激光除銹技術對軌道車輛車輪產品性能的影響

徐會文

(太原重工軌道交通設備有限公司，太原030001)

車輪的傳統(tǒng)除銹方法分為化學試劑除銹和機械除銹[1-3]。化學試劑除銹一般使用清洗劑和金屬發(fā)生化學反應達到除銹目的，實際使用中還需要配合砂紙、銼刀等進行手工打磨，除銹效果差，污染嚴重，易對母材造成損傷，應用受到限制。機械除銹主要有高壓水射流除銹和噴砂除銹[4]。高壓水射流除銹是指通過高壓柱塞泵將水經過數級加壓后壓力達到數百個大氣壓，再通過特制的具有細小孔徑的噴射裝置轉換為高速的“水射流”，連續(xù)不斷作用在工件表面，使污垢脫落，其缺點是易造成再生銹且噪聲很大；另一種是噴砂除銹，噴砂除銹是特定尺寸的丸料，在高壓空氣作用下，噴射到工件表面，將工件表面的污垢去除的一種方法，其缺點是作業(yè)噪聲和粉塵嚴重，造成環(huán)境污染，并嚴重影響操作者身心健康。隨著人們環(huán)保意識的提高和環(huán)保政策的加嚴，軌道交通行業(yè)迫切需要引進一種高效、清潔的車輪除銹技術。而激光清洗技術作為一種新型的除銹技術，具有綠色環(huán)保、精確高效、基材無損等優(yōu)勢，有很好的應用前景[5-6]，已被廣泛應用于航空、造船、電力等行業(yè)。

為研究激光除銹技術應用于軌道車輛用車輪除銹的可行性，本文使用激光除銹技術和傳統(tǒng)鋼絲刷除銹兩種方法，分別對車輪表面的銹蝕進行清理至露出金屬表面，通過對除銹部位的表面質量、殘余應力、微觀組織、晶粒度、截面微觀硬度、輪輞表面硬度、輻板沖擊吸收能量等性能進行對比，來研究激光除銹對軌道車輛用車輪產品基材的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗材料和試樣制備

試驗采用某型號檢修輪對上的車輪，其表面有嚴重銹蝕和殘存的漆膜，可代表檢修輪軸產品的典型表面狀態(tài)，見圖1。將其從幾何中央均分為兩個部分，分別使用激光除銹和手工鋼絲刷機械除銹至露出金屬表面，進行除銹前后表面質量對比及超聲波殘余應力測試后，按照TBT 2708—1996《鐵路快速客車整體輾鋼車輪技術條件》的要求，分別對兩種方法除銹的部位使用線切割的方法制備金相組織、晶粒度、截面微觀硬度、表面硬度、輻板沖擊等檢測試樣備用。

1.2 試驗設備

激光除銹采用RFL-P500Q型激光清洗機，其采用光纖激光器，激光功率為500 W，脈沖頻率20 kHz～50 kHz，掃描寬度20 mm～80 mm，散熱方式為水冷。

激光除銹工藝參數：功率100%，頻率20 kHz，掃描線寬40 mm，振鏡速度4500 mms，掃描速度20 mms，除銹次數2次。

2 結果與討論

2.1 表面質量

使用RFL-P500Q型激光清洗機，按照上述激光除銹參數除銹2次后，基本可以將車輪表面銹蝕層去除，露出金屬基材光澤，取得較好的除銹效果，見圖2，表面未發(fā)現目視可見的金屬灼傷、燒損痕跡。

2.2 殘余應力

使用德國UER Ⅲ型超聲波殘余應力測試機，分別對使用激光技術除銹后的輪輞區(qū)域和使用鋼絲刷除銹后的輪輞區(qū)域進行殘余應力測試，結果如表1所示。

表1 不同除銹方式的殘余應力對比Table 1 Comparison of residual stress of different rust removal methods

結果表明，激光除銹后的車輪與鋼絲刷除銹后的車輪相比，激光除銹的殘余應力范圍及平均水平略微降低。

2.3 金相組織及晶粒度

分別在激光除銹區(qū)域和鋼絲刷除銹區(qū)域的近踏面部位、近外輞面部位和輻板部位各自取3個試樣，采用徠卡DM4000M金相顯微鏡對經激光清洗后的試樣和傳統(tǒng)鋼絲刷除銹的試樣截面按照GBT 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GBT 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》進行金相試驗和晶粒度試驗，試驗結果如圖3、圖4所示。

