隨著我國相關(guān)立法和規(guī)章制度的規(guī)范越來越嚴(yán)格，環(huán)保成為工業(yè)加工中十分重要的考量指標(biāo)。傳統(tǒng)清洗技術(shù)很難滿足環(huán)保的高要求，激光清洗技術(shù)作為一種新型、綠色、高效的清洗方式逐漸得到社會(huì)的廣泛關(guān)注。

現(xiàn)階段，制動(dòng)盤檢修依靠人力，耗時(shí)耗力，機(jī)械打磨過程中產(chǎn)生的粉塵和噪音對(duì)人員健康造成極大危害。同時(shí)，檢修人員技能參差不齊，極易發(fā)生清洗不徹底或是打磨過度等情況，導(dǎo)致零件損傷過大。鑒于此，機(jī)車制動(dòng)盤采用全自動(dòng)激光清洗技術(shù)，可有效減少人工，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)仍能保持穩(wěn)定工作狀態(tài)。

加工質(zhì)量方面，制動(dòng)盤全自動(dòng)激光智能清洗機(jī)清洗質(zhì)量均勻、一致性強(qiáng)，對(duì)零件尺寸幾乎無損傷，有效提高制動(dòng)盤的使用壽命；環(huán)境保護(hù)方面，清洗系統(tǒng)不產(chǎn)生廢液、廢氣、噪音等污染，有利于環(huán)境保護(hù)和工人身心健康；社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面，該系統(tǒng)能極大地減少人工成本，減少打磨頭等耗材損耗。盡管該設(shè)備一次投入成本高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)效益考慮，激光清洗的經(jīng)濟(jì)效益必將遠(yuǎn)高于人工打磨。

清洗設(shè)備和對(duì)象

清洗設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中使用的激光清洗系統(tǒng)由光纖激光器、光束整形系統(tǒng)、機(jī)器人、工作臺(tái)以及輔助設(shè)備構(gòu)成。該激光清洗設(shè)備采用的光纖激光器清洗機(jī)內(nèi)置冷卻系統(tǒng)，光束質(zhì)量好，使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定免維護(hù)，可廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的激光清洗中。激光清洗過程中使用吸塵裝置，將剝離的銹蝕顆粒進(jìn)行收集，防止對(duì)材料表面造成污染，保證良好的工作環(huán)境。

圖1. 機(jī)車制動(dòng)盤全自動(dòng)激光清洗設(shè)備

清洗對(duì)象

制動(dòng)盤所用材料為Q345E，根據(jù)國標(biāo)GB8923-88的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)零件銹蝕程度進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)鋼材表面已發(fā)生銹蝕，并且部分氧化皮有銹蝕，因此判斷零件銹蝕等級(jí)為B級(jí)。經(jīng)多次取平均值，測(cè)量得到銹層平均厚度約為23μm（如圖2）。通過材料表面銹蝕程度分析，發(fā)現(xiàn)表面銹蝕程度不均勻，這是由于制動(dòng)盤在工作運(yùn)行中對(duì)表面的磨損與銹蝕程度不同造成的。

圖2. 制動(dòng)盤銹蝕試樣以及銹層厚度

激光清洗后對(duì)制動(dòng)盤的質(zhì)量分析

工藝參數(shù)優(yōu)化后，對(duì)激光清洗后的材料與母材性能進(jìn)行對(duì)比分析，研究激光清洗對(duì)制動(dòng)盤表面的作用與影響。

外形尺寸

經(jīng)過激光清洗后，制動(dòng)盤整體尺寸未發(fā)生顯著變化（如圖 3），在電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)清洗前后兩側(cè)表面高度差約為 22.78μm。在誤差允許的范圍內(nèi)，經(jīng)過激光清洗可有效去除表面銹蝕，且并未對(duì)零件尺寸產(chǎn)生明顯改變，不影響制動(dòng)盤使用精度，達(dá)到清洗要求。

圖3. 未清洗表面與激光清洗表面對(duì)比

表面硬度測(cè)試

使用華銀數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)激光除銹后的基材表面進(jìn)行硬度測(cè)試。其中，試驗(yàn)力為 2.942N，保荷時(shí)間為 15s，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每個(gè)樣品的不同部位測(cè)三個(gè)點(diǎn)，求平均值測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4. 清洗前后碳鋼表面的硬度值

通過清洗前后基材表面硬度值的分布趨勢(shì)進(jìn)行分析。依據(jù)圖 4，清洗后基材表面硬度值分布趨勢(shì)較為波動(dòng)，但是硬度平均值高于母材的硬度值�？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)過激光清洗兩次后的表面顯微硬度與母材相比提高了約 8%。激光除銹能提高碳鋼表面的硬度，對(duì)防止碳鋼再次氧化和表面強(qiáng)化具有極為重要的意義。

X射線熒光元素分析

利用 X 射線熒光光譜分析技術(shù)對(duì)激光清洗前后制動(dòng)盤表面元素含量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)見表 1，對(duì)比發(fā)現(xiàn)激光清洗前制動(dòng)盤銹蝕表面氧元素含量高達(dá) 15.302%，而激光清洗后氧元素含量?jī)H為 3.340%，含量顯著下降 78.1%，由此可知，激光清洗對(duì)制動(dòng)盤表面氧化膜及銹蝕有著明顯的去除清洗作用。

表1. 激光清洗前后Fe與O元素含量變化

表面金相結(jié)構(gòu)分析

如圖 5，制動(dòng)盤表面未進(jìn)行激光清洗前表面被不均勻銹蝕覆蓋，經(jīng)過最佳激光清洗工藝清洗后，基材表面銹蝕被去除，亮斑相互重疊，在表面形成相互重疊的一個(gè)個(gè)凹坑，將原本銹蝕的區(qū)域清洗干凈。此外，觀察激光清洗后的表面放大 500 倍，可以看到表面被圓形的亮斑覆蓋形成圓形的清洗區(qū)域，凹坑中部的銹層基本上被清除干凈，并呈現(xiàn)均勻的亮澤。凹坑邊緣部分呈現(xiàn)環(huán)狀凸起形貌，原因是脈沖激光劇烈的沖擊作用下，凹坑中部的金屬流向邊緣處并且堆積起來形成環(huán)狀，相鄰凹坑的環(huán)形部分呈現(xiàn)均勻搭接堆疊，且?guī)缀醪淮嬖阡P斑，表面完全清洗干凈。

圖5. 制動(dòng)盤激光清洗前后對(duì)比表面

結(jié)語

通過各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明機(jī)車制動(dòng)盤全自動(dòng)激光清洗設(shè)備可用于機(jī)車制動(dòng)盤表面除銹、除表面污染物、去油污，且去除效果好，清洗后對(duì)零件本身性能影響小，能滿足機(jī)車制動(dòng)盤維保檢修的需求。

軌道交通裝備是由先進(jìn)技術(shù)、高端裝備以及系統(tǒng)工程集合而成的大型產(chǎn)品，技術(shù)的進(jìn)步是不斷推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動(dòng)力，關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控是面對(duì)復(fù)雜的國際形勢(shì)，維護(hù)供應(yīng)鏈安全穩(wěn)定的重要保障。激光清洗技術(shù)大幅減少了軌道交通裝備制造和維保檢修成本，提高了智能化水平，符合綠色智能制造的方向。激光清洗技術(shù)的高效使用，有助于提高軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著研究和應(yīng)用的不斷深化，激光清洗技術(shù)必將成為推動(dòng)軌道交通行業(yè)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)和改造發(fā)展不可或缺的重要手段。

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