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輪胎模具及高鐵行業的激光清洗應用知多少?
時間:2020-08-17來源:原創文章

上篇——輪胎模具的激光清洗應用

在輪胎的生產中, 模具是必不可少的器具。模具的好壞直接影響輪胎的質量。輪胎或制品的模具中都有花紋和標志圖案, 這些均為雕刻工藝, 比較細膩, 在使用過程中容易被橡膠覆蓋。模具的使用都是在一定的壓力和高頻率的條件下進行的, 這就必然會積存大量的橡膠材料, 當材料積累到一定程度, 就會影響輪胎或制品的表面形狀, 導致產品成為次品或廢品, 所以模具表面必須經常清洗。

模具的應用, 促進了工業化生產, 而模具的清洗則成為人們一直關心的問題。經過長期的探索與實踐, 人們積累了很多清洗模具的方法。最初是使用高溫鹽水浸泡的方法進行模具清洗, 但這種方法效率低, 主要用于清洗小型模具, 而對大型模具則費時費力。隨著時代的發展, 產生了噴砂法清洗, 這也是現代人們最常用的方法, 在具體應用中常用的有砂子、玻璃球或塑料珠等。然而,這種清洗方法會損傷模具表面, 影響產品的質量, 縮短模具的使用壽命, 從而增加生產成本。近幾年, 在清洗模具方法中, 常用的還有: 化學清洗法、干冰法、高壓水清洗法及超聲波清洗法, 但這些清洗方法在規模及清洗效率等方面還存在著一定的局限性, 并且這些方法都存在一定的污染, 因此不能完全滿足環保需求。根據社會的需求, 目前輪胎和橡膠制品行業亟需一種高效、成本低、對環境無污染的清洗技術。因此激光清洗便逐漸在輪胎模具行業中得到廣泛應用。

◆◆◆傳統清洗方法和激光清洗方法在輪胎模具清洗中的優劣性對比

1.激光清洗與傳統清洗對比(噪音、粉塵、安全)

結論:激光清洗更為環保,安全。

2。清潔效率對比

結論:激光清洗速度更快,清洗效果佳,對模具無任何損傷。

3. 激光清洗帶來的增產和利潤對比

結論:激光清洗和其它方式對比,清洗所花的成本最少,利潤率高。

 

◆◆◆激光清洗輪胎模具損傷閾值研究

激光清洗可以看作是合適的單脈沖能量的激光束按照一定的規律疊加。但脈沖能量的選擇一定要在清洗閾值和損傷閾值之間。疊加:Dx=v/f=速度/頻率 ;Dy由移動速度決定(如圖1)。(不同材料的最佳清洗參數需要依據材料特性按照這種方法進行實驗確定)

圖1

在同樣的試驗裝置條件下進行激光模具表面膠層清洗,保證三組輪胎模具清洗一致,實驗表明,當激光能量密度小于2.5J/cm2時,在此范圍內無論怎么提高能量密度,激光照射在模具膠層上均無變化,如圖2所示;而只有當激光能量密度大于2.5J/cm2時,激光清洗才有效果,繼續加大能量密度,當激光能量密度提高到7.7J/cm2時,模具表面部分區域有輕微的變色痕跡,表面再度發生了氧化,如圖3所示; 而只有在2.5-7.7J/cm2之間的能量密度下表面膠層能徹底清除干凈也不會發生氧化。可見,激光清洗存在一定的激光能量密度,即存在清洗閾值和損傷閾值,當激光能量密度大于清洗閾值時,激光清洗才有效果,而當激光能量密度大于損傷閾值時,清洗效果雖然存在,但模具表面也已氧化,只有當激光能量密度趨于清洗閾值和損傷閾值之間,提高激光能量密度才能提高清洗效果。(圖4)

圖2。能量密度<2。5 J/cm²

圖3。能量密度>7。7J/cm²

 

?圖4。 2。5J/cm²<能量密度<7。7J/cm²

 

