CN113088675A - 一种压裂泵元件的强化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压裂泵元件的激光强化技术领域，并提供一种压裂泵元件的强化处理方法，包括如下步骤：S1、对压裂泵元件进行清洁；S2、在所述压裂泵元件的外表面均匀设置吸收层；S3、控制激光器对所述压裂泵元件的外表面进行激光搭接冲击作业，同时对所述压裂泵元件的激光冲击位置处进行喷水以形成约束层；本发明通过先在压裂泵元件的外表面均匀设置吸收层，从而在对压裂泵元件进行激光冲击的同时，也在压裂泵元件的吸收层上进行喷水以形成约束层，此时激光器发射的激光束穿过约束层冲击带有吸收层的压裂泵元件外表面，使压裂泵元件的表层内的深度发生晶粒细化至纳米晶等级，进而大大提高压裂泵元件的表面强度和耐磨损能力。

Description

一种压裂泵元件的强化处理方法

技术领域

本发明涉及压裂泵元件的激光强化技术领域，具体而言，涉及一种压裂泵元件的强化处理方法。

背景技术

压裂泵元件中，如阀体、阀座、柱塞属于易损件，其使用寿命较短，常因磨料磨损和冲蚀而失效。为了加强压裂泵元件的耐磨性能，通常采用对工作表面采用渗碳淬火、喷Ni62或热熔敷的方式进行处理，而这些表面处理技术对涂层附着力有极高的要求，如涂层处理不佳时，工件在冲击和疲劳工况下容易出现裂纹而脱落，从而严重影响压裂泵元件的耐磨性能。

发明内容

本发明解决的问题是如何有效地提高压裂泵元件的耐磨性能。

为解决上述问题，本发明提供一种压裂泵元件的强化处理方法，包括如下步骤：

对压裂泵元件进行清洁；

在所述压裂泵元件的外表面均匀设置吸收层；

控制激光器对所述压裂泵元件的外表面进行激光搭接冲击作业，同时对所述压裂泵元件的激光冲击位置处进行喷水以形成约束层。

可选地，所述对压裂泵元件进行清洁包括：先利用高纯水对所述压裂泵元件进行清洗，再利用去污液对所述压裂泵元件进行清洗。

可选地，在所述对压裂泵元件进行清洁之前，还包括：对所述压裂泵元件喷高压钢丸进行强化处理。

可选地，所述吸收层的厚度为0.1至0.3mm，所述吸收层为黑漆。

可选地，所述在压裂泵元件的外表面均匀设置吸收层包括：将所述压裂泵元件中待激光冲击的一面朝下，且水平放入盛装黑漆的容器内，以使所述压裂泵元件的外表面均匀涂覆黑漆以形成所述吸收层。

可选地，所述在压裂泵元件的外表面均匀设置吸收层包括：将作为吸收层的黑漆均匀喷涂于所述压裂泵元件的外表面。

可选地，在所述压裂泵元件的外表面均匀设置吸收层与所述压裂泵元件的激光强化位置处进行喷水以形成约束层之间，还包括：对所述压裂泵元件外表面的形貌进行实时建模，并控制所述激光器按照根据建模结果设定的移动路径进行运动。

可选地，对所述压裂泵元件的激光强化位置处进行喷水以形成约束层包括：先控制喷水的水压或流速，再对所述压裂泵元件的激光强化位置处进行喷水以在所述压裂泵元件的表面形成所述约束层，所述约束层的厚度为1至2mm。

