激光除锈技术对轨道车辆车轮产品性能的影响

徐会文

(太原重工轨道交通设备有限公司，太原030001)

车轮的传统除锈方法分为化学试剂除锈和机械除锈[1-3]。化学试剂除锈一般使用清洗剂和金属发生化学反应达到除锈目的，实际使用中还需要配合砂纸、锉刀等进行手工打磨，除锈效果差，污染严重，易对母材造成损伤，应用受到限制。机械除锈主要有高压水射流除锈和喷砂除锈[4]。高压水射流除锈是指通过高压柱塞泵将水经过数级加压后压力达到数百个大气压，再通过特制的具有细小孔径的喷射装置转换为高速的“水射流”，连续不断作用在工件表面，使污垢脱落，其缺点是易造成再生锈且噪声很大；另一种是喷砂除锈，喷砂除锈是特定尺寸的丸料，在高压空气作用下，喷射到工件表面，将工件表面的污垢去除的一种方法，其缺点是作业噪声和粉尘严重，造成环境污染，并严重影响操作者身心健康。随着人们环保意识的提高和环保政策的加严，轨道交通行业迫切需要引进一种高效、清洁的车轮除锈技术。而激光清洗技术作为一种新型的除锈技术，具有绿色环保、精确高效、基材无损等优势，有很好的应用前景[5-6]，已被广泛应用于航空、造船、电力等行业。

为研究激光除锈技术应用于轨道车辆用车轮除锈的可行性，本文使用激光除锈技术和传统钢丝刷除锈两种方法，分别对车轮表面的锈蚀进行清理至露出金属表面，通过对除锈部位的表面质量、残余应力、微观组织、晶粒度、截面微观硬度、轮辋表面硬度、辐板冲击吸收能量等性能进行对比，来研究激光除锈对轨道车辆用车轮产品基材的影响。

1 试验方法

1.1 试验材料和试样制备

试验采用某型号检修轮对上的车轮，其表面有严重锈蚀和残存的漆膜，可代表检修轮轴产品的典型表面状态，见图1。将其从几何中央均分为两个部分，分别使用激光除锈和手工钢丝刷机械除锈至露出金属表面，进行除锈前后表面质量对比及超声波残余应力测试后，按照TBT 2708—1996《铁路快速客车整体辗钢车轮技术条件》的要求，分别对两种方法除锈的部位使用线切割的方法制备金相组织、晶粒度、截面微观硬度、表面硬度、辐板冲击等检测试样备用。

1.2 试验设备

激光除锈采用RFL-P500Q型激光清洗机，其采用光纤激光器，激光功率为500 W，脉冲频率20 kHz～50 kHz，扫描宽度20 mm～80 mm，散热方式为水冷。

激光除锈工艺参数：功率100%，频率20 kHz，扫描线宽40 mm，振镜速度4500 mms，扫描速度20 mms，除锈次数2次。

2 结果与讨论

2.1 表面质量

使用RFL-P500Q型激光清洗机，按照上述激光除锈参数除锈2次后，基本可以将车轮表面锈蚀层去除，露出金属基材光泽，取得较好的除锈效果，见图2，表面未发现目视可见的金属灼伤、烧损痕迹。

2.2 残余应力

使用德国UER Ⅲ型超声波残余应力测试机，分别对使用激光技术除锈后的轮辋区域和使用钢丝刷除锈后的轮辋区域进行残余应力测试，结果如表1所示。

表1 不同除锈方式的残余应力对比Table 1 Comparison of residual stress of different rust removal methods

结果表明，激光除锈后的车轮与钢丝刷除锈后的车轮相比，激光除锈的残余应力范围及平均水平略微降低。

2.3 金相组织及晶粒度

分别在激光除锈区域和钢丝刷除锈区域的近踏面部位、近外辋面部位和辐板部位各自取3个试样，采用徕卡DM4000M金相显微镜对经激光清洗后的试样和传统钢丝刷除锈的试样截面按照GBT 13298—2015《金属显微组织检验方法》、GBT 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》进行金相试验和晶粒度试验，试验结果如图3、图4所示。

