CN102465287B

CN102465287B - 一种激光熔覆具有三层金属的复合管材的制造方法

Info

Publication number: CN102465287B
Application number: CN201010530904.7A
Authority: CN
Inventors: 张静波; 赵爽; 陈江
Original assignee: DALU LASER TECHNOLOGY Co Ltd SHENYANG
Current assignee: Shanghai continental Laser Surface Engineering Co., Ltd.
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2030-11-03
Also published as: CN102465287A

Abstract

一种激光熔覆具有三层金属的复合管材的制造方法，其特点是工艺步骤：1)对复合管材的基材内外管壁进行初加工；2)将复合管材的基材放置在装卡台上进行激光熔覆；3)对熔覆后的具有三层金属的复合管材内外表面进行机械加工；4)对修复后的复合管材的内外管壁进行着色探伤检测。本发明为三金属复合管材制造提供了一种新的制造方法，并解决了传统方法制造金属复合管的复合层组织不致密，厚度小，结合强度差，生产率低，对生产技术和设备要求高等问题。

Description

一种激光熔覆具有三层金属的复合管材的制造方法

技术领域

本发明涉及一种金属管材的制造，特别是涉及一种激光熔覆具有三层金属的复合管材的制造方法，属于激光熔覆技术领域。

背景技术

金属管材的使用非常广泛，在机械、石油、化工、冶金、医疗、轻工等各个领域都有广泛应用。其中一些管材在使用时管内外的工作环境并不相同，要求管内外壁具有不同的性能如磨损、抗腐蚀、耐热等。而金属管材一般都采用一种材料制造，很难同时保证管内外的性能在不同工作环境下的要求。从而造成来了管材寿命的降低和资源的浪费。

由于此种情况的存在，目前存在两种解决方法：一种方法主要是采用热处理，电镀，喷涂等方法对管材内外的表面进行不同性能的强化处理。而这些方法往往提高的性能幅度不大，提高过程中引入其他缺陷，影响其提高性能效果。处理后的管材表面在一定的外界条件做用下容易发生变性，不能达到稳定强化效果；另一种方法是应用多金属制造复合管材，这种方法既能在管内外达到不同性能特殊要求如耐腐蚀、耐磨损、耐热等，同时也能够达提高管材寿命的目的。这种方法得到的性能更优越、稳定。

制造复合管材的目前方法主要包括以下几种：冷成型法、热成型法、爆炸焊成型法、堆焊成型法等方法。冷成型制造工艺的基本特征是将预加工好的一种管套入另一种管中，然后通过机械方法如用拉拔、胀接、旋压和滚压等方法使一种金属管紧紧贴合在另一种金属壁上。缺点是机械结合，为界面非扩散结合，如果遭遇高温就有分层倾向，复合管会因应力释放而失效；热成型制造工艺包括热轧和热挤压两种方法。其中热轧复合实质上属于压力焊，如果变形量足够大，轧辊施加的压力就会破坏金属表面的氧化膜，使表面达到原子接触，从而使两表面焊在一起。缺点是很多金属不能使用次方法。而热挤压一般是针对双金属管坯进行挤压的方法。挤压前的复合层制造方法有三种：由锻造坯料通过热刺孔和放大挤压获得或直接离心旋铸。缺点是由于结合决定于挤压过程中极短时间内的元素界面扩散，通常会因氧化物膜的存在而受到影响：爆炸焊是依靠炸药爆炸产生连接金属所需的压力，使两搭接表面实现固相焊接的方法。该方法的主要缺点是，对尺寸较长的复合管炸药量很难准确确定，而且具有一定的危险性。堆焊是用熔焊、钎焊、热喷涂、喷熔等方法。在工件表面堆敷一层具有特定性能材料的工艺过程。缺点是热影响区较大，对机械零件强度的影响较大。

因此，选择适当的多金属制造复合管材的工艺，是所属领域当前亟待解决的课题。

激光熔覆技术是利用大功率激光束聚集能量极高的特点，瞬间将被加工件表面微熔，同时使零件表面预置或与激光束同步自动送置的合金粉完全熔化，获得与基体结合的致密覆层，形成一种新型的复合材料或恢复工件原设计尺寸形态和表面涂层强化的性能。激光熔覆层与基体为冶金结合，结合强度高、基体热影响区极小，激光加工后热变形极小。

激光成型就是利用激光反复熔覆，在基材管内外壁表面制备不同新的材料，并与基体管形成冶金结合的制造技术。

目前，关于利用激光熔覆工艺制备设备部件的专利和报道很多：例如，

公开号为CN101205598的中国发明专利申请给出的《一种沉没辊轴套及其制造方法》，由不锈钢基体1和钴基激光熔覆层2两部分组成，钴基激光熔覆层2覆盖在不锈钢基体1之上，其制造方法，如下：1.加工不锈钢基体1；2.机械加工；3.激光熔覆，在不锈钢基体1外圆上，先熔覆打底层，再熔覆功能层；激光熔覆工艺参数为：激光功率3000～5000W，光斑直径为2～5MM，扫描速度2～10MM/S；4.机械加工至设计尺寸。