可选地，所述控制激光器对所述压裂泵元件的外表面进行激光搭接冲击作业中的搭接率为30％至80％。

可选地，在所述控制激光器对所述压裂泵元件的外表面进行激光搭接冲击作业之后，还包括：对所述压裂泵元件的外表面进行均匀打磨，以消除所述激光搭接冲击后产生的凹坑。

与现有技术相比，本发明中，对压裂泵元件进行清洁，以去除压裂泵元件外表面的灰尘和油污，通过先在压裂泵元件的外表面均匀设置吸收层，从而在对压裂泵元件进行激光冲击的同时，也在压裂泵元件的吸收层上进行喷水以形成约束层，此时激光器发射的激光束穿过约束层冲击带有吸收层的压裂泵元件外表面，相对现有技术中采用渗碳淬火、喷Ni62或热熔敷方式中涂层容易出现裂纹而脱落，本发明中的吸收层在受激光束辐照迅速气化、电离并形成等离子体，等离子体持续吸收能量体积急剧膨胀，其膨胀过程受到约束层的约束作用，电离成等离子体的吸收层不仅不会脱落，还会产生向压裂泵元件内部传播的强冲击波，此时强冲击波使压裂泵元件的表层内的深度发生晶粒细化至纳米晶等级，进而大大提高压裂泵元件的表面强度和耐磨损能力。

附图说明

图1为本发明实施例中压裂泵元件的强化处理方法的流程框图；

图2为本发明实施例中压裂泵元件的激光冲击强化原理示意图。

附图标记说明：

1-定位工装；2-压裂泵元件；3-吸收层；4-约束层；5-激光器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。

为解决上述技术问题，如图1所示，本发明提供一种压裂泵元件的强化处理方法，包括如下步骤：

S1、对压裂泵元件2进行清洁；

S2、在所述压裂泵元件2的外表面均匀设置吸收层3；

S3、控制激光器5对所述压裂泵元件2的外表面进行激光搭接冲击作业，同时对所述压裂泵元件2的激光冲击位置处进行喷水以形成约束层4。

需要说明的是，压裂泵元件2包括但不仅限于阀体、阀座和柱塞。先将压裂泵元件2的整体结构进行清洗，从而可以去除压裂泵元件2的灰尘和油污，从而保证压裂泵元件2的干净清洁，从而为后续步骤在压裂泵元件2的外表面设置吸收层3提供了清洁的外表面。然后，在压裂泵元件2的外表面设置吸收层3，吸收层3可以为黑漆，从而为后续的激光搭接冲击做好了准备工作。

结合图2所示，将压裂泵元件2安装在定位工装1上并进行定位夹紧，且使压裂泵元件2需要激光冲击强化的一外表面朝外，激光器5设置于压裂泵元件2的一侧且与压裂泵元件2中需要激光冲击强化的表面相对设置，在对压裂泵元件2进行激光搭接冲击时，同时向压裂泵元件2外表面的激光冲击位置喷水以形成约束层4，即激光器5发射激光束穿过约束层4冲击带有吸收层3的压裂泵元件2表面，吸收层3受激光辐照迅速气化、电离，形成等离子体，等离子体持续吸收能量体积急剧膨胀，其膨胀过程受到约束层4的约束作用，电离成等离子体的吸收层3不仅不会脱落，还会产生向压裂泵元件2内部传播的强冲击波。强冲击波可使压裂泵元件2表层0.5至2.0mm内的深度发生晶粒细化至纳米晶等级，进而大大提高压裂泵元件2的表面硬度和耐磨损能力。其中，在激光束对压裂泵元件2的每个强化点位置进行强化时，要保证每个强化点位置均有水流作为约束层4，不仅可以有效控制激光束的能量，防止激光束烧坏压裂泵元件2，而且还可以起到在强化过程中对变成等离子体的吸收层3的约束作用。

在本实施例中，在对压裂泵元件2的表面进行激光强化时，激光器5发出的激光束与压裂泵元件2垂直，从而保证可以保证对压裂泵元件2的每个强化点位置的强化程度一致，进而实现对压裂泵元件2的外表面的激光冲击搭接强化均匀。