試驗結果表明，車輪激光除銹區(qū)域近踏面、近外輞面、輻板所取三個試樣的微觀組織均為細珠光體+鐵素體，鐵素體含量呈現由少到多的趨勢。輪輞區(qū)域晶粒度為7.5級，輻板區(qū)域為7.0級。這一試驗結果和車輪鋼絲刷除銹區(qū)域對應位置所取試樣的微觀組織、晶粒度完全一致，也符合正常車輪上述部位的微觀組織和晶粒度等級要求。此外，激光除銹后的車輪除銹表面晶界完整，并未出現高溫晶界破壞的情況。這主要和激光除銹的工藝參數選擇有關，恰當的工藝參數可使聚集區(qū)域的激光強度能快速將車輪表面的鐵銹污垢升華和蒸發(fā)，但又不至于聚集過量的能量，使車輪基體溫度達到相變的程度，因此不會改變車輪基底表面的顯微組織。

(a)近踏面(b)近外輞面(c)輻板

圖3 激光除銹后的微觀組織和晶粒度Figure 3 Microstructure and grain size after laser rust removal

圖4 鋼絲刷除銹后的微觀組織和晶粒度
Figure 4 Microstructure and grain size after rust removal with steel wire brush

(a)踏面

(b)外側輪輞面
圖6 踏面和外側輪輞面的微觀硬度
Figure 6 Microhardness of tread and outer rim surface

圖7 輻板沖擊試驗結果
Figure 7 Impact test results of spoke plates

2.4 硬度

2.4.1 表面布氏硬度測試

使用德國KB 3000B Video型全自動布氏硬度計對車輪進行表面布氏硬度測試。在激光除銹與鋼絲刷除銹的區(qū)域，間隔45°各測試3點，對表面硬度值進行比較。測試部位為外側輪輞面上距踏面倒角下沿8 mm處，試驗采用?10 mm直徑壓頭，載荷3000 kgf(1 kgf=9.806 65 N)，保壓時間為15 s，試驗結果如圖5所示。

由試驗結果可知，采用激光法除銹后，外側輪輞面3點布氏硬度差值為8HBW，使用鋼絲刷除銹后，相同位置的3點布氏硬度差值為7HBW，均在正常波動范圍內，使用兩種除銹方式后，輪輞表面布氏硬度未發(fā)生明顯的變化。

2.4.2 截面顯微硬度測試

在車輪外側輞面和踏面的激光除銹與鋼絲刷除銹區(qū)域各切取微觀組織試塊，從外表面起每間隔0.25 mm對其截面進行微觀硬度測試。試驗使用德國KB30SR-FA型全自動維氏硬度計，載荷0.5 g，保壓時間3 s。試驗結果如圖6所示。

由試驗結果可知，采用激光除銹和鋼絲刷除銹后，外側輪輞面和踏面試樣截面微觀硬度分布趨勢基本一致，未發(fā)生明顯的變化。個別測試點的硬度值出現波動的原因可能和材料本身的不均勻性有關。

2.5 輻板沖擊吸收能量

在激光除銹部位和鋼絲刷除銹部位分別取3個輻板沖擊試樣，進行沖擊試驗，試驗溫度20℃，試驗結果見圖7。輻板沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，U型缺口，2 mm槽深。

由試驗結果可知，激光除銹平均沖擊吸收能量為33.2 J，鋼絲刷除銹平均沖擊吸收能量為33.3 J，平均沖擊吸收能量差值0.1 J。兩者單次沖擊吸收能量最大差值為1.0 J，最小差值僅僅0.5 J，其差值不大，沖擊吸收能量沒有明顯變化。

3 結論

(1)選擇恰當的激光功率、激光頻率、激光掃描速度和激光掃描次數等工藝參數，激光除銹法可以對車輪表面的銹蝕和殘余涂裝層進行除銹清理，并獲得理想的除銹效果。

(2)從除銹后車輪基材組織及晶粒度、截面顯微硬度、輪輞表面硬度、輻板沖擊的對比試驗結果來看，激光除銹相比于常規(guī)的鋼刷除銹未對車輪的力學性能及金相組織造成明顯的影響。

(3)從殘余應力的對比試驗結果來看，激光除銹后的車輪相比于常規(guī)的鋼絲刷除銹后的車輪，殘余應力范圍及平均水平略微降低。