CN103572282B - 一种穿孔顶头表面的激光熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种穿孔顶头的激光强化工艺，先在穿孔顶头基体表面上激光熔覆过渡合金层，再在过渡合金层上激光熔覆高强度合金层；所述过渡合金层采用的合金粉末为镍基合金，所述高强度合金层采用的合金粉末为钴基合金。该工艺中过渡合金层硬度比高强度合金层低，对高硬度高耐磨性的高强度合金层起过渡作用，可以很好的缓解堆焊应力，使得顶头即使不预热、不退火，残留的堆焊应力也不会对激光熔覆层的组织造成很大的影响，从而有效的避免了进行退火会影响熔覆层性能，使得穿孔顶头表面硬度和耐磨性大幅提高，同时省去预热和退火工艺还提高了生产效率。
Description
本申请是分案申请，原申请的申请号：201210248964.9，发明创造名称：穿孔顶头的激光强化工艺，申请日：2012-07-18。
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆方法，尤其是一种穿孔顶头表面的激光熔覆方法。
背景技术
随着我国无缝钢管出口量的增加，生产无缝钢管所使用的备件的消耗量也逐年增大。穿孔顶头是生产无缝钢管的关键工具，穿孔顶头的质量的好坏和使用寿命的长短对无缝钢管的产量、质量和生产成本都有直接的影响。穿孔顶头在工作时温度很高，并承受很大的复合应力，使用中会出现变形、塌陷、粘钢、开裂等失效。我国每年有超过百万的穿孔顶头因失效原因而被废弃掉，并且这个数字正以15%以上的速度逐年增长。如能将这些失效的或新的穿孔顶头利用激光熔覆技术对其表面进行处理，每年可节省材料费上亿元。
穿孔顶头鼻部在工作中承受的温度、摩擦率、冲击性最高，是最易磨损的部位。使用激光熔覆技术在穿孔顶头鼻部的外表面堆焊一层厚度均匀的耐高温、耐磨损、高硬度的合金材料，可以使得穿孔顶头的使用寿命大大提高。目前，国内外针对穿孔顶头所采用的激光熔覆技术，一般是在顶头外表面堆焊一层高硬度高耐磨性的镍基合金层或钴基合金层。例如：中国专利文献CN101596551B（申请号为：200910088534.3）公开了一种双合金涂层无缝钢管顶头，在顶头的鼻部、工作部激光宽带熔覆镍基或钴基合金涂层，在矫直部、平行部激光宽带熔覆铁基合金涂层，获得一种双合金涂层无缝钢管顶头。该双合金涂层无缝钢管顶头是在顶头的不同部位熔覆不同的合金层。
穿孔顶头在激光熔覆的过程中，不可避免的会产生堆焊应力，这些应力必须被及时消除，否则对激光熔覆层的组织造成致命的破坏。现有技术中的穿孔顶头激光熔覆工艺都必须对顶头进行预热，并在堆焊结束后进行退火，以消除应力，不仅工序繁琐，生产效率慢，还会使得熔覆层的硬度降低，存在着一定的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种对穿孔顶头表面进行激光熔覆，激光熔覆之前无需预热，激光熔覆之后无需退火，可使穿孔顶头表面硬度和耐磨性大幅提高的穿孔顶头的激光强化工艺。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种穿孔顶头的激光强化工艺，先在穿孔顶头基体表面上激光熔覆过渡合金层，再在过渡合金层上激光熔覆高强度合金层；所述过渡合金层采用的合金粉末为镍基合金，所述高强度合金层采用的合金粉末为钴基合金。
为了使得过渡合金层能够更好的缓解激光熔覆过程中所产生的堆焊应力，一种优选的技术方案是：上述镍基合金的组分及重量百分比含量是C≤0.03%，Cr：15%至19%，B：0.8%至1.2%，Si：2%至2.5%，其余为Ni。合金粉末严格控制了C的含量，使其不大于0.03%，有利于提高熔覆层的润湿性，防止在熔覆过程中产生裂纹和气孔；同时合金粉末中通过添加适量的B、Si使合金在凝固后形成以奥氏体为主的基体；另外适量的Cr元素对镍基合金进行了合金强化。过渡合金层在高温下虽然硬度小于高强度合金层，但是依然具有良好的焊接特性和力学性能。
为了使得高强度合金层在高温下具有更高的硬度和耐磨性，一种优选的技术方案是：上述钴基合金的组分及重量百分比含量是C≤0.1%，Cr：19%至21%，B：1.5%至2.5%，Si：1.5%至2.5%，W：5.5%至6.5%，Ti：0.5%至1.5%，Al：3%至5%，其余为Co。合金粉末严格控制了C的含量，使其不大于0.1%，有利于提高熔覆层的润湿性，防止在熔覆过程中产生裂纹和气孔；同时合金粉末中通过添加适量的B、Si使合金在凝固后形成以奥氏体为主的基体；另外适量的Cr、W、Ti、Al元素对钴基合金进行了合金强化，并起抗氧化作用,使得高强度合金层在高温下的硬度、耐磨性和焊接特性大幅提升。