在本发明的一个实施例中，所述对压裂泵元件2进行清洁包括：先利用高纯水对压裂泵元件2进行清洗，再利用去污液对压裂泵元件2进行清洗。

需要说明的是，所述对压裂泵元件2进行清洁包括：先利用高纯水对压裂泵元件2进行清洗，再利用去污液对压裂泵元件2进行清洗包括：先将压裂泵元件2放入第一超声波清洗机内，第一超声波清洗机内盛装高纯水，利用第一超声波清洗机通过高纯水对压裂泵元件2的外表面进行超声波清洗，从而可以去除压裂泵元件2内的灰尘；再将压裂泵元件2放入第二超声波清洗机内，第二超声波清洗机内盛装去污液，利用第二超声波清洗机通过去污液对压裂泵元件2外表面进行超声波清洗，从而可以去除压裂泵元件2外表面的油污。其中，去污液为分析纯酒精，其中，不仅可以快速去除压裂泵元件2外表面上的油污，而且还由于分析纯酒精快速蒸发的特性，可以使压裂泵元件2外表面尽快干燥，大大缩短对压裂泵元件2的外表面清洁后的干燥时间，以缩短对压裂泵元件2外表面的激光冲击强化之前的准备时间，提高作业效率；当然去污液还可为洗洁精，也可以达到利用超声波清洗机去除压裂泵元件2外表面油污的效果，去污液还可为其他种类的去污溶液，只要能够实现去除压裂泵元件2油污的去污液均适用于本技术方案，在此不再赘述。

在本发明的一个实施例中，在所述对压裂泵元件2进行清洁之前，还包括：对所述压裂泵元件2喷高压钢丸进行强化处理。

需要说明的是，压裂泵元件毛坯通常在被制造出来后，需要先经过数控车床对压裂泵元件毛坯进行精加工作业以形成压裂泵元件2，而精加工后的压裂泵元件2会在其外表面留下残余应力，此时，可利用抛丸机对压裂泵元件2喷高压钢丸进行为碰撞撞击的强化处理，不仅可以消除压裂泵元件2表面的残余应力，还可以提高压裂泵元件2的表面硬度，提高耐磨性能及抗腐蚀能力，其中，抛丸机工作时喷出的高压钢丸的条件为500kPa气压，从而可以保证对压裂泵元件2进行充分的撞击强化处理。

在本发明的一个实施例中，所述吸收层3的厚度为0.1至0.3mm，所述吸收层3为黑漆。

需要说明的是，吸收层3用于对激光器5发出激光束能量进行一定的吸收；吸收层3可以为黑漆，还可以为铝箔，故吸收层3采用何种材料在此不再具体限定；吸收层3的厚度可根据压裂泵元件2的体积、型号而定；本申请中的压裂泵元件2材质为8620H钢，吸收层3的厚度为0.1至0.3mm，从而可以保证激光束在冲击压裂泵元件2时，吸收层3可以产生足够的等离子体；当吸收层3的厚度在0.2mm时，激光器5发出激光的电气参数为：激光的波长1064nm，脉宽为8-20ns，重复频率为1Hz，搭接率为50％，功率密度为(2-9)×109W/cm²，激光脉宽为8-20ns，从而保证设置在压裂泵元件2的吸收层3可以充分的吸收激光束的能量。

在本发明的一个实施例中，所述在压裂泵元件2的外表面均匀设置吸收层3包括：将所述压裂泵元件2中待激光冲击的一面朝下，且水平放入盛装黑漆的容器内，以使所述压裂泵元件2的外表面均匀涂覆黑漆以形成所述吸收层3。

需要说明的是，在压裂泵元件2的外表面即待激光冲击的一面朝下，然后将压裂泵元件2水平放置于黑漆中，此时压裂泵元件2的外表面被均匀的涂覆一层黑漆，从而可以实现将为黑漆的吸收层3均匀的被涂覆在压裂泵元件2的外表面，且在压裂泵元件3的外表面涂覆吸收层3之后，将压裂泵元件3水平放置，使压裂泵元件3中涂覆有吸收层的一面朝上，这样可以防止黑漆随意流动，从而可以保证吸收层3更加均匀。

在本发明的一个实施例中，所述压裂泵元件2的外表面均匀设置吸收层3包括：将作为吸收层3的黑漆均匀喷涂于所述压裂泵元件2的外表面。

需要说明的是，将作为吸收层3的黑漆均匀喷涂于所述压裂泵元件2的外表面包括：先将搅拌均匀的黑漆装入喷枪内，再将压裂泵元件2水平放置，最后通过喷枪将黑漆均匀的喷涂在压裂泵元件2的外表面以形成吸收层3，从而不仅防止黑漆随意流动，而且还可以保证将喷涂后的黑漆均匀的覆盖在压裂泵元件2的外表面上。

