華建民，潘濟(jì)堂

(南京集萃激光智能制造有限公司，江蘇 南京 210000)

輪胎標(biāo)識(shí)是按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在輪胎的兩側(cè)要標(biāo)出生產(chǎn)編號(hào)、制造廠商標(biāo)、尺寸規(guī)格、層級(jí)、最大負(fù)荷和相應(yīng)氣壓、胎體簾布漢語(yǔ)拼音代號(hào)、安裝要求和行駛方向記號(hào)等，以往這些數(shù)據(jù)通過(guò)硫化機(jī)模壓到胎壁上的，這極大增加了輪胎模具及硫化生產(chǎn)費(fèi)用，需要花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)更換模具生產(chǎn)日期信息塊。胎側(cè)標(biāo)記及其它圖形的制作費(fèi)用高昂，時(shí)間周期長(zhǎng)，尤其對(duì)生產(chǎn)一些量小的輪胎產(chǎn)品及車(chē)胎的個(gè)性化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。這些劣勢(shì)都可以通過(guò)激光標(biāo)刻技術(shù)這一手段避免，輪胎激光標(biāo)刻是一種的生產(chǎn)定制和個(gè)性化產(chǎn)品快速實(shí)現(xiàn)的方法，在輪胎領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎。隨著激光加工技術(shù)應(yīng)用的深入, 關(guān)于激光加工產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的研究日益增多。 其中, 輪胎激光標(biāo)刻是利用激光束燒蝕去除表層材料，具有適應(yīng)范圍廣、操作簡(jiǎn)單、速度快、質(zhì)量好,熱影響區(qū)小, 加工柔性大等優(yōu)點(diǎn), 是傳統(tǒng)工藝無(wú)法比擬的，能夠標(biāo)刻任意形狀的圖形, 標(biāo)刻精細(xì), 圖形清晰，對(duì)周邊無(wú)影響。

高品質(zhì)的標(biāo)刻需要建立在合理的工藝參數(shù)的選擇上, 但是目前關(guān)于激光標(biāo)刻工藝參數(shù)對(duì)橡膠輪胎標(biāo)刻質(zhì)量與效果影響的研究還較少?；谔岣呦鹉z輪胎標(biāo)刻質(zhì)量和改善其標(biāo)刻效果的目的, 文中以黑色橡膠輪胎作為研究對(duì)象, 分別采用CO2激光和短脈沖光纖激光進(jìn)行表面標(biāo)刻, 研究?jī)煞N激光的標(biāo)刻工藝參數(shù)對(duì)其表面形貌的影響規(guī)律與機(jī)制, 優(yōu)化工藝參數(shù), 獲得高品質(zhì)的標(biāo)刻質(zhì)量和標(biāo)刻效果。最后描述了激光標(biāo)刻在輪胎胎面花紋快速成形方面的應(yīng)用。

1 輪胎標(biāo)刻激光器的選擇

激光與物質(zhì)作用的有效性主要按其波長(zhǎng)區(qū)分，適合用作輪胎激光標(biāo)刻的激光器主要是兩種光源，一種是發(fā)射1 064 nm 波長(zhǎng)激光的短脈沖光纖激光器，一種是發(fā)射10.6 um 波長(zhǎng)激光的CO2激光器，他們的波長(zhǎng)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。需要確定兩種激光作用在輪胎表面的聚焦光斑大小，激光聚焦光斑直徑d可表達(dá)為[1]：

式中，M2為光束質(zhì)量系數(shù)，λ為激光波長(zhǎng)，f為聚集鏡對(duì)此波長(zhǎng)的激光焦距，D為激光入射聚焦鏡前直徑。由式1 可得出一個(gè)結(jié)論，激光波長(zhǎng)越短，相同配置下的焦斑直徑越小，可標(biāo)刻出更精細(xì)的圖案。一般對(duì)于非金屬尤其橡膠類(lèi)產(chǎn)品的標(biāo)刻10.6 um 波長(zhǎng)的CO2激光器是最佳選擇。但考慮到1 064 nm 的激光焦斑直徑更小，所以本文也研究了短脈沖光纖激光器的標(biāo)刻工藝。

針對(duì)不同波長(zhǎng)的激光材料的吸收率也是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。輪胎橡膠配方大致由以下材料組成[2]，橡膠，氧化鋅，硬脂酸，防老劑，石蠟，炭黑，橡膠油，促進(jìn)劑，硫磺。其中橡膠和炭黑占比最大，其中橡膠對(duì)1 064 nm 激光吸收率很低，對(duì)純橡膠采用短波長(zhǎng)激光進(jìn)行標(biāo)刻行不通，通過(guò)添加炭黑的方式可以提高非金屬材料對(duì)1 064 nm 激光的吸收率[3]，大部分輪胎膠料配方均含有大量的炭黑，又因1 064 nm 的激光焦斑足夠小，理論上可標(biāo)刻出更為精細(xì)的圖案。所以本文也做了此類(lèi)激光器的輪胎標(biāo)刻工藝測(cè)試。

