激光标刻技术在轮胎生产中的应用

华建民，潘济堂

(南京集萃激光智能制造有限公司，江苏 南京 210000)

轮胎标识是按国家标准规定，在轮胎的两侧要标出生产编号、制造厂商标、尺寸规格、层级、最大负荷和相应气压、胎体帘布汉语拼音代号、安装要求和行驶方向记号等，以往这些数据通过硫化机模压到胎壁上的，这极大增加了轮胎模具及硫化生产费用，需要花费大量的时间来更换模具生产日期信息块。胎侧标记及其它图形的制作费用高昂，时间周期长，尤其对生产一些量小的轮胎产品及车胎的个性化设计实现。这些劣势都可以通过激光标刻技术这一手段避免，轮胎激光标刻是一种的生产定制和个性化产品快速实现的方法，在轮胎领域越来越受欢迎。随着激光加工技术应用的深入, 关于激光加工产业化应用的研究日益增多。 其中, 轮胎激光标刻是利用激光束烧蚀去除表层材料，具有适应范围广、操作简单、速度快、质量好,热影响区小, 加工柔性大等优点, 是传统工艺无法比拟的，能够标刻任意形状的图形, 标刻精细, 图形清晰，对周边无影响。

高品质的标刻需要建立在合理的工艺参数的选择上, 但是目前关于激光标刻工艺参数对橡胶轮胎标刻质量与效果影响的研究还较少。基于提高橡胶轮胎标刻质量和改善其标刻效果的目的, 文中以黑色橡胶轮胎作为研究对象, 分别采用CO2激光和短脉冲光纤激光进行表面标刻, 研究两种激光的标刻工艺参数对其表面形貌的影响规律与机制, 优化工艺参数, 获得高品质的标刻质量和标刻效果。最后描述了激光标刻在轮胎胎面花纹快速成形方面的应用。

1 轮胎标刻激光器的选择

激光与物质作用的有效性主要按其波长区分，适合用作轮胎激光标刻的激光器主要是两种光源，一种是发射1 064 nm 波长激光的短脉冲光纤激光器，一种是发射10.6 um 波长激光的CO2激光器，他们的波长相差一个数量级。需要确定两种激光作用在轮胎表面的聚焦光斑大小，激光聚焦光斑直径d可表达为[1]：

式中，M2为光束质量系数，λ为激光波长，f为聚集镜对此波长的激光焦距，D为激光入射聚焦镜前直径。由式1 可得出一个结论，激光波长越短，相同配置下的焦斑直径越小，可标刻出更精细的图案。一般对于非金属尤其橡胶类产品的标刻10.6 um 波长的CO2激光器是最佳选择。但考虑到1 064 nm 的激光焦斑直径更小，所以本文也研究了短脉冲光纤激光器的标刻工艺。

针对不同波长的激光材料的吸收率也是一个关键的考虑因素。轮胎橡胶配方大致由以下材料组成[2]，橡胶，氧化锌，硬脂酸，防老剂，石蜡，炭黑，橡胶油，促进剂，硫磺。其中橡胶和炭黑占比最大，其中橡胶对1 064 nm 激光吸收率很低，对纯橡胶采用短波长激光进行标刻行不通，通过添加炭黑的方式可以提高非金属材料对1 064 nm 激光的吸收率[3]，大部分轮胎胶料配方均含有大量的炭黑，又因1 064 nm 的激光焦斑足够小，理论上可标刻出更为精细的图案。所以本文也做了此类激光器的轮胎标刻工艺测试。

2 短脉冲光纤激光器轮胎标刻工艺研究

本章采用免维护、光路结构更简单、更适应恶劣的工业环境的短脉冲光纤激光器来进行激光标刻轮胎的工艺研究。本章实验采用的激光器是激光脉宽为100 ns 的脉冲光纤激光器，主要参数见表1。

表1 纳秒脉冲光纤激光器主要参数

经激光器输出直径6.4 mm 的平行激光束直接输入两维振镜，再经过一个光学焦距为160 mm 的聚焦场镜。据式1 可计算出其聚焦后焦斑直径为40 um. 实验中在轮胎胎壁分别采用表2 所示的工艺参数标刻长为45 mm 高度12 mm 的图案（见图1）。

图 1 标刻CAD 图形

表2 光纤激光标刻轮胎实验工艺参数

序号1～6 参数纳秒脉冲光纤激光标刻轮胎侧壁形貌（见图2～图7）

图 2 光纤激光标刻轮胎形貌1

图 3 光纤激光标刻轮胎形貌2

图 4 光纤激光标刻轮胎形貌3

图 5 光纤激光标刻轮胎形貌4

图 6 光纤激光标刻轮胎形貌5

图 7 光纤激光标刻轮胎形貌6

由上述纳秒脉冲光纤激光标刻轮胎实验得出以下结论：

添加炭黑的黑色轮胎对于1 064 nm 的激光吸收率提高有限，标刻深度有限，标刻时间较长，但标刻精细度稍好。不同配比的轮胎用光纤激光器标刻差别较大。轮胎中除了炭黑以外的其它材料对1 064 激光吸收率非常低，尤其新胎中油脂类物质去除较差，标刻过程中喷溅出来的油脂类物质黏附在标刻的图案旁边，影响外观。由此可以得出结论，考虑到时效，光纤激光器不是轮胎标刻应用的最佳选择，对于标刻图案深度不超过200 um，图案精细度有较高要求的轮胎标刻应用可采用，但要做好标刻过程中喷溅出的油脂去除。

