軌道客車高效優(yōu)質(zhì)激光清洗技術(shù)的工程應(yīng)用與前景展望

韓曉輝，齊先勝

中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

1 序言

軌道客車是高速動車組、干線旅客列車和城軌地鐵的統(tǒng)稱[1]。自2005年引進吸收國外技術(shù)以來，我國軌道客車快速發(fā)展，已經(jīng)成為中國制造走向世界的“金名片”。在軌道客車生產(chǎn)制造及檢修過程中存在大量的清洗作業(yè)工序，譬如鋁合金車體焊前清洗氧化膜、焊后清理黑灰，不銹鋼車體焊后清洗氧化色，轉(zhuǎn)向架檢修去油、脫漆、除銹等。目前，國內(nèi)外知名的軌道客車制造企業(yè)，如日本川崎、德國西門子、法國阿爾斯通、加拿大龐巴迪以及中車各主機廠主要采用化學(xué)清洗及機械打磨方式進行清洗作業(yè)，存在勞動強度大、作業(yè)環(huán)境差、環(huán)保成本高的弊端。隨著高端裝備制造的發(fā)展及民眾環(huán)保意識的提升，傳統(tǒng)清洗模式已無法滿足，開發(fā)高效、優(yōu)質(zhì)、綠色、環(huán)保的清洗技術(shù)已成為軌道客車制造亟待解決的工程問題。

激光清洗技術(shù)基于效率高、效果佳、非接觸、無損傷、綠色環(huán)保等突出優(yōu)勢，與傳統(tǒng)清洗劑、超聲波和機械式清洗形成鮮明對比，自20世紀60年代提出以來，受到國內(nèi)外工程技術(shù)人員的青睞。經(jīng)過五十余年發(fā)展，基礎(chǔ)研究及配套設(shè)備開發(fā)日趨成熟，已成功應(yīng)用于航天、航空、船舶、汽車及核電等工業(yè)領(lǐng)域[2-4]。近年來，隨著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略實施，高速列車鋁合金車身、齒輪箱等關(guān)鍵零部件的高效、優(yōu)質(zhì)激光清洗技術(shù)成為研究熱點，并逐步得到工程化應(yīng)用。本文立足軌道交通領(lǐng)域，對軌道客車激光清洗技術(shù)的應(yīng)用概況進行介紹，并結(jié)合激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，展望了激光清洗技術(shù)在軌道客車行業(yè)的應(yīng)用前景。

2 激光清洗技術(shù)簡介

2.1 激光清洗原理

激光清洗技術(shù)通過低功率、高密度的激光束作用于工件，使其表面污物、氧化物或涂層經(jīng)過受熱膨脹、共振沖擊、燃燒氣化、分解蒸發(fā)等眾多物理化學(xué)變化而脫離基材，進而實現(xiàn)表面清理凈化的目的[5-10]，如圖1所示。

圖1 激光清洗過程

2.2 激光清洗技術(shù)發(fā)展歷程

激光清洗技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段。第一階段自20世紀60年代中期著名物理學(xué)家Arthur Schawlow提出激光清洗概念開始至20世紀末，研究主要集中在激光清洗石像雕塑和微電子硅片表面污物顆粒[11]，是激光清洗技術(shù)的新興時期，技術(shù)發(fā)展較慢，相關(guān)應(yīng)用報道較少。第二階段自21世紀開始，激光清洗技術(shù)成為國內(nèi)外工程技術(shù)人員的研究熱點，近二十年取得了飛速發(fā)展。

根據(jù)待清基材的激光清洗特點，相繼開發(fā)了干式、液膜、化學(xué)、激波、復(fù)合等激光清洗技術(shù)。激光干式清洗法適用于污物對激光吸收率高且基材吸收率低的工況，譬如鋁合金、碳素鋼表面的氧化膜；因操作簡便、易于控制等優(yōu)勢應(yīng)用最廣。激光液膜法適用于激光吸收率較低的材料，通過液膜增強激光能量吸收，液膜沸騰、氣化、振動產(chǎn)生沖擊使污物脫離基材，具有激光功率低、清洗效率高和基材損傷小的優(yōu)點。激光激波清洗法對納米顆粒污染物的清洗具有良好的效果，激光束平行于工件表面，通過擊穿空氣產(chǎn)生的沖擊波實現(xiàn)納米顆粒污染物清洗的目的；由于激光不與基材接觸，對基材的損傷幾率最小。激光復(fù)合清洗是一種新興技術(shù)，通過半導(dǎo)體激光與脈沖激光復(fù)合提高激光清洗質(zhì)量和效率，對較厚漆層或銹層的去除有著良好的清洗效果，在軌道車輛輪軸和構(gòu)架脫漆方面有著良好的應(yīng)用前景。

