塑料具有成本低、易加工、化学稳定性好、电绝缘性好等优点，在各个领域广泛应用[1-2]。塑料加工成型过程中离不开机械装备[3]和模具[4-6]，由于塑料黏性较高，塑料在加工成型过程中不可避免黏附于机械装备和模具表面，影响塑料的成型质量和效率。塑料模具是塑料成型加工（包括挤出、挤塑、吹塑、注塑、压延等）中常用的构件[7-8]，主要由各种金属材料制成。目前主要采用加热、化学溶剂浸泡、人工刮刷等手段去除黏附在机械装备和金属模具表面的塑料残余物，这些清除方式存在效率低、环境污染大、劳动强度高和容易损伤模具本体等缺陷，因此探究新型清洁方式很重要。激光清洁作为一种新型的表面清洁技术[9-11]，特定区域的表面污染物吸收激光光束能量，产生快速热膨胀、高频振动、气化分解和等离子化等效应，从金属表面脱落[12-13]。激光清洁技术具有效率高、清洁彻底和对基材损伤小等优势，已在生产生活中得到广泛应用[14]。激光清洁已在钢铁、铝、钛等多种金属制品的表面清洁领域发挥重要作用[15-17]，但将其应用于塑料模具金属表面清洁的研究相对较少。已有大量研究表明，1 064 nm波长的激光更适合于清洗工作[18-19]。激光技术已在塑料加工领域有一定应用，主要在激光焊接、激光标记、激光打孔、激光切割和选择性激光烧结等工序[20-21]。本实验将激光技术在塑料成型加工领域的应用拓展到塑料模具的后处理阶段，重点探索1 064 nm波长激光的功率和脉冲频率对塑料模具金属表面清洁效果的影响。利用扫描电子显微镜和X射线能谱分析清洁前后金属表面形貌及氧含量，并通过表面显微硬度测试和电化学极化曲线测试，研究激光清洁去除金属表面有机污染物的效果。1实验部分1.1主要原料自然条件下在空气中经过多次使用后的塑料模具金属。1.2仪器与设备Nd:YAG激光清洁机，MRJ-FL-C，成都迈锐捷激光技术有限公司；场发射扫描电子显微镜(FESEM)，Quanta250FEG，美国FEI公司；X射线能谱仪(EDX)，Octane Elect，美国EDAX公司；显微硬度计，HVS-1000，深圳恒信杰科技有限公司；电化学系统，PARSTAT 4000，美国普林斯顿公司。1.3样品制备试验清洁设备选用Nd:YAG激光清洁机，波长为1 064 nm，脉宽为100 ns，激光功率为160~300 W可调，脉冲频率为80~120 kHz可调。表1为模具材料试样激光清洁参数。激光清洁时间均为10 s，同步设置砂纸打磨的模具材料作为对照样。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.T001表1模具材料试样激光清洁参数Tab.1Laser cleaning parameters of mold material samples试样编号激光功率（P）/W脉冲频率（f）/kHzA116080A2160100A3160120B118080B2180100B3180120C120080C2200100C3200120D125080D2250100D3250120E130080E2300100E33001201.4性能测试与表征FESEM测试：利用场发射扫描电子显微镜观察激光清洁后模具材料表面形貌。EDX测试：利用配套X射线能谱仪(EDX)对清洁后模具材料表面元素进行定量分析。显微硬度测试：利用显微硬度计测量模具材料表面硬度。使用了一个136°的金刚石四棱锥压缩激光清洁后的模具材料，压力设置为1.96 N，保压时间为10 s。每个区域进行3个点以上的测试，取平均值。维氏硬度值的计算公式为：HV=0.1891×Fd2 （1）式（1）中：HV为维氏硬度，N/mm2；F为试验力，N；d为压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm。电化学腐蚀性能测试：利用电化学系统对激光清洁后模具材料的电化学腐蚀情况进行表征。以该模具材料薄片（有效面积为3 mm×6 mm，其余区域用石蜡密封）为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，质量分数3.5%的NaCl水溶液为电解液。起始电位和终止电位分别为-0.5 V和0.5 V vs OC（开路电压），扫描速率为1 mV/s。