用于轨道交通车辆的激光脱漆除尘设备的研制

王生华 丁亚琦 穆广友 季开宇

(1.上海地铁维护保障有限公司 上海 200235；2.上海轨道交通检测技术有限公司 上海 200235)

1 研制背景及内容

1.1 研制背景

表面脱漆是设备制造与再制造工程中的重要环节[1]。地铁车辆在检修和再制造过程中也都要先清除其表面的旧漆，目前，地铁公司还以传统的物理脱漆法或化学脱漆法为主，进行脱漆。其中，物理脱漆法包括高温加热法、高压喷射水法、 盐浴法、喷砂法以及机械打磨法等；化学脱漆法包括碱性和有机溶剂脱漆剂浸泡的方法[2]。这些手段存在很多弊病：化学脱漆法严重污染环境，危害身体健康，不适合局部清洗，而且会对复合材料造成损坏[3]；物理脱漆法工作效率低、成本高、工作环境恶劣、容易损伤基底表面等[4]。

随着国家对环境保护要求标准的不断提高，减少污染物，实现清洁生产已作为实现经济与环境协调发展的环境策略来实施。在这种背景下，各种新型脱漆技术应运而生，激光脱漆作为其中一个重要手段，具有其独特的优越性。

本项目拟运用激光技术原理，研发一种激光除漆设备，替代传统脱漆方法，减少环境污染，降低对操作者健康的损害，有较强的研究价值。

1.2 研制内容

(1)根据轨道车辆脱漆的需求及目前的激光技术，须研制一种适用于轨道车辆的激光脱漆技术和装备。

(2)编制一套轨道车辆激光脱漆的检修标准/工艺文件，满足现场实际操作的需要。

2 设备组成

2.1 设备主机箱总体设计

主机箱由钣金冲压组装而成，表面采用烤漆工艺。控制箱底部安装有带锁紧的万向移动轮，前端面安装控制系统的触摸屏和控制按钮、后部安装电源插头、光纤和推杆，顶部为清洗头的存放盒，内部安装激光发生器、冷却系统和控制系统集成模板，设备主机箱如图1所示。

图1 设备主机箱

2.2 激光器系统设计

针对本项目试验用途，设计生产一台激光输出功率为100 W的手持激光器，光线宽、频率、功率和速度等激光器参数的设计符合GB/T 15490—2012标准的规定，主要应用于轨道交通行业中的激光脱漆、清洗等。

本次开发的激光设备主要针对光路、光线进行全新设计，增加LD泵浦源(见图2)，增加HD合束放大器，改善管路走线布置，最大限度激发光波的脉冲能量，配合高速可调旋转振镜，增大单脉冲动能。

图2 LD泵浦源

改变光线种类，配合专属镜片，改善光斑能量分布，由原能量过分集中，改变为能量在光斑中均匀分布，从根本上改变光能量过于集中，清洗过程中对金属表面带来灼伤的问题。

2.3 控制系统设计

控制系统包括激光器、核心控制板、数模转换板、驱动板、振镜以及触摸屏(见图3)。首先核心控制板通过DB25接口控制激光器的发射与关闭，并通过触摸屏设置改变激光器功率、频率、脉宽等参数；然后核心控制板通过振镜控制接口控制数模转换板，产生模拟的控制信号控制振镜驱动板，以此来驱动振镜产生清洗轨迹从而进行清洗，其中扫描的速度和图样的长宽都可以通过清洗枪头上的旋钮进行设置。

图3 控制系统示意

控制系统具有单机手动运行模式和产线自动化运行模式，其中单机手动运行模式主要用于人工手动进行参数设置与清洗操作；产线自动化运行模式可通过通讯接口与自动化产线通信，设备具备自动化运行能力。控制系统具有触摸屏人机界面，便于系统参数设置和出光控制。

2.4 激光清洗头设计

激光清洗头设计须考虑用户的使用场景与习惯，考虑到轨道车辆上车轴、车体、转向架等多部位除漆、除锈的扩展使用，故采用人工手持式清洗。经过模拟多种结构，发现枪型结构最省力。针对小巧灵活的要求，设计的激光清洗头结构如图4所示。

图4 激光清洗头

2.5 冷却系统设计

为保证激光清洗长时间连续运行的稳定性，选用双控温水冷机进行激光器以及激光清洗头的水冷控制，既可以保证单机手动控制，也可以与产线集成通过PLC控制。其设备特点如下：