试验结果表明，车轮激光除锈区域近踏面、近外辋面、辐板所取三个试样的微观组织均为细珠光体+铁素体，铁素体含量呈现由少到多的趋势。轮辋区域晶粒度为7.5级，辐板区域为7.0级。这一试验结果和车轮钢丝刷除锈区域对应位置所取试样的微观组织、晶粒度完全一致，也符合正常车轮上述部位的微观组织和晶粒度等级要求。此外，激光除锈后的车轮除锈表面晶界完整，并未出现高温晶界破坏的情况。这主要和激光除锈的工艺参数选择有关，恰当的工艺参数可使聚集区域的激光强度能快速将车轮表面的铁锈污垢升华和蒸发，但又不至于聚集过量的能量，使车轮基体温度达到相变的程度，因此不会改变车轮基底表面的显微组织。

(a)近踏面(b)近外辋面(c)辐板

图3 激光除锈后的微观组织和晶粒度Figure 3 Microstructure and grain size after laser rust removal

图4 钢丝刷除锈后的微观组织和晶粒度
Figure 4 Microstructure and grain size after rust removal with steel wire brush

(a)踏面

(b)外侧轮辋面
图6 踏面和外侧轮辋面的微观硬度
Figure 6 Microhardness of tread and outer rim surface

图7 辐板冲击试验结果
Figure 7 Impact test results of spoke plates

2.4 硬度

2.4.1 表面布氏硬度测试

使用德国KB 3000B Video型全自动布氏硬度计对车轮进行表面布氏硬度测试。在激光除锈与钢丝刷除锈的区域，间隔45°各测试3点，对表面硬度值进行比较。测试部位为外侧轮辋面上距踏面倒角下沿8 mm处，试验采用∅10 mm直径压头，载荷3000 kgf(1 kgf=9.806 65 N)，保压时间为15 s，试验结果如图5所示。

由试验结果可知，采用激光法除锈后，外侧轮辋面3点布氏硬度差值为8HBW，使用钢丝刷除锈后，相同位置的3点布氏硬度差值为7HBW，均在正常波动范围内，使用两种除锈方式后，轮辋表面布氏硬度未发生明显的变化。

2.4.2 截面显微硬度测试

在车轮外侧辋面和踏面的激光除锈与钢丝刷除锈区域各切取微观组织试块，从外表面起每间隔0.25 mm对其截面进行微观硬度测试。试验使用德国KB30SR-FA型全自动维氏硬度计，载荷0.5 g，保压时间3 s。试验结果如图6所示。

由试验结果可知，采用激光除锈和钢丝刷除锈后，外侧轮辋面和踏面试样截面微观硬度分布趋势基本一致，未发生明显的变化。个别测试点的硬度值出现波动的原因可能和材料本身的不均匀性有关。

2.5 辐板冲击吸收能量

在激光除锈部位和钢丝刷除锈部位分别取3个辐板冲击试样，进行冲击试验，试验温度20℃，试验结果见图7。辐板冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，U型缺口，2 mm槽深。

由试验结果可知，激光除锈平均冲击吸收能量为33.2 J，钢丝刷除锈平均冲击吸收能量为33.3 J，平均冲击吸收能量差值0.1 J。两者单次冲击吸收能量最大差值为1.0 J，最小差值仅仅0.5 J，其差值不大，冲击吸收能量没有明显变化。

3 结论

(1)选择恰当的激光功率、激光频率、激光扫描速度和激光扫描次数等工艺参数，激光除锈法可以对车轮表面的锈蚀和残余涂装层进行除锈清理，并获得理想的除锈效果。

(2)从除锈后车轮基材组织及晶粒度、截面显微硬度、轮辋表面硬度、辐板冲击的对比试验结果来看，激光除锈相比于常规的钢刷除锈未对车轮的力学性能及金相组织造成明显的影响。

(3)从残余应力的对比试验结果来看，激光除锈后的车轮相比于常规的钢丝刷除锈后的车轮，残余应力范围及平均水平略微降低。