2结果与讨论2.1模具表面形貌及氧含量图1为不同激光功率和频率下清洁后的模具材料表面的FESEM照片。从图1可以看出，不同激光功率和频率下清洁后的模具材料表面形貌基本相近，表面环状结构主要是由激光光斑作用导致。图1不同激光功率和频率下清洁后的模具材料表面的FESEM照片Fig.1FESEM images of surface of mold materials after cleaning at different laser powers and frequencies10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F1a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F1a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F1a3有机物所含元素主要为C、H、O，可以通过表面氧含量定性表明有机物的整体含量。通过EDX对塑料模具表面的氧含量进行定量分析，图2为测试结果。从图2可以看出，未处理的模具材料表面氧含量（氧原子比）高达18.8%，而砂纸打磨物理去除后的对照样表面氧含量仅为1.9%。相比较而言，经激光清洁的模具材料表面氧原子比介于2.7%~8.0%之间，略微高于物理去除氧化层的对照样，但远低于未处理的样品。该结果表明了激光处理可以有效去除模具表面的残余塑料，然而激光作用于模具表面使其表面明显升温，产生热场与空气中的氧反应，发生二次氧化，导致激光清洁后模具材料表面的氧原子比略高于砂纸打磨物理去除氧化层的模具试样。研究中所选取的激光波长为1 064 nm，塑料模具材料对该波长的光吸收远低于塑料[22]，表面塑料强烈吸收激光后迅速升温至蒸发点并发生气化，从而达到清除目的。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F002图2不同激光功率和频率下清洁后的模具材料表面氧含量Fig.2Surface oxygen content of the mold material after cleaning at different laser powers and frequenciesSalimbeni等[23]和Osticioli等[24]研究表明，激光频率脉冲会影响清洗效果，这与表面污染物/基体材料结合力大小有关。从图2可以看出，在相同激光清洁时间且同一激光功率下，随着脉冲频率的提升，模具材料表面氧原子比呈逐渐上升趋势。在激光功率为200 W情况下，脉冲频率从80 kHz提高至120 kHz，模具材料表面氧原子比从2.67%升至5.50%；脉冲频率为100 kHz时，模具材料表面氧原子比为3.59%。该现象可能与激光二次氧化有关，同样的激光处理时长内，脉冲频率越高，意味着激光作用于模具材料表面的总时长越长，间隔越短，从而导致金属模具材料表面吸收热量更高，发生二次氧化更严重。二次氧化导致氧原子比提升，间接反映了激光清洗去除模具表面塑料残余物的速率得到提升。2.2显微硬度图3为模具材料激光清洁后的显微硬度。从图3可以看出，与砂纸打磨物理去除氧化层的对照样(103 N/mm2)相比，激光清洁后的模具材料显微硬度略高，介于107~130 N/mm2之间。结合激光清洁后模具表面氧含量变化规律，这种激光硬化现象可能是因为激光处理过程中高温导致模具材料表面产生二次氧化层。在激光功率为200 W时，随着脉冲频率从80 kHz提升至120 kHz，模具材料表面硬度先从120 N/mm2降至105 N/mm2，又升至115 N/mm2。结合200 W功率下激光处理的模具材料表面氧含量随脉冲频率单调上升，可以推测二次氧化层并非激光硬化作用的唯一原因。由于激光的脉冲作用对材料表面进行局部快速加热，从而起到淬火强化的作用[25-28]，这也是激光清洁后模具表面硬度提升的可能原因之一。模具表面硬度的提高是激光清洁的重要优势之一，有助于提升模具的使用寿命及成型加工塑料产品的精度和表面光洁度等，目前常规清洁手段都不会使模具材料表面硬度提升。激光功率为200 W、脉冲频率为100 kHz时，激光清洁后模具材料表面硬度最低，为105 N/mm2，但仍高于处理前的对照样品。