在上述两个实施例中，在压裂泵元件2的外表面均匀设置吸收层3之后，还包括，将设置有吸收层3的压裂泵元件2水平放置，且使吸收层3朝上，并通过热风枪对为黑漆的吸收层3进行吹暖风，从而可以使吸收层3在较短的时间内凝结在压裂泵元件2的表面，可以防止激光器5在对压裂泵元件2进行激光搭接冲击时，因压裂泵元件2的表面存在已经干燥和没有干燥的吸收层3，从而影响对压裂泵元件2的激光搭接冲击效果。

在本发明的一个实施例中，在所述压裂泵元件2的外表面均匀设置吸收层3与所述压裂泵元件2的激光强化位置处进行喷水以形成约束层4之间，还包括：对所述压裂泵元件2外表面的形貌进行实时建模，并控制所述激光器5按照根据建模结果设定的移动路径进行运动。

需要说明的是，通过在所述压裂泵元件2的外表面均匀设置吸收层3之后，在与所述压裂泵元件2的激光强化位置处进行喷水以形成约束层4之前，还包括，对所述压裂泵元件2外表面的形貌进行实时建模，并控制所述激光器5按照根据建模结果设定的移动路径进行运动，这样可以确保建模后的图像与压裂泵元件2外表面在激光搭接冲击强化前的形貌更加接近，且由于压裂泵元件2的外表面通常不规则，在建模之后，在模型的表面进行划线，以确定激光器5的移动路线，为后续激光器5对压裂泵元件2的外表面的激光搭接冲击强化作业提供了移动路径的参考，从而控制激光器按照划线的移动路径走光路，从而不仅确保压裂泵元件2的外表面100％被激光器发出的激光束激光搭接冲击强化，而且还提高激光器5对压裂泵元件2的激光搭接冲击强化的准确度和强化效果。

所述对所述压裂泵元件2外表面的形貌进行实时建模包括：利用激光扫描技术对压裂泵元件2外表面进行扫描以形成扫描数据画面，在依据扫描数据画面对压裂泵元件2外表面的形貌进行3D实时建模，从而使建模后的图形与压裂泵元件2外表面的真实形貌更加贴近，提高对压裂泵元件2的激光搭接冲击强化效果。

在本发明的一个实施例中，对所述压裂泵元件2的激光强化位置处进行喷水以形成约束层4包括：先控制喷水的水压或流速，再对所述压裂泵元件2的激光强化位置处进行喷水以在所述压裂泵元件2的表面形成约束层4，所述约束层4的厚度为1至2mm。

需要说明的是，在激光器5对压裂泵元件2的外表面进行搭接冲击之前，先控制喷水的水压或流速，以确保喷向压裂泵元件2的激光强化位置处的水流形成的约束层4的厚度在1至2mm，这样可以不仅有效地对激光器5发出的激光束能量进行控制，而且还起到在激光搭接冲击强化过程中，吸收层3在激光辐照迅速气化、电离形成等离子体，对持续吸收能量体积急剧膨胀的等离子体起到约束作用，促使强冲击波向压裂泵元件2的表层内进行传播，以起到改变压裂泵元件2表层1.5mm内的结构，以提高压裂泵元件2的表面强度和耐磨损能力。

在本发明的一个实施例中，所述控制激光器5对所述压裂泵元件2的外表面进行激光搭接冲击中的搭接率为30％至80％。

需要说明的是，所述控制激光器5对所述压裂泵元件2的外表面进行激光搭接冲击作业中的搭接率为30％至80％，从而可以保证压裂泵元件2的相邻强化点之间产生关联，避免遗漏强化点，进而可以保证压裂泵元件2的每个位置点都被强化到，提高压裂泵元件2的表面强度。当激光发光头发射激光束对压裂泵元件2的激光冲击的搭接率为50％时，从而进一步保证对压裂泵元件2外表面的每个强化点强化更加均匀稳定，以使压裂泵元件2的外表面更加平整。其中，搭接是指利用激光束对压裂泵元件的外表面进行激光冲击时产生一熔覆道，某一熔覆道要部分覆盖在前一熔覆道上，搭接率是指相邻激光冲击熔覆道之间的相互重叠程度。

