CN113529066A - 一种海洋输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备 - Google Patents

一种海洋输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备 Download PDF

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Abstract

本发明针对海洋输油（气）管线对高性能耐蚀非晶涂层制备的技术瓶颈，基于超声冲击对超高速激光熔覆制备非晶涂层的作用原理，提出了一种快速制备海洋管线耐蚀非晶涂层的智能装备设计，属于非晶涂层激光熔覆制造技术与装备领域。该装备由数控加工工作台、超高速激光熔覆系统，超声冲击微锻造系统，激光超声在线检测系统，缺陷在线清除系统和控制中心构成，将超高速激光熔覆技术，超声冲击微锻造技术与在线检测技术集成于一体，解决了非晶涂层难以大面积制备，制备效率低，非晶涂层中非晶相含量不高、涂层致密度不高、易产生裂纹等难题，实现了管线高性能耐蚀涂层的高效、绿色、智能制造，可以替代传统的高污染电镀技术与装备。

Description

一种海洋输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备
技术领域
本发明涉及海洋输油（气）管线耐蚀非晶涂层激光熔覆制造技术与装备领域，特别是涉及一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备高性能非晶涂层的智能装备。
背景技术
海洋管线运输是油气运输的主要方法之一，具有连续、快捷、安全、经济的特点。海洋油气管线直接暴露在海洋大气区、干湿交替区、全浸区、海泥区中等不同区域使用，腐蚀环境环境极其复杂，管线表面极易受到不同环境的腐蚀破坏，导致海洋管线失效，油气泄露，经济损失，环境污染。金属涂层是海洋油气管线常见的腐蚀防护术，传统的金属涂层制备技术包括电镀、热浸镀、热喷涂等表面防腐技术由于环境、健康等问题，正在被逐渐被禁止。通常海洋防腐用金属涂层材料为锌合金和铝合金，材料的成本比较高，且自身硬度较低，不耐磨蚀，难以应对海洋的复杂腐蚀环境。非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征，固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定，与传统的晶态合金相比非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、高耐腐蚀和耐磨性等，特别是具有优异的耐海水腐蚀性能。以涂层形式应用的非晶合金不仅克服了块体非晶合金的缺点，也使非晶合金优异的性能得到极好的延伸，使其在工业上大范围的应用成为现实。常规的非晶涂层制备方法有超音速火焰喷涂、超音速电弧喷涂、超音速等离子喷涂等热喷涂技术，以及激光熔覆技术。热喷涂等传统技术制备的涂层与基体结合一般为机械结合，结合力低，而且涂层的孔隙率较高，易产生裂纹，在海洋腐蚀环境中容易产生缝隙腐蚀。传统激光熔覆技术，涂层与基体之间形成冶金结合，结合强度高，但其扫描速度较慢，熔覆层厚度较厚，金属冷却速率低，增加了非晶相的生成难度。超高速激光熔覆技术是近年来发展的一项激光熔覆新技术，与常规的激光熔覆技术相比较，这项新技术通过同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使添加材料与高速率运动的基体材料表面同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低，与基体呈冶金结合的熔覆层，因此该技术具有凝固时间极短、熔覆效率高的特点，特别适合非晶合金涂层制备。研究表明：采用超高速激光熔覆技术虽可以大幅提高非晶涂层中的非晶相的比例，但由于该技术熔覆沉积非晶金属的熔化和凝固的过程时间极短，工件和涂层减形成了很大的温度梯度，产生了较高的残余应力，再加上涂层与基体的热膨胀系数差异以及金属熔化沉积过程产生气孔和夹渣等冶金缺陷容易导致熔覆层开裂。超声冲击微锻造技术可以改善控制凝固过程，消除非晶涂层中残余应力，消除非晶涂层中的气孔和夹渣等冶金缺陷，大幅降低非晶涂层中的裂纹。