CN103668187A

CN103668187A - 硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法

Info

Publication number: CN103668187A
Application number: CN201310719720.9A
Authority: CN
Inventors: 齐欢
Original assignee: SHANGHAI CAISHI LASER SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU QINGSHI LASER SCIENCE & TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-23
Also published as: CN103668187B

Abstract

本发明提供一种硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法，所述硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备包括计算机、光纤激光器、机械臂、送粉器、激光头、三维扫描仪和安装底座，由计算机生成激光修复运动路径，光纤激光器发出的激光通过激光头聚焦后与修复材料粉末一起投射到硬质合金随钻测井工具上，机械臂带动激光头在空间内六自由度运动，激光沿着设定好的路径对硬质合金随钻测井工具进行激光熔覆。本发明提供的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法使用激光熔覆技术对硬质合金随钻测井工具进行净形修复，具有较好的灵活性、可控性和精确的能量输入，为修复钻具提供了经济可靠的柔性修复手段。

Description

硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法。

背景技术

一般的石油测井钻具包括以下零部件：轴承套，套筒，扶正器，分流器，稳定器，钻杆，钻铤，钻头等。测井钻具在使用中长期暴露在井下的恶劣环境下，最常见的损坏形式有两种：钻具配合端面的磨损以及泥浆冲刷对钻具裸露部位造成的磨损。由于钻具的零件昂贵，修复能带来显著的经济效益。当前，针对高性能金属零件修复的熔焊方法有钨极氩弧焊、等离子焊以及电子束焊等，其中手工钨极氩弧焊和等离子焊是较成熟的熔焊修复工艺，但是这两种方法在修复过程中热输入较大，易产生较大的热应力和热影响区，易造成裂纹、气孔等冶金缺陷，影响修复质量与零件使用寿命；电子束焊具有很好的能量聚焦性和可控性，但是需要较高的真空度和专门的真空设备，修复成本较高。

发明内容

本发明提供一种硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法，以采用激光熔覆技术为修复钻具提供低成本且可靠性高的柔性修复。

为达到上述目的，本发明提供一种硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备，其包括计算机、光纤激光器、机械臂、送粉器、激光头、三维扫描仪和安装底座，所述硬质合金随钻测井工具安设于所述安装底座上，所述光纤激光器与所述激光头通过光缆连接，所述送粉器将修复材料粉末送到所述激光头的喷嘴处，所述机械臂带动所述激光头在空间内做六自由度运动，所述三维扫描仪对所述硬质合金随钻测井工具进行三维扫描，所述计算机与所述光纤激光器、机械臂、送粉器和三维扫描仪电信连接。

本发明还提供一种上述硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其包括：

步骤一：清洗所述硬质合金随钻测井工具的表面油污，去除其表面氧化层；

步骤二：将所述硬质合金随钻测井工具安置在所述安装底座上的固定位置；

步骤三：通过所述三维扫描仪对所述硬质合金随钻测井工具进行三维扫描，并将扫描结果发送给所述计算机进行三维形面处理；

步骤四：通过所述计算机进行数模比对分析，进而生成进行激光熔覆所需的加工路径，并根据该路径对所述机械臂输入动作指令；

步骤五：通过所述计算机开启所述光纤激光器发出激光，同时开启所述送粉器向激光头中送去修复材料粉末，激光通过所述激光头聚焦后与修复材料粉末一起投射到所述硬质合金随钻测井工具上，所述机械臂根据之前输入的指令带动所述激光头在空间内做六自由度运动，激光沿着设定好的路径对所述硬质合金随钻测井工具进行激光熔覆；

步骤六：完成激光熔覆后，对所述硬质合金随钻测井工具进行机械精加工，使其各部位形状、尺寸均符合图纸要求；

步骤七：对完成激光修复的硬质合金随钻测井工具进行质量、装配检查，当其形状、尺寸及表面质量均合格时，结束该激光修复过程，否则返回步骤三。

可选的，所述修复材料粉末包括一种以镍为主要修复材料的镍基合金粉末。

进一步的，所述镍基合金粉末由如下按重量百分比分配的修复材料组成：镍：40-60；铬：2-20；铁：0.5-15；硅：2-5；碳：0.05-1。

进一步的，所述镍基合金粉末中还包括其他微量元素：锰、钼、硼。

可选的，所述修复材料粉末包括一种以钴为主要修复材料的钴基合金粉末。

进一步的，所述钴基合金粉末由如下按重量百分比分配的修复材料组成：钴：50-80；铬：10-40；钨：1-10；碳：0.1-5。

进一步的，所述钴基合金粉末中还包括其他微量元素：镍、铁、锰、钼、硅、硼。

进一步的，所述修复材料粉末由如下按重量百分比分配的修复材料组成：镍基合金粉末或钴基合金粉末：20-100；碳化钨粉末：0-80；所述镍基合金粉末或钴基合金粉末与所述碳化钨粉末的颗粒度分别为45-150微米和10-150微米。

