CN112077306A - 激光选区熔覆强化无缝钢管穿孔顶头的方法及得到的顶头 - Google Patents

激光选区熔覆强化无缝钢管穿孔顶头的方法及得到的顶头 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光加工领域，公开了一种激光选区熔覆强化无缝钢管穿孔顶头的方法及得到的顶头，其中方法包括如下步骤：(1)在待强化穿孔顶头的端部加工形成U形沟槽，使U形沟槽呈圆环形、螺旋形或者是呈发散状分布；(2)采用激光熔覆在U形沟槽中熔覆合金材料；(3)将穿孔顶头加工至预设尺寸后进行表面氧化处理，得到表面具有氧化层的穿孔顶头，完成强化。本发明利用激光选区熔覆强化穿孔顶头，激光熔覆高温合金层可以显著提高穿孔顶头高温强度，防止塑性变形和塌鼻问题，而未激光熔覆区域形成的较厚的氧化皮能够有效降低穿孔过程中顶头与钢管毛坯之间的摩擦系数和热传导系数，防止穿孔顶头表面温度升高，抑制穿孔过程中产生粘钢现象。

Description

激光选区熔覆强化无缝钢管穿孔顶头的方法及得到的顶头
技术领域
本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种激光选区熔覆强化无缝钢管穿孔顶头的方法及得到的顶头，能够实现无缝钢管穿孔顶头激光选区熔覆强化。
背景技术
无缝钢管穿孔顶头工作工程中承受复杂的交变轧制力、摩擦力、热应力作用，极易发生龟裂、塑性变形、塌鼻和掉肉等缺陷，使用寿命较低。特别是轧制高性能的高合金钢管时，一只穿孔顶头甚至只能轧制2-3支钢管，严重制约了钢管生产企业的产能，增加其生产成本，导致巨大的资源浪费。在穿孔顶头表面制备具有一定厚度的具有润滑和隔热作用的氧化膜，可以防止穿孔过程中发生粘钢，有效提高穿孔顶头的使用寿命。然而，受基体材料高温强度不足的限制，穿孔顶头在使用过程中还是易发生塑性变形和塌鼻等缺陷。
在穿孔顶头表面制备高性能的合金是提高其高温性能的有效途径，中国发明专利[CN 110205561A]公开了一种强化无缝钢管穿孔顶头的方法，通过在穿孔顶头表面制备高合金含量的过渡层和强化层，并在强化层添加4％左右的镍包石墨和氧化钛粉末以提高穿孔顶头的使用寿命。然而，该发明公开的穿孔顶头表面强化层含Cr量较高(15％)，难以在表面形成具有隔热和润滑作用的氧化膜(0.2-0.8mm)。此外，在穿孔顶头表面制备1-2mm厚的过渡层和8-10mm的强化层也会消耗较多的熔覆材料，导致穿孔顶头制备成本上升。
发明内容
针对无缝钢管穿孔顶头使用寿命低的现状，本发明的目的在于提供一种激光选区熔覆强化无缝钢管穿孔顶头的方法及得到的顶头，利用激光选区熔覆强化穿孔顶头，在无缝钢管穿孔顶头表面选择性地熔覆高性能合金层，同时保留部分区域基体材质不变。选区激光熔覆可以克服现有全面积激光熔覆高性能合金表面难以氧化的不足。利用本发明方法得到的穿孔顶头，激光熔覆高温合金层可以显著提高穿孔顶头高温强度，防止塑性变形和塌鼻问题，而未激光熔覆区域由于合金元素含量较低，通过后续氧化工艺，形成的较厚的氧化皮能够有效降低穿孔过程中顶头与钢管毛坯之间的摩擦系数和热传导系数，防止穿孔顶头表面温度升高，抑制穿孔过程中产生粘钢现象。并且，与全面积激光熔覆技术相比，选区激光熔覆强化也可以节约激光熔覆成本，提高激光熔覆效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种激光选区熔覆强化无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在待强化穿孔顶头的端部加工形成U形沟槽，使U形沟槽沿顶头外表面呈圆环形、螺旋形或者发散状分布，U形沟槽的深度为2-6mm，宽度W为3-6mm，相邻两条U形沟槽边缘间距t为2-6mm，且t/W满足：1/3≤t/W≤2；
