技术干货 | 激光清洗技术在机车制动盘制造检修中的应用分析

随着我国相关立法和规章制度的规范越来越严格，环保成为工业中十分重要的考量指标。传统清洗技术很难满足环保的高要求，激光清洗技术作为一种新型、绿色、高效的清洗方式逐渐得到社会的广泛关注。

本文着眼激光清洗技术在机车制动盘检修中的应用，通过实验数据分析论证该应用的实际效果。

1.激光清洗与传统制动盘清洗方法的比较

现阶段，制动盘检修依靠人力，耗时耗力，机械打磨过程中产生的粉尘和噪音对人员健康造成极大危害。同时，检修人员技能参差不齐，极易发生清洗不彻底或是打磨过度的情况，导致零件损伤过大。机车制动盘全自动激光清洗技术，可有效减少人工，减轻人工劳动强度，长时间工作时仍能保持稳定工作状态。

加工质量方面，制动盘全自动激光智能清洗机清洗质量均匀、一致性强，对零件尺寸几乎无损伤，有效提高制动盘的使用寿命；环境保护方面，清洗系统不产生废液、废气、噪音等污染，有利于环境保护和工人身心健康；社会经济效益方面，该系统能极大地减少人工成本，减少打磨头等耗材损耗。尽管该设备一次投入成本高，但从长远效益考虑，激光清洗的经济效益必将远高于人工打磨。

2.清洗设备与对象

实验中使用的激光清洗系统由光纤激光器、光束整形系统、机器人、工作台以及辅助设备构成。该激光清洗设备采用的光纤激光器清洗机内置冷却系统，光束质量好，使用寿命长，性能稳定免维护，可广泛应用于众多领域的激光清洗中。激光清洗过程中使用吸尘装置，将剥离的锈蚀颗粒进行收集，防止对材料表面造成污染，保证良好的工作环境。

图1 机车制动盘全自动激光清洗设备

制动盘所用材料为Q345E，根据国标GB8923-88的标准，对零件锈蚀程度进行判断，发现钢材表面已发生锈蚀，并且部分氧化皮有锈蚀，因此判断零件锈蚀等级为B级。经多次取平均值，测量得到锈层平均厚度约为23μm（如下图2）。通过材料表面锈蚀程度分析，发现表面锈蚀程度不均匀，这是由于制动盘在工作运行中对表面的磨损与锈蚀程度不同造成的。

 图2 制动盘锈蚀试样以及锈层厚度

3.激光清洗后对制动盘的质量分析

工艺参数优化后，对激光清洗后的材料与母材性能进行对比分析，研究激光清洗对制动盘表面的作用与影响。

3.1 外形尺寸

经过激光清洗后，制动盘整体尺寸未发生显著变化（如下图3），在电子显微镜下观察发现清洗前后两侧表面高度差约为22.78μm。在误差允许的范围内，经过激光清洗可有效去除表面锈蚀，且并未对零件尺寸产生明显改变，不影响制动盘使用精度，达到清洗要求。

图3 未清洗表面与激光清洗表面对比

3.2 表面硬度测试

使用华银数显显微硬度计对激光除锈后的基材表面进行硬度测试。其中，试验力为2.942N，保荷时间为15s，为了保证试验结果的准确性，在每个样品的不同部位测三个点，求平均值测得实验结果。

图4 清洗前后碳钢表面的硬度值

通过清洗前后基材表面硬度值的分布趋势进行分析。依据上图4，清洗后基材表面硬度值分布趋势较为波动，但是硬度平均值高于母材的硬度值。可以发现经过激光清洗两次后的表面显微硬度与母材相比提高了约8%。激光除锈能提高碳钢表面的硬度，对防止碳钢再次氧化和表面强化具有重要意义。

3.3 X射线荧光元素分析

利用X射线荧光光谱分析技术对激光清洗前后制动盘表面元素含量进行测量，测量数据见表1，对比发现激光清洗前制动盘锈蚀表面氧元素含量高达15.302%，而激光清洗后氧元素含量仅为3.340%，含量显著下降78.1%，由此可知，激光清洗对制动盘表面氧化膜及锈蚀有着明显的去除清洗作用。

表1 激光清洗前后Fe与O元素含量变化

3.4 表面金相结构分析

如下图5，制动盘表面未进行激光清洗前表面被不均匀锈蚀覆盖，经过最佳激光清洗工艺清洗后，基材表面锈蚀被去除，亮斑相互重叠，在表面形成相互重叠的一个个凹坑，将原本锈蚀的区域清洗干净。此外，观察激光清洗后的表面放大500倍，可以看到表面被圆形的亮斑覆盖形成圆形的清洗区域，凹坑中部的锈层基本上被清除干净，并呈现均匀的亮泽。凹坑边缘部分呈现环状凸起形貌，原因是脉冲激光剧烈的冲击作用下，凹坑中部的金属流向边缘处并且堆积起来形成环状，相邻凹坑的环形部分呈现均匀搭接堆叠，且几乎不存在锈斑，表面完全清洗干净。3.4 表面金相结构分析

清洗前100倍放大图

清洗后100倍放大图 

清洗后500倍放大图

图5 制动盘激光清洗前后对比表面

4.结语

通过各项实验数据，证明机车制动盘全自动激光清洗设备可用于机车制动盘表面除锈、除表面污染物、去油污，且去除效果好，清洗后对零件本身性能影响小，能满足机车制动盘维保检修的需求。

轨道交通装备是由先进技术、高端装备以及系统工程集合而成的大型产品，技术的进步是不断推动产业发展的动力，关键核心技术的自主可控是面对复杂的国际形势，维护供应链安全稳定的重要保障。激光清洗技术大幅减少了轨道交通装备制造和维保检修成本，提高了智能化水平，符合绿色智能制造的方向。激光清洗技术的高效使用，有助于提高轨道交通装备产业链和供应链的竞争力。随着研究和应用的不断深化，激光清洗技术必将成为推动轨道交通行业产业改造升级和改造发展不可或缺的重要手段。

关于华工激光

华工激光是中国激光工业化应用的开创者、引领者，全球激光加工解决方案权威提供商。我们全面布局激光智能装备、量测与自动化产线、智慧工厂建设，为智能制造提供整体解决方案。

我们深刻把握制造业发展趋势，不断丰富产品和解决方案，坚持探索自动化、信息化、智能化与制造业的融合，为各行业提供包括全功率系列的激光切割系统、激光焊接系统、激光打标系列、激光毛化成套设备、激光热处理系统、激光打孔机、激光器及各类配套器件、激光加工专用设备及等离子切割设备，及自动化产线、智慧工厂建设整体方案。