与以往的金属涂层制备技术相比，基于超声冲击辅助超高速激光熔覆非晶涂层制备技术具备以下优点：（1）生产效率高，超高速激光熔覆速度可以高达50m/min，是传统涂层制备技术的几十甚至上百倍，而且熔覆层厚度可以控制到25-200µm；（2）耐蚀性能好，由于采用了超声冲击辅助成形技术，制备的非晶涂层中晶体含量低，具有很好的耐海水腐蚀性能，可以在海洋环境中长期使用，有效地保护海洋工程装备；（3）表面质量高，超高速激光熔覆的表面质量极佳，仅需轻微抛光即可达到电镀工艺水平；（4）绿色环保，激光熔覆加工过程中，表面不需喷砂处理，只使用氮气或氩气等惰性气体，而不使用氢气或丙烷等燃气，也不会产生废气、废水等，是一种绿色环保的先进技术。但是非晶合金耐蚀涂层的超高速激光快速熔覆工艺复杂，检测参数多，自动化水平要求高，迫切需要开发智能装备实现非晶涂层高效率、高质量制造。
发明内容
本发明针对海洋输油（气）管线对高性能耐蚀非晶涂层制备技术瓶颈，基于超声冲击对超高速激光熔覆制备非晶涂层的作用原理，提出了一种快速制备海洋管线耐蚀非晶涂层的智能装备设计，用来解决非晶涂层难以大面积制备，制备效率低，非晶涂层中非晶相含量不高、涂层致密度不高、易产生裂纹等问题。设计的装备可实现低成本、高效率、高质量、绿色环保制备耐高性能耐海水腐蚀涂层制备。
为了实现上述目的，本发明提供了一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的智能装备，包括：数控加工工作台、超高速激光熔覆系统，超声冲击微锻造系统，激光超声在线检测系统，缺陷在线清除系统和控制中心等。
所述数控加工工作台，由设备基座、高速转台、直线行走机构、支架组成。
所述设备基座用于安装高速转台、直线行走机构、支架。
所述高速转台置于设备基座上，配合支架，用于定位安装工件。
所述直线行走机构置于设备基座上，用于安装超高速激光熔覆头、超声冲击头、信号采集器和铣削刀头。
所述支架置于设备基座上，配合支架，用于辅助定位安装工件。
所述超高速激光熔覆系统由激光发生器、送粉器、冷水机和光内送料超高速激光熔覆头组成。
所述激光发生器，用于提供高能束激光实现非晶涂层熔覆制备。
所述送粉器，靠送粉盘定量，载气输送粉末，可以实现与系统中其他设备的集成控制与联动。
所述冷水机，用于为激光器和激光熔覆头提供冷却水。
所述光内送料超高速激光熔覆头，置于直线行走机构上，相对于传统光外送料（粉包光）熔覆头具有以下优点：（1）粉末的运动轨迹为直线状与重力、气载压力、惯性力的作用方向一致，发散角小，粉末输送过程中不与光束发生干涉，显著提高材料利用率；（2）粉末从激光光内传输和加热，减少了合金粉末与空气及其他杂质的接触的几率，可有效防止粉末氧化；（3）粉末在光束作用中可充分吸收能量，提高加热效率；（4）减少液滴、粉末和粉尘等的飞溅，有利于改善增材制造工作舱内的环境，提高非接触光学在线监测系统的测量精度；（5）可以在构件侧向实施沉积成形和超声冲击，提高构件的整体质量和性能；（6）促进非晶成形，降低晶化比例。
所述超声冲击微锻造系统，由超声换能器和超声冲击头组成。
所述超声换能器用于将电磁能转化为机械能（声能）。
所述超声冲击头，直接作用于工件表面，可用于冲压金属沉积层，同时用于传递变幅杆放大后的超声波能场。
所述激光超声在线检测系统，由激光发生器，信号采集器，激光扫描模块和数据处理模块组成。
所述激光发生器为调制固体激光器，可以产生指定波长和频率的脉冲激光。
所述激光发生器可以单独配置，也可以与超高速激光熔覆激光发生器共用。
所述信号采集器为基于迈克尔逊干涉原理的激光超声接收仪，用于实现熔覆层表面形成的超声波信号采集，并通过光纤传输到信号采集卡中。
所述激光扫描模块，用于实现被测熔覆层表面的精准定位以及二维扫查。
所述数据处理模块，集成装备在控制中心，装有数据处理软件，可以控制采样频率、时间步长、扫描方向等参数，对采集数据进行储存、分析并根据专家数据库制定缺陷清除和重熔方案。
所述缺陷在线清除系统主要由铣削刀头和控制线路组成。
所述铣削刀头安装在直线行走机构上，根据数据模块制定的缺陷清除方案，实现含有裂纹缺陷的熔覆层的精准清除。
所述控制中心，用于实现对数控加工工作台、超高速激光熔覆系统，超声冲击微锻造系统，激光超声在线检测系统和缺陷在线清除系统的单独控制和联合控制。