3 激光清洗應(yīng)用概況

目前，軌道客車行業(yè)采用傳統(tǒng)的機械打磨和化學(xué)方法清理氧化物、殘膠、油污、銹蝕及涂層，如采用機械打磨方式去除氧化膜，采用手工電化學(xué)清洗方式去除焊后氧化色，采用拋丸、噴砂方式完成脫漆、除銹，存在人工作業(yè)量大、工作效率低、質(zhì)量一致性差等問題，已無法滿足車輛制造精細化、自動化、智能化的發(fā)展要求，國內(nèi)外軌道客車制造企業(yè)相繼開展了激光清洗技術(shù)工程化應(yīng)用的探索。

3.1 軌道客車新造領(lǐng)域

（1）高效自動激光清洗技術(shù)在鋁合金車體焊接中的應(yīng)用 鋁合金以其輕質(zhì)、高強、加工性好的特點廣泛用于高速列車、城軌地鐵等客車車體。鋁合金車體焊接是列車制造的關(guān)鍵技術(shù)，鋁合金氧化膜易造成氣孔、夾渣等缺陷，嚴重影響焊接質(zhì)量。為實現(xiàn)鋁合金表面氧化膜的快速清洗，四方股份公司開發(fā)了鋁合金車體長大焊接部件高效自動激光清洗技術(shù)，通過將激光清洗裝置集成于龍門式激光電弧復(fù)合焊接機器人上，實現(xiàn)了“即清即焊、清焊一體”的高效作業(yè)，如圖2所示。該技術(shù)在時速600km高速磁浮項目中實現(xiàn)工程化應(yīng)用，采用激光清洗制造的高速磁浮列車如圖3所示。南京浦鎮(zhèn)和四方龐巴迪公司將激光清洗機集成至全自動弧焊機器人上，實現(xiàn)了城軌地鐵鋁合金側(cè)墻、車頂?shù)炔考盖扒逑?、隨動焊接及焊后清理的自動化作業(yè)，最高清洗速度可達3m/min，如圖4所示。與傳統(tǒng)機械打磨方式相比，鋁合金全自動激光清洗+焊接技術(shù)對車體長大部件表面氧化物去除更徹底，作業(yè)效率更高，焊接效果更好。

圖2 鋁合金激光清洗復(fù)合焊接全自動機器人

圖3 時速600km高速磁浮列車

圖4 鋁合金激光清洗電弧焊接全自動機器人

（2）不銹鋼多工況激光精細清洗技術(shù)應(yīng)用 不銹鋼材料以其高強、高韌、耐蝕的技術(shù)特點在城軌地鐵列車行業(yè)獲得大規(guī)模的推廣使用，不銹鋼車體數(shù)量占軌道客車總量的40%以上。不銹鋼車體為無涂裝車體，其商品化質(zhì)量要求很高。不銹鋼焊后表面易產(chǎn)生氧化色、黑灰，影響車輛商品化效果。自2016年起，四方股份公司開展了不銹鋼車體焊后氧化色及黑灰激光清洗技術(shù)研究，歷經(jīng)兩年時間，開發(fā)了不銹鋼車體多工況激光精細清洗技術(shù)，已在青島1號線、巴西圣保羅地鐵、美國芝加哥地鐵等項目中實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。激光清洗焊點氧化色和焊縫黑灰情況如圖5、圖6所示，采用激光清洗制造典型產(chǎn)品如圖7、圖8所示。

