王生華 丁亞琦 穆廣友 季開宇

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

1 研制背景及內(nèi)容

1.1 研制背景

表面脫漆是設(shè)備制造與再制造工程中的重要環(huán)節(jié)[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(tǒng)的物理脫漆法或化學(xué)脫漆法為主，進(jìn)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(jī)械打磨法等；化學(xué)脫漆法包括堿性和有機(jī)溶劑脫漆劑浸泡的方法[2]。這些手段存在很多弊?。夯瘜W(xué)脫漆法嚴(yán)重污染環(huán)境，危害身體健康，不適合局部清洗，而且會(huì)對(duì)復(fù)合材料造成損壞[3]；物理脫漆法工作效率低、成本高、工作環(huán)境惡劣、容易損傷基底表面等[4]。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，減少污染物，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)已作為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的環(huán)境策略來實(shí)施。在這種背景下，各種新型脫漆技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，激光脫漆作為其中一個(gè)重要手段，具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。

本項(xiàng)目擬運(yùn)用激光技術(shù)原理，研發(fā)一種激光除漆設(shè)備，替代傳統(tǒng)脫漆方法，減少環(huán)境污染，降低對(duì)操作者健康的損害，有較強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值。

1.2 研制內(nèi)容

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

(2)編制一套軌道車輛激光脫漆的檢修標(biāo)準(zhǔn)/工藝文件，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作的需要。

2 設(shè)備組成

2.1 設(shè)備主機(jī)箱總體設(shè)計(jì)

主機(jī)箱由鈑金沖壓組裝而成，表面采用烤漆工藝?？刂葡涞撞堪惭b有帶鎖緊的萬向移動(dòng)輪，前端面安裝控制系統(tǒng)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(nèi)部安裝激光發(fā)生器、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)集成模板，設(shè)備主機(jī)箱如圖1所示。

圖1 設(shè)備主機(jī)箱

2.2 激光器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)本項(xiàng)目試驗(yàn)用途，設(shè)計(jì)生產(chǎn)一臺(tái)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(shù)的設(shè)計(jì)符合GB/T 15490—2012標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，主要應(yīng)用于軌道交通行業(yè)中的激光脫漆、清洗等。

本次開發(fā)的激光設(shè)備主要針對(duì)光路、光線進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，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(fā)光波的脈沖能量，配合高速可調(diào)旋轉(zhuǎn)振鏡，增大單脈沖動(dòng)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?yōu)槟芰吭诠獍咧芯鶆蚍植?，從根本上改變光能量過于集中，清洗過程中對(duì)金屬表面帶來灼傷的問題。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括激光器、核心控制板、數(shù)模轉(zhuǎn)換板、驅(qū)動(dòng)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(fā)射與關(guān)閉，并通過觸摸屏設(shè)置改變激光器功率、頻率、脈寬等參數(shù)；然后核心控制板通過振鏡控制接口控制數(shù)模轉(zhuǎn)換板，產(chǎn)生模擬的控制信號(hào)控制振鏡驅(qū)動(dòng)板，以此來驅(qū)動(dòng)振鏡產(chǎn)生清洗軌跡從而進(jìn)行清洗，其中掃描的速度和圖樣的長(zhǎng)寬都可以通過清洗槍頭上的旋鈕進(jìn)行設(shè)置。

圖3 控制系統(tǒng)示意

控制系統(tǒng)具有單機(jī)手動(dòng)運(yùn)行模式和產(chǎn)線自動(dòng)化運(yùn)行模式，其中單機(jī)手動(dòng)運(yùn)行模式主要用于人工手動(dòng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與清洗操作；產(chǎn)線自動(dòng)化運(yùn)行模式可通過通訊接口與自動(dòng)化產(chǎn)線通信，設(shè)備具備自動(dòng)化運(yùn)行能力?？刂葡到y(tǒng)具有觸摸屏人機(jī)界面，便于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和出光控制。

2.4 激光清洗頭設(shè)計(jì)

激光清洗頭設(shè)計(jì)須考慮用戶的使用場(chǎng)景與習(xí)慣，考慮到軌道車輛上車軸、車體、轉(zhuǎn)向架等多部位除漆、除銹的擴(kuò)展使用，故采用人工手持式清洗。經(jīng)過模擬多種結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)槍型結(jié)構(gòu)最省力。針對(duì)小巧靈活的要求，設(shè)計(jì)的激光清洗頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 激光清洗頭

