CN114164424B - 基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备，包括：固定夹紧装置，包括机架和一对相对设置的管外壁夹紧机构，机架具有相对的前部和后部，后部两对端各安装一套管外壁夹紧机构；管外壁夹紧机构包括扩展臂、夹紧臂、液压推杆及夹紧轮组件；转向装置，设置于机架的前部，包括转向组件和一对相对设置的辅助臂，转向组件设置于机架的前部，包括转向臂和转向轮；以及至少一套喷涂装置，设置于管外壁夹紧机构与转向装置之间，包括激光器、喷粉枪和驱动装置；本发明还包括一种工艺方法，包括以下步骤：根据钢管外径调节夹紧臂张开角度，粉末在激光的软化下对钢管外壁强化涂层喷涂。本发明有益效果是：能在普通环境下对管壁进行强化操作。

Description

基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备及工艺方法

技术领域

本发明涉及材料表面处理领域，更具体的说，尤其涉及一种基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备及工艺方法。

背景技术

超音速激光沉积技术是将激光辐射与冷喷涂相结合，以激光作为辅助热源，沉积过程中激光辐照光斑和喷涂粉斑同步，实现对喷涂颗粒、基材同步加热，从而使两者得到有效软化，增强颗粒的变形能力，大大降低颗粒所需的临界沉积速度，实现了宽范围材料的沉积，并获得了特殊的微观组织和性能。超音速激光沉积技术在制备涂层过程中能够利用激光软化基体与粉粒，增强颗粒变形能力，降低颗粒所需沉积速度；载气采用廉价的氮气或压缩空气代替昂贵的氦气，实现硬质材料的沉积，在降低成本的同时扩大了冷喷涂可沉积材料的范围；与其他技术技术相比不存在熔化凝固引起的冶金相变，可保持原始粉末成分不变。

管道运输是国际货物运输方式之一，是随着石油生产的发展而产生的一种特殊运输方式。具有运量大、不受气候和地面其他因素限制、可连续作业以及成本低等优点。随着石油、天然气生产和消费速度的增长，管道运输发展步伐不断加快。管道运输有着独特的优势。在建设上，与铁路、公路、航空相比，投资要省得多。就石油的管道运输与铁路运输相比，交通运输协会的有关专家曾算过一笔账:沿成品油主要流向建设一条长7000公里的管道，它所产生的社会综合经济效益，仅降低运输成本、节省动力消耗、减少运输中的损耗3项，每年就可以节约资金数10亿元左右；而且对于具有易燃特性的石油运输来说，管道运输更有着安全、密闭等特点。在油气运输上，管道运输有其独特的优势，首先在于它的平稳、不间断输送，对于现代化大生产来说，油田不停地生产，管道可以做到不停地运输，炼油化工工业可以不停地生产成品，满足国民经济需要；二是实现了安全运输，对于油气来说，汽车、火车运输均有很大的危险，国外称之为“活动炸弹”，而管道在地下密闭输送，具有极高的安全性；三是保质，管道在密闭状态下运输，油品不挥发，质量不受影响；四是经济，管道运输损耗少、运费低、占地少、污染低。

目前，不管是石油等战略物资的运输还是水等生活用品的输送基本上采用的都是钢管，钢管由于其成本低，强度高等优点而被广泛采用，然而，由于管道长期埋在地下，随着时间的推移，外界土壤特性及地形沉降等因素的影响，管道会发生腐蚀、穿孔、泄漏，带来严重的损失。受施工、给油气管道腐蚀造成的经济损失可分为直接损失和间接损失。直接损失包括：更换设备和构件费、修理费和防腐费等；间接损失包括：停产损失、腐蚀泄漏引起产品的流失、腐蚀产物积累或腐蚀破损引起的损失，间接损失远较直接损失大，且难以估计。管道腐蚀除了考虑造成的严重经济损失外，它还会引起有害物质的泄漏，对环境造成污染，甚至还会引起突发的灾难事故，危及人身安全。

传统的钢管在生产制造后会进行简单的防腐蚀处理，但是由于有些钢管长度过长，在进行电镀等防腐蚀处理时需要占用相当大的空间，电镀等产生的污水等化学品严重污染环境，而且在抗腐蚀处理无法实现均匀覆盖，导致抗腐蚀性处理存在遗漏，为后续隐患埋下根源。

发明内容

本发明的目的在于解决传统钢管抗腐蚀性处理存在的无法全覆盖、钢管过长占用大片空间、化学废品污染等问题，提出一种基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备及工艺方法。

