王 濤,張譯之,苗潤芃

(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),且會被輪胎硫化過程中析出的二氧化硫腐蝕,因此生成的化合物會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)械清洗過程中使用砂布和鋼絲等會損傷輪胎模具的表面；化學(xué)清洗中化學(xué)試劑對工人健康造成危害,同時也污染環(huán)境；噴砂工藝使清洗過程繁瑣,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)用越來越廣泛的一項技術(shù),相比于傳統(tǒng)的清洗方法,它具有清潔、高效、無損傷、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)者對激光清洗技術(shù)進(jìn)行研究,董俊等[5]采用激光技術(shù)對飛機(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)行對比,發(fā)現(xiàn)激光脫漆后的鋁板表面陽極化層完好,電導(dǎo)率值沒有變化,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]通過曲線線性擬合研究激光功率和工件運(yùn)行速度對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]通過對樣品表面粗糙度測量、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,且對基材無損傷。元泉等[9]通過研究激光的單脈沖能量、離焦量等參數(shù),發(fā)現(xiàn)激光能量過高不僅能清除鋁合金的漆層和氧化層,也對鋁合金造成損傷,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,對于通過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。通過改變激光能量密度和掃描速度,使用脈沖光纖激光器對實(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。及時對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)通過可發(fā)出中心波長為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,將鋁合金板材放于激光焦平面上,在X、Y軸振鏡的運(yùn)動下,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象。

此實(shí)驗(yàn)為單因素實(shí)驗(yàn),通過改變參數(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便攜式粗糙度儀測量清洗后試樣表面粗糙度,對每個試樣分別測量三次取平均值作為最終測量結(jié)果。

在實(shí)驗(yàn)最后,采用所得的最優(yōu)工藝參數(shù)對鋁合金板材再次清洗,通過掃描電鏡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下式計算:

(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,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,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),并用粗糙度測試儀測量幾組實(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。此時對應(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呈現(xiàn)先降低后增長的趨勢,這是因?yàn)榍逑催^程中能量密度存在清洗閾值和損傷閾值。當(dāng)污物開始與鋁合金表面分離并有脫落趨勢時對應(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)的損傷時的能量密度為損傷閾值。如果能量密度超過損傷閾值,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)格處于兩個閾值之間[12]。

當(dāng)能量密度為6.4 J/cm2時鋁合金表面粗糙度值仍較大,這是因?yàn)榇藭r的能量密度值小不足以對污染物產(chǎn)生較大影響,光能量只是使其受熱融化,還未脫落,此時的試件表面比較粗糙。當(dāng)能量密度增為9.6 J/cm2時,部分污染物開始被分解清除,即將脫離鋁合金表面,此時達(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,大部分污漬得到清除,這時的表面粗糙度最小,為3.42 μm,且鋁合金表面沒有受損。此過程中清除機(jī)理為振動效應(yīng),即污染物以振動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)激光束輻射時會在兩者結(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,表面粗糙度值開始略微回升,這是因?yàn)榧す馐呀?jīng)作用到部分基體表面,對鋁合金表層造成輕微破壞。當(dāng)能量密度為30.6 J/cm2時,Ra為3.86 μm,這時污染物已被全部清除。當(dāng)能量密度增為38.2 J/cm2時,基體表面更為粗糙,此時達(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污染物的熔點(diǎn),使其熔融得以實(shí)現(xiàn)清除[14]。同時,高能量密度下的激光溫度也超過了鋁合金的熔點(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)開始分解,即將脫離基體,圖4(b)時表面粗糙度最小,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

激光在單位時間內(nèi)所作用的距離是掃描速度,對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間太長,會發(fā)生過度清洗,破壞基體本身；掃描速度過快,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,光斑搭接率對清潔效果有重要影響,光斑搭接率即相鄰兩個光斑重疊的程度[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,掃描速度越大,搭接率越小,掃描速度通過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,試件表面粗糙度最小。在研究掃描速度這一單一變量對表面粗糙度的影響時,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)降低后增長的趨勢。在掃描速度為240 cm/s時,表面粗糙度為3.42 μm,這時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間較短,清洗效果相對不理想；掃描速度從240 cm/s下降到140 cm/s過程中,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,通過激光能量疊加的熱效應(yīng)進(jìn)行清洗,當(dāng)v=140 cm/s時,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近并且激光作用時間更長,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,脈沖激光器發(fā)出的掃描線移動較慢,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,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時的表面形貌圖。圖7(a)時鋁合金表面粗糙度最小,大多數(shù)污漬已被清除,圖7(b)時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,得到表面粗糙度的最小值,此時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表面粗糙度影響時,保持以上參數(shù)不變,通過改變掃描速度,進(jìn)一步得出,在掃描速度為120 cm/s時,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,并用粗糙度測試儀測量表面粗糙度。

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其他污漬,其表面留有激光光束打過的溝槽形痕跡。

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,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

通過能譜儀對清潔前后的試樣表面成分對比分析,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微燒蝕過后生成部分氧化鋁。通過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,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,清除機(jī)理為振動效應(yīng),能量密度處于25.6～76.4 J/cm2時,清除機(jī)理為振動效應(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,表面粗糙度值最小,為2.93 μm,掃描速度為120 cm/s時,污物全部被清除,此時鋁合金表面出現(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,獲得符合標(biāo)準(zhǔn)要求的較為平整的試件表面。