本发明所述的一种超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的智能装备，其特征在于将超高速激光熔覆技术，超声冲击微锻造技术、激光超声在线检测技术以及在线修复技术集成于一体；这种创新设计充分运用了超高速激光熔覆技术的高效制造、超声冲击微锻造技术的高质量制造和在线检测及修复技术的智能制造，实现非晶涂层高效率、高质量的大面积智能制造。
所述超高速激光熔覆装置，通过激光光内同步送粉添料方式，将激光束聚焦在金属基体上方恰当位置，激光同时与金属基体和粉末耦合作用，粉末进入基体熔池前便已经熔化，以液态形式进入熔池，并快速凝固成型，大幅提高熔覆速率同时，大大提高涂层的冷却速度，促进了涂层中非晶相形成。
所述超声冲击微锻造装置，将超声冲击头作用于已凝固的金属沉积层的指定区域，利用冲击头的超声冲击使涂层产生压应力状态。另一方面，传播到熔池的超声波分量能场对熔池凝固过程进行调控，利用其空化效应和声流作用，抑制熔池凝固时非晶向晶体转化，消除非晶涂层中的成分偏析和微观缺陷。
所述激光超声在线检测系统主要利用激光超声深度测量技术实现激光熔覆层微观裂纹检测，其原理是：利用功率小于材料损伤阈值的激光束扫描被测熔覆层表面，熔覆层局部受热膨胀，产生纵波、剪切波、表面波等各种超声信号，通过对超声信号的采集、对比分析实现对熔覆层裂纹的判别鉴定。
所述一种输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于，所述耐蚀涂层可为任何种类的金属涂层：铁基、镍基、锆基、铝基、铜基、钛基等，以及其它易产生裂纹的高熵合金涂层。
所述一种输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于，所述激光熔覆技术的材料供给方式可以为同轴送粉。
所述一种输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于，所述金属材料的形状可以为粉体，以及用于沉积成形工艺的其他可流动金属形态。
所述一种输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于，所述装备可以用于管子类回转体构件表面的非晶涂层制备，装备经改进后，也可以用于平面结构的表面非晶涂层制备。
所述一种输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于装备的数控加工工作台、超高速激光熔覆系统，超声冲击微锻造系统，激光超声在线检测系统，缺陷在线清除系统等均为模块化设计，可适用于不同直径、不同长度工件。
附图说明
图1超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层智能装备示意图。
图2超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
结合图1，本发明一种输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，由数控加工工作台、超高速激光熔覆系统，超声冲击微锻造系统，激光超声在线检测系统，缺陷在线清除系统和控制中心组成。
所述数控加工工作台，包括设备基座11、高速转台12、支架13、直线行走机构14。
所述设备基座11为高速转台12、支架13、直线行走机构14的载体。
所述高速转台12置于设备基座上，为工件15的载体，其转速0-60R/min，定位精度±0.1mm，抓盘加持直径40-1000mm，配合支架13实现最大加工长度5m，最大加工重量5吨，满足目前市场上常用尺寸输油（气）管线的生产。
所述直线行走机构14置于设备基座上11，为超声冲击头8、超高速激光熔覆头9、信号采集器7、铣削加工头10的载体，其行走速度为0-1000mm/min，精度为±0.1mm/1m，直线行走距离为5.5m。
所述支架13置于设备基座上，用于工件15的辅助支撑及安装定位。
所述超高速激光熔覆系统，包括：激光发生器2、冷水机3、送粉器4、气瓶5、超高速激光熔覆头9。
所述激光发生器2用于产生激光，同时可为激光超声检测系统提提供入射光源。
所述水冷机3用于为激光发生器2、超高速激光熔覆头9和超声冲击头8提供循环冷却水。
所述送粉器4用于实现为超高速激光熔覆头9输送非晶粉末。
