一、概述

构架是机车的重要组成部件之一，为了延长机车构架的使用寿命，创造更多经济价值，需要定期对机车构架进行检修和维护。在检修维护过程中，需要对构架表面的油漆和泥灰等污染物进行清洗。传统清洗技术如机械打磨和酸洗作业环境差、效率低，不满足国家对于环保生产的要求，急需探索一种绿色、高效的清洗方式。激光清洗是一种绿色环保的高效表面清洁技术，利用基材和表面污染物对激光能量吸收率的差异，激光清洗可以做到选择性清洗，除去污染物的同时避免对基材表面造成损伤。同传统清洗技术相比，激光清洗对材料表面损伤小、清洗效率高，且更加绿色环保。

二、引入激光清洗的必要性分析

出于保护焊缝和防水防锈的目的，机车构架表面通常会喷涂一层灰色防锈漆。随着长时间的使用，构架表面会积累一层主要由油泥、灰尘组成的污染物。检修时需要去除污染物和防锈漆，探伤后重新喷涂，因此需要高效强力的清洗手段。传统方法采用手动打磨，先用水枪清洗构架表面的附着污染物，然后再用手持砂轮机打磨掉构架表面的防锈漆，焊缝处使用脱漆剂和水枪进行清洗。这种方法效率低下，工作环境恶劣，在机械打磨的过程中，产生大量噪音和飞溅，脱漆剂产生严重气味，极大危害了检修人员的身体健康。并且这个清洗过程对工作人员的熟练度要求很高，清洗效率不容易量化控制，容易出现清洗不彻底或者工件过度损伤的情况。

世界上第一例激光清洗专利由IBM公司的德国研究部门于1988 年申请，目前欧美国家已将激光清洗技术广泛应用在金属材料表面，如飞机机身脱漆、模具表面除油污、发动机内部除积碳和焊前接头表面清理等。

我国激光清洗技术的研究和设备的开发起步晚，2016年之前国内的激光清洗以学术研究为主，且面临关键核心部件依赖进口、配套产业链缺乏等诸多问题。近五年来，随着国产脉冲激光器的逐渐成熟，以及国家对环境保护的日趋重视，激光清洗应用越来越受到关注。在城铁领域，近两年来已开始将激光清洗技术应用于个别的车辆零部件检修；在国铁集团内，鲜有较典型的应用案例。

随着国家政策对绿色环保和自动化生产的要求逐渐提高，理应寻找一种自动化程度更高、更加绿色环保的清洗技术。使用机器人配合水射流和激光清洗设备可以实现自动化高效清洗，从清洗效果的角度，自动化清洗均匀可控，通过调节清洗工艺可以做到一致性极高的清洗效果，减少对构架表面的损伤；从成本角度，自动化清洗设备能够长时间稳定运行，可以大大减轻现场工作人员的压力，降低人力成本和耗材成本；从环保角度，水射流和激光清洗过程仅产生少量废水和废气，经过收集处理无害化后可以直接排放到环境中，减少了对环境的污染，降低了企业处理污染物的成本。长远来看，虽然激光清洗设备存在一次性投入成本高的问题，但是长期以往可以大幅降低企业运行成本、改善工作环境、提高生产效率，将带来巨大的长期效益，具有很大的应用意义。

三、实验平台搭建

3.1实验验证对象

本次实验对该项目工艺进行验证，清洗对象为HXD3型动车构架，如图1所示。经过观察，构架表面有一层灰色防锈漆，防锈漆表面残留少量灰尘，无明显破损和锈蚀。通过观察，构架表面油漆层厚度并不均匀，焊缝处油漆厚度大于平整表面处油漆厚度。

图1 待清洗构架试样

3.2实验平台搭建

实验中使用的水射流激光清洗系统主要由三部分组成：机器人、水射流清洗机和激光清洗机。

机器人选用华数630A型六轴机器人，最大负载30kg，工作半径1700mm，配备标准示教器，示教器线缆长度8m，额定功率4.5kw。机器人在本次实验中充当水射流和激光清洗设备的运动载体，负责在装夹清洗头之后运动到指定位置并通过编程完成清洗路径行走。编程之后的机器人按照预定轨迹，将清洗头送至指定位置

图2 华数630A机器人

水射流激光器选用国内知名品牌，包括高压泵机、喷管和喷头三部分。高压泵机提供的水压在50-350bar可调，水流量为15-35L/min，水流管线长度约10m，多种清洗头可替换使用。由于现场水射流清洗工艺不需要添加清洗剂，因此直接接入自来水供水。水射流设备主要用于构架的前期清洗，去除构架表面残留的灰尘、油泥等污染物。