2 短脈沖光纖激光器輪胎標(biāo)刻工藝研究

本章采用免維護(hù)、光路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境的短脈沖光纖激光器來(lái)進(jìn)行激光標(biāo)刻輪胎的工藝研究。本章實(shí)驗(yàn)采用的激光器是激光脈寬為100 ns 的脈沖光纖激光器，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 納秒脈沖光纖激光器主要參數(shù)

經(jīng)激光器輸出直徑6.4 mm 的平行激光束直接輸入兩維振鏡，再經(jīng)過(guò)一個(gè)光學(xué)焦距為160 mm 的聚焦場(chǎng)鏡。據(jù)式1 可計(jì)算出其聚焦后焦斑直徑為40 um. 實(shí)驗(yàn)中在輪胎胎壁分別采用表2 所示的工藝參數(shù)標(biāo)刻長(zhǎng)為45 mm 高度12 mm 的圖案（見(jiàn)圖1）。

圖 1 標(biāo)刻CAD 圖形

表2 光纖激光標(biāo)刻輪胎實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

序號(hào)1～6 參數(shù)納秒脈沖光纖激光標(biāo)刻輪胎側(cè)壁形貌（見(jiàn)圖2～圖7）

圖 2 光纖激光標(biāo)刻輪胎形貌1

圖 3 光纖激光標(biāo)刻輪胎形貌2

圖 4 光纖激光標(biāo)刻輪胎形貌3

圖 5 光纖激光標(biāo)刻輪胎形貌4

圖 6 光纖激光標(biāo)刻輪胎形貌5

圖 7 光纖激光標(biāo)刻輪胎形貌6

由上述納秒脈沖光纖激光標(biāo)刻輪胎實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

添加炭黑的黑色輪胎對(duì)于1 064 nm 的激光吸收率提高有限，標(biāo)刻深度有限，標(biāo)刻時(shí)間較長(zhǎng)，但標(biāo)刻精細(xì)度稍好。不同配比的輪胎用光纖激光器標(biāo)刻差別較大。輪胎中除了炭黑以外的其它材料對(duì)1 064 激光吸收率非常低，尤其新胎中油脂類(lèi)物質(zhì)去除較差，標(biāo)刻過(guò)程中噴濺出來(lái)的油脂類(lèi)物質(zhì)黏附在標(biāo)刻的圖案旁邊，影響外觀。由此可以得出結(jié)論，考慮到時(shí)效，光纖激光器不是輪胎標(biāo)刻應(yīng)用的最佳選擇，對(duì)于標(biāo)刻圖案深度不超過(guò)200 um，圖案精細(xì)度有較高要求的輪胎標(biāo)刻應(yīng)用可采用，但要做好標(biāo)刻過(guò)程中噴濺出的油脂去除。

3 CO2 激光器輪胎標(biāo)刻工藝研究

CO2激光器輸出波長(zhǎng)10.6 um 的激光，非金屬材料對(duì)其吸收率很高，適合非金屬材料上各種圖形字符的標(biāo)刻，但由于其聚焦光斑相對(duì)稍大，標(biāo)刻細(xì)小的圖案需謹(jǐn)慎。本章就CO2激光標(biāo)刻輪胎做了深入研究，實(shí)驗(yàn)采用的激光器是全密封式免維護(hù)射頻CO2激光器，主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 金屬射頻CO2 激光器主要參數(shù)

直徑1.8 mm 的激光束經(jīng)過(guò)-6 倍擴(kuò)束鏡片組后，光束變?yōu)橹睆?0.8 mm 的激光束，再進(jìn)入兩維振鏡，最后通過(guò)一光學(xué)焦距為200 mm 的CO2激光場(chǎng)鏡聚焦在輪胎表面。據(jù)式1 可計(jì)算出其聚焦后焦斑直徑為300 um. 實(shí)際標(biāo)刻中，由于對(duì)此波長(zhǎng)激光吸收極高，實(shí)際應(yīng)用中輪胎激光標(biāo)刻痕跡會(huì)大于這個(gè)數(shù)值。分別通過(guò)表4 所示參數(shù)在輪胎側(cè)壁標(biāo)刻圖1 所示圖案，對(duì)應(yīng)標(biāo)刻時(shí)間及標(biāo)刻深度見(jiàn)表4。

表4 CO2 激光標(biāo)刻輪胎實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)標(biāo)刻圖案的典型形貌（見(jiàn)圖8），由于輪胎對(duì)CO2激光吸收率高，去除胎壁橡膠原理是通過(guò)激光燒蝕，將去除材料直接氣化被吸塵器抽走。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看其標(biāo)刻速度快，標(biāo)刻深度可控，圖案邊緣光滑清晰，從激光標(biāo)刻軌跡剖面圖（見(jiàn)圖9）可看出標(biāo)刻端面無(wú)細(xì)小裂口，對(duì)周邊無(wú)任何不良影響。所以CO2激光是輪胎標(biāo)刻應(yīng)用比較理想的光源。但用CO2做輪胎標(biāo)刻應(yīng)用有以下幾點(diǎn)要注意：

