軌道客車高效優(yōu)質(zhì)激光清洗技術的工程應用與前景展望

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)保的清洗技術已成為軌道客車制造亟待解決的工程問題。

激光清洗技術基于效率高、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)外工程技術人員的青睞。經(jīng)過五十余年發(fā)展，基礎研究及配套設備開發(fā)日趨成熟，已成功應用于航天、航空、船舶、汽車及核電等工業(yè)領域[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、齒輪箱等關鍵零部件的高效、優(yōu)質(zhì)激光清洗技術成為研究熱點，并逐步得到工程化應用。本文立足軌道交通領域，對軌道客車激光清洗技術的應用概況進行介紹，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在軌道客車行業(yè)的應用前景。

2 激光清洗技術簡介

2.1 激光清洗原理

激光清洗技術通過低功率、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 激光清洗技術發(fā)展歷程

激光清洗技術的發(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]，是激光清洗技術的新興時期，技術發(fā)展較慢，相關應用報道較少。第二階段自21世紀開始，激光清洗技術成為國內(nèi)外工程技術人員的研究熱點，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、激波、復合等激光清洗技術。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。激光復合清洗是一種新興技術，通過半導體激光與脈沖激光復合提高激光清洗質(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架脫漆方面有著良好的應用前景。

3 激光清洗應用概況

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工程化應用的探索。

3.1 軌道客車新造領域

（1）高效自動激光清洗技術在鋁合金車體焊接中的應用 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鍵技術，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，通過將激光清洗裝置集成于龍門式激光電弧復合焊接機器人上，實現(xiàn)了“即清即焊、清焊一體”的高效作業(yè)，如圖2所示。該技術在時速600km高速磁浮項目中實現(xiàn)工程化應用，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盖扒逑础㈦S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應用 不銹鋼材料以其高強、高韌、耐蝕的技術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，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 軌道客車檢修領域

（1）轉(zhuǎn)向架關鍵零部件選區(qū)脫漆激光清洗技術應用 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、構架等關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)向架關鍵零部件除銹激光清洗技術應用 轉(zhuǎn)向架直接暴露于車輛運行環(huán)境中，部分關鍵零部件如集電環(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)向架關鍵零部件激光清洗除銹技術。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清理轉(zhuǎn)向架關鍵零部件的氧化層，并實現(xiàn)了小規(guī)模的工程化應用。與傳統(tǒng)技術相比，激光清洗技術使作業(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 激光清洗技術難點

要實現(xiàn)軌道客車激光清洗技術的大規(guī)模應用，需結(jié)合車輛結(jié)構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研究，是激光清洗技術工程化應用的前提和基礎。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)技術研究，是激光清洗技術推廣應用的重要保證。軌道客車結(jié)構長大，作業(yè)空間復雜，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)。應結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)線布局及自動化設備情況，將激光清洗設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，是激光清洗技術產(chǎn)業(yè)化應用的重要支撐。

5 前景展望

激光清洗技術在軌道交通領域的應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，激光加工技術已成為未來高端裝備制造不可或缺的技術手段。激光清洗作為激光加工技術的重要分支，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。