激光清洗7075铝合金轮胎模具表面质量优化分析

王 涛,张译之,苗润芃

(河北工业大学机械工程学院,天津 300132)

1 引 言

汽车轮胎模具作为汽车轮胎生产过程中的重要工具,决定了轮胎的外形和寿命。由于工况恶劣,常处在高温下工作的模具极易发生氧化反应,且会被轮胎硫化过程中析出的二氧化硫腐蚀,因此生成的化合物会在花纹痕迹处存在清理死区[1],清洗模具上的污渍显得尤为重要。7075铝合金耐腐蚀性能强,加工性能好,作为制造轮胎模具的材料。其化学性质活泼,正常暴露在空气中会形成约4 nm厚的氧化膜。目前,多数企业清洗轮胎模具时常采用机械清洗、化学清洗、喷砂清洗等方法[2]。机械清洗过程中使用砂布和钢丝等会损伤轮胎模具的表面；化学清洗中化学试剂对工人健康造成危害,同时也污染环境；喷砂工艺使清洗过程繁琐,工作效率低,成本较高[3]。激光清洗技术是近些年发展迅速、应用越来越广泛的一项技术,相比于传统的清洗方法,它具有清洁、高效、无损伤、可远距离操作等明显的优点,因此作为一种新式的绿色清洁方法活跃在大众的视野中[4]。

当前已有较多学者对激光清洗技术进行研究,董俊等[5]采用激光技术对飞机蒙皮铝板进行脱漆,并且与用溶剂脱漆后的蒙皮铝板进行对比,发现激光脱漆后的铝板表面阳极化层完好,电导率值没有变化,材料的拉伸强度、屈服强度等变化不明显,与溶剂脱漆后的试验效果相似。陈昊楠[6]通过曲线线性拟合研究激光功率和工件运行速度对激光清洗亚克力板表层铁锈的清洗结果,得知功率越大,工件运行速度越小,清洗效果越佳。王利华等[7]用激光清除钛合金表面氧化皮,并且通过扫描电镜、光学显微镜等研究了清洗后基体表面性能和化学元素组成的变化。林敏等[8]通过对样品表面粗糙度测量、SEM分析和金相分析,得出激光可以有效除去EA4T车轴钢表面油漆层,且对基材无损伤。元泉等[9]通过研究激光的单脉冲能量、离焦量等参数,发现激光能量过高不仅能清除铝合金的漆层和氧化层,也对铝合金造成损伤,焦点附近的激光可以较好的去除铝合金表面的漆层和氧化层。目前,对于通过改变激光参量清洗铝合金汽车轮胎模具表层污渍的研究尚未完备,观察不同参数下的激光器对合金模具的清洗效果还需要进一步研究。

综上,本文选用汽车轮胎模具常用的7075铝合金作为实验样品,样品表面已被处理。通过改变激光能量密度和扫描速度,使用脉冲光纤激光器对实验样品表面进行清洗,分析清洗前后表面微观形貌及元素组成变化,并研究能量密度及扫描速度对清洗铝合金表面污染物的作用机理及影响规律,为轮胎模具清洗技术的应用提供重要的理论技术参考。

2 实验设备与方案

2.1 实验材料

选取实验样品为5 mm×5 mm×5 mm的7075铝合金板材,表面已被氧化处理,且被二氧化硫气体腐蚀。表1所示是该铝合金组成成分。及时对铝合金轮胎模具表面清理有助于提高轮胎的质量和性能。

表1 7075铝合金化学成分Tab.1 Chemical composition of 7075 aluminium alloy

2.2 实验设备

本实验通过可发出中心波长为1064 nm的脉冲光纤激光设备进行清洗工作,且需使用(24±1) V DC直流电进行连续供电。此激光器能够输出的最大功率为30 W,功率调节范围为1 %～100 %,脉冲宽度在100～130 ns,激光重复频率调节范围在20～80 kHz,输出光斑直径为50 μm,通过风冷的方式进行冷却。图1为脉冲光纤激光清洗设备,清洗结构原理如图2所示。

