用于軌道交通車輛的激光脫漆除塵設備的研制

王生華 丁亞琦 穆廣友 季開宇

(1.上海地鐵維護保障有限公司 上海 200235；2.上海軌道交通檢測技術有限公司 上海 200235)

1 研制背景及內容

1.1 研制背景

表面脫漆是設備制造與再制造工程中的重要環節[1]。地鐵車輛在檢修和再制造過程中也都要先清除其表面的舊漆，目前，地鐵公司還以傳統的物理脫漆法或化學脫漆法為主，進行脫漆。其中，物理脫漆法包括高溫加熱法、高壓噴射水法、 鹽浴法、噴砂法以及機械打磨法等；化學脫漆法包括堿性和有機溶劑脫漆劑浸泡的方法[2]。這些手段存在很多弊病：化學脫漆法嚴重污染環境，危害身體健康，不適合局部清洗，而且會對復合材料造成損壞[3]；物理脫漆法工作效率低、成本高、工作環境惡劣、容易損傷基底表面等[4]。

隨著國家對環境保護要求標準的不斷提高，減少污染物，實現清潔生產已作為實現經濟與環境協調發展的環境策略來實施。在這種背景下，各種新型脫漆技術應運而生，激光脫漆作為其中一個重要手段，具有其獨特的優越性。

本項目擬運用激光技術原理，研發一種激光除漆設備，替代傳統脫漆方法，減少環境污染，降低對操作者健康的損害，有較強的研究價值。

1.2 研制內容

(1)根據軌道車輛脫漆的需求及目前的激光技術，須研制一種適用于軌道車輛的激光脫漆技術和裝備。

(2)編制一套軌道車輛激光脫漆的檢修標準/工藝文件，滿足現場實際操作的需要。

2 設備組成

2.1 設備主機箱總體設計

主機箱由鈑金沖壓組裝而成，表面采用烤漆工藝。控制箱底部安裝有帶鎖緊的萬向移動輪，前端面安裝控制系統的觸摸屏和控制按鈕、后部安裝電源插頭、光纖和推桿，頂部為清洗頭的存放盒，內部安裝激光發生器、冷卻系統和控制系統集成模板，設備主機箱如圖1所示。

圖1 設備主機箱

2.2 激光器系統設計

針對本項目試驗用途，設計生產一臺激光輸出功率為100 W的手持激光器，光線寬、頻率、功率和速度等激光器參數的設計符合GB/T 15490—2012標準的規定，主要應用于軌道交通行業中的激光脫漆、清洗等。

本次開發的激光設備主要針對光路、光線進行全新設計，增加LD泵浦源(見圖2)，增加HD合束放大器，改善管路走線布置，最大限度激發光波的脈沖能量，配合高速可調旋轉振鏡，增大單脈沖動能。

圖2 LD泵浦源

改變光線種類，配合專屬鏡片，改善光斑能量分布，由原能量過分集中，改變為能量在光斑中均勻分布，從根本上改變光能量過于集中，清洗過程中對金屬表面帶來灼傷的問題。

2.3 控制系統設計

控制系統包括激光器、核心控制板、數模轉換板、驅動板、振鏡以及觸摸屏(見圖3)。首先核心控制板通過DB25接口控制激光器的發射與關閉，并通過觸摸屏設置改變激光器功率、頻率、脈寬等參數；然后核心控制板通過振鏡控制接口控制數模轉換板，產生模擬的控制信號控制振鏡驅動板，以此來驅動振鏡產生清洗軌跡從而進行清洗，其中掃描的速度和圖樣的長寬都可以通過清洗槍頭上的旋鈕進行設置。

圖3 控制系統示意

控制系統具有單機手動運行模式和產線自動化運行模式，其中單機手動運行模式主要用于人工手動進行參數設置與清洗操作；產線自動化運行模式可通過通訊接口與自動化產線通信，設備具備自動化運行能力。控制系統具有觸摸屏人機界面，便于系統參數設置和出光控制。

2.4 激光清洗頭設計

激光清洗頭設計須考慮用戶的使用場景與習慣，考慮到軌道車輛上車軸、車體、轉向架等多部位除漆、除銹的擴展使用，故采用人工手持式清洗。經過模擬多種結構，發現槍型結構最省力。針對小巧靈活的要求，設計的激光清洗頭結構如圖4所示。

圖4 激光清洗頭

2.5 冷卻系統設計

為保證激光清洗長時間連續運行的穩定性，選用雙控溫水冷機進行激光器以及激光清洗頭的水冷控制，既可以保證單機手動控制，也可以與產線集成通過PLC控制。其設備特點如下：