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下篇——激光清洗在高鐵行業的應用研究

◆◆◆激光清洗在高鐵機車維護運營中的應用

軌道交通設備主要是做地鐵設備保養和維修工作,而需要清洗的工件為長期在地鐵上的輪對軸,在清洗輪對軸的過程中要保證不產生氧化條紋的前提下將輪對軸清洗干凈,然后進行探傷處理。雖然目前國內外對激光清洗的工藝研究比較多,但是針對軌道交通輪對軸維修方面的研究仍相對較少,特別是如何結合輪對軸脫漆的要求,為了保證清洗效率要求,提出了激光清洗技術,通過機器人集成不同激光器組合,合理確定激光器各工藝的參數,保證脫漆的效率與表面質量。

試驗設備主要采用RFL-P500 200微米芯徑的納秒光纖激光器,配以FANUC機器人以及定制的激光清洗掃描系統,針對旋轉夾具中的輪對集成一套系統。其中激光器單脈沖能量25mJ下采用螺旋方式清洗,重復頻率為20kHz。

采用現有清洗系統,螺旋偏移的方式進行清洗,清洗的方法為一個往復程序,清洗后表面涂層清洗干凈,顯露金屬色,且表面沒有氧化色,也沒有激光痕跡,效果得到客戶滿意,后續會提高專用清洗激光器的單脈沖能量,更有效發揮500W高功率脈沖的優勢。

◆◆◆激光清洗在機車輕量化車身制造中的應用

鋁合金作為一種輕質金屬,因其較高比強度、耐腐蝕、易加工、力學性能優良等特點,廣泛地應用于車體、機身等焊接構件。但鋁合金在空氣中易氧化并吸收水分,在焊接前若未徹底清除氧化層將會影響焊接質量,如產生合金元素損失,熱裂紋等缺陷,不利于工業生產質量的提高,給汽車等帶來安全隱患。

對于鋁合金焊接過程中出現的氣孔問題,一般的處理方法如機械清洗和化學清洗,已不能滿足汽車工業等領域高質量焊接的需求,機械清洗方式效率低下,氧化膜清除不徹底;化學清洗對環境污染較為嚴重,對大尺寸的部件無法清洗。近幾十年,發展起來的高效、無損、綠色環保的激光清洗技術可以解決這一難題。

首先對鋁合金表面氧化層清洗效果做測試,如下圖

 

清洗前顯微鏡圖

清洗前表面

清洗前截面

清洗后顯微鏡圖

清洗后表面

清洗后截面

實驗所選的鋁合金為5系鋁合金,材料表面本身就有一層致密的氧化膜,從而起到保護鋁合金基體的作用,激光清洗后鋁合金試板銀白色金屬光澤變淺。

未清洗6061鋁合金試樣→→ 焊接試樣1 →→ 金相分析1

清洗后6061鋁合金試樣→→ 焊接試樣2 →→ 金相分析2

 

◆◆◆測試鋁合金焊縫的力學性能,進行拉力測試

 

 

采用100W 的激光器,600mm/min的清洗速度可有效地清除鋁合金試板表面氧化層等污染物。通過掃描電子顯微鏡分析,從截面圖上看激光清洗后氧化層確實減少甚至完全被清除,說明激光清洗對氧化層的清除效果顯著。對激光清洗后的試板進行激光焊接,通過表征激光清洗前后焊縫表面的形貌發現,激光清洗后原有焊縫表面的夾雜氣孔等缺陷顯著減少,焊縫表面呈現銀白色金屬光澤,根據截面焊縫檢測結果可知,激光清洗后的焊縫無氣孔,而清洗前很明顯發現有三處小氣孔。

隨著激光清洗專用光纖激光器和清洗設備的研發生產技術不斷提升,同時激光清洗應用工藝的日益進步,使激光清洗正逐漸被模具制造、汽車高鐵制造與維護、航空海運等領域廣泛應用。也因其效率高、綠色環保、經濟效益好等優勢,使越來越多的企業開始關注激光清洗,并不斷研發與之相關的新應用新設備,令激光清洗行業爆發出蓬勃的發展力。

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