激光清洗輪胎模具表面橡膠層的機(jī)理與工藝研究

激光清洗輪胎模具表面橡膠層的機(jī)理與工藝研究王澤敏1曾曉雁黃維玲2（華中科技大學(xué)1材料學(xué)院國家模具重點(diǎn)對清冼后的每一小方塊，采用定量金相圖像分析系統(tǒng)測出清潔率其中，試樣由光學(xué)顯微鏡成像，通過CCD將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，最后由圖像采集卡及相應(yīng)的軟件完成采樣和量化功能，獲取數(shù)字圖像將清冼干凈的區(qū)域著色，計(jì)算著色區(qū)域占整個小塊的面積百分比，即為清潔率將清冼小塊制成單個試樣，采用EOLSM-35C型掃描電鏡（SEM）進(jìn)行表面形貌分柝因?yàn)橄鹉z層不導(dǎo)電，在用SEM觀察前要作噴金處理采用CARLZELSSENA雙管顯微鏡，用光切法測量橡膠層的厚度3結(jié)果與討論3.1激光工藝參數(shù)對清潔率的影響給出了不同激光能量密度下清潔率的變化曲線。由可知，激光能量密度在4.42/cm2以下時，激光對鋁片表面的橡膠層無明顯作用；當(dāng)激光能量密度超過4.42/cm2時（6：72/cm2），橡膠層表面開始出現(xiàn)被激光清冼掉的痕跡，但清潔率較低，如⑷所示。因此，可將4.42/cm2定義為起始清冼閾值不斷增加激光束能量密度，當(dāng)其達(dá)到25.1/cm2時，實(shí)現(xiàn)了橡膠層的完全清冼，清潔率達(dá)到100%，而且基材表面完好無損，如（b）所示?？蓪?5.1/cm2定義為完全清冼閾值當(dāng)激光能量密度進(jìn)一步增加到29.7/cm2時，盡管實(shí)現(xiàn)了完全清冼，但在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)基體表面存在少量熔化燒蝕現(xiàn)象，如（c）所示可將29.7/cm2定義為損傷閾值?？梢姡硐霠顟B(tài)下激光器的能量密度應(yīng)限制在完全清冼閾3.2激光清洗的機(jī)理分析在激光輻照過程中，試樣表面處有明顯的煙霧火花，散發(fā)出橡膠燒焦的氣昧由于基材為鋁片，表面附著物為橡膠層，它們對同一波長的激光能量的吸收系數(shù)差別很大橡膠對激光有較大的吸收系數(shù)，而且熱導(dǎo)率極低當(dāng)激光輻照時，激光能量大部分被表面的橡膠層所吸收，溫度上升速度很快因此，覆蓋在鋁片表面的橡膠層瞬間受熱燃燒，發(fā)生氣化揮發(fā)，產(chǎn)生火花和異昧激光脈寬在納秒級時，表面溫升為（200ns），因此表面溫升只與激光能量密度有關(guān)令L表示橡膠層的氣化溫度，T2表示鋁的熔點(diǎn)由于T2>L，為了保證只除去橡膠層而不影響基體，必須要求溫升函數(shù)Ts滿足條件：T為表面溫升達(dá)到橡膠層氣化溫度時的激光能量密度；F2為表面溫升達(dá)到模具片（鋁）熔點(diǎn)時所需的激光能量密度當(dāng)FS左邊取等號時，就得到激光的起始清洗閾值F1；當(dāng)Fs右邊取等號時，即為激光清洗的損傷閾值F2完全清洗閾值在F1與F2之間，其大小與橡膠層的厚度有關(guān)所以，當(dāng)能量密度條件滿足（2）式時，就可以用激光除去橡膠層而不損傷基體。

　　據(jù)，表面熱作用深度與激光的脈寬有關(guān)：D=it，其中D表示作用深度。由于橡膠的熱擴(kuò)散率較低，采用的激光器脈寬為納秒級，激光的作用深度只有幾微米而用雙管顯微鏡測得橡膠層的實(shí)際平均厚度為15.9m如果激光輻照過程中表面物質(zhì)不損失，熱作用就不會影響橡膠深層和基體。但由于橡膠表層瞬間受熱燃燒氣化，橡膠層厚度減小，使得激光的熱作用深度加深所以，激光清洗過程中，橡膠表層在燃燒氣化的同時，橡膠深層會由于脈沖激光的快速加熱而發(fā)生急劇的熱振動。而鋁片受熱較少，產(chǎn)生的熱膨脹極小。因此熱振動產(chǎn)生的力使橡層有脫離基體的趨勢盡管橡膠層的線性膨脹幅度非常小被，但激光作用的時間極短，產(chǎn)生的熱沖擊力很大，能使部分橡膠塊克服基體的表面吸附力，發(fā)生飛濺而脫離基體，從而實(shí)現(xiàn)清冼在的清洗效果，但花費(fèi)的時間降為20s從上面的分析可知，激光清洗在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　印字模具片的清洗形貌圖