进一步的，所述光纤激光器发出的激光的激光功率为100-2000瓦，激光扫描速度为1-50毫米每秒，激光离焦量为2-20毫米，所述送粉器的送粉流量为2-10克每分钟。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法使用激光熔覆技术对硬质合金随钻测井工具进行净形修复，具有较好的灵活性、可控性和精确的能量输入，为修复钻具提供了经济可靠的柔性修复手段。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例提供的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法的流程图。

在图1中，

1：计算机；2：光纤激光器；3：机械臂；4：送粉器；5：激光头；6：三维扫描仪；7：硬质合金随钻测井工具；8：安装底座。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法，所述硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备包括计算机、光纤激光器、机械臂、送粉器、激光头、三维扫描仪和安装底座，所述硬质合金随钻测井工具安设于所述安装底座上，所述光纤激光器与所述激光头通过光缆连接，所述送粉器将修复材料粉末送到所述激光头的喷嘴处，所述机械臂带动所述激光头在空间内做六自由度运动，所述三维扫描仪对所述硬质合金随钻测井工具进行三维扫描，所述计算机与所述光纤激光器、机械臂、送粉器和三维扫描仪电信连接。本发明提供的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法使用激光熔覆技术对硬质合金随钻测井工具进行净形修复，具有较好的灵活性、可控性和精确的能量输入，为修复钻具提供了经济可靠的柔性修复手段。

请参考图1和图2，图1为本发明实施例提供的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的结构示意图；图2为本发明实施例提供的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法的流程图。

如图1所示，本发明实施例提供一种硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备，其包括计算机1、光纤激光器2、机械臂3、送粉器4、激光头5、三维扫描仪6和安装底座8，所述硬质合金随钻测井工具7安设于所述安装底座8上，所述光纤激光器2与所述激光头5通过光缆连接，所述送粉器4将修复材料粉末送到所述激光头5的喷嘴处，所述机械臂3带动所述激光头5在空间内做六自由度运动，所述三维扫描仪6对所述硬质合金随钻测井工具7进行三维扫描，所述计算机1与所述光纤激光器2、机械臂3、送粉器4和三维扫描仪6电信连接。

可以想到的是，除光纤激光器2外，也可以使用二氧化碳激光器、固体激光器（Nd:YAG激光器）或半导体激光器等其他能够发出符合规定品质激光的激光器来进行发射激光的工作，故本发明也意图包含这些技术方案。另外，除机械臂3外，也可以使用多轴数控机床等其他运动控制设备来实现激光头5的三维运动，故本发明也意图包含这些技术方案。

如图2所示，本发明实施例还提供一种上述硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其包括：

步骤一：清洗所述硬质合金随钻测井工具7的表面油污，去除其表面氧化层；

步骤二：将所述硬质合金随钻测井工具7安置在所述安装底座8上的固定位置；

步骤三：通过所述三维扫描仪6对所述硬质合金随钻测井工具7进行三维扫描，并将扫描结果发送给所述计算机1进行三维形面处理；

步骤四：通过所述计算机1进行数模比对分析，进而生成进行激光熔覆所需的加工路径，并根据该路径对所述机械臂3输入动作指令；

步骤五：通过所述计算机1开启所述光纤激光器2发出激光，同时开启所述送粉器4向激光头5中送去修复材料粉末，激光通过所述激光头5聚焦后与修复材料粉末一起通过激光头5前的喷嘴投射到所述硬质合金随钻测井工具7上，所述机械臂3根据之前输入的指令带动所述激光头5在空间内做六自由度运动，激光、修复材料粉末通过激光头5聚焦在硬质合金随钻测井工具7表面形成熔池，同时激光头5随着机械臂3的运动按指定路径扫描硬质合金随钻测井工具7表面，随着激光的运动，熔池冷却并凝固在硬质合金随钻测井工具7表面，以实现激光熔覆；

