技術干貨 | 激光清洗技術在機車制動盤制造檢修中的應用分析

隨著我國相關立法和規(guī)章制度的規(guī)范越來越嚴格，環(huán)保成為工業(yè)中十分重要的考量指標。傳統(tǒng)清洗技術很難滿足環(huán)保的高要求，激光清洗技術作為一種新型、綠色、高效的清洗方式逐漸得到社會的廣泛關注。

本文著眼激光清洗技術在機車制動盤檢修中的應用，通過實驗數(shù)據(jù)分析論證該應用的實際效果。

1.激光清洗與傳統(tǒng)制動盤清洗方法的比較

現(xiàn)階段，制動盤檢修依靠人力，耗時耗力，機械打磨過程中產(chǎn)生的粉塵和噪音對人員健康造成極大危害。同時，檢修人員技能參差不齊，極易發(fā)生清洗不徹底或是打磨過度的情況，導致零件損傷過大。機車制動盤全自動激光清洗技術，可有效減少人工，減輕人工勞動強度，長時間工作時仍能保持穩(wěn)定工作狀態(tài)。

加工質量方面，制動盤全自動激光智能清洗機清洗質量均勻、一致性強，對零件尺寸幾乎無損傷，有效提高制動盤的使用壽命；環(huán)境保護方面，清洗系統(tǒng)不產(chǎn)生廢液、廢氣、噪音等污染，有利于環(huán)境保護和工人身心健康；社會經(jīng)濟效益方面，該系統(tǒng)能極大地減少人工成本，減少打磨頭等耗材損耗。盡管該設備一次投入成本高，但從長遠效益考慮，激光清洗的經(jīng)濟效益必將遠高于人工打磨。

2.清洗設備與對象

實驗中使用的激光清洗系統(tǒng)由光纖激光器、光束整形系統(tǒng)、機器人、工作臺以及輔助設備構成。該激光清洗設備采用的光纖激光器清洗機內置冷卻系統(tǒng)，光束質量好，使用壽命長，性能穩(wěn)定免維護，可廣泛應用于眾多領域的激光清洗中。激光清洗過程中使用吸塵裝置，將剝離的銹蝕顆粒進行收集，防止對材料表面造成污染，保證良好的工作環(huán)境。

圖1 機車制動盤全自動激光清洗設備

制動盤所用材料為Q345E，根據(jù)國標GB8923-88的標準，對零件銹蝕程度進行判斷，發(fā)現(xiàn)鋼材表面已發(fā)生銹蝕，并且部分氧化皮有銹蝕，因此判斷零件銹蝕等級為B級。經(jīng)多次取平均值，測量得到銹層平均厚度約為23μm（如下圖2）。通過材料表面銹蝕程度分析，發(fā)現(xiàn)表面銹蝕程度不均勻，這是由于制動盤在工作運行中對表面的磨損與銹蝕程度不同造成的。

 圖2 制動盤銹蝕試樣以及銹層厚度

3.激光清洗后對制動盤的質量分析

工藝參數(shù)優(yōu)化后，對激光清洗后的材料與母材性能進行對比分析，研究激光清洗對制動盤表面的作用與影響。

3.1 外形尺寸

經(jīng)過激光清洗后，制動盤整體尺寸未發(fā)生顯著變化（如下圖3），在電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)清洗前后兩側表面高度差約為22.78μm。在誤差允許的范圍內，經(jīng)過激光清洗可有效去除表面銹蝕，且并未對零件尺寸產(chǎn)生明顯改變，不影響制動盤使用精度，達到清洗要求。

圖3 未清洗表面與激光清洗表面對比

3.2 表面硬度測試

使用華銀數(shù)顯顯微硬度計對激光除銹后的基材表面進行硬度測試。其中，試驗力為2.942N，保荷時間為15s，為了保證試驗結果的準確性，在每個樣品的不同部位測三個點，求平均值測得實驗結果。

圖4 清洗前后碳鋼表面的硬度值

通過清洗前后基材表面硬度值的分布趨勢進行分析。依據(jù)上圖4，清洗后基材表面硬度值分布趨勢較為波動，但是硬度平均值高于母材的硬度值?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)過激光清洗兩次后的表面顯微硬度與母材相比提高了約8%。激光除銹能提高碳鋼表面的硬度，對防止碳鋼再次氧化和表面強化具有重要意義。

3.3 X射線熒光元素分析

利用X射線熒光光譜分析技術對激光清洗前后制動盤表面元素含量進行測量，測量數(shù)據(jù)見表1，對比發(fā)現(xiàn)激光清洗前制動盤銹蝕表面氧元素含量高達15.302%，而激光清洗后氧元素含量僅為3.340%，含量顯著下降78.1%，由此可知，激光清洗對制動盤表面氧化膜及銹蝕有著明顯的去除清洗作用。

表1 激光清洗前后Fe與O元素含量變化

3.4 表面金相結構分析

如下圖5，制動盤表面未進行激光清洗前表面被不均勻銹蝕覆蓋，經(jīng)過最佳激光清洗工藝清洗后，基材表面銹蝕被去除，亮斑相互重疊，在表面形成相互重疊的一個個凹坑，將原本銹蝕的區(qū)域清洗干凈。此外，觀察激光清洗后的表面放大500倍，可以看到表面被圓形的亮斑覆蓋形成圓形的清洗區(qū)域，凹坑中部的銹層基本上被清除干凈，并呈現(xiàn)均勻的亮澤。凹坑邊緣部分呈現(xiàn)環(huán)狀凸起形貌，原因是脈沖激光劇烈的沖擊作用下，凹坑中部的金屬流向邊緣處并且堆積起來形成環(huán)狀，相鄰凹坑的環(huán)形部分呈現(xiàn)均勻搭接堆疊，且?guī)缀醪淮嬖阡P斑，表面完全清洗干凈。3.4 表面金相結構分析

清洗前100倍放大圖

清洗后100倍放大圖 

清洗后500倍放大圖

圖5 制動盤激光清洗前后對比表面

4.結語

通過各項實驗數(shù)據(jù)，證明機車制動盤全自動激光清洗設備可用于機車制動盤表面除銹、除表面污染物、去油污，且去除效果好，清洗后對零件本身性能影響小，能滿足機車制動盤維保檢修的需求。

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