并且，以顶头鼻尖为起点，U形沟槽边缘在顶头中轴线上的最远投影点距起点距离记为l，则，为了保证激光熔覆强化顶头效果，并且节约激光熔覆成本，l满足：1/6L≤l≤1/3L；L为顶头总长度；
(2)采用激光熔覆在所述U形沟槽中熔覆合金元素组成预先设定的合金材料，直至将U形沟槽填满，并预留机加工余量，从而得到激光熔覆后的穿孔顶头；
(3)将所述步骤(2)得到的所述激光熔覆后的穿孔顶头加工至预先设定的最终尺寸；接着，将该穿孔顶头放入加热炉中，升温至900-1100℃，通入氧化性介质，保温4-8小时，然后炉冷至800-900℃，出炉空冷后即可得到表面具有氧化层的穿孔顶头，从而完成对穿孔顶头的强化。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述合金元素组成预先设定的合金材料具体为铁基高温合金，该铁基高温合金中各元素的质量百分比为：C 1.5％-1.8％，Cr27％-29％，Mo 4.5％-5.0％，Ni 16.0％-17.0％，Mn 0.5％-1.2％，余量为Fe。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述合金元素组成预先设定的合金材料具体为镍基高温合金，该镍基高温合金中各元素的质量百分比为：C 0.05％-0.08％，Cr16％-22％，Mo 2.0％-4.0％，Nb 4.0％-6.0％，Ti 0.5％-1.2％，Al 0.2％-0.8％，余量为Ni。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述组成预先设定的合金材料具体为钴基高温合金，该钴基高温合金中各元素的质量百分比为：C 0.25％-1.2％，Cr 24％-29％，Mo 1.0％-6.0％，Ni 3.0％-11.0％，Si 1.0％-2.0％，Fe 2.0％-3.0％，余量为Co。
作为本发明的进一步优选，对于所述步骤(3)得到的表面具有氧化层的穿孔顶头，在熔覆合金材料表面形成的氧化层的厚度小于在穿孔顶头基体表面形成的氧化层的厚度。
作为本发明的进一步优选，对于所述步骤(3)得到的表面具有氧化层的穿孔顶头，在穿孔顶头基体表面形成的氧化层的厚度为0.5-0.8mm。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述待强化穿孔顶头为铁基合金。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，t/W的值为2/3。
按照本发明的另一方面，提供了利用上述方法强化得到的无缝钢管穿孔顶头。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明中的强化方法是在无缝钢管穿孔顶头端部选择性地激光熔覆耐高温合金，并保留部分区域表面材质不变，然后将穿孔顶头整体氧化。激光熔覆高温合金层可以有效克服传统穿孔顶头材料高温强度不足导致的塑性变形和塌鼻问题。考虑到高温合金因为Cr含量较高，其表面难以制备较厚的氧化膜，会导致穿孔顶头工作过程中摩擦系数和导热系数较大，温度升高，产生粘钢现象，与全面积激光熔覆强化相比，本发明提出的激光选区熔覆强化方法，在穿孔顶头表面选择性地制备圆环形、螺旋形或者发散状的强化层，同时预留部分区域保持基体材质不变，通过后续氧化工艺在穿孔顶头基体表面生成具有润滑和隔热作用的氧化膜(如0.5-0.8mm厚度的氧化膜)，而激光熔覆高温合金层由于合金元素含量较高，表面氧化层较薄。