步骤六：完成激光熔覆后，对所述硬质合金随钻测井工具7进行机械精加工及表面喷涂等其他必要工序，使其各部位形状、尺寸均符合图纸要求；

步骤七：对完成激光修复的硬质合金随钻测井工具7进行质量、装配检查，当其形状、尺寸及表面质量均合格时，结束该激光修复过程，否则返回步骤三。

本发明实施例提供的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备及其修复方法使用激光熔覆技术对硬质合金随钻测井工具7进行修复，其不需要造价高昂的真空设备，并具有较好的灵活性、可控性和精确的能量输入，为修复钻具提供了经济可靠的柔性修复手段，且修复后的钻具硬度高、金相品质好。经井上测试，修复后零件的性能和使用寿命可达到新品使用要求。

由于硬质合金随钻测井工具7的材料大多为硬质合金钢，其一般由镍基或钴基材料制成，因此为了匹配所需修复的材料，本实施例中的所述修复材料粉末可包括两种合金粉末，两种合金粉末均可用于镍基或钴基材料制成的硬质合金随钻测井工具7的修复，但两种合金粉末不能同时使用，其中第一种为一种以镍为主要修复材料的镍基合金粉末。

其中第二种为一种以钴为主要修复材料的钴基合金粉末。

进一步的，所述修复材料粉末由如下按重量百分比分配的修复材料组成：镍基合金粉末或钴基合金粉末：20-100；碳化钨粉末：0-80；所述镍基合金粉末或钴基合金粉末与所述碳化钨粉末的颗粒度分别为45-150微米和10-150微米，通过碳化钨粉末的掺和，可使修复后的硬质合金随钻测井工具7的硬度进一步提高。

进一步的，所述光纤激光器发出的激光的激光功率为100-2000瓦，激光扫描速度为1-50毫米每秒，激光离焦量为2-20毫米，所述送粉器的送粉流量为2-10克每分钟，通过将上述工艺参数与上述修复材料粉末相匹配，可大大增加修复后的硬质合金随钻测井工具7的硬度及金相品质。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备，其特征在于，包括计算机、光纤激光器、机械臂、送粉器、激光头、三维扫描仪和安装底座，所述硬质合金随钻测井工具安设于所述安装底座上，所述光纤激光器与所述激光头通过光缆连接，所述送粉器将修复材料粉末送到所述激光头的喷嘴处，所述机械臂带动所述激光头在空间内做六自由度运动，所述三维扫描仪对所述硬质合金随钻测井工具进行三维扫描，所述计算机与所述光纤激光器、机械臂、送粉器和三维扫描仪电信连接。

2.一种如权利要求1所述的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其特征在于，包括：

3.根据权利要求2所述的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其特征在于，所述修复材料粉末包括一种以镍为主要修复材料的镍基合金粉末。

4.根据权利要求3所述的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其特征在于，所述镍基合金粉末由如下按重量百分比分配的修复材料组成：

镍：40-60；铬：2-20；铁：0.5-15；硅：2-5；碳：0.05-1。

5.根据权利要求4所述的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其特征在于，所述镍基合金粉末中还包括其他微量元素：锰、钼、硼。

6.根据权利要求2所述的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其特征在于，所述修复材料粉末包括一种以钴为主要修复材料的钴基合金粉末。

7.根据权利要求6所述的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其特征在于，所述钴基合金粉末由如下按重量百分比分配的修复材料组成：

钴：50-80；铬：10-40；钨：1-10；碳：0.1-5。

8.根据权利要求7所述的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其特征在于，所述钴基合金粉末中还包括其他微量元素：镍、铁、锰、钼、硅、硼。

9.根据权利要求3或6所述的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其特征在于，所述修复材料粉末由如下按重量百分比分配的修复材料组成：

镍基合金粉末或钴基合金粉末：20-100；碳化钨粉末：0-80；

所述镍基合金粉末或钴基合金粉末与所述碳化钨粉末的颗粒度分别为45-150微米和10-150微米。

10.根据权利要求4或7所述的硬质合金随钻测井工具激光自动化修复设备的修复方法，其特征在于，所述光纤激光器发出的激光的激光功率为100-2000瓦，激光扫描速度为1-50毫米每秒，激光离焦量为2-20毫米，所述送粉器的送粉流量为2-10克每分钟。