基于激光熔覆对石油钻井钻头的表面强化及再制造装置的制作方法

本发明涉及石油装备技术领域，特别涉及一种基于激光熔覆对石油钻井钻头的表面强化及再制造。

背景技术：

原油劣质化及加工高参数化使石油钻井钻头工况越来越恶劣，使其长期接受高负荷并在高温、高压、高腐蚀下运行，腐蚀失效提早出现，大大减少了使用年限，带来多方面的损失。我国各炼化企业主动寻求炼油钻头的腐蚀对策，在材料防腐蚀、腐蚀监测、材料升级等维度不断努力，同时取得阶段效果。

但是由于原有酸值不断攀升、防腐工艺不当、材质提升改造不充分、腐蚀监测效果不佳等因素，钻头因腐蚀失效导致的频繁泄露日益增多，常常引发着火甚至闪爆等、带来了巨大危害及经济损失。近年来炼油行业原油高酸值趋势明显，钻头的环烷酸腐蚀日趋严重，使得加工高酸原油需采取的技术对策就显得尤为重要，其对炼化企业的钻头生产安全、原油采购成本的降低具有重大意义。

目前普遍应用的方法是选择适当的高性能合金材料来控制腐蚀，但是高昂的材料成本大大增加了炼油钻头的建造及改造成本，而传统的熔覆工艺方法由于成形不稳定、熔覆效率低、稀释率大、劳动强度大、冶金结合不佳等因素无法大规模应用。

技术实现要素：

本发明的目的是对低抗蚀金属材料表面运用先进的激光熔覆技术实施表面改性，以改善原油酸值不断升高而导致的开采石油钻井钻头日趋严重的环烷酸腐蚀问题；同时对已经残损的钻头表面进行再制造。

为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的：

一种基于激光熔覆对石油钻井钻头的表面强化及再制造装置，包括六轴机械手(1)、激光、惰性气体、合金粉末出口(2)、氩气(3)、x/y工作台(4)、待表面强化或破损钻头(5)、x/y移动轴(6)、控制面板(7)、激光控制柜(8)；

所述控制面板(7)分别与所述x/y工作台(4)和所述x/y移动轴(6)连接，所述氩气(3)和所述激光控制柜(8)同时与激光、惰性气体、合金粉末出口(2)连接，所述激光、惰性气体、合金粉末出口(2)与所述六轴机械手(1)连接，所述x/y工作台(4)上设有所述待表面强化或破损钻头(5)；

所述待表面强化或破损钻头(5)包括钻头胎体(21)、切削齿(22)、刀翼(23)。

本发明的积极效果是：本装置使得钻头表面具有较高的抗冲击性、强度、初性、耐磨性，大大增加了其使用寿命，是之前的2-3倍。

通过金相分析，熔覆层具有良好的内部组织结构，无气泡、缩孔、裂纹等缺陷。

通过本发明，大大降低了生产成本，提高工作效率，实现废品再制造，有效的节约控制了生产材料的浪费。

附图说明

图1发明所述装置的结构示意图。

图2为石油钻井新品钻头示意图。

图3为石油钻井新钻头表面强化后示意图。

图4为石油钻井残损钻头示意图。

图5为石油钻井残损钻头修复后示意图。

图6为激光熔覆石油钻井钻头工作原理图。

其中：1-六轴机械手；2-激光、惰性气体、合金粉末出口；3-氩气；4-x/y工作台；5-待表面强化或破损钻头；6-x/y移动轴；7-控制面板；8-激光控制柜；21-钻头胎体；22-切削齿；23-刀翼；31-切削齿面；32-刀翼面；33-切削齿与刀翼连接处；34-钻头体；41-破损切削齿；42-破损切削齿与刀翼连接处；51-修复后切削齿面；52-修复后切削齿与刀翼连接处。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-6所示，本发明一个实施例的一种基于激光熔覆对石油钻井钻头的表面强化及再制造装置，包括六轴机械手(1)、激光、惰性气体、合金粉末出口(2)、氩气(3)、x/y工作台(4)、待表面强化或破损钻头(5)、x/y移动轴(6)、控制面板(7)、激光控制柜(8)、钻头胎体21、切削齿22、刀翼23、切削齿面31、刀翼面32、切削齿与刀翼连接处33、钻头体34、破损切削齿41、破损切削齿与刀翼连接处42、修复后切削齿面51-、修复后切削齿与刀翼连接处52。

控制面板(7)分别与x/y工作台(4)和x/y移动轴(6)连接，氩气(3)和激光控制柜(8)同时与激光、惰性气体、合金粉末出口(2)连接，激光、惰性气体、合金粉末出口(2)与六轴机械手(1)连接，x/y工作台(4)上设有待表面强化或破损钻头(5)。

具体实施方案如下：

1.粉末为钻基合金粉末，其成分按重量百分比为：10％碳化钨，0.1％碳，5％氟化钙，2％氮化硅，3％硼，15％铬，1％硅，7％铁，18％钼，余量为钴。以上材料均为100-200目的金属合金粉末。对碳化钨粉末筛分及净化处理，获得符合要求的粉末后，然后经过烘干处理后真空封存以备用、

2.对石油钻头表面需要修复区进行清洁、打磨、加热等预处理，确定待修复尺寸和深度，并进行失效分析、

3.设定激光熔覆设备的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～75m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为2500～3000w，送粉速率为5～25g/min、

4.将待修复石油钻头基体装夹在机台上，并调整激光焦点和碳化钨粉末汇聚点，相对于石油钻井钻头基体待修复面的上方的位置，使得激光大部分能量作用在待修复面上方的碳化钨粉末上、

5.采用同轴送粉激光熔覆方法，使用步骤3所述的工艺将步骤(1)所得的碳化钨粉末熔覆到石油钻井钻头基体残损表面，期间对熔池区域覆盖惰性气体保护，得到厚度为0.40～1mm的涂层、此时熔覆后的待修复区域直径大于成品直径0.1～0.3mm、

6.保持回转机构旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至1000～2000w，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，使涂层表面无凹坑和裂纹、平滑光亮、

7.采用磨床对涂层进行磨削喷砂加工处理，使涂层厚度及表面粗糙度达到相应的要求。优选的，所述步骤1中，所述碳化钨粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90％的粉末。

所述步骤1中，所述烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温2～3h后并随炉冷却至室温。

所述步骤4中，所述光斑和粉斑相对于石油钻井钻头基体待修复面的位置要求光焦点和碳化钨粉末汇聚点在高于待修复面0.5～2mm的位置重合。

由于本实施例中激光的少部分能量作用在基体表面形成较浅的熔池，激光大部分能量例如80％以上作用在基体上方的碳化钨粉末上、碳化钨粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液体的形式与基体结合。

上述的步骤3中的惰性气体为氮气、氩气或者氦气。

经以上操作，得到熔覆层厚度在0.5-5mm左右，熔覆层硬度hrc22左右，表面平整，无裂缝、气孔等缺陷，熔覆层与基体成冶金结合，基体无热变形，机械性能良好。

依据该激光融覆方法可以对石油钻井新钻头的表面强化与残损钻头进行精准修复，使钻头修复面机械强度得以恢复，从而实现石油钻井残损钻头再制造。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。