公开号为CN 1932079的中国发明专利申请给出的《一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化工艺》，其特征在于它包括以下工艺过程：(1)机加工轧辊去掉表面疲劳层，得到所需尺寸和形状，然后对激光将要辐照处理的一面进行研磨，去油污和适当的清洗；(2)用酚醛树脂粘接剂将纳米碳化物陶瓷涂料混合均匀，然后均匀地涂在预处理后的轧辊表面，预涂厚度为0.01～0.05MM，然后风干；(3)选用高功率CO₂激光器对轧辊外表面预涂的纳米陶瓷涂料层进行快速扫描；工艺参数如下：激光功率P＝1000～10000W，扫描速度V＝1.5～20M/MIN，搭接率为15～35％，光斑直径为D＝0.6～5MM。

公开号为CN101457378的中国发明专利申请给出的《一种激光成型电镀锌线导电辊及其制造方法》，包括基体，基体表面上覆盖有激光熔覆层，激光熔覆层的厚度为3～10MM，激光熔覆层与基体为冶金结合，所述的激光熔覆层为镍基合金粉末层或钴基合金粉末层或镍基合金粉末层与钴基合金粉末层的结合体。其的制造方法工序如下：A.制作导电辊基体；B.激光熔覆中间过渡层：先用横流连续CO₂激光器在导电辊基体上熔覆一层镍基合金或钴基合金粉末打底，作为中间过渡层；经机械加工去除表面激光熔覆氧化皮后，再用横流连接CO₂激光器在中间过渡层上熔覆耐磨性和耐蚀性能较好的镍基合金或钴基合金粉末作为表面功能层。

公开号为CN101204757的中国发明专利申请给出的《一种薄壁圆筒件的激光熔覆工艺》，其工艺参数是：熔池尺寸直径为2～5MM、扫描速度是15～40MM/S，功率：2000～5000W；按螺旋线进行熔覆；其特征在于：每条螺旋线的始点按圆周分区交替进行，区域顺序保持尽量大的夹角。这样，熔覆过程中加热时间极短，热量输入分布相对分散，而冷却时间长，因此零件的变形较小。

现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行制备处理，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像具有三层金属的复合管材这样的特定结构，现有激光熔覆工艺所提供的工艺参数已明显不能适应。

经本申请人检索查证：采用激光熔覆工艺制备具有三层金属的复合管材，国内尚无先例，国外也没有见到相关报道。因此，寻找出适当的采用激光熔覆制备具有三层金属的复合管材的工艺参数，仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，通过反复研究实验，提出了一种新的激光熔覆具有三层金属的复合管材的制造方法。该方法先在金属管材的内壁采用激光熔覆成型的方法制造所需功能层金属层，当达到所需厚度后再在金属管材外壁熔覆一层金属层，该金属管材外壁的熔覆材料可选用与金属管材内壁相同的熔覆材料，也可根据实际工况的使用情况选用不同的熔覆材料。使用这种方法制造的金属复合管材可以满足不同的使用条件，具有更高的使用性能和更广泛使用范围。

本发明给出的技术方案是：这种激光熔覆具有三层金属的复合管材的制造方法，其特点是工艺步骤如下：

(1)对复合管材的基材内外管壁进行初加工，去除表面氧化层和油污异物，进行着色探伤、X光探伤、超声波探伤、荧光探伤，保证不裂纹，无气孔缺陷；

(2)将复合管材的基材放置在装卡台上，将激光探头深入管材内部在管材内壁熔覆所需性能的合金粉末，直到熔覆层厚度达到所需的尺寸，激光熔覆成型管材内壁一面复合层后，再将激光探头置于管材基材外壁上进行激光熔覆所需性能的合金粉末，直到熔覆层厚度达到所需要的厚度，激光熔覆成型管材外壁另一面复合层，最后取下具有三层金属的复合管材.

其中熔覆过程的工艺参数为：功率：1800～5000W，焦距：300～350mm，光斑直径：4～6mm，扫描速度：5～10mm/s，预置粉末厚度0.5～1.5mm。

熔覆管材外层合金粉末成分为(质量百分数)：C：0.3～1.6％，Cr：20.0～35.0％，Si：0.5～1.5％，Ni：3.0～4.5％，B：0.5～0.8％，W：1.4～4.5％，Mn：0.1～0.3％，Mo：1.5～3.5％，Ce：0.01～0.05％，Fe余量；

熔覆管材内层合金粉末成分为(质量百分数)：C：1.6～2.0％，Cr：26.0～32.5％，Fe：10.5～15％，Mo：6.5～11.0％，W：1.2～6.5％，Co：1.5～3.6％，Si：1.8～2.2％，Mn：0.8～1.5％，Ni余量；

(3)对熔覆后的具有三层金属的复合管材内外表面进行机械加工，消除熔覆后的表面氧化层，达到复合管材的工作尺寸要求；

(4)对修复后的复合管材的内外管壁进行着色探伤检测。要求不允许有裂纹、气孔、夹杂缺陷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.为三金属复合管材制造提供了一种全新的制造方法。