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F003图3模具材料激光清洁后的显微硬度Fig.3Microhardness of mold material after laser cleaning2.3耐腐蚀性能塑料模具材料多数为金属材料，化学性质较为活泼，长时间暴露于空气，容易发生腐蚀。通常采用合金、表面有机/无机涂层等方式抑制其腐蚀。模具材料表面是否存在塑料和/或氧化层，对模具耐腐蚀性能有明显差异[29-30]。因此，可以通过电化学手段对模具材料表面的清洁效果进行衡量。图4为经激光清洁后模具材料在3.5% NaCl溶液中的极化曲线。图5为激光清洁后模具材料的腐蚀电位和腐蚀电流密度。图4经激光清洁后的模具材料在3.5% NaCl溶液中极化曲线Fig.4Polarization curves of the mold material cleaned by laser in 3.5% NaCl solution10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F4a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F4a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F4a3图5激光清洁后模具材料的腐蚀电位和腐蚀电流密度Fig.5Corrosion potential and corrosion current density of mold material after laser cleaning10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F5a1（a）腐蚀电位10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F5a2（b）腐蚀电流密度腐蚀电位越高，说明腐蚀反应的难度越大，即耐腐蚀性越好；腐蚀电流密度越低，说明电荷转移电阻越大，即耐腐蚀性越好。腐蚀电位越低、腐蚀电流密度越高，则模具材料表面的清洁效果越佳。从图4和图5可以看出，激光清洁后模具材料的腐蚀电位和腐蚀电流密度与砂纸打磨对照样相当，即激光清洁去除模具表面残余塑料和氧化层的效果可与砂纸打磨效果相当。激光清洁后模具材料的腐蚀电位介于-0.21~-0.36 V(vs. SCE)之间，略高于对照样的-0.23 V(vs. SCE)，这可能与激光清洁导致模具材料表面二次氧化有关。激光清洁后模具材料的腐蚀电流密度基本与对照样一致，对照样腐蚀电流密度为-5.1 μA/cm2，激光清洁后模具材料的腐蚀电流密度(-5.1±0.5) μA/cm2。2.4清洗效果图6为多次使用后模具及激光清洗后的模具。从图6a可以看出，注塑模具经过多次使用后表面沾染了一些残余的深色污染物，导致部分注塑产品脱模困难并形成废品，废品率约为1.2%。从图6b可以看出，激光清洁后模具表面没有污染物，同时废品率显著下降，约为0.2%。相对于模具清洗前，废品率减少了83.3%，可见激光清洗模具对于保证加工质量与效率意义重大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.016.F006图6多次使用后模具及激光清洗后的模具Fig.6Mold after repeated use and mold after laser cleaning3结论通过干式激光清洁，在160~300 W的激光功率范围内、80~120 kHz的激光频率作用下，均能有效去除塑料模具表面的残余塑料以及氧化层。激光引起局部高温使得模具表面发生二次氧化作用以及激光产生的局部淬火作用，使得激光清洁的模具材料表面显示出较物理去除氧化层的对照样略高的显微硬度。相同激光功率下，脉冲频率越高，模具表面二次氧化的程度越高。而模具表面硬度受表面氧化层和激光淬火作用的共同影响，在脉冲频率相同的情况下，模具表面硬度随激光功率的提升出现先降低后增大的变化规律。综合考虑设备体积、能耗、清洁效率等因素，激光功率为200 W、脉冲频率为100 kHz，激光清洁后的模具材料表现出较低的表面氧含量(3.59%)、最低的表面硬度(105 N/mm2)、略低于对照样的腐蚀电流密度-5.1 μA/cm2，具有最好的综合表面清洁效果。