在本发明的一个实施例中，在所述控制激光器5对所述压裂泵元件2的外表面进行激光搭接冲击作业之后，还包括：对所述压裂泵元件2的外表面进行均匀打磨，以消除所述激光搭接冲击后产生的凹坑。

需要说明的是，在所述控制激光器5对所述压裂泵元件2的外表面进行激光搭接冲击作业之后，还包括：对所述压裂泵元件2的外表面进行均匀打磨，从而可以消除所述激光搭接冲击后产生的凹坑，保证已经经过激光搭接冲击强化后的压裂泵元件2的外表面更加平整。

其中，所述对所述压裂泵元件2的外表面进行均匀打磨：可采用砂纸均匀压裂泵元件2表面的凹坑，也可以采用手持式打磨工具对压裂泵元件2的外表面进行均匀打磨，直至压裂泵元件2的表面粗糙度Ra＜0.05μm，从而判断出压裂泵元件2的表面打磨合格。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压裂泵元件的强化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

对压裂泵元件(2)进行清洁；

在所述压裂泵元件(2)的外表面均匀设置吸收层(3)；

控制激光器(5)对所述压裂泵元件(2)的外表面进行激光搭接冲击作业，同时对所述压裂泵元件(2)的激光冲击位置处进行喷水以形成约束层(4)。

2.根据权利要求1所述的压裂泵元件的强化处理方法，其特征在于，所述对压裂泵元件(2)进行清洁包括：先利用高纯水对所述压裂泵元件(2)进行清洗，再利用去污液对所述压裂泵元件(2)进行清洗。

3.根据权利要求1所述的压裂泵元件的强化处理方法，其特征在于，在所述对压裂泵元件(2)进行清洁之前，还包括：对所述压裂泵元件(2)喷高压钢丸进行强化处理。

4.根据权利要求1所述的压裂泵元件的强化处理方法，其特征在于，所述吸收层(3)的厚度为0.1至0.3mm，所述吸收层(3)为黑漆。

5.根据权利要求4所述的压裂泵元件的强化处理方法，其特征在于，所述在压裂泵元件(2)的外表面均匀设置吸收层(3)包括：将所述压裂泵元件(2)中待激光冲击的一面朝下，且水平放入盛装黑漆的容器内，以使所述压裂泵元件(2)的外表面均匀涂覆黑漆以形成所述吸收层(3)。

6.根据权利要求4所述的压裂泵元件的强化处理方法，其特征在于，所述在压裂泵元件(2)的外表面均匀设置吸收层(3)包括：将作为所述吸收层(3)的黑漆均匀喷涂于所述压裂泵元件(2)的外表面。

7.根据权利要求1所述的压裂泵元件的强化处理方法，其特征在于，在所述压裂泵元件(2)的外表面均匀设置吸收层(3)与所述压裂泵元件(2)的激光强化位置处进行喷水以形成约束层(4)之间，还包括：对所述压裂泵元件(2)外表面的形貌进行实时建模，并控制所述激光器(5)按照根据建模结果设定的移动路径进行运动。

8.根据权利要求1所述的压裂泵元件的强化处理方法，其特征在于，对所述压裂泵元件(2)的激光强化位置处进行喷水以形成约束层(4)包括：先控制喷水的水压或流速，再对所述压裂泵元件(2)的激光强化位置处进行喷水以在所述压裂泵元件(2)的表面形成所述约束层(4)，所述约束层(4)的厚度为1至2mm。

9.根据权利要求1所述的压裂泵元件的强化处理方法，其特征在于，所述控制激光器(5)对所述压裂泵元件(2)的外表面进行激光搭接冲击作业中的搭接率为30％至80％。

10.根据权利要求1至9任一项所述的压裂泵元件的强化处理方法，其特征在于，在所述控制激光器(5)对所述压裂泵元件(2)的外表面进行激光搭接冲击作业之后，还包括：对所述压裂泵元件(2)的外表面进行均匀打磨，以消除所述激光搭接冲击后产生的凹坑。

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