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激光清洗进入高铁行业,“清焊一体化”促进高铁清洗智能升级

发布日期:2021-09-14

“这台设备将清洗头与焊枪集成在一起,前方清洗头进行焊前清洗,焊枪跟随其后完成焊接。紧接着,焊枪由终点回到起点的过程中,又连带清洗头完成了焊后清洗。”在中国中车股份有限公司(以下简称“中国中车”)的某主机厂内,正在高铁车体生产线上进行焊接的工作人员介绍了进入高铁生产制造领域的一种新型清洗设备——清焊一体设备。相比人工清洗,新型设备节省了焊前40分钟和焊后20分钟的清洗时间,大大提高了生产效率。

清焊一体设备正在作业中

这一便捷、高效的清洗设备背后所依托的,正是近年来在国内高端制造行业逐渐普及的激光清洗技术。这一技术解决了困扰行业多年的人工清洗效率低、清洗质量得不到保证、难以实现自动化等问题,以自动化集成的方式推进高铁清洗的智能化升级,节省了时间、人力和耗材,以科技创新提升了高铁制造的效率。

传统清洗方式“痼疾”难除

8月24日举行的国务院新闻发布会中提到,党的十八大以来,高速铁路新增投产3.1万公里,复线率59.5、电化率72.8,均位居世界首位,高铁成为代表“中国创造”和“中国制造”的一张名片。但令人感到意外的是,在这样一个先进制造行业中,清洗方式却还以人工作业为主,由此导致各种弊端:人工清洗以工人操作砂轮打磨完成,难以保证效果的一致性;人工清洗劳动强度比较大,会造成人力成本的提升;人工打磨还会造成车间的噪音污染和粉尘污染,对于操作人员来说,则会对身体健康造成伤害。

因此,在高铁需求量和规模越来越大的今天,清洗技术的升级转型显得愈发迫切。事实上,高铁制造行业寻找高效清洗方式的脚步一直没有停歇,化学清洗作为人工清洗的补充和替代出现在高铁清洗领域。所谓化学清洗,就是使用酸碱、丙酮、酒精等化学试剂擦拭需要清洗的部件。这一方式虽然促进了效率提升,但同时也造成了污染。随着国家对环保的重视度不断提高,化学清洗在高铁制造中的使用也越来越少,目前人工清洗仍占主流。

工人手持砂轮进行人工清洗

激光清洗技术+针对性升级,解决人工操作难题

人工清洗效率低下、效果难以统一、劳动强度大,化学清洗又存在高污染,因此寻找新的替代清洗方式成为高铁制造企业的重要任务。面对市场痛点,激光清洗作为工业清洗的新兴方式开始在国内崭露头角,其具有清洗干净、效率高、非接触、绿色环保等优点,不但可以用来清洗有机污染物,也可以用来清洗无机物,应用范围涉及除锈、去除氧化膜、脱漆、去油污、除胶、去镀层涂层等,在高端设备制造领域应用广泛。深刻影响全球科技创新、产业结构调整、经济社会发展。近年来,近十年来,虽然激光清洗在高端制造行业得到了广泛关注和应用,但期待清洗方式升级的高铁行业却还未注意到这一新型清洗方式,直到2016年,中国中车的工程师与一家激光清洗企业交流焊接工艺时,提出了清洗难题:“有些部件焊接以后表面有一层黑灰状氧化物,需要工人打磨掉,但是有一些地方非常狭窄,工人很难操作。”这位工程师希望激光清洗能帮他解决问题。

这家激光清洗企业名为翔明激光,是一家来自于于华中科技大学的科技成果产业化公司,创始人王春明是华中科技大学材料科学与工程学院教授,他的研究方向正是激光加工技术。2016年,王春明创立翔明激光,专注于激光清洗工艺研发与装备制造,成功研发了焦点保持系统、边缘控光系统、光束匀化整形系统、防抖动、高允差技术等专利技术,形成了一系列激光清洗的关键技术群,并在实践中建立了各类基材和各类污染物的激光清洗工艺库。

人工清洗粉尘遍布,工人必须“全副武装”

当中国中车寻求帮助的时候,翔明激光的激光清洗技术已经在飞机制造领域得到了应用,并且取得了成功经验。翔明激光敏锐地感觉到,这正是激光清洗进入高铁领域的契机。于是,他们向中国中车的工程师表示:“我们可以用激光清洗技术尝试一下。”

为了利用激光清洗技术解决中国中车工程师提出的清洗难题,在此后的2~3年间,翔明激光针对高铁制造应用场景对激光清洗技术做了多项改进研发,开发出了应用于高铁车体焊接的焊前焊后清洗技术,也就是目前已广泛应用的清焊一体设备。然而,这一设备的应用也并非一帆风顺,而在发现问题、解决问题中不断升级的过程。