本发明所述的基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备，其特征在于，包括：

固定夹紧装置，包括机架和一对相对设置的管外壁夹紧机构，所述机架具有相对的前部和后部，所述前部和所述后部均具有两对端，其中所述后部的两对端各安装一套管外壁夹紧机构；所述管外壁夹紧机构包括扩展臂、夹紧臂、液压推杆以及夹紧轮组件，所述扩展臂一端与所述机架后部相应的对端固定连接，另一端与所述夹紧臂的上端铰接；所述液压推杆的底部与所述扩展臂铰接，所述液压推杆的伸缩端与所述夹紧臂铰接，用于调整夹紧臂与扩展臂之间的夹角以适应不同尺寸的钢管；所述夹紧轮组件可滑动地安装于所述夹紧臂面向钢管外壁的端面上；

转向装置，设置于所述机架的前部，包括转向组件和一对相对设置的辅助臂，所述转向组件设置于所述机架的前部，包括转向臂和转向轮，所述转向臂的顶部与所述机架的前部固定连接，所述转向臂的底部安装用于接触钢管外壁的转向轮；所述辅助臂的顶部与所述前部相应的对端固定连接，所述辅助臂的底部设有接触钢管外壁的滚轮；

以及至少一套喷涂装置，设置于管外壁夹紧机构与转向装置之间，包括激光器、喷粉枪和驱动装置，所述驱动装置包括支撑板和驱动器，所述支撑板竖向悬装于所述机架的底部，并且所述支撑板上设有圆弧轨道；所述驱动器可滑动地安装于所述圆弧轨道上，并沿圆弧轨道做周向转动；所述激光器和所述喷粉枪均设置在相应的驱动器上，并且所述激光器和所述喷粉枪均对准钢管的外壁。

优选的，所述机架为一“土”字型或类“土”字型支架。

优选的，所述夹紧轮组件包括滑块和至少一组夹紧轮，所述夹紧轮通过滑块可滑动地安装于所述夹紧臂面向钢管外壁的端面上。

优选的，所述激光器为矩形激光器，用于激光清洗、软化钢管外壁以及软化喷涂粉末。

优选的，所述喷粉枪出粉口为拉瓦尔喷嘴，出口形状为矩形。

优选的，所述转向轮为万向轮，用于实现整个涂层沉积设备在钢管外壁的径向移动和周向移动。

利用本发明所述的基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)涂层沉积设备自检，检测管外壁夹紧机构、转向装置以及喷涂装置是否运行正常；

2)根据钢管材质选择喷涂粉末，对设备进行参数设置，调整好载气压力、载气流量、载气预热温度和送粉气流速度；

3)根据钢管外径大小，调节夹紧臂张开大小和张开角度，使其夹紧钢管的外壁；

4)根据钢管材质和粉末材质，设置激光器的功率；调整激光器射出的光斑和喷粉枪喷出的粉斑位置，使得粉斑位于光斑之内；

5)激光器和喷粉枪在驱动器驱动下沿着圆弧轨道滑动，从而对钢管外壁壁进行喷涂制备强化涂层，直至完成整个钢管的喷涂工作。

优选的，步骤2)中，钢管材质分为碳素结构钢钢管、低合金结构钢钢管、合金钢钢管和复合钢管，成分以铁元素为主。

优选的，步骤2)中，喷涂的载气是空气、氮气或氦气，载气压力范围为0.5～5Mpa，预热温度范围为25～1000℃，送粉转速范围0～10r/min，粉末粒径范围为15～53μm，粉末形状为球形或不规则形状。

优选的，步骤3)中，钢管按用途分为输送管道用、工程结构用、热工设备用、石油化工工业用、机械制造用、地质钻探用、高压设备用钢管等。

优选的，步骤3)中，钢管根据用途分为不同的规格，热轧无缝钢管外径43～325mm，长度一般9米/根或者10米/根；低压流体输送焊接钢管外径21.3～165mm，长度一般为6米/根；螺旋缝埋弧焊钢管外径219mm～1020mm，长度12米/根。

优选的，步骤4)中，喷涂材料是有色金属、Fe基、Ni基、Co基及其复合材料和陶瓷等非金属材料，涂层厚度为50～400μm。

优选的，步骤5)中，激光器和喷粉枪从喷涂起始处开始环绕钢管外壁进行涂层强化制备，之后整个装置沿着管壁旋转，激光器和喷枪再对着剩下区域进行涂层制备，当完成一圈涂层制备后，整个设备向前移动完成下一圈工作，如此反复直至完成喷涂强化。

