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利用光纖激光器清除鐵軌表面的銹蝕層

來源:IPG Photonics    關鍵詞:激光清洗, 光纖激光器,    發布時間:2018-11-15

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 近年來,隨著環保要求的提高和人們的環保意識不斷增強,也給世界范圍內的清洗業帶來了新的發展機遇,各種有利于環境保護的清洗技術應運而生,激光清洗技術就是其中之一。
 
相比于傳統的機械清洗、化學腐蝕清洗、高頻超聲清洗等傳統清洗方法,激光清洗具有高效、快捷、成本低、對工件的熱負荷和機械負荷小、非接觸非損傷等優勢,并且激光清洗的廢物可回收,保障環境和操作人員健康安全。激光清洗能夠清除各種不同厚度、不同成份的涂層,甚至可以清洗傳統清洗方式無法解決的難題。另外,激光清潔過程易于實現自動化控制以及遠距離遙控等。
 
激光清洗的原理,是利用高能激光與被清洗工件表面物質的相互作用,被清洗的物質在高能激光的作用下,瞬間氣化或者受熱膨脹從基底脫落,從而達到工件清潔凈化工藝的目的。
 
清洗所使用的功率,從十瓦到幾千瓦不等,具體功率的選擇根據清洗目標而定。激光可以清洗工件上的各種污垢,如除油污、除銹、除漆、除氧化層以及各種涂層等。其中激光除銹已經是一種常見應用。下面介紹激光鐵軌除銹的案例。
 
鐵軌除銹案例
鐵軌由于常年暴露在空氣中,加上風吹日曬雨雪寒霜,表面很容易生銹。為了不影響列車的安全運行,鐵軌除銹非常必要。
 
本案例中,采用實驗的方法測試了和評估了使用兩款光纖激光器進行鐵軌銹蝕層清洗的清洗效果和清洗效率。
 
(1)清洗系統配置
本次清洗實驗的具體系統配置如表1所示。實驗將測試和評估IPG的YLPN-100-30*100-10-1000和YLPN-10-30*400-20-200這兩款光纖激光器對于鐵軌銹蝕層的清洗效果。激光器均工作在脈沖模式下,配備IPG中功率掃描振鏡,在不同的掃描方法和工藝參數,搭載數控平臺或機械手,實現不同表面清洗的要求的滿足。實驗系統具體實物圖如圖1所示。

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圖1:激光清洗鐵軌銹蝕層的實驗系統。


 表1:激光器光源信息
 

 
 
 
鐵軌表面上的銹蝕層,實際上包含兩層,一層是氧化皮表層的三氧化二鐵(Fe2O3)黃色銹層,另一層是更深層的黑色銹層,實物如圖2所示。
 
 
圖2:鐵軌氧化皮表層的三氧化二鐵(Fe2O3)黃色銹層和更深層的黑色銹層(右圖)。
 
(2)清洗參數選擇與清洗效果
首先使用YLPN-100-30*100-10-1000激光器進行清洗實驗。實驗中選擇的具體清洗參數配置如表2所示。

 
表2:YLPN-100-30*100-10-1000激光器的清洗參數配置
 
 
 
 
圖3:使用YLPN-100-30*100-10-1000激光器僅清洗掉了鐵軌表面的黃色銹層,而更深層的黑色銹層依然存在。在優化聚焦光斑在0.8mm,可以實現非常好的清洗效果。

 
接下來,我們使用YLPN-10-30*400-20-200激光器進行清洗實驗方案。為了獲得更好的清洗效果,利用YLPN-10-30*400-20-200激光器的清洗分為兩個步驟,這兩個步驟的區別主要是使用的激光功率不同,第一步的功率稍大些,用于大面積清洗銹層;第二步功率降低,用于更精密、更細微的銹層清除。具體的參數配置如表3所示。
 
實驗結果顯示,經過這功率一高一低的兩個步驟的清洗后,鐵軌表面的黃色銹層和黑色銹層都完全清洗掉,清洗后的鐵軌潔白光亮,如圖4所示。

 
 表3:YLPN-10-30*400-20-200激光器的清洗參數配置
 
 
 
 
 圖4:使用YLPN-10-30*400-20-200激光器清洗,鐵軌表面的黃色銹層和黑色銹層都完全清洗掉,獲得基材本體顏色的清洗效果。
 
 
實驗結論
從實驗結果中我們不難看到,YLPN-100-30*100-10-1000激光器對于清除鐵軌表面淺層的Fe2O3黃色銹層,清潔效果非常好,比使用YLPN-10-30*400-20-200激光器清洗具有更高的效率。對于清洗更深層的黑色銹層,YLPN-10-30*400-20-200激光器了是很好的選擇。
 
綜合清洗效率、清洗效果等多方面考慮,要想達到高效率、高質量的銹蝕層清洗效果,建議可以兩款激光器結合使用:先使用大光斑、低功率密度的YLPN-100-30*100-10-1000激光器高效清除鐵軌表面淺層的Fe2O3黃色銹層;再使用小光斑、高功率密度的YLPN-10-30*400-20-200激光器清除更深層的黑色銹層。
 
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