激光清洗-利用光纤激光器清除铁轨表面的锈蚀层

近年来，随着环保要求的提高和人们的环保意识不断增强，也给世界范围内的清洗业带来了新的发展机遇，各种有利于环境保护的清洗技术应运而生，激光清洗技术就是其中之一。

相比于传统的机械清洗、化学腐蚀清洗、高频超声清洗等传统清洗方法，激光清洗具有高效、快捷、成本低、对工件的热负荷和机械负荷小、非接触非损伤等优势，并且激光清洗的废物可回收，保障环境和操作人员健康安全。激光清洗能够清除各种不同厚度、不同成份的涂层，甚至可以清洗传统清洗方式无法解决的难题。另外，激光清洁过程易于实现自动化控制以及远距离遥控等。

激光清洗的原理，是利用高能激光与被清洗工件表面物质的相互作用，被清洗的物质在高能激光的作用下，瞬间气化或者受热膨胀从基底脱落，从而达到工件清洁净化工艺的目的。

清洗所使用的功率，从十瓦到几千瓦不等，具体功率的选择根据清洗目标而定。激光可以清洗工件上的各种污垢，如除油污、除锈、除漆、除氧化层以及各种涂层等。其中激光除锈已经是一种常见应用。下面介绍激光铁轨除锈的案例。

铁轨除锈案例

铁轨由于常年暴露在空气中，加上风吹日晒雨雪寒霜，表面很容易生锈。为了不影响列车的安全运行，铁轨除锈非常必要。

本案例中，采用实验的方法测试了和评估了使用两款光纤激光器进行铁轨锈蚀层清洗的清洗效果和清洗效率。

（1）清洗系统配置

本次清洗实验的具体系统配置如表1所示。实验将测试和评估IPG的YLPN-100-30*100-10-1000和YLPN-10-30*400-20-200这两款光纤激光器对于铁轨锈蚀层的清洗效果。激光器均工作在脉冲模式下，配备IPG中功率扫描振镜，在不同的扫描方法和工艺参数，搭载数控平台或机械手，实现不同表面清洗的要求的满足。实验系统具体实物图如图1所示。

图1：激光清洗铁轨锈蚀层的实验系统。

激光器光源信息

IPG YLPN-100mj-1000W		IPG YLPN-10mj-200W
波长	1064 nm	波长	1064 nm
平均功率	1000 W	平均功率	200 W
光束质量	＜36 mm▪mrad	光束质量	M²＜2
光纤最小直径	600 µm*600um	输出光斑	6~9mm
脉冲周期	30*100 ns	脉冲周期	30*400 ns
最大脉冲能量	100 mJ	最大脉冲能量	10 mJ
重复频率	10 kHz	重复频率	50 kHz
扫描速度	6000mm/s	扫描速度	9000mm/s
清洗效果	OK	清洗效果	OK

铁轨表面上的锈蚀层，实际上包含两层，一层是氧化皮表层的三氧化二铁（Fe₂O₃）黄色锈层，另一层是更深层的黑色锈层，实物如图2所示。

图2：铁轨氧化皮表层的三氧化二铁（Fe₂O₃）黄色锈层和更深层的黑色锈层（右图）。

（2）清洗参数选择与清洗效果

首先使用YLPN-100-30*100-10-1000激光器进行清洗实验。实验中选择的具体清洗参数配置如表2所示。

表2：YLPN-100-30*100-10-1000激光器的清洗参数配置

使用YLPN-100-30*100-10-1000激光器清洗铁轨表面
功率(W)	速度(mm/sec)	离焦量(mm)	光斑(mm)
950	1000	F254	3

图3：使用YLPN-100-30*100-10-1000激光器仅清洗掉了铁轨表面的黄色锈层，而更深层的黑色锈层依然存在。在优化聚焦光斑在0.8mm,可以实现非常好的清洗效果。

接下来，我们使用YLPN-10-30*400-20-200激光器进行清洗实验方案。为了获得更好的清洗效果，利用YLPN-10-30*400-20-200激光器的清洗分为两个步骤，这两个步骤的区别主要是使用的激光功率不同，第一步的功率稍大些，用于大面积清洗锈层；第二步功率降低，用于更精密、更细微的锈层清除。具体的参数配置如表3所示。

实验结果显示，经过这功率一高一低的两个步骤的清洗后，铁轨表面的黄色锈层和黑色锈层都完全清洗掉，清洗后的铁轨洁白光亮，如图4所示。

表3：YLPN-10-30*400-20-200激光器的清洗参数配置

使用YLPN-10-30*400-20-200清洗铁轨表面
	功率(W)	速度(mm/sec)	离焦量(mm)	光斑(μm)
步骤一	196	9000	F160	35
步骤二	40-60	9000	F160	35

图4：使用YLPN-10-30*400-20-200激光器清洗，铁轨表面的黄色锈层和黑色锈层都完全清洗掉，获得基材本体颜色的清洗效果。

实验结论

从实验结果中我们不难看到，YLPN-100-30*100-10-1000激光器对于清除铁轨表面浅层的Fe₂O₃黄色锈层，清洁效果非常好，比使用YLPN-10-30*400-20-200激光器清洗具有更高的效率。对于清洗更深层的黑色锈层，YLPN-10-30*400-20-200激光器了是很好的选择。

综合清洗效率、清洗效果等多方面考虑，要想达到高效率、高质量的锈蚀层清洗效果，建议可以两款激光器结合使用：先使用大光斑、低功率密度的YLPN-100-30*100-10-1000激光器高效清除铁轨表面浅层的Fe₂O₃黄色锈层；再使用小光斑、高功率密度的YLPN-10-30*400-20-200激光器清除更深层的黑色锈层。

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（IPG Photonics 高级应用工程师颜业志）

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