图3 水射流清洗机

光纤激光器能够达到的平均功率为2000W，峰值功率高达50kW以上，光束经过光束整形系统后光斑直径为0.15mm。运动控制系统通过库卡机器人进行清洗路径移动，高能量密度的脉冲激光通过一维振镜作用在材料表面，脉冲激光对材料表面锈蚀层产生烧蚀与冲击作用，冲击作用使得锈蚀层发生震动，逐渐剥离锈蚀层。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，防止对材料表面形成污染，并且保证了良好的工作环境。

图4 激光清洗机

四、构架激光清洗工艺研究

4.1 单激光清洗工艺研究

进行构架激光清洗工艺研究，首先需要明确使用的光源类型。根据激光清洗的作用机理，油漆去除的过程中主要是烧蚀机制占主导地位。碳钢构架表面的油漆吸收激光照射的能量产生升温，超过燃点后发生燃烧反应，燃烧产生的烟气通过吹气和抽尘装置排除并收集。考虑到脉冲激光和连续激光的不同特性，最后选择热量效应更强的连续型激光器作为实验使用的光源。经过选型，选择功率为2000W的STORM-2000型激光清洗机作为清洗实验设备。该清洗设备是新一代表面处理的高科技产品，易于安装、操控以及实现自动化。操作简单，接通电源即可进行无化学试剂、无介质、无尘、无水的清洗，能够清除物件表面树脂、油漆、油污、污渍、污垢、锈蚀、涂层、镀层以及氧化层，且行业应用广泛，涵盖船舶、汽修、橡胶模具、高端机床、轨道以及环保等。平均激光功率为2000W，波长为1080nm，聚焦光斑直径约为0.15mm。为提高清洗效率，固定使用满功率即2000W进行实验，调整清洗机移动的速度来研究研究不同速度下下焊缝表面油漆去除情况，进而设计最佳清洗工艺参数。

图5 激光清洗烧蚀机理

图6 清洗前的样件表面

清洗前的样件表面覆盖构架同样的防锈漆，厚度约为150μm。使用2000W激光清洗机重点清洗焊缝区域，对清洗后的表面进行宏观和微观观察。理想的清洗后表面应该宏观上光洁无油漆残留，显露金属原色；微观观察下焊缝表面的焊接特征应该得到保存，激光不对焊缝造成可观察到的损伤。

图7 不同速度清洗后的样件表面

实验设定的清洗线宽为20mm，确保能够覆盖整条焊缝表面。清洗速度从10mm/s开始逐渐增加，设置10/20/30/40/50/60共6组实验组，观察清洗后表面形貌如上图7。可以看出，随着清洗速度的提升，样件表面烧损的情况逐渐变弱，相应的激光对油漆的清洁效果也开始下降。当速度超过30mm/s后，材料表面开始出现明显的油漆残留；速度超过50mm/s后，开始出现搭接率不足导致的条纹现象。这是因为，随着清洗速度的提升，激光和样件表面油漆反应的时间逐渐降低，当低于激光清洗的阈值时，油漆尚未被完全烧损汽化激光束已经脱离反应，因此会留下明显的残留。当清洗速度继续提高时，受限于清洗设备振镜的扫描速度，形成的光斑搭接痕迹无法彼此覆盖，最终出现清洗不均匀的条纹现象。

经过对比实验结果，综合考虑清洗效率，最终确定20mm/s的清洗速度为最佳参数。至此，单激光清洗的最佳参数已经得出如下表：

图8 20mm/s速度清洗后的整条焊缝

对清洗的结果进行宏观观察，清洗后的焊缝表面呈现银白色金属光泽，表面无油漆残留，且未发现激光过度清洗造成的烧损。焊缝本身的特征，包括焊接缺陷都得到保存，证明此参数下激光清洗不仅完成了对焊缝表面油漆的清洗，且没有造成焊缝的损伤。

图9 焊缝及周边区域放大效果（左：焊缝 右：边缘 约50倍）

使用手持式显微镜对清洗后结果进行微观观察，清洗后的焊缝中心区域无油漆残留，无烧损痕迹，焊缝的特性如鱼鳞纹等得到完全保留。焊缝边缘区域才可观察到油漆残留，这不仅印证了宏观的观察结果，也说明了激光的作用区域之外，油漆正常存在，而清洗区域的油漆已经被完全去除。

