shí)驗(yàn)得知,當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為50 kHz,輸出功率為25 W,掃描速度為240 cm/s時(shí),試件表面粗糙度最小。在研究掃描速度這一單一變量對(duì)表面粗糙度的影響時(shí),保持以上參數(shù)選擇,選擇掃描速度為80 cm/s、100 cm/s、120 cm/s、140 cm/s、160 cm/s、200 cm/s、240 cm/s,研究掃描速度對(duì)粗糙度變化的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同掃描速度下的表面粗糙度變化Fig.6 Surface roughness changes at different scanning speeds

通過(guò)圖6可以觀察到,表面粗糙度值隨著掃描速度的增加呈現(xiàn)降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在掃描速度為240 cm/s時(shí),表面粗糙度為3.42 μm,這時(shí)污染物被清洗一部分,但并未被完全清洗,因?yàn)榇蟮膾呙杷俣认?單位面積內(nèi)高峰值功率脈沖作用在試樣表面的時(shí)間較短,清洗效果相對(duì)不理想；掃描速度從240 cm/s下降到140 cm/s過(guò)程中,表面粗糙度值逐漸下降,這階段激光搭接率提高,相鄰激光光斑重疊的熱積累效應(yīng)更加明顯,通過(guò)激光能量疊加的熱效應(yīng)進(jìn)行清洗,當(dāng)v=140 cm/s時(shí),表面粗糙度值最小為2.93 μm,污漬基本被清洗完全,大片致密的鋁合金表層露出,表面相對(duì)光滑；隨著掃描速度從140 cm/s降至80 cm/s,表面粗糙度回升,污物逐漸被完全清除,但由于相鄰光斑距離過(guò)近并且激光作用時(shí)間更長(zhǎng),使得鋁合金基體表面受到燒蝕,鋁合金表面再次粗糙不平,并可以觀察到鋁合金表面出現(xiàn)熔融的飛濺物。這是因?yàn)楫?dāng)掃描速度較小時(shí),脈沖激光器發(fā)出的掃描線移動(dòng)較慢,各線之間的搭接率較高,試樣的相同位置處作用的脈沖數(shù)更多[17],在將污漬全部清除完畢后,此時(shí)占主導(dǎo)機(jī)制的激光燒蝕作用使得鋁合金表面有較明顯的起伏痕跡。當(dāng)v=120 cm/s時(shí),污漬被徹底清除,但鋁合金基底被輕微燒蝕,試件表面形成均勻的溝槽狀形貌。

圖7(a)、(b)為v=140 cm/s,v=80 cm/s時(shí)的表面形貌圖。圖7(a)時(shí)鋁合金表面粗糙度最小,大多數(shù)污漬已被清除,圖7(b)時(shí)鋁合金表面在較大掃描速度下被激光燒蝕出凹坑,表面粗糙度較大。

圖7 不同掃描速度下的表面形貌圖Fig.7 Surface topography at different scanning speed

4 微觀組織分析

4.1 最優(yōu)參數(shù)下鋁合金清洗前后表面粗糙度分析

研究能量密度對(duì)表面粗糙度影響規(guī)律得知,當(dāng)能量密度為25.5 J/cm2,即激光重復(fù)頻率為50 kHz,輸出功率為25 W,掃描速度為240 cm/s時(shí),得到表面粗糙度的最小值,此時(shí)污染物并未清除完全,但鋁合金表面未受激光燒蝕。因此在研究掃描速度對(duì)表面粗糙度影響時(shí),保持以上參數(shù)不變,通過(guò)改變掃描速度,進(jìn)一步得出,在掃描速度為120 cm/s時(shí),雖然激光使基底表面出現(xiàn)微坑,但可完全去除鋁合金表面污物。

綜上所述,選擇能量密度為25.5 J/cm2,掃描速度為120 cm/s為最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行清洗。使用掃描電鏡觀察激光清洗后樣品表面形貌變化,并用粗糙度測(cè)試儀測(cè)量表面粗糙度。

如圖8為清洗前后試樣的表面形貌,可以看出清洗前的鋁合金表面被污漬覆蓋,已看不出基底表面,清洗后的鋁合金表面已無(wú)其他污漬,其表面留有激光光束打過(guò)的溝槽形痕跡。

圖8 最優(yōu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)前后的鋁合金試樣表面形貌Fig.8 Surface morphology of aluminum alloy samples before and after optimum parameter experiment

使用SHR112便攜式粗糙度儀測(cè)量最優(yōu)參數(shù)清洗后的試樣表面粗糙度為3.17 μm,符合《模具零件表面的粗糙度和配合要求》中對(duì)于輪胎模具花紋處的表面粗糙度不大于3.2 μm的要求。因此選擇能量密度為25.5 J/cm2,即激光重復(fù)頻率為50 kHz,輸出功率為25 W,掃描速度為120 cm/s可作為本實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù),保證在完全清洗鋁合金表面污漬的同時(shí),得到符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模具表面。圖9所示為模具在激光清洗前后的對(duì)比。

圖9 輪胎模具清洗前后效果Fig.9 Effect of tire mould before and after cleaning

4.2 EDS能譜分析

通過(guò)能譜儀對(duì)清潔前后的試樣表面成分對(duì)比分析,分別取清潔前后的鋁板表面一處進(jìn)行掃描。分析結(jié)果如圖10所示。清洗前原始基體表層主要含Al、O、S,此外也存在少量C、Fe、Ca等元素。清洗后S、O元素的含量降低,Al元素的含量升高,但O元素有殘留,因?yàn)榛妆砻姹患す廨p微燒蝕過(guò)后生成部分氧化鋁。通過(guò)EDS能譜分析,表明在最優(yōu)參數(shù)下利用激光技術(shù)可以有效清潔鋁合金表面污染物,且保證鋁合金表面粗糙度符合標(biāo)準(zhǔn)要求,達(dá)到較為理想的效果。

圖10 EDS分析圖Fig.10 EDS analysis

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知,隨著能量密度增大,鋁合金表面粗糙度先降低后又增加。能量密度為9.6 J/cm2是清洗閾值,能量密度為38.2 J/cm2是損傷閾值,能量密度為25.5 J/cm2時(shí),試件的表面粗糙度最小,大部分污物得到清除；能量密度處于6.4～25.5 J/cm2時(shí),清除機(jī)理為振動(dòng)效應(yīng),能量密度處于25.6～76.4 J/cm2時(shí),清除機(jī)理為振動(dòng)效應(yīng)和燒蝕效應(yīng)。

(2)隨著掃描速度增大,試件表面粗糙度先降低后增加,當(dāng)掃描速度為140 cm/s時(shí),表面粗糙度值最小,為2.93 μm,掃描速度為120 cm/s時(shí),污物全部被清除,此時(shí)鋁合金表面出現(xiàn)微坑,Ra為3.17 μm。

(3)得出輸出功率為25 W,脈沖重復(fù)頻率為50 kHz,即能量密度為25.5 J/cm2,掃描速度為120 cm/s是激光去除鋁合金輪胎模具表面污漬的最優(yōu)參數(shù)。

(4)通過(guò)EDS分析,得出最優(yōu)參數(shù)下的激光清洗后O、S含量降低,Al含量提升,Fe等微量元素也被清除,且Ra為3.17 μm,符合輪胎模具花紋處表面粗糙度不大于3.2 μm的要求。實(shí)驗(yàn)在有效去除鋁合金表面污染物的同時(shí),獲得符合標(biāo)準(zhǔn)要求的較為平整的試件表面。