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解析光纤激光器应用于石油产业

2015-10-19 10:29
默菲
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     激光熔凝是以很高的激光功率密度、在极短的时间内与金属交互作用,使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度使之熔化,随后借助于冷态的金属基体吸收和传导热的作用,使已熔化的极薄表层金属快速凝固。激光熔凝得到的是铸态组织.其硬度较高。耐磨性亦较好。其工艺过程与激光相变硬化类似,只不过功率密度和辐照时间存在差异。铝合金表面熔凝可以改善表层组织。使其细化.清除表面缺陷,进步铝的使用性。铜合金表面重熔、熔凝层组织更加细密均匀,导电性和耐磨性进步。对接触电极导电性起重要作用。该工艺在冶金行业比较典型的是轧辊激光毛化技术。可以在毛化的同时,使激光作用区的材料获得超常硬度.给轧面带来超常的强韧化效果,延长轧辊使用寿命。激光熔凝在石油行业中的应用较少。前苏联钻井技术研究所等单位用1kW的CO2气体激光器对128700型轴承表面进行短周期的激光快速加热和深层熔化.然后控制冷却速度,使钢球的表面硬度为HRC57-58;轴圈和座圈的表面光洁度高。不必精加工,而且滚道的耐磨性好,强化深度可达1.2cm。

  激光合金化类似于激光熔覆.但二者又有不同。激光合金化和激光熔覆都是利用高功率密度的激光束照射被覆在工件表面的金属或合金涂层。使之熔融。从而强化表面的工艺。二者的主要区别在于基材表面的熔融程度。激光合金化是用激光束照射被覆纯金属或合金涂层的工件表面。在基材上形成熔池。使合金元素因表面张力和温度梯度引起机械搅拌,以及在熔池中的扩散,可在极短的时间内熔于一层厚度为10-10熔化层内,以到表面合金化的目的。激光合金化中加进的元素和基材一起熔化。并混进融化的基材中形成一种新的合金.其成分既不同于外加合金。也不同于基材。我国已开始把激光合金化技术应用到实际产品上,以此来强化新型高温结构材料.以进步其耐磨性圈。当激光脉冲功率足够高时(109W/cm2),短时间内金属表面产生汽化、膨胀、爆炸,产生的冲击波对金属表面形成很大压力.使材料表面塑变、位错等.从而能明显进步材料的硬度、屈服强度和抗疲惫性能。由激光冲击波作用,使材料表面硬化和强度进步的方法称为激光冲击硬化。这一方法在航空产业中得到应用。航空铝的激光冲击硬化层可使疲惫强度进步4.5-9.8倍。奥氏体钢经5次冲击硬化后,硬度进步20%-40%,Ti及其合金经激光冲击硬化也有较好效果。

  近年来.激光表面强化处理已经从相变硬化阶段、表面合金化阶段发展到反应表面强化阶段--即在一定条件下。通过化学反应而在基材表面天生一些强化相,以达到强化的目的,它可分为激光物理气相沉积(LPW)和激光化学气相沉积(LCVD)。在机械领域.尤以金属材料的激光陶瓷涂层和涂膜技术引人注目。可以通过控制激光功率密度与处理时间来获得不同性质、不同厚度的陶瓷涂层和涂膜陶。这一技术主要应用于电子产业中。但在石油石化行业的应用还有待于开展研究工作。

  总结:

  石油矿场的工况比较恶劣。很多金属零部件长期承受重载荷并在有腐蚀、磨损的工况下使用,致使其过早发生失效破坏,进而缩短使用寿命。停产检验和更换新部件.既增加材料本钱.又影响油田生产,带来多方面的损失。利用激光表面改性技术能使低等级材料实现高性能表层改性。达到零件低本钱与工作表面高性能的最佳结合。为解决整体改性和表面改性的矛盾带来了可能性,对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的影响。目前。激光相变硬化和激光熔覆在石油石化行业已获得了一定应用,但主要局限于井下采油机械和井下钻井机械方面。激光加工技术在石油机械行业中还未得到广泛应用,还有很多设备的加工值得采用激光强化技术。例如石油矿场、石化工厂有很多关键性的易损部件,对损坏零件弃旧换新本钱高,若能使用激光熔覆修复重新利用,则能明显降低本钱。另外.输油管、钻柱在石油产业中用量大、质量要求高,如能研究出一种高效、实用、经济的高功率激光加工系统,使管材内外表面淬火硬化、合金化、非晶化、上釉等,便可解决其腐蚀疲惫断裂题目,具有明显的经济效益。另外,若能用激光表面强化技术对石油产业中用量很大的抽油杆柱进行强化和修复,其经济效益也是非常可观的。

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