所述气瓶5用于实现为送粉器4和超高速激光熔覆头9提供稳定流量的气体。
所述超高速激光熔覆头9，置于直线行走机构14上，用于实现非晶粉末的激光熔化沉积。
所述超声冲击微锻造系统，包括超声换能器1和超声冲击头8。
所述超声换能器1用于将电磁能转化为机械能（声能）。
所述超声冲击头8，置于直线行走机构上14上，用于冲压金属沉积层，同时用于传递变幅杆放大后的超声波能场，利用其分量实现对金属熔池的凝固干扰。
所述激光超声在线检测系统，由激光发生器，信号采集器7，激光扫描模块以及数据处理模块组成。
所述激光器为高能脉冲固体激光器，可以提供中心波长为1080nm的入射激光，最大调制频次2KHZ。
所述信号采集器7安装在直线行走机构14上，用于实现熔覆层表面形成的超声波信号采集，并通过光纤传输到信号采集卡中。
所述激光扫描模块，集成在激光熔覆头9上，用于实现被测熔覆层表面的精准定位以及实现宽度为200mm范围的线性扫查。
所述数据处理模块，集成装备在控制中心6上，装有数据处理软件，可以控制采样频率、时间步长、扫描方向等参数，并对采集数据进行储存、分析并制定缺陷清除和精准重熔策略。
所述缺陷在线清除系统主要由铣削刀头10和控制线路组成。
所述铣削刀头10安装在直线行走机构14上，根据数据模块制定的缺陷清除工序，实现含有裂纹缺陷的熔覆层的精准清除。
所述控制中心7，用于实现对数控加工工作台、超高速激光熔覆系统、超声波冲击微锻造系统和在线检测系统的单独控制和联合控制。
结合图2，超声冲击辅助超高速激光熔覆制备非晶涂层的工艺流程图，简要说明工艺流程如下：
步骤1，管子工件除油除锈，安装定位；
步骤2，非晶金属粉末烘干，装入送粉器中；
步骤3，启动设备，包括数控加工工作台、超高速激光熔覆系统，超声冲击微锻造系统，激光超声在线检测系统，缺陷在线清除系统以及控制中心；
步骤4，检查并确保设备运转正常，控制线路、光路、冷却水路、气路状态良好；
步骤5，设定工艺参数，包括激光功率、光斑直径、工件转动速率、送粉速率、超声功率、超声频率、在线检测采样频率、时间步长、扫描方向；
步骤6，开始激光熔覆作业，同时超声冲击运行；
步骤7，在线质量检测运行，检测金属沉积层的裂纹缺陷；
步骤8，如无缺陷，激光熔覆继续直至完工；
步骤9，如金属沉积层有缺陷，则停止作业，数据处理模块自动生成缺陷处理方案；
步骤10，含有缺陷的金属沉积层清除，重新熔覆。

Claims (18)

1.本发明针对海洋输油（气）管线对高性能耐蚀非晶涂层制备技术瓶颈，基于超声冲击对超高速激光熔覆制备非晶涂层的作用原理，提出了一种快速制备海洋管线耐蚀非晶涂层的智能装备设计，属于非晶涂层激光熔覆制造技术与装备领域。
2.该装备将超高速激光熔覆技术，超声冲击微锻造技术与激光超声在线检测修复技术集成一体，综合运用了各项技术的优点，实现了管线高性能耐蚀涂层的高效绿色制造，可以替代传统的高污染电镀技术与装备。
3.根据权利要求1所述，一种海洋输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备的智能装备，包括：数控加工工作台、超高速激光熔覆系统，超声冲击微锻造系统，激光超声在线检测系统，缺陷在线清除系统和控制中心。
4.根据权利要求1所述超高速激光熔覆系统，其特征在于，将激光束聚焦在金属基体上方恰当位置，激光同时与金属基体和粉末耦合作用，粉末进入基体熔池前便已经熔化，以液态形式进入熔池，并快速凝固成型，大幅提高熔覆速率同时，大大提高涂层的冷却速度，促进了涂层中非晶相形成。
5.根据权利要求1所述超声冲击微锻造系统，其特征在于，将超声冲击头作用于已凝固的金属沉积层的指定区域，利用冲击头的超声冲击使涂层产生压应力状态；另一方面，传播到熔池的超声波分量能场对熔池凝固过程进行调控，利用其空化效应和声流作用，抑制熔池凝固时非晶向晶体转化，消除非晶涂层中的成分偏析和微观缺陷。
6.根据权利要求1所述的在线检测系统，利用激光超声深度测量技术实现激光熔覆层微观裂纹检测，其原理是：利用功率小于材料损伤阈值的激光束扫描被测熔覆层表面，熔覆层局部受热膨胀，产生纵波、剪切波、表面波等各种超声信号，通过对超声信号的采集、对比分析实现对熔覆层裂纹的判别鉴定。