(1)采用優質的不銹鋼冷水循環泵，流量大、揚程高、噪音低、壽命長；

(2)控制系統采用液晶中英文雙語轉換電腦控制器，CPU全自動控制，可實現人機對話，操作簡單、直觀。水溫控制精度為±1 ℃；具有故障自動診斷功能，直接將故障點顯示在屏幕上，提示用戶快速處理；

(3)提供RS485通訊接口，可實現與主機的通訊功能；

(4)提供多重保護功能和無源報警端子、遠程控制端子，易于實現CNC的集中控制和監控；

(5)雙控溫水冷卻機在為激光器提供穩定、精確的水溫控制的同時，又提供一路與環境溫度相近的水溫用以鏡片冷卻，解決了鏡片在用低溫水冷卻時結露而損壞的問題。

2.6 除塵處理系統設計

氣體過濾裝置采用HEPA過濾設計，由吸風嘴、高壓旋渦氣泵、自動反吹過濾器、脈沖供氣裝置等組成。吸風嘴和激光清洗頭安裝成一體，在進行清洗的過程中，直接將清洗產生的煙、塵及剝落的部分塊狀顆粒直接吸進到過濾器。

自動反吹過濾器主要由多個多級濾芯、速度控制、溫度控制、積灰抽屜等組成。工作時，通過旋渦氣泵產生的負壓，將清洗過程中產生的煙塵吸入過濾器濾袋的外壁過濾，潔凈的空氣經旋渦氣泵排除。當濾袋堵工作一段時間后，脈沖閥定期開啟吹氣，將濾袋外壁的灰塵吹下來。然后，定期打開積灰斗，將灰排到積灰抽屜。

3 關鍵技術

(1)多模平頂光束激光發生器。普通激光器采用的是高斯光束分布；而本次開發的激光脫漆則采用的是多模平頂光束合成技術，將泵浦源的光合束到QCS輸出頭進行輸出，輸出能量穩定持續。

(2)特種光纖傳輸。采用光纖作為傳輸介質，在泵浦源的作用下，光纖內極易形成高密度的能量，造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”，適當加入正反饋回路(構成諧振腔)便可形成激光震蕩輸出。光纖激光器作為第四類激光器，能耗較低，光束質量較好，光電轉換效率大于30%，在此基礎上進行的特種光纖激光器的改造，讓激光器適合于輪對清洗，在國內這種技術尚屬首創。

(3)設備控制系統。激光脫漆設備的控制系統包括PLC、控制屏、電氣元件、傳感器以及相應的控制軟件等。本次開發通過軟、硬件的配置和優化，在控制屏上可設置不同的模式和參數，使設備可輸出不同閾值的激光束，實現多種脫漆零件的操作工藝的切換。

4 試驗驗證

4.1 激光脫漆后對母材的影響

在車軸(EA4T材質)上取樣，并模擬整個生命周期內的6次脫漆，然后分別進行滲透、硬度、表面粗糙度、金相分析、電鏡和能譜分析，如圖5和表1所示。

經過檢測分析，各次激光脫漆后，各試樣的探傷結果良好；硬度、表面粗糙度檢查沒有發現明顯變化；金相、電鏡掃描組織和形貌沒有發現變化；能譜分析也沒有發現明顯的氧化增加現象。說明該激光脫漆除塵設備對車軸脫漆后沒有改變母材的組織，是安全的。

(a)脫漆前 (b)脫漆1次 (c)脫漆3次 (d)脫漆6次圖5 金相分析

表1 試樣探傷、硬度、表面粗糙度、能譜分析對比表

4.2 激光脫漆除塵設備使用效果

將該激光脫漆除塵設備應用于地鐵修理廠車軸表面的脫漆處理，效果如下：

(1)該設備脫漆效果良好，通過1次初脫、1次精脫，能達到在1 cm2的范圍內，最大殘留物邊長4 mm×2.5 mm的數量小于2個；直徑小于2 mm的點狀殘留物小于40個，滿足清洗要求。

(2)設備采用了底盤、萬向輪和整體框架承載結構，使得設備緊湊，方便作業移動。

(3)控制面板能設置不同模式和參數，使設備可輸出不同閾值的激光束，實現多種脫漆對象和操作工藝的靈活切換。

(4)除塵效果良好，滿足GB 3095—1996《環境空氣質量標準》要求和DB 31/933—2015《上海市大氣污染物綜合排放標準》的檢測要求。

5 結束語

激光脫漆除塵設備的成功研制，大大降低了傳統脫漆方法造成的環境污染和對檢修人員造成的職業傷害，同時也縮短了脫漆時間，提高了工作效率。本設備體積小，移動、操作簡單，完全滿足軌道車輛檢修環境的需要，優化了軌道車輛檢修工藝，滿足生產現場的使用要求，效果良好。