2.采用激光熔覆成型工艺制造的三金属复合管材解决了传统方法制造金属复合管的复合层组织不致密，厚度小，结合强度差，生产率低，对生产技术和设备要求高等问题。

附图说明

图1为激光熔覆管材内壁使用工装的示意图；

图2为激光熔覆管材外壁使用工装的示意图。

具体实施方式

实施例1 三金属复合输油管的制造

输油管基材为20#钢；

输油管内壁熔覆合金粉末的化学组成以质量百分数计为：

C：1.8％，Cr：31.5％，Fe：11.4％，Mo：6.5％，W：4.5％，Co：3.2％，Si：2％，Mn：1.3％，Ni余量；

输油管外壁熔覆合金粉末的化学组成以质量百分数计为：

C：0.8％，Cr：22.5％，Si：0.7％，Ni：4％，B：0.52％，W：2.7％，Mn：0.18％，Mo：2.5％，Ce：0.04％，Fe余量；

其工艺步骤如下：

1.对输油管基材内外管壁进行初加工，去除表面氧化层和油污等异物。并进行着色探伤、X光探伤、超声波探伤、荧光探伤等无损探伤，并保证不裂纹，气孔等缺陷。

2.将复合管材的基材放置在装卡台上，将激光探头深入管材内部在管材内壁熔覆所需性能的合金粉末，直到熔覆层厚度达到所需的尺寸，激光熔覆成型管材内壁一面复合层后，再将激光探头置于管材基材外壁上进行激光熔覆所需性能的合金粉末，直到熔覆层厚度达到所需要的厚度，激光熔覆成型管材外壁另一面复合层，最后取下具有三层金属的复合管材。

其中熔覆过程的工艺参数为：功率：4000W，焦距：3007mm，光斑直径：5mm，扫描速度：7mm/s，预置粉末厚度0.57mm。

3.对熔覆后的输油管内外表面进行机械加工，消除熔覆厚的表面氧化层，达到输油管的工作尺寸要求。

4.对修复后输油管的内外管壁进行着色探伤检测。要求不允许由裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

激光熔覆成型过程中使用的工装

激光熔覆成型管材内外壁过程中使用的工装，主要包括装卡台(1)，激光反射镜(2)，管材基材(3)，激光探头(4)组成。

将管材基材(3)安装在装卡台(1)上，将激光探头(4)深入管材内部进行激光熔覆，达到所需要的厚度后，激光熔覆成型管材内壁一面复合层。再将激光探头(4)置于管材基材(3)外壁上进行激光熔覆，达到所需要的厚度。激光熔覆成型管材外壁另一面复合层。取下三金属复合管材。

该工装调整方便，操作简单，满足激光熔覆成型制造三金属管的作业要求。

Claims

1.一种激光熔覆具有三层金属的复合管材的制造方法，其特征在于工艺步骤如下：

（1）对复合管材的基材内外管壁进行初加工，去除表面氧化层和油污异物，进行着色探伤、X光探伤、超声波探伤、荧光探伤，保证不裂纹，无气孔缺陷；

（2）将复合管材的基材放置在装卡台上，将激光探头深入管材内部在管材内壁熔覆所需性能的合金粉末，直到熔覆层厚度达到所需的尺寸，激光熔覆成型管材内壁一面复合层后，再将激光探头置于管材基材外壁上进行激光熔覆所需性能的合金粉末，直到熔覆层厚度达到所需要的厚度，激光熔覆成型管材外壁另一面复合层，最后取下具有三层金属的复合管材，其中熔覆过程的工艺参数为：功率：1800~5000W，焦距：300~350mm，光斑直径：4~6mm，扫描速度：5~10mm/s，预置粉末厚度0.5~1.5mm；

熔覆管材外层合金粉末成分为：

C：0.3~1.6%，Cr：20.0~35.0%，Si：0.5~1.5%，Ni：3.0~4.5%，B：0.5~0.8%，W：1.4~4.5%，Mn：0.1~0.3%，Mo：1.5~3.5%，Ce：0.01~0.05%，Fe余量;

熔覆管材内层合金粉末成分为：

C：1.6~2.0%，Cr：26.0~32.5%，Fe：10.5~15%，Mo：6.5~11.0%，W：1.2~6.5%，Co：1.5~3.6%，Si：1.8~2.2%，Mn：0.8~1.5%，

Ni余量;

（3）对熔覆后的具有三层金属的复合管材内外表面进行机械加工，消除熔覆后的表面氧化层，达到复合管材的工作尺寸要求；

（4）对修复后的复合管材的内外管壁进行着色探伤检测，要求不允许有裂纹、气孔、夹杂缺陷。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆具有三层金属的复合管材的制造方法，其特征在于

较好的熔覆管材外层合金粉末成分为：

C：0.8%，Cr：22.5%，Si：0.7%，Ni：4%，B：0.52%，W：2.7%，Mn：0.18%，Mo：2.5%，Ce：0.04%，Fe余量;

较好的熔覆管材内层合金粉末成分为：

C：1.8%，Cr：31.5%，Fe：11.4%，Mo：6.5%，W：4.5%，Co：3.2%，Si：2%，Mn：1.3%，Ni余量。