7.根据权利要求2所述，所述数控加工工作台，由设备基座、高速转台、直线行走机构、支架组成；所述设备基座用于安装高速转台、直线行走机构、支架；所述高速转台置于设备基座上，配合支架，用于定位安装工件；所述直线行走机构置于设备基座上，用于安装超高速激光熔覆头、超声冲击头、激光测量传感器和切削头；所述支架置于设备基座上，配合高速转台，用于辅助定位安装工件。
8.根据权利要求2所述，所述超高速激光熔覆系统由激光发生器、送粉器、冷水机和超高速激光熔覆头组成；所述激光发生器，用于产生高能束激光；所述送粉器，用于实现金属粉末的输送；所述冷水机，用于为激光发生器、激光熔覆头和超声冲击头提供冷却水；所述超高速激光熔覆头用于实现金属粉末的熔化沉积。
9.根据权利要求2所述，所述超声冲击微锻造系统，由超声换能器和超声冲击头组成；所述超声换能器用于将电磁能转化为机械能（声能）；所述超声冲击头，直接作用于工件表面，可用于机械冲压金属沉积层，同时用于传递变幅杆放大后的超声波能场。
10.根据权利要求2所述，所述激光超声在线检测系统，由激光发生器，信号采集器，激光扫描模块和数据处理模块组成；所述激光发生器为调制固体激光发生器，可以产生指定波长和频率的脉冲激光；所述激光发生器可以单独配置，也可以与超高速激光熔覆激光发生器共用；所述信号采集器为基于迈克尔逊干涉原理的激光超声接收仪，用于实现熔覆层表面形成的超声波信号采集，并通过光纤传输到信号采集卡中；所述激光扫描模块，用于实现被测熔覆层表面的精准定位以及二维扫查；所述数据处理模块，集成装备在控制系统，装有数据处理软件，可以控制采样频率、时间步长、扫描方向等参数，对采集数据进行储存、分析并根据专家数据库制定缺陷清除和重熔方案。
11.根据权利要求2所述所述缺陷在线清除系统主要由铣削刀头和控制线路组成；所述铣削刀头安装在直线行走机构上，根据数据模块制定的缺陷清除方案，实现含有裂纹缺陷的熔覆层的精准清除。
12.根据权利要求2所述，所述控制中心，用于实现对数控加工工作台、超高速激光熔覆系统、超声波冲击微锻造系统和激光超声在线检测系统的单独控制和联合控制。
13.根据权利要求1所述一种海洋输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于，所述耐蚀涂层制造技术为激光送粉涂层制造领域。
14.根据权利要求1所述一种海洋输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于，所述耐蚀涂层可为任何种类的金属涂层：铁基、镍基、锆基、铝基、铜基、钛基等，以及其它易产生裂纹的高熵合金涂层。
15.根据权利要求1所述一种海洋输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于，所述激光熔覆技术的材料供给方式可以为同轴送粉。
16.根据权利要求1所述一种海洋输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于，所述金属材料的形状可以为粉体，以及用于沉积成形工艺的其他可流动金属形态。
17.根据权利要求1所述一种海洋输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于，所述装备可以用于管子类回转体构件表面的非晶涂层制备，装备经改进后，也可以用于平面结构的表面非晶涂层制备。
18.据权利要求1所述一种海洋输油（气）管线高性能耐蚀涂层制备方法与智能装备，其特征在于装备的数控加工工作台、超高速激光熔覆系统，超声冲击微锻造系统，激光超声在线检测系统和缺陷在线清除系统等均为模块化设计，可适用于不同直径、不同长度工件。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113718093A (zh) * 2021-09-03 2021-11-30 南昌航空大学 一种高速冲击大面积制备非晶/纳米晶复合涂层及其制备工艺
CN114000146A (zh) * 2021-11-03 2022-02-01 华北电力大学 一种陶瓷增强金属基复合涂层的激光熔覆制备装置
CN115341212A (zh) * 2022-08-31 2022-11-15 上海交通大学 双光束超高速激光熔覆与激光冲击锻打的复合加工方法

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