3 CO2 激光器轮胎标刻工艺研究

CO2激光器输出波长10.6 um 的激光，非金属材料对其吸收率很高，适合非金属材料上各种图形字符的标刻，但由于其聚焦光斑相对稍大，标刻细小的图案需谨慎。本章就CO2激光标刻轮胎做了深入研究，实验采用的激光器是全密封式免维护射频CO2激光器，主要参数见表3。

表3 金属射频CO2 激光器主要参数

直径1.8 mm 的激光束经过-6 倍扩束镜片组后，光束变为直径10.8 mm 的激光束，再进入两维振镜，最后通过一光学焦距为200 mm 的CO2激光场镜聚焦在轮胎表面。据式1 可计算出其聚焦后焦斑直径为300 um. 实际标刻中，由于对此波长激光吸收极高，实际应用中轮胎激光标刻痕迹会大于这个数值。分别通过表4 所示参数在轮胎侧壁标刻图1 所示图案，对应标刻时间及标刻深度见表4。

表4 CO2 激光标刻轮胎实验工艺参数

实验标刻图案的典型形貌（见图8），由于轮胎对CO2激光吸收率高，去除胎壁橡胶原理是通过激光烧蚀，将去除材料直接气化被吸尘器抽走。从实验结果看其标刻速度快，标刻深度可控，图案边缘光滑清晰，从激光标刻轨迹剖面图（见图9）可看出标刻端面无细小裂口，对周边无任何不良影响。所以CO2激光是轮胎标刻应用比较理想的光源。但用CO2做轮胎标刻应用有以下几点要注意：

图 8 CO2 激光标刻轮胎形貌

图9 CO2 激光标刻轮胎剖面

（1）激光光路的密闭防护要做好，实际应用中灰尘对激光的传输有较大的影响，对CO2激光器激光输出窗到振镜输入口之间最好采用密封式光路，要最大限度的避免环境对其造成的不良影响。

（2）光功率较大时标刻轮胎，会有较大的火苗，对火敏感的场所要注意避免，可通过调整工艺参数来避免起火，但会导致标刻时间加长，也可通过对着标刻部位吹洁净的压缩空气来避免起火，这个要求轮胎定位要稳定，防止较大的气流会导致标刻期间轮胎发生位移。

（3）对于一些精密细小的图案标刻要通过试验调整，由于CO2激光聚焦光斑较大，标刻时要考虑光斑的直径。要标刻的图案（见图10）采用内部填充标刻，使用光纤激光标刻细节放大图（见图11），使用CO2激光标刻细节放大图（见图12），明显看出光纤激光标刻的细节更接近原图。因此在用CO2激光标刻轮胎时，图案要做出相应的调整，才能标刻出细节清晰的图案。

图10 标刻CAD 图

图11 光纤激光标刻细节

图12 CO2 激光标刻细节

图 13 CO2 激光雕刻原型胎胎面花纹形貌

4 激光雕刻轮胎胎面花纹的应用

长期以来轮胎开发中的瓶颈之一是需要用手工雕刻原型轮胎胎面花纹。这是一项需要高度熟练技巧的工作，刻一条原型胎面花纹要花4 天时间。操作人员使用手工雕刻工具，根据cad 图纸打印的模板为参照 。手工雕刻非常耗时，对操作人员的测量精度要求极高，雕刻误差难以避免[4]。有报道称有企业尝试使用机器人完成原型胎的热刀标刻。

激光在胎壁上标刻图案，在硫化过的光轮胎胎面上也可以标刻深浅不一的各种图形花纹（见图13），再结合以旋转标刻技术、自动变焦技术、3D 去除技术即可将硫化过的光胎高精度高效的变为一个开发用原型胎。激光标刻技术在原型胎面花纹的制作中有着很大的优势。激光可以在硫化过的光轮胎上标刻出个性化的胎面轮廓和胎侧图案。该工艺可取代当今仍然普遍存在的耗时的手工雕刻轮胎原型，从而大大缩短轮胎开发的周期，降低成本。对于量非常小的和一次性产品，采用激光标刻成形成本更低。

5 结论

激光标刻在轮胎制造过程中的应用是一次技术的创新，胎面花纹和胎壁图案的雕刻、在轮胎产品开发和创建个性化产品方面提供了一种更快捷、低成本、更高效、更灵活的方法，凭借其精度和成本效益，很容易看到这项技术在汽车轮胎行业会大受欢迎。使它成为轮胎企业、汽车和摩托车爱好者的通用和有价值的工具。