图1 脉冲光纤激光设备Fig.1 Pulsed fiber laser equipment

图2 激光清洗结构原理Fig.2 Structure principle of laser cleaning

2.3 实验方案

实验时,将铝合金板材放于激光焦平面上,在X、Y轴振镜的运动下,光束辐照在板材上进行清洗工作。影响清洗效果的因素有很多,如激光功率、扫描速度、扫描次数、离焦率等[10],试验选取对清洗效果影响较大的激光能量密度和扫描速度作为研究对象。

此实验为单因素实验,通过改变参数能量密度和扫描速度,探究在不同参数下激光清洗的效果。在每次清洗后,通过扫描电镜SEM进行清洗后的表面形貌观察,用SHR112便携式粗糙度仪测量清洗后试样表面粗糙度,对每个试样分别测量三次取平均值作为最终测量结果。

在实验最后,采用所得的最优工艺参数对铝合金板材再次清洗,通过扫描电镜SEM和EDS能谱分析观察激光清洗后的样品表面形貌和元素含量,并与清洗前表面形貌及元素含量进行对比分析。

3 实验结果与讨论

3.1 不同激光能量密度下的试样表面粗糙度

首先选取激光能量密度作为单因素变量进行实验,分析实验后的表面粗糙度变化情况。激光能量密度是指,在相同的脉冲宽度下,单个激光辐照靶材的能量密度,即激光作用到靶向目标单位面积上的能量[11]。

已知能量密度可通过下式计算:

(1)

其中,E为单脉冲能量(J)；S为光斑面积(cm2)；P为激光平均功率(W)；f为重复频率(kHz)；D为光斑直径(cm)。

由公式(1)可知,当光斑直径一定时,脉冲频率与激光功率共同决定着能量密度的大小,进而影响激光清洗效果。而当激光能量密度一定时,铝合金表面单位面积内所受激光能量大小由扫描速度所决定。

实验确定激光器的输出光斑直径为50 μm,扫描速度为240 cm/s,其他参量保持不变。选择激光重复频率为20 kHz、50 kHz、80 kHz,激光功率为10 W、15 W、25 W、30 W,获得不同能量密度值进行清洗试验,并用粗糙度测试仪测量几组实验的粗糙度。实验参数如表2所示。

表2 能量密度实验参量表Tab.2 Energy density table

激光清洗结果如图3所示,可以看出在不同激光能量密度下试样的表面粗糙度变化情况。由图3可知,在激光能量密度为25.5 J/cm2的情况下,表面粗糙度最小,为3.42 μm。此时对应的激光输出功率为25 W,激光重复频率为50 kHz,作为接下来实验的参考。

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

由图3可知,表面粗糙度随着能量密度的增长呈现先降低后增长的趋势,这是因为清洗过程中能量密度存在清洗阈值和损伤阈值。当污物开始与铝合金表面分离并有脱落趋势时对应的能量密度为清洗阈值。而当铝合金表面发生不可逆转的损伤时的能量密度为损伤阈值。如果能量密度超过损伤阈值,基底材料将被破坏,所以应保证基底材料不被损伤的前提下进行有效的清洁,实验时必须根据实际情况调整激光参数,使激光脉冲的能量密度严格处于两个阈值之间[12]。

当能量密度为6.4 J/cm2时铝合金表面粗糙度值仍较大,这是因为此时的能量密度值小不足以对污染物产生较大影响,光能量只是使其受热融化,还未脱落,此时的试件表面比较粗糙。当能量密度增为9.6 J/cm2时,部分污染物开始被分解清除,即将脱离铝合金表面,此时达到清洗阈值。随着能量密度数值的不断提高,辐照在基体表面污物单位面积上的激光束的能量越高,光斑到达的深度不断加深,基体表面上的污染越来越少,试件表面逐渐平整,粗糙度值降低。当能量密度为25.5 J/cm2时,大部分污渍得到清除,这时的表面粗糙度最小,为3.42 μm,且铝合金表面没有受损。此过程中清除机理为振动效应,即污染物以振动剥脱的形式被激光能量从铝合金表面带走。这是由于污渍和基底有不同的热膨胀系数,当激光束辐射时会在两者结合处出现温度梯度,从而产生的热应力将污渍带离铝合金表面[13]。当能量密度继续增大至25.6 J/cm2时,表面粗糙度值开始略微回升,这是因为激光束已经作用到部分基体表面,对铝合金表层造成轻微破坏。当能量密度为30.6 J/cm2时,Ra为3.86 μm,这时污染物已被全部清除。当能量密度增为38.2 J/cm2时,基体表面更为粗糙,此时达到除污的损伤阈值,当污渍被清除完全后,激光束则直接照射铝合金表面使其产生严重损伤。这阶段的激光除污机理既有振动效应也有烧蚀效应,烧蚀效应即激光照射的温度超过污染物的熔点,使其熔融得以实现清除[14]。同时,高能量密度下的激光温度也超过了铝合金的熔点,发生明显的熔融现象,导致基底表面再次粗糙。