4.2水射流激光复合清洗工艺研究

为了保证激光清洗的效果，需要先使用水射流清洗设备对构架进行清洗，除去表面的油泥、灰尘等顽固污染物。水射流清洗的效果，直接影响后续激光清洗的效果和效率。为了保证水射流清洗效果，对不同的水射流工艺参数进行了研究。

图10.油泥和浮锈

本次使用的水射流清洗机为国内知名品牌，配备了柱状喷嘴、扇形喷嘴和旋转喷嘴三种喷嘴。不同类型的喷嘴对水流的散布角度、有效射程以及压力承受上限都有影响。柱状喷嘴在同等靶距下水流最集中，清洗能力最强，但是清洗角度窄，效率低；扇形喷嘴清洗范围最广可达到30°，但水流最分散清洗效果最弱；旋转喷嘴兼具两者的优点，通过旋转出水口同时具有清洗角度大和清洗能力强的特点，但重量最重且姿态必须为头朝下，实际使用时有限制。

图11.三种喷嘴出水效果 A.柱状喷嘴 B.扇形喷嘴 C.旋转喷嘴

综合考虑清洗效果和实际方案可行性，最后选择使用柱状喷嘴作为实际方案中的水射流喷嘴。

靶距即是喷嘴出水处到工件的距离，水压是水流被射出时设备提供的压力，两者共同影响清洗的实际效果。由于水流对工件本身的损伤几乎可以忽略不计，因此在实际清洗过程中，选择设备允许的最大水压350bar（35MPa）来进行清洗。

靶距太大时，水流对工件表面污染物的冲击力很弱，无法快速有效的除去构架表面的污染物。靶距太小时，水流对工件表面冲击力过强，容易对焊缝和工件表面造成损伤，且由于距离太近，清洗区域的面积变小，整体的清洗效率也下降了。

经研究清洗能力的强弱和清洗所用的喷头类型，清洗压力，清洗水温相关性最大。

根据清污能力和经济性原则，测试出采用下表2清洗参数对构架清污能力最好。

表2：水射流清洗参数表

表三：实验采用的高压泵组参数

    经过测试，水射流清洗后的工件进行简单的水分吹除，就可以使用激光进行清洗，少量的水分残余不会影响最终的清洗效果。

五、构架水射流激光复合清洗系统介绍

5.1 设备构成简介

定位夹具包括两套，分别适配水射流清洗机和激光清洗机，主要作用是固定水射流和激光清洗头，保持其在运动过程中的稳定性，减少清洗头震动对清洗效果的影响。

图12.水射流清洗机及配套夹具

图13.激光清洗机及配套夹具

水射流清洗机主要由主机、电泵、水箱和喷头几部分组成，主要负责对拆解完毕的机车构架进行初步清洗，去除表面的油泥、灰尘等污染物，便于后续激光清洗工艺的进行。根据需要可以调节水泵的压力和清洗头离构架的距离，从而获得最好的清洗效果。根据清洗需要，本次选用专门定制设计的弯管喷嘴，装夹在机器人前端，并为机器人配备防水衣以避免飞溅水流损伤机器人。水射流清洗后，构架表面应当无油漆之外的残留污染物。

图14.装配好水射流喷嘴和防水衣的机器人

激光清洗机包括主机、控制面板、光纤和清洗头，和水射流清洗机同理，激光清洗头也是通过定制夹具装夹在机器人前端。使用激光清洗设备可以直接在水射流清洗机清洗后的表面上进行作业，无需脱漆剂去除焊缝表面和周围区域的油漆。清洗后的焊缝表面应当无油漆残留，暴露焊缝本来的金属形貌，并且避免对焊缝本身造成破坏，探伤结果应满足要求。

5.2 设备使用介绍

5.2.1激光清洗机主界面介绍

打开激光清洗机后，控制屏幕点亮，随后在触屏上完成软件设置。根据需要选择合适的清洗工艺，完成后保存参数。本次使用的是2000W连续激光清洗机，因此频率不需要调整，可调参数包括功率、速度（扫描速度）、线宽。

图15.激光器参数设置界面（示例）

5.2.2 激光清洗设备手持头

激光清洗机配备的手持式清洗头自带水冷循环，无需单独配备冷却装置。使用时可通过外部或内部出光控制激光开关。清洗头使用时应尽量和待清洗表面保持垂直，配合吹气装置以延长激光清洗头的使用寿命。