为了避免激光熔覆过程中热量在顶头鼻部尖端集中，一种优选的技术方案是：采用分段式激光熔覆方法，自穿孔顶头的鼻部尖端起，从前至后逐段进行熔覆。采用这种方法可以使得激光熔覆过程中所产生的堆焊应力更加分散，达到应力平衡，从而进一步保证即使不预热、不退火，堆焊应力也不会影响熔覆层的性能。
为了更好的消除激光熔覆过程中所产生的堆焊应力，一种优选的技术方案是：在激光熔覆过程中，对穿孔顶头进行振动时效处理。采用这种在应力产生时就及时将其分散甚至消除的方法，可以有效的消除部分堆焊应力，从而更进一步保证即使不预热、不退火，堆焊应力也不会影响熔覆层的性能。
为了保证熔覆层的性能，更好的消除堆焊应力，一种优选的技术方案是：激光熔覆采用预置送粉的方式，以快速横流二氧化碳激光器为光源对穿孔顶头进行连续螺旋进给搭接扫描；激光功率为1500W至1900W，标高为260mm至275mm，光斑尺寸为10mm×1.8mm，扫描速度为110mm/min至140mm/min，搭接量为6.5mm，送粉量为12g/min至18g/min。采用宽带激光束，有助于提高工作的效率；采用预置送粉的方式，严格控制送粉量，并对激光功率、扫描速度、搭接量等进行了优化，可以使得穿孔定头的变形量小，熔覆层与基体的熔合率高、结合紧密，熔覆层的组织均匀性好、厚度和硬度均匀。
为了使得穿孔顶头获得更好的强化效果，并且保证强化后穿孔顶头的质量，一种优选的技术方案是：在激光熔覆前，对穿孔顶头的表面进行预处理；在激光熔覆后，对穿孔顶头进行检测。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明的穿孔顶头的激光强化工艺先在基体上先激光熔覆一层过渡合金层，再在过渡合金层上激光熔覆一层高强度合金层，过渡合金层硬度比高强度合金层低，对高硬度高耐磨性的高强度合金层起过渡作用，可以很好的缓解堆焊应力。该工艺使得顶头即使不预热、不退火，残留的堆焊应力也不会对激光熔覆层的组织造成很大的影响，从而有效的避免了进行退火会影响熔覆层性能，使得穿孔顶头表面硬度和耐磨性大幅提高，硬度可达58至62HRC，同时省去预热和退火工艺还提高了生产效率。该工艺使得穿孔顶头使用寿命更长，也可用于穿孔顶头失效修复，有利于节约材料及资源，有利于降低无缝钢管生产成本，有利于减少废弃穿孔顶头对环境的污染，具有良好的经济效益和社会效益。
具体实施方式
本实施例的穿孔顶头的激光强化工艺的具体步骤如下：
A. 对穿孔顶头的表面进行预处理。
将穿孔顶头上的灰尘、油污、锈蚀等清除；检测各部位的尺寸；并进行清洗。
B.对穿孔顶头的表面进行激光熔覆。
采用分段式激光熔覆方法，自穿孔顶头的鼻部尖端起，从前至后（顶头鼻部尖端为前端，顶头外径最大处为后端）逐段对穿孔顶头的表面进行激光熔覆。先在穿孔顶头基体表面上熔覆一层过渡合金层，再在过渡合金层上熔覆一层高强度合金层。在激光熔覆过程中，不停地用铜棒敲击穿孔顶头，使得穿孔顶头振动从而消除焊接应力。
激光熔覆采用预置送粉的方式，以快速横流二氧化碳激光器为光源对穿孔顶头进行连续螺旋进给搭接扫描。激光功率为1700W，标高（即激光器离作用物之间的距离，标高=焦距+离焦量）为270mm，光斑尺寸为10mm×1.8mm，扫描速度为120mm/min，搭接量为6.5mm，送粉量为15g/min。过渡合金层所采用的合金粉末为镍基合金，其组分及重量百分比含量是C：0.03%，Cr：17%，B：1%，Si：2.2%，其余为Ni。高强度合金层所采用的合金粉末为钴基合金，其组分及重量百分比含量是C：0.1%，Cr：20%，B：2%，Si：2%，W：6%，Ti：1%，Al：4%，其余为Co。
C.激光熔覆结束后，对穿孔顶头进行检测。
检测表面硬度；检测变形量；按照图纸的要求对穿孔顶头表面进行机械加工；进行渗透探伤，检测是否有气孔、夹渣、裂痕等影响顶头机械性能的缺陷；进行校验，检验质量是否合格。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (1)
1.一种穿孔顶头的激光强化工艺，其特征在于：先在穿孔顶头基体表面上激光熔覆过渡合金层，再在过渡合金层上激光熔覆高强度合金层；所述过渡合金层采用的合金粉末为镍基合金，所述高强度合金层采用的合金粉末为钴基合金；