如图4(a)、(b)、(c)所示分别为I=9.6 J/cm2,I=25.5 J/cm2,I=38.2 J/cm2时的表面形貌图。图4(a)可以看出清洗阈值下的污染物已经开始分解,即将脱离基体,图4(b)时表面粗糙度最小,大部分污渍被去除,图4(c)表明能量密度达到损伤阈值时铝合金表面在激光束的作用下形成明显的凹坑,表面粗糙度值较大。

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

3.2 不同扫描速度下的试样表面粗糙度

激光在单位时间内所作用的距离是扫描速度,对扫描速度的控制一定程度上影响机器作业的效果。扫描速度太慢,激光束在单位面积上作用的时间太长,会发生过度清洗,破坏基体本身；扫描速度过快,基体表层的污物未得到充分辐照,清洗效果不理想[15]。而激光清洗技术是利用激光光斑依次搭接在基体表面实现清洗的,光斑搭接率对清洁效果有重要影响,光斑搭接率即相邻两个光斑重叠的程度[16],图5为光斑搭接示意图。

图5 光斑搭接示意图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,边缘能量较低,若想实现污渍的完全清除,光斑之间应有合适的搭接率。

已知光斑搭接率:

(2)

其中,v是扫描速度(cm/s);D是光斑直径(μm);f是激光重复频率(kHz)。

当光斑直径D和重复频率f保持不变时,扫描速度越大,搭接率越小,扫描速度通过光斑搭接率影响清洗效果。

由之前的实验得知,当脉冲重复频率为50 kHz,输出功率为25 W,扫描速度为240 cm/s时,试件表面粗糙度最小。在研究扫描速度这一单一变量对表面粗糙度的影响时,保持以上参数选择,选择扫描速度为80 cm/s、100 cm/s、120 cm/s、140 cm/s、160 cm/s、200 cm/s、240 cm/s,研究扫描速度对粗糙度变化的影响,实验结果如图6所示。

图6 不同扫描速度下的表面粗糙度变化Fig.6 Surface roughness changes at different scanning speeds

通过图6可以观察到,表面粗糙度值随着扫描速度的增加呈现降低后增长的趋势。在扫描速度为240 cm/s时,表面粗糙度为3.42 μm,这时污染物被清洗一部分,但并未被完全清洗,因为大的扫描速度下,单位面积内高峰值功率脉冲作用在试样表面的时间较短,清洗效果相对不理想；扫描速度从240 cm/s下降到140 cm/s过程中,表面粗糙度值逐渐下降,这阶段激光搭接率提高,相邻激光光斑重叠的热积累效应更加明显,通过激光能量叠加的热效应进行清洗,当v=140 cm/s时,表面粗糙度值最小为2.93 μm,污渍基本被清洗完全,大片致密的铝合金表层露出,表面相对光滑；随着扫描速度从140 cm/s降至80 cm/s,表面粗糙度回升,污物逐渐被完全清除,但由于相邻光斑距离过近并且激光作用时间更长,使得铝合金基体表面受到烧蚀,铝合金表面再次粗糙不平,并可以观察到铝合金表面出现熔融的飞溅物。这是因为当扫描速度较小时,脉冲激光器发出的扫描线移动较慢,各线之间的搭接率较高,试样的相同位置处作用的脉冲数更多[17],在将污渍全部清除完毕后,此时占主导机制的激光烧蚀作用使得铝合金表面有较明显的起伏痕迹。当v=120 cm/s时,污渍被彻底清除,但铝合金基底被轻微烧蚀,试件表面形成均匀的沟槽状形貌。