(1)采用优质的不锈钢冷水循环泵，流量大、扬程高、噪音低、寿命长；

(2)控制系统采用液晶中英文双语转换电脑控制器，CPU全自动控制，可实现人机对话，操作简单、直观。水温控制精度为±1 ℃；具有故障自动诊断功能，直接将故障点显示在屏幕上，提示用户快速处理；

(3)提供RS485通讯接口，可实现与主机的通讯功能；

(4)提供多重保护功能和无源报警端子、远程控制端子，易于实现CNC的集中控制和监控；

(5)双控温水冷却机在为激光器提供稳定、精确的水温控制的同时，又提供一路与环境温度相近的水温用以镜片冷却，解决了镜片在用低温水冷却时结露而损坏的问题。

2.6 除尘处理系统设计

气体过滤装置采用HEPA过滤设计，由吸风嘴、高压旋涡气泵、自动反吹过滤器、脉冲供气装置等组成。吸风嘴和激光清洗头安装成一体，在进行清洗的过程中，直接将清洗产生的烟、尘及剥落的部分块状颗粒直接吸进到过滤器。

自动反吹过滤器主要由多个多级滤芯、速度控制、温度控制、积灰抽屉等组成。工作时，通过旋涡气泵产生的负压，将清洗过程中产生的烟尘吸入过滤器滤袋的外壁过滤，洁净的空气经旋涡气泵排除。当滤袋堵工作一段时间后，脉冲阀定期开启吹气，将滤袋外壁的灰尘吹下来。然后，定期打开积灰斗，将灰排到积灰抽屉。

3 关键技术

(1)多模平顶光束激光发生器。普通激光器采用的是高斯光束分布；而本次开发的激光脱漆则采用的是多模平顶光束合成技术，将泵浦源的光合束到QCS输出头进行输出，输出能量稳定持续。

(2)特种光纤传输。采用光纤作为传输介质，在泵浦源的作用下，光纤内极易形成高密度的能量，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光震荡输出。光纤激光器作为第四类激光器，能耗较低，光束质量较好，光电转换效率大于30%，在此基础上进行的特种光纤激光器的改造，让激光器适合于轮对清洗，在国内这种技术尚属首创。

(3)设备控制系统。激光脱漆设备的控制系统包括PLC、控制屏、电气元件、传感器以及相应的控制软件等。本次开发通过软、硬件的配置和优化，在控制屏上可设置不同的模式和参数，使设备可输出不同阈值的激光束，实现多种脱漆零件的操作工艺的切换。

4 试验验证

4.1 激光脱漆后对母材的影响

在车轴(EA4T材质)上取样，并模拟整个生命周期内的6次脱漆，然后分别进行渗透、硬度、表面粗糙度、金相分析、电镜和能谱分析，如图5和表1所示。

经过检测分析，各次激光脱漆后，各试样的探伤结果良好；硬度、表面粗糙度检查没有发现明显变化；金相、电镜扫描组织和形貌没有发现变化；能谱分析也没有发现明显的氧化增加现象。说明该激光脱漆除尘设备对车轴脱漆后没有改变母材的组织，是安全的。

(a)脱漆前 (b)脱漆1次 (c)脱漆3次 (d)脱漆6次图5 金相分析

表1 试样探伤、硬度、表面粗糙度、能谱分析对比表

4.2 激光脱漆除尘设备使用效果

将该激光脱漆除尘设备应用于地铁修理厂车轴表面的脱漆处理，效果如下：

(1)该设备脱漆效果良好，通过1次初脱、1次精脱，能达到在1 cm2的范围内，最大残留物边长4 mm×2.5 mm的数量小于2个；直径小于2 mm的点状残留物小于40个，满足清洗要求。

(2)设备采用了底盘、万向轮和整体框架承载结构，使得设备紧凑，方便作业移动。

(3)控制面板能设置不同模式和参数，使设备可输出不同阈值的激光束，实现多种脱漆对象和操作工艺的灵活切换。

(4)除尘效果良好，满足GB 3095—1996《环境空气质量标准》要求和DB 31/933—2015《上海市大气污染物综合排放标准》的检测要求。

5 结束语

激光脱漆除尘设备的成功研制，大大降低了传统脱漆方法造成的环境污染和对检修人员造成的职业伤害，同时也缩短了脱漆时间，提高了工作效率。本设备体积小，移动、操作简单，完全满足轨道车辆检修环境的需要，优化了轨道车辆检修工艺，满足生产现场的使用要求，效果良好。