所述镍基合金的组分及重量百分比含量是C = 0.03%，Cr ：15% 至19%，B ：0.8% 至1.2%，Si ：2% 至2.5%，其余为Ni；
所述钴基合金的组分及重量百分比含量是C= 0.1%，Cr ：19% 至21%，B ：1.5% 至2.5%，Si ：1.5% 至2.5%，W ：5.5%至6.5%，Ti ：0.5% 至1.5%，Al ：3% 至5%，其余为Co；
激光熔覆采用预置送粉的方式，以快速横流二氧化碳激光器为光源对穿孔顶头进行连续螺旋进给搭接扫描；激光功率为1500W 至1900W，标高为260mm 至275mm，光斑尺寸为10mm×1.8mm，扫描速度为110mm/min 至140mm/min，搭接量为6.5mm，送粉量为12g/min 至18g/min;
采用分段式激光熔覆方法，自穿孔顶头的鼻部尖端起，从前至后逐段进行熔覆;
在激光熔覆过程中，对穿孔顶头进行振动时效处理;
在激光熔覆前，对穿孔顶头的表面进行预处理；在激光熔覆后，对穿孔顶头进行检测。
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Inventor after: Deng Shiping Inventor before: Deng Qilin |
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Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: DENG QILIN TO: DENG SHIPING |
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Effective date of registration: 20150825 Address after: 400039 Chongqing hi tech Zone, Shiqiaopu Branch Park Road No. 9 Applicant after: Chongqing Radio and TV University, Lu Xuzhi Address before: Jiaocun Tang Xin Zhuang Street East Gui Village 214200 Jiangsu city in Wuxi Province, Yixing City, No. 190 Applicant before: Jiang Chunhua |
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Effective date of registration: 20161221 Address after: 400900 Chongqing Dazu District Water Dragon hardware Industrial Park Industrial Park Patentee after: CHONGQING CITY DAZU DISTRICT QILIN MACHINERY MANUFACTURING FACTORY Address before: 400039 Chongqing hi tech Zone, Shiqiaopu Branch Park Road No. 9 Patentee before: CHONGQING RADIO & TV UNIVERSITY |
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Effective date of registration: 20191122 Address after: 221300, Xuzhou City, Jiangsu province Pizhou Zou Town Village Patentee after: JIANGSU ZHONGOU FERTILIZER CO., LTD. Address before: 400900 Chongqing Dazu District Water Dragon hardware Industrial Park Industrial Park Patentee before: Chongqing City Dazu District Qilin Machinery Manufacturing Factory |