圖 8 CO2 激光標(biāo)刻輪胎形貌

圖9 CO2 激光標(biāo)刻輪胎剖面

（1）激光光路的密閉防護(hù)要做好，實(shí)際應(yīng)用中灰塵對(duì)激光的傳輸有較大的影響，對(duì)CO2激光器激光輸出窗到振鏡輸入口之間最好采用密封式光路，要最大限度的避免環(huán)境對(duì)其造成的不良影響。

（2）光功率較大時(shí)標(biāo)刻輪胎，會(huì)有較大的火苗，對(duì)火敏感的場(chǎng)所要注意避免，可通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)避免起火，但會(huì)導(dǎo)致標(biāo)刻時(shí)間加長(zhǎng)，也可通過(guò)對(duì)著標(biāo)刻部位吹潔凈的壓縮空氣來(lái)避免起火，這個(gè)要求輪胎定位要穩(wěn)定，防止較大的氣流會(huì)導(dǎo)致標(biāo)刻期間輪胎發(fā)生位移。

（3）對(duì)于一些精密細(xì)小的圖案標(biāo)刻要通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整，由于CO2激光聚焦光斑較大，標(biāo)刻時(shí)要考慮光斑的直徑。要標(biāo)刻的圖案（見(jiàn)圖10）采用內(nèi)部填充標(biāo)刻，使用光纖激光標(biāo)刻細(xì)節(jié)放大圖（見(jiàn)圖11），使用CO2激光標(biāo)刻細(xì)節(jié)放大圖（見(jiàn)圖12），明顯看出光纖激光標(biāo)刻的細(xì)節(jié)更接近原圖。因此在用CO2激光標(biāo)刻輪胎時(shí)，圖案要做出相應(yīng)的調(diào)整，才能標(biāo)刻出細(xì)節(jié)清晰的圖案。

圖10 標(biāo)刻CAD 圖

圖11 光纖激光標(biāo)刻細(xì)節(jié)

圖12 CO2 激光標(biāo)刻細(xì)節(jié)

圖 13 CO2 激光雕刻原型胎胎面花紋形貌

4 激光雕刻輪胎胎面花紋的應(yīng)用

長(zhǎng)期以來(lái)輪胎開(kāi)發(fā)中的瓶頸之一是需要用手工雕刻原型輪胎胎面花紋。這是一項(xiàng)需要高度熟練技巧的工作，刻一條原型胎面花紋要花4 天時(shí)間。操作人員使用手工雕刻工具，根據(jù)cad 圖紙打印的模板為參照 。手工雕刻非常耗時(shí)，對(duì)操作人員的測(cè)量精度要求極高，雕刻誤差難以避免[4]。有報(bào)道稱(chēng)有企業(yè)嘗試使用機(jī)器人完成原型胎的熱刀標(biāo)刻。

激光在胎壁上標(biāo)刻圖案，在硫化過(guò)的光輪胎胎面上也可以標(biāo)刻深淺不一的各種圖形花紋（見(jiàn)圖13），再結(jié)合以旋轉(zhuǎn)標(biāo)刻技術(shù)、自動(dòng)變焦技術(shù)、3D 去除技術(shù)即可將硫化過(guò)的光胎高精度高效的變?yōu)橐粋€(gè)開(kāi)發(fā)用原型胎。激光標(biāo)刻技術(shù)在原型胎面花紋的制作中有著很大的優(yōu)勢(shì)。激光可以在硫化過(guò)的光輪胎上標(biāo)刻出個(gè)性化的胎面輪廓和胎側(cè)圖案。該工藝可取代當(dāng)今仍然普遍存在的耗時(shí)的手工雕刻輪胎原型，從而大大縮短輪胎開(kāi)發(fā)的周期，降低成本。對(duì)于量非常小的和一次性產(chǎn)品，采用激光標(biāo)刻成形成本更低。

5 結(jié)論

激光標(biāo)刻在輪胎制造過(guò)程中的應(yīng)用是一次技術(shù)的創(chuàng)新，胎面花紋和胎壁圖案的雕刻、在輪胎產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和創(chuàng)建個(gè)性化產(chǎn)品方面提供了一種更快捷、低成本、更高效、更靈活的方法，憑借其精度和成本效益，很容易看到這項(xiàng)技術(shù)在汽車(chē)輪胎行業(yè)會(huì)大受歡迎。使它成為輪胎企業(yè)、汽車(chē)和摩托車(chē)愛(ài)好者的通用和有價(jià)值的工具。