具体的，利用超音速激光沉积技术制备钢管外壁强化涂层的工艺方法，包括以下步骤：

1)根据钢管外壁大小调节扩展臂的伸长大小和夹紧臂的张开大小；

2)对钢管外壁壁进行区域涂层强化喷涂；

3)绕着钢管外壁周向喷涂，完成一段进入下一段，直至完成整个钢管外壁的喷涂。

本发明的目的是提供一种基于超音速激光沉积技术制备钢管外壁强化涂层的工艺方法，由于传统强化方法强化污染严重，强化过程占用大量空间，采用超音速激光沉积技术，实现机器自动喷涂，采用渐进喷涂可以保证覆盖完全，解决强化不完全的问题，此外由于采用超音速激光沉积技术，解决了建设专用场地的问题，能够在有限的空间内实现多管道同时强化喷涂，提高了生产效率。

原理是：在钢管投入使用前对钢管外壁采用超音速激光沉积技术，喷涂耐腐蚀的粉末形成强化涂层，使得钢管在使用过程中可以避免环境的腐蚀，延长使用寿命。

与现有的技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

(1)无需传统电镀等强化方法需要特定的空间进行操作，能够在普通环境下对管壁进行强化操作；

(2)克服了传统强化方法对钢管外壁强化不完全的缺点，能够在钢管外壁喷涂形成强化膜，增强管道外壁的抗腐蚀性能；

(3)在钢管投入使用之前对其进行强化，避免了使用过程中强化不便的问题；

(4)通过调节夹紧臂张开大小，能够适应口径不同的钢管，对不同口径的钢管进行强化处理。

附图说明

图1为本发明的前视图；

图2为本发明的斜视图；

图3a、图3b为本发明的绕管视图；

图4a为本发明的绕管主视图；

图4b为本发明的强化流程图；

图5为本发明的工作视图；

图中，100-固定夹紧装置，110-机架，120-管外壁夹紧机构，200-转向装置，300-喷涂装置，1-钢管，2-夹紧臂，3-夹紧轮，4-液压推杆，5-扩展臂，6-辅助臂，7-滑道，8-激光器，9-驱动器，10-喷粉枪，11-转向臂，12-转向轮，13-滑块，16-驱动装置，17-支撑板；Ⅳ—强化涂层。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照附图：

实施例1本发明所述的基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备，包括：

固定夹紧装置100，能够保持整个装置稳定固定在钢管外壁上，包括机架110和一对相对设置的管外壁夹紧机构120，所述机架110具有相对的前部和后部，所述前部和所述后部均具有两对端，其中所述后部的两对端各安装一套管外壁夹紧机构；所述管外壁夹紧机构120共两套，分别设置于机架的两侧，用于夹住钢管，每套管外壁夹紧机构120均包括扩展臂5、夹紧臂2、液压推杆4以及夹紧轮组件，所述扩展臂5一端与所述机架110后部相应的对端固定连接，另一端通过孔与穿设于孔中的销轴与所述夹紧臂2的上端铰接；所述液压推杆4的底部与所述扩展臂5铰接，所述液压推杆4的伸缩端与所述夹紧臂2铰接，用于调整夹紧臂与扩展臂之间的夹角以适应不同尺寸的钢管1；所述夹紧轮组件可滑动地安装于所述夹紧臂2面向钢管外壁的端面上；

转向装置200，设置于所述机架110的前部，包括转向组件和一对相对设置的辅助臂6，所述转向组件设置于所述机架110的前部，包括转向臂11和转向轮12，所述转向臂11的顶部与所述机架110的前部固定连接，所述转向臂11的底部安装用于接触钢管外壁的转向轮12，转向轮能够变换方向，使得整个设备能够实现整个装置在钢管外壁的前进和绕臂旋转；所述辅助臂6用于支撑转向轮，其顶部与所述前部相应的对端固定连接，所述辅助臂6的底部设有接触钢管外壁的滚轮；

以及喷涂装置300，设置于管外壁夹紧机构120与转向装置200之间，包括激光器8、喷粉枪10和驱动装置16，所述驱动装置包括支撑板17和驱动器18，所述支撑板17竖向悬装于所述机架110的底部，并且所述支撑板17上设有圆弧轨道7；所述驱动器18可滑动地安装于所述圆弧轨道7上，并沿圆弧轨道7做周向转动；所述激光器8和所述喷粉枪10均设置在相应的驱动器18上，并且所述激光器8和所述喷粉枪10均对准钢管的外壁。