圖5 激光清洗不銹鋼電阻點焊氧化色

圖6 激光清洗不銹鋼弧焊焊縫黑灰及氧化色

圖7 青島地鐵1號線激光清洗車輛

圖8 芝加哥地鐵激光清洗車輛

3.2 軌道客車檢修領(lǐng)域

（1）轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件選區(qū)脫漆激光清洗技術(shù)應(yīng)用 轉(zhuǎn)向架作為軌道客車的走行部位，承受來自鋼軌的交變載荷，易產(chǎn)生疲勞損傷。為保證行車安全，需在轉(zhuǎn)向架高級檢修時對車軸、構(gòu)架等關(guān)鍵零部件進行脫漆探傷。目前，行業(yè)內(nèi)主要采用機械打磨或化學(xué)清理方式進行脫漆，作業(yè)強度大、工作環(huán)境差。四方股份公司聯(lián)合英國曼徹斯特大學(xué)對車軸激光脫漆的機理及影響因素進行深入研究，形成了車軸激光脫漆清洗工藝。先使用1kW大功率激光去除面漆層，再使用30W小功率激光精細清洗機靠近車軸金屬基材表面的漆層，有效避免基材損傷，同時提高了激光清洗效率。

（2）轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件除銹激光清洗技術(shù)應(yīng)用 轉(zhuǎn)向架直接暴露于車輛運行環(huán)境中，部分關(guān)鍵零部件如集電環(huán)、軸箱體會發(fā)生銹蝕，影響行車安全。四方股份公司以集電環(huán)、銅墊片及軸箱體為研究對象，利用激光能量精細可控的特點，開發(fā)了轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件激光清洗除銹技術(shù)。激光清洗前后的集電環(huán)、銅墊片和軸箱體如圖9~圖11所示。國內(nèi)某地鐵公司也采用激光清洗技術(shù)清理轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件的氧化層，并實現(xiàn)了小規(guī)模的工程化應(yīng)用。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，激光清洗技術(shù)使作業(yè)效率提高2~3倍，并極大改善了勞動環(huán)境。

圖9 激光清洗前后的集電環(huán)

圖10 激光清洗前后的銅墊片

圖11 激光清洗前后的軸箱體

4 激光清洗技術(shù)難點

要實現(xiàn)軌道客車激光清洗技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，需結(jié)合車輛結(jié)構(gòu)特點重點解決以下三方面問題：

1）基于待清基材的材料特性，深化激光與材料相互作用的基礎(chǔ)研究，是激光清洗技術(shù)工程化應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。通過研究不同基材激光清洗的特點、機理，分析激光功率、頻率、離焦量、清洗速度等因素對清洗質(zhì)量的影響，確定清洗工藝和損傷閾值，在保證清洗質(zhì)量和效率的同時，避免基材表面產(chǎn)生損傷。

2）開展激光清洗裝備集成及自動作業(yè)技術(shù)研究，是激光清洗技術(shù)推廣應(yīng)用的重要保證。軌道客車結(jié)構(gòu)長大，作業(yè)空間復(fù)雜，手持式激光清洗效率低，清洗質(zhì)量穩(wěn)定性差，無法適用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)線布局及自動化設(shè)備情況，將激光清洗設(shè)備集成于自動化裝備，實現(xiàn)自動清洗并與其他作業(yè)模式有機融合。

3）激光清洗技術(shù)作為一種革命性的清洗方法，尚無清洗后表面的性能評估方法和質(zhì)量評價標準，也限制了其推廣應(yīng)用。開發(fā)激光清洗后零部件的性能評估方法，形成質(zhì)量評價標準，是激光清洗技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要支撐。

5 前景展望

激光清洗技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用雖然處于起步階段，但市場前景廣闊，推廣意義重大。隨著軌道客車制造水平的提升和“中國制造2025”的實施，激光加工技術(shù)已成為未來高端裝備制造不可或缺的技術(shù)手段。激光清洗作為激光加工技術(shù)的重要分支，以其優(yōu)質(zhì)、高效、智能的工程特點，降低了產(chǎn)品制造成本，提升了生產(chǎn)線的自動化水平，滿足企業(yè)轉(zhuǎn)型升級需求，契合國家綠色發(fā)展理念，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。