经本发明强化方法得到的穿孔顶头，非常适合用于对无缝钢管的穿孔加工，激光熔覆高温合金层可以显著提高穿孔顶头高温强度，防止塑性变形和塌鼻问题，而未激光熔覆区域形成的较厚的氧化膜能够有效降低穿孔过程中顶头与钢管毛坯之间的摩擦系数和热传导系数，防止穿孔顶头表面温度升高，抑制穿孔过程中产生粘钢现象。并且，与全面积激光熔覆技术相比，选区激光熔覆强化也可以节约激光熔覆高温合金成本，提高激光熔覆效率。t/W的值反应了顶头端部选区激光熔覆强化部分中，未熔覆区域和激光熔覆区域面积的相对比例，t/W满足：1/3≤t/W≤2；为了获得较高的穿孔寿命，优选的t/W的值为2/3。
采用表面工程技术在穿孔顶头表面制备高合金含量的覆层，是提高其高温性能的有效途径。然而，高合金含量的覆层表面难以像传统的铁基顶头那样制备氧化膜，导致在穿孔过程中摩擦系数和导热系数升高，摩擦热和钢坯热传导导致顶头鼻尖处温度显著升高，出现顶头鼻尖发红、塌陷和粘钢现象，导致穿孔寿命下降，甚至低于传统的H13钢和20CrNiWA钢顶头。此外，因为穿孔顶头的受力特点，在大量的穿孔试验中，大部分的塌鼻、塑性变形、掉肉都发生在穿孔顶头距离顶头鼻尖L/6范围之内(L为顶头总长度)，最远不超过L/3，远离鼻尖处顶头很少发生上述问题。基于穿孔顶头的上述特点，本发明中以顶头鼻尖为起点，选区激光熔覆区域在顶头中轴线上的最远投影点距起点距离记为l，为了保证激光熔覆强化顶头效果，并且节约激光熔覆成本，l满足：1/6L≤l≤1/3L。
此外，本发明采用激光熔覆在U形沟槽中熔覆的合金材料，除了使用现有技术中已知的铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金配方外，本发明还对铁基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金的配方进行优化改进，以待强化穿孔顶头为H13钢、20CrNiWA或者其他的铁基合金为例，优化后铁基高温合金的成分为(Wt.％)：(1.5-1.8)C-(27-29)Cr-(4.5-5.0)Mo-(16.0-17.0)Ni-(0.5-1.2)Mn，余量为Fe；优化后镍基高温合金的成分为(Wt.％)：(0.05-0.08)C-(16-22)Cr-(2.0-4.0)Mo-(4.0-6.0)Nb-(0.5-1.2)Ti-(0.2-0.8)Al，余量为Ni；优化后钴基高温合金的成分为(Wt.％)：(0.25-1.2)C-(24-29)Cr-(1.0-6.0)Mo-(3.0-11.0)Ni-(1.0-2.0)Si-(2.0-3.0)Fe，余量为Co。
综上，本发明利用激光选区熔覆技术在无缝钢管穿孔顶头表面制备高性能的熔覆层，这些熔覆层选择性的覆盖顶头表面部分区域，一方面可以显著提高穿孔顶顶头抵抗高温塑性变形能力；另一方面，在穿孔顶头基体未熔覆区域制备的氧化膜可以有效降低其和管坯之间的传热系数和导热系数，抑制穿孔顶头温度上升，防止穿孔过程中粘钢。从而大幅度提高无缝钢管穿孔顶头的使用寿命。
附图说明
图1是本发明穿孔顶头表面激光选区熔覆圆环形高温合金示意图。
图2是本发明穿孔顶头表面激光选区熔覆螺旋形高温合金示意图。
图3是本发明穿孔顶头表面激光选区熔覆发散形高温合金示意图。
图中各附图标记的含义如下：1为熔覆层，2为穿孔顶头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体说来，本发明中激光选区熔覆强化无缝钢管穿孔顶头的方法，可以先根据选区激光熔覆方案，在普通穿孔顶头(如H13钢或者20CrNiWA)端部加工U形沟槽；然后，采用激光熔覆技术在上述沟槽中熔覆高性能的合金材料，直至将上述沟槽填满，并预留一定的机加工余量；再将上述激光熔覆后的穿孔顶头加工至最终尺寸；最后，将上述穿孔顶头整体放入氧化炉中进行氧化，在其表面形成一定厚度的氧化膜。由于在无缝钢管穿孔顶头表面是选择性地熔覆高性能合金层，同时保留部分区域基体材质不变，将能够选择性地在穿孔顶头基体表面生成较厚的氧化膜，而激光熔覆高温合金层由于合金元素含量较高，表面氧化层较薄。