图7(a)、(b)为v=140 cm/s,v=80 cm/s时的表面形貌图。图7(a)时铝合金表面粗糙度最小,大多数污渍已被清除,图7(b)时铝合金表面在较大扫描速度下被激光烧蚀出凹坑,表面粗糙度较大。

图7 不同扫描速度下的表面形貌图Fig.7 Surface topography at different scanning speed

4 微观组织分析

4.1 最优参数下铝合金清洗前后表面粗糙度分析

研究能量密度对表面粗糙度影响规律得知,当能量密度为25.5 J/cm2,即激光重复频率为50 kHz,输出功率为25 W,扫描速度为240 cm/s时,得到表面粗糙度的最小值,此时污染物并未清除完全,但铝合金表面未受激光烧蚀。因此在研究扫描速度对表面粗糙度影响时,保持以上参数不变,通过改变扫描速度,进一步得出,在扫描速度为120 cm/s时,虽然激光使基底表面出现微坑,但可完全去除铝合金表面污物。

综上所述,选择能量密度为25.5 J/cm2,扫描速度为120 cm/s为最优参数进行清洗。使用扫描电镜观察激光清洗后样品表面形貌变化,并用粗糙度测试仪测量表面粗糙度。

如图8为清洗前后试样的表面形貌,可以看出清洗前的铝合金表面被污渍覆盖,已看不出基底表面,清洗后的铝合金表面已无其他污渍,其表面留有激光光束打过的沟槽形痕迹。

图8 最优参数实验前后的铝合金试样表面形貌Fig.8 Surface morphology of aluminum alloy samples before and after optimum parameter experiment

使用SHR112便携式粗糙度仪测量最优参数清洗后的试样表面粗糙度为3.17 μm,符合《模具零件表面的粗糙度和配合要求》中对于轮胎模具花纹处的表面粗糙度不大于3.2 μm的要求。因此选择能量密度为25.5 J/cm2,即激光重复频率为50 kHz,输出功率为25 W,扫描速度为120 cm/s可作为本实验的最优参数,保证在完全清洗铝合金表面污渍的同时,得到符合行业标准的模具表面。图9所示为模具在激光清洗前后的对比。

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

4.2 EDS能谱分析

通过能谱仪对清洁前后的试样表面成分对比分析,分别取清洁前后的铝板表面一处进行扫描。分析结果如图10所示。清洗前原始基体表层主要含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元素有残留,因为基底表面被激光轻微烧蚀过后生成部分氧化铝。通过EDS能谱分析,表明在最优参数下利用激光技术可以有效清洁铝合金表面污染物,且保证铝合金表面粗糙度符合标准要求,达到较为理想的效果。

图10 EDS分析图Fig.10 EDS analysis

5 结 论

(1)通过实验得知,随着能量密度增大,铝合金表面粗糙度先降低后又增加。能量密度为9.6 J/cm2是清洗阈值,能量密度为38.2 J/cm2是损伤阈值,能量密度为25.5 J/cm2时,试件的表面粗糙度最小,大部分污物得到清除；能量密度处于6.4～25.5 J/cm2时,清除机理为振动效应,能量密度处于25.6～76.4 J/cm2时,清除机理为振动效应和烧蚀效应。

(2)随着扫描速度增大,试件表面粗糙度先降低后增加,当扫描速度为140 cm/s时,表面粗糙度值最小,为2.93 μm,扫描速度为120 cm/s时,污物全部被清除,此时铝合金表面出现微坑,Ra为3.17 μm。

(3)得出输出功率为25 W,脉冲重复频率为50 kHz,即能量密度为25.5 J/cm2,扫描速度为120 cm/s是激光去除铝合金轮胎模具表面污渍的最优参数。

(4)通过EDS分析,得出最优参数下的激光清洗后O、S含量降低,Al含量提升,Fe等微量元素也被清除,且Ra为3.17 μm,符合轮胎模具花纹处表面粗糙度不大于3.2 μm的要求。实验在有效去除铝合金表面污染物的同时,获得符合标准要求的较为平整的试件表面。