图16. 激光清洗头示意

5.2.3机器人轨迹编程

此界面包含部分控制按钮和设备运行参数的设置。操控机器人运动到指定位置后，记录关键点位置。各个点位记录完成后，通过软件编程将关键点加入到程序中，完成整个轨迹运动编程。

图17.控制按钮界面示意

5.2.4清洗设备机器手的操作监控

此界面包含机器人的软件配置和操作监控。通过载入预设的程序，机器人可以按照预定的轨迹进行运动。调节机器人和关节轴的参数，可以修改机器人的运动精度和运动速度等参数。

图18. 机器人设置界面示意

六、实验情况

8.1水射流清洗

8.1.1 清洗前准备

进行水射流清洗前，需要将构架架设到指定位置，将构架姿态调整好。随后为机器人穿好防水衣，装好水射流清洗用夹具和清洗头。水射流清洗头和工件应保持合适距离，实际测试最佳距离在30~50mm，确保清洗效果的同时避免反射的水流对设备产生损伤。

图19. 机器人及防水衣

8.1.2 水射流清洗过程

设置好程序后，开启水射流清洗机泵机，水射流清洗机开始喷水，同时机械臂带动水射流清洗头进行运动。按照设置，水射流清洗头轨迹应覆盖所有焊缝和待清洗幅面，在夹角和狭缝区域自动调整角度。清洗工序完成后，关闭清洗机，检查构架水射流清洗情况。

图20. 水射流清洗后的焊缝

水射流清洗后，构架表面应当无油漆之外的残留污染物。上图为清洗后焊缝示意图，可以看到，清洗后的焊缝表面已经不存在污泥等残留，油漆仍覆盖在焊缝区域上，少量漆层薄弱处暴露焊缝本身颜色。

8.2激光清洗

8.2.1 清洗前准备

进行激光清洗前，需要为机器人去除防水衣，装好激光清洗用夹具和清洗头。使用时应注意激光清洗设备需保持一定焦距才能发挥最大清洗效果，如果构架位置不合适，需进行调整。激光清洗头和工件表面应尽量保证垂直。

图21. 激光清洗现场

8.2.2 激光清洗过程

设置好程序后，开启激光清洗机，设置好参数后机器人开始运动，同时激光清洗机开始出光。清洗过程中可能产生烟尘或明火，需要根据要求进行收集处理。清洗工序完成后，关闭清洗机，检查构架激光清洗情况。如果清洗过程中激光未能完全覆盖焊缝，应停机检查，重新设定关键点和轨迹后再次进行清洗。

图22. 激光清洗后的焊缝

8.3清洗后效果检测

清洗结束后，构架需要转移到探伤工位进行磁粉探伤。完成一面探伤后，通过夹持和翻转机构将构架翻转，对背面进行探伤。构架上所有焊缝都需要按要求进行检测。经过检测，所有焊缝均满足探伤要求，清洗结果满足预期。

图23. 清洗后的探伤

七、结论

机车构架全自动水射流激光清洗技术，可以代替人工，实现对机车构架的全自动清洗。从加工质量来讲，构架全自动水射流激光智能清洗机能对构架进行全自动的清洗，清洗质量均匀一致性强，激光清洗对零件尺寸几乎无损伤，可有效提高构架的使用寿命；从环境保护来讲，整个清洗系统不产生废液、废气、噪音等污染，对环境保护和工人身心健康具有重大的意义；从社会经济效益来讲，该系统能极大的减少人工成本，减少打磨头等耗材的损耗，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。

激光清洗用于机车构架表面除漆，不仅去除了灰尘、油泥等顽固污染物，而且除漆的效果非常好，清洗后焊缝表面暴露出金属基材，且对零件本身的尺寸和性能影响很小，顺利通过探伤。

激光清洗能满足机车构架维保检修的需求。现阶段在轨道交通行业我们已经摸索和掌握了一些实验数据，以后将进一步完善实验，尝试不同品种的清洗，确定基体在不同条件下的损伤阈值；寻找合适的辅助方法，提高清洗效率和自动化程度；通过计算机同步控制激光器和 X-Y 平台，并根据反馈信号（由监控清洗进程和清洗程度的辅助系统如显微镜或CCD 提供）进行调整，实现清洗的自动控制。

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。

清洗系统可以长期稳定使用，运行成本低，更重要的是可以实现自动化操作。它以自身的优势和不可替代性在许多领域中逐步取代了传统清洗工艺。

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