2.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證激光清洗長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性，選用雙控溫水冷機(jī)進(jìn)行激光器以及激光清洗頭的水冷控制，既可以保證單機(jī)手動(dòng)控制，也可以與產(chǎn)線集成通過PLC控制。其設(shè)備特點(diǎn)如下：

(1)采用優(yōu)質(zhì)的不銹鋼冷水循環(huán)泵，流量大、揚(yáng)程高、噪音低、壽命長(zhǎng)；

(2)控制系統(tǒng)采用液晶中英文雙語轉(zhuǎn)換電腦控制器，CPU全自動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，操作簡(jiǎn)單、直觀。水溫控制精度為±1 ℃；具有故障自動(dòng)診斷功能，直接將故障點(diǎn)顯示在屏幕上，提示用戶快速處理；

(3)提供RS485通訊接口，可實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通訊功能；

(4)提供多重保護(hù)功能和無源報(bào)警端子、遠(yuǎn)程控制端子，易于實(shí)現(xiàn)CNC的集中控制和監(jiān)控；

(5)雙控溫水冷卻機(jī)在為激光器提供穩(wěn)定、精確的水溫控制的同時(shí)，又提供一路與環(huán)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(shí)結(jié)露而損壞的問題。

2.6 除塵處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

自動(dòng)反吹過濾器主要由多個(gè)多級(jí)濾芯、速度控制、溫度控制、積灰抽屜等組成。工作時(shí)，通過旋渦氣泵產(chǎn)生的負(fù)壓，將清洗過程中產(chǎn)生的煙塵吸入過濾器濾袋的外壁過濾，潔凈的空氣經(jīng)旋渦氣泵排除。當(dāng)濾袋堵工作一段時(shí)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(guān)鍵技術(shù)

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

(2)特種光纖傳輸。采用光纖作為傳輸介質(zhì)，在泵浦源的作用下，光纖內(nèi)極易形成高密度的能量，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)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(zhì)量較好，光電轉(zhuǎn)換效率大于30%，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的特種光纖激光器的改造，讓激光器適合于輪對(duì)清洗，在國(guó)內(nèi)這種技術(shù)尚屬首創(chuàng)。

(3)設(shè)備控制系統(tǒng)。激光脫漆設(shè)備的控制系統(tǒng)包括PLC、控制屏、電氣元件、傳感器以及相應(yīng)的控制軟件等。本次開發(fā)通過軟、硬件的配置和優(yōu)化，在控制屏上可設(shè)置不同的模式和參數(shù)，使設(shè)備可輸出不同閾值的激光束，實(shí)現(xiàn)多種脫漆零件的操作工藝的切換。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 激光脫漆后對(duì)母材的影響

在車軸(EA4T材質(zhì))上取樣，并模擬整個(gè)生命周期內(nèi)的6次脫漆，然后分別進(jìn)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(jīng)過檢測(cè)分析，各次激光脫漆后，各試樣的探傷結(jié)果良好；硬度、表面粗糙度檢查沒有發(fā)現(xiàn)明顯變化；金相、電鏡掃描組織和形貌沒有發(fā)現(xiàn)變化；能譜分析也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的氧化增加現(xiàn)象。說明該激光脫漆除塵設(shè)備對(duì)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(duì)比表

4.2 激光脫漆除塵設(shè)備使用效果

將該激光脫漆除塵設(shè)備應(yīng)用于地鐵修理廠車軸表面的脫漆處理，效果如下：

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

(2)設(shè)備采用了底盤、萬向輪和整體框架承載結(jié)構(gòu)，使得設(shè)備緊湊，方便作業(yè)移動(dòng)。

(3)控制面板能設(shè)置不同模式和參數(shù)，使設(shè)備可輸出不同閾值的激光束，實(shí)現(xiàn)多種脫漆對(duì)象和操作工藝的靈活切換。

(4)除塵效果良好，滿足GB 3095—1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求和DB 31/933—2015《上海市大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的檢測(cè)要求。

5 結(jié)束語

激光脫漆除塵設(shè)備的成功研制，大大降低了傳統(tǒng)脫漆方法造成的環(huán)境污染和對(duì)檢修人員造成的職業(yè)傷害，同時(shí)也縮短了脫漆時(shí)間，提高了工作效率。本設(shè)備體積小，移動(dòng)、操作簡(jiǎn)單，完全滿足軌道車輛檢修環(huán)境的需要，優(yōu)化了軌道車輛檢修工藝，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的使用要求，效果良好。