清焊一体设备首先遇到的问题是金属飞溅对光学镜头的损害:焊接产生的金属飞溅可能会接触到激光清洗头,而清洗头由光学镜片组成,高热量的金属飞溅会对其造成损害。针对这一问题,翔明激光开发了镜头自主防护功能,避免金属飞溅带来的光学镜头损伤,保证激光清洗设备的稳定工作。

高铁制造中产生的焊后氧化物

随着清焊一体设备的应用越来越普及,设备经常处于满负荷运行状态,引发了高铁生产企业对其稳定性和安全性的担忧:激光束扫射角度一旦出现偏差,就会对周围人员的安全造成极大威胁。因此,翔明激光又为设备增加了安全防护功能,一旦激光束出现倾斜,激光设备会自动关停,保证周边操作人员的安全。

经过一系列技术改造和升级,清焊一体设备在2018年进入正式应用阶段。激光清洗技术成功应用于高铁行业,困扰高铁制造工程师多年的清洗问题终于得到了初步解决。并且,随着5G、人工智能、智慧城市等新技术、新业态、新平台蓬勃兴起,中国正在积极推进工业制造的智能化、数字化升级,而清焊一体设备所具有的自动化集成特点,大大促进了高铁生产中清洗工序的智能化,使得高铁行业全流程智能制造升级得到进一步实现。

激光清洗为高铁制造清洗提质增效

由于技术的领先性和完备性,翔明激光清焊一体设备的出货量已到达50~60台,进入批量生产状态,目前在国内高铁领域的激光清洗市场中已占据绝大部分份额。“去年到今年,我们的出货量翻番,这证明激光清洗技术在高铁领域获得了认可。”翔明激光副总经理王军表示。

高铁生产制造企业对源于清焊一体设备的认可源于其应用价值。与人工清洗相比,清焊一体设备除了大大节省人工焊前与焊后的单独清洗时间之外,还从多个角度为高铁制造清洗带来了革新:首先,清焊一体设备是进行在线清洗,节省了人工打磨所需的60平米打磨空间,并且大幅降低了人工成本,人工打磨每个车体起码需要2个打磨工;其次,清焊一体设备自带的收集装置使得清洗现场“一洗如新”,告别了人工打磨粉尘遍布的历史;另外,与化学清洗加打磨相比,清焊一体设备节省了耗材费用,王军解释道:“经统计,化学清洗加打磨一节车体需要88元耗材费用,而我们激光清洗主要是用电,折算下来一节车体清洗费用仅2.5元。按照一条生产线一年生产几千节车体来计算,仅一条生产线每年就可为厂家节省几十万费用。”

  翔明激光研制清焊一体化设备应用于高铁制造

激光清洗有望成为高铁行业主流清洗方式

虽然已经取得了阶段性成功,但激光清洗在高铁领域的全面普及还有一段路要走。王军表示:“我们现在的应用集中在高铁生产制造环节,在维修保养环节还远远未达到批量应用,其中最大的问题就是目前效率不能满足高铁维保用户的要求,因此提高清洗效率是我们现在努力的方向。”

如何解决效率问题?王军认为,除了提升设备性能之外,数字化升级也是提高激光清洗效率的重要方式。王军解释道:“借助智能化和数字化能够进一步减少人为干涉,提升自动化程度,进而提高效率。同时,智能化和数字化是当前工业制造领域的整体发展趋势,将我们的激光清洗设备进行智能化、数字化升级后,也能够更好的与工业设备适配,有利于激光清洗技术的推广。”

谈到激光清洗在高铁领域的应用前景,王军表示:“高铁生产制造厂家对我们激光清洗技术的应用,已经从一条生产线已经扩展到十几条生产线,这说明他们发现激光清洗能够很好解决他们的痛点问题。因此,我认为激光清洗在高铁领域是一种很有优势的补充和替代清洗方式,未来有希望发展成一种主流方式。”

从宏观政策层面来看,中国在“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出要深入实施制造强国战略,推动集成电路、航空航天、船舶与海洋工程装备、机器人、先进轨道交通装备等产业创新发展,激光清洗对我国高端制造装备产业竞争力的提升具有重要意义。从行业发展来看,今年4月由翔明激光创始人王春明牵头编制的激光清洗行业国家标准《绿色制造 激光表面清洗技术规范》启动编制,这表明激光清洗行业正在朝着规范化、专业化、高质量方向发展,行业前景进一步明朗。从市场层面来看,高铁维保已经对翔明激光提出了新的产品需求,翔明激光正在不断提升设备性能以满足用户标准,目前已实现试点应用,包括轮对、集电环,受电弓、齿轮等部件的清洗,完成了激光清洗从高铁生产制造环节到维修保养的业务全覆盖。目前,在政策和市场需求的双重引领之下,激光清洗正在成为高铁行业的重要清洗方式,将为高铁行业的提质增效做出贡献。