实施例1
采用激光选区熔覆技术在H13钢无缝管穿孔顶头表面制备镍基高温合金熔覆层，本实例的实施过程为：
步骤a：根据激光选区熔覆方案，在穿孔顶头端部制备螺旋U形沟槽，沟槽宽度为3mm，深度为2mm，相邻沟槽之间间距为2mm；
步骤b：在穿孔顶头沟槽中激光熔覆镍基高温合金，其成分为(Wt.％)：(0.05-0.08)C-(16-22)Cr-(2.0-4.0)Mo-(4.0-6.0)Nb-(0.5-1.2)Ti-(0.2-0.8)Al-(Bal.)Ni，直至将沟槽填满，并预留机加工余量；
步骤c：采用数控车床将激光熔覆后的穿孔顶头机加工至最终尺寸；
步骤d：将机加工后的穿孔顶头放入热处理炉，加热至900-1100℃，并通入水蒸气或其他氧化性气体，保温4-8小时，然后降温至800-900℃，出炉后空冷，在穿孔顶头基体表面生成0.5mm厚度的氧化膜，而激光熔覆镍基高温合金层由于合金元素含量较高，表面氧化层较薄。
激光选区熔覆法得到的穿孔顶头经过氧化处理后，既具有镍基高温合金的高温性能，又具有氧化膜的润滑和隔热作用，使用寿命是H13顶头的3倍以上。
实施例2
采用激光选区熔覆技术在20CrNiWA钢无缝管穿孔顶头表面制备钴基高温合金熔覆层，本实例的实施过程为：
步骤a：根据激光选区熔覆方案，在穿孔顶头端部制备圆环U形沟槽，沟槽宽度为6mm，深度为6mm，相邻沟槽之间间距为6mm；
步骤b：在穿孔顶头沟槽中激光熔覆钴基高温合金，其成分为(Wt.％)：(0.25-1.2)C-(24-29)Cr-(1.0-6.0)Mo-(3.0-11.0)Ni-(1.0-2.0)Si-(2.0-3.0)Fe-(Bal.)Co，直至将沟槽填满，并预留机加工余量；
步骤c：采用数控车床将激光熔覆后的穿孔顶头机加工至最终尺寸；
步骤d：将机加工后的穿孔顶头放入热处理炉，加热至900-1100℃，并滴注水-酒精混合溶液，保温4-8小时，然后降温至800-900℃，出炉后空冷，在穿孔顶头基体表面生成(0.5-0.8)mm厚度的氧化膜，而激光熔覆钴基高温合金层由于合金元素含量较高，表面氧化层较薄。激光选区熔覆法得到的穿孔顶头经过氧化处理后，既具有钴基高温合金的高温性能，又具有氧化膜的润滑和隔热作用，使用寿命是20CrNiWA顶头的4倍以上。
实施例3
采用激光选区熔覆技术在20Cr2Ni2钢无缝管穿孔顶头表面制备铁基高温合金熔覆层，本实例的实施过程为：
步骤a：根据激光选区熔覆方案，在穿孔顶头端部制备发散分布的U形沟槽，沟槽宽度为4mm，深度为3mm，相邻沟槽之间间距为3mm；
步骤b：在穿孔顶头沟槽中激光熔覆镍基高温合金，其成分为(Wt.％)：(1.5-1.8)C-(27-29)Cr-(4.5-5.0)Mo-(16.0-17.0)Ni-(0.5-1.2)Mn-(Bal.)Fe，直至将沟槽填满，并预留机加工余量；
步骤c：采用数控车床将激光熔覆后的穿孔顶头机加工至最终尺寸；
步骤d：将机加工后的穿孔顶头放入热处理炉，加热至900-1100℃，并通入水蒸气，保温4-8小时，然后降温至800-900℃，出炉后空冷，在穿孔顶头基体表面生成0.5mm厚度的氧化膜，而激光熔覆铁基高温合金层由于合金元素含量较高，表面氧化层较薄。
激光选区熔覆法得到的穿孔顶头经过氧化处理后，既具有镍基高温合金的高温性能，又具有氧化膜的润滑和隔热作用，使用寿命是20Cr2Ni2顶头的2倍以上。
除了上述实施例外，本发明在U形沟槽中熔覆的合金材料，还可以是现有技术中已知的其他具有较高高温强度和硬度的合金材料，如，其他铁镍基高温合金，其他镍基高温合金，或其他钴基高温合金等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光选区熔覆强化无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在待强化穿孔顶头的端部加工形成U形沟槽，使U形沟槽沿顶头外表面呈圆环形、螺旋形或者发散状分布，U形沟槽的深度为2-6mm，宽度W为3-6mm，相邻两条U形沟槽边缘间距t为2-6mm，且t/W满足：1/3≤t/W≤2；
并且，以顶头鼻尖为起点，U形沟槽边缘在顶头中轴线上的最远投影点距起点距离记为l，则，为了保证激光熔覆强化顶头效果，并且节约激光熔覆成本，l满足：1/6L≤l≤1/3L；L为顶头总长度；
(2)采用激光熔覆在所述U形沟槽中熔覆合金元素组成预先设定的合金材料，直至将U形沟槽填满，并预留机加工余量，从而得到激光熔覆后的穿孔顶头；
(3)将所述步骤(2)得到的所述激光熔覆后的穿孔顶头加工至预先设定的最终尺寸；接着，将该穿孔顶头放入加热炉中，升温至900-1100℃，通入氧化性介质，保温4-8小时，然后炉冷至800-900℃，出炉空冷后即可得到表面具有氧化层的穿孔顶头，从而完成对穿孔顶头的强化。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述合金元素组成预先设定的合金材料具体为铁基高温合金，该铁基高温合金中各元素的质量百分比为：C 1.5％-1.8％，Cr 27％-29％，Mo 4.5％-5.0％，Ni 16.0％-17.0％，Mn 0.5％-1.2％，余量为Fe。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述合金元素组成预先设定的合金材料具体为镍基高温合金，该镍基高温合金中各元素的质量百分比为：C 0.05％-0.08％，Cr 16％-22％，Mo 2.0％-4.0％，Nb 4.0％-6.0％，Ti 0.5％-1.2％，Al 0.2％-0.8％，余量为Ni。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述组成预先设定的合金材料具体为钴基高温合金，该钴基高温合金中各元素的质量百分比为：C 0.25％-1.2％，Cr24％-29％，Mo 1.0％-6.0％，Ni 3.0％-11.0％，Si 1.0％-2.0％，Fe 2.0％-3.0％，余量为Co。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，对于所述步骤(3)得到的表面具有氧化层的穿孔顶头，在熔覆合金材料表面形成的氧化层的厚度小于在穿孔顶头基体表面形成的氧化层的厚度。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，对于所述步骤(3)得到的表面具有氧化层的穿孔顶头，在穿孔顶头基体表面形成的氧化层的厚度为0.5-0.8mm。
7.如权利要求1－6任意一项所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述待强化穿孔顶头为铁基合金。
8.如权利要求1－7任意一项所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中，t/W的值为2/3。
9.利用如权利要求1－8任意一项所述方法强化得到的无缝钢管穿孔顶头。
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