所述机架110为一“土”字型或类“土”字型支架。

所述夹紧轮组件包括滑块13和两组夹紧轮3，所述夹紧轮3通过滑块13可滑动地安装于所述夹紧臂2面向钢管1外壁的端面上。

所述激光器8为矩形激光器，用于激光清洗、软化钢管外壁以及软化喷涂粉末。

所述喷粉枪10出粉口为拉瓦尔喷嘴，出口形状为矩形。

所述转向轮12为万向轮，用于实现整个涂层沉积设备在钢管外壁的径向移动和周向移动。

所述支撑板为圆弧形板。

本发明所述的钢管外壁强化喷涂设备还配有总控制器，用于控制喷涂设备正常运行，实现自动化喷涂。

实施例2利用实施例1所述基于超音速激光沉积钢管外壁强化设备的工艺方法，具体包括以下步骤：

(1)对超音速激光沉积设备进行调节，控制夹紧臂使得夹紧轮紧贴钢管外壁；

(2)调节喷枪，在钢管外壁表面喷出粉斑，粉斑尺寸为6mm×2mm；调节矩形激光器，使得粉斑位于矩形光斑之内，矩形激光光斑的宽度为6.6mm，长度为20mm；喷涂过程中喷嘴和矩形激光器同步移动；

(3)矩形激光器发射出的矩形光斑将粉斑包裹其中，光斑对外壁表面进行激光清洗和软化处理，同时也可以对粉末进行软化处理；

(4)喷涂粉末为CuO金属粉末，粉末粒径为2-35μm、喷涂工艺：载气为氮气，气体压力为4MPa，载气流量50mL/min，预热温度为800℃，送粉转速2r/min，激光器和喷粉枪移动角度为10°～30°，矩形激光器采用光纤耦合半导体激光器，激光功率为1000W；

(5)对称喷涂装置旋转一定角度对外壁进行强化涂层喷涂后，转向装置沿着钢管外壁移动一定角度进入为喷涂区域，对称喷涂装置再次对外壁进行喷涂，完成一圈涂层喷涂后，转向装置沿钢管外壁向前移动重复前述喷涂过程，直至完成整个钢管的涂层制备；

(6)最后获得厚度为186μm、致密、耐腐蚀、与钢管内壁基体结合良好的涂层，沉积速率高达6.4m²/h。

上述的钢管材料为16Mn钢，钢管外径为300mm。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备，其特征在于，包括：

固定夹紧装置，包括机架和一对相对设置的管外壁夹紧机构，所述机架具有相对的前部和后部，所述前部和所述后部均具有两对端，其中所述后部的两对端各安装一套管外壁夹紧机构；所述管外壁夹紧机构包括扩展臂、夹紧臂、液压推杆以及夹紧轮组件，所述扩展臂一端与所述机架后部相应的对端固定连接，另一端与所述夹紧臂的上端铰接；所述液压推杆的底部与所述扩展臂铰接，所述液压推杆的伸缩端与所述夹紧臂铰接，用于调整夹紧臂与扩展臂之间的夹角以适应不同尺寸的钢管；所述夹紧轮组件可滑动地安装于所述夹紧臂面向钢管外壁的端面上；

转向装置，设置于所述机架的前部，包括转向组件和一对相对设置的辅助臂，所述转向组件设置于所述机架的前部，包括转向臂和转向轮，所述转向臂的顶部与所述机架的前部固定连接，所述转向臂的底部安装用于接触钢管外壁的转向轮；所述辅助臂的顶部与所述前部相应的对端固定连接，所述辅助臂的底部设有接触钢管外壁的滚轮；

以及至少一套喷涂装置，设置于管外壁夹紧机构与转向装置之间，包括激光器、喷粉枪和驱动装置，所述驱动装置包括支撑板和驱动器，所述支撑板竖向悬装于所述机架的底部，并且所述支撑板上设有圆弧轨道；所述驱动器可滑动地安装于所述圆弧轨道上，并沿圆弧轨道做周向转动；所述激光器和所述喷粉枪均设置在相应的驱动器上，并且所述激光器和所述喷粉枪均对准钢管的外壁。

2.如权利要求1所述的基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备，其特征在于：所述机架为一“土”字型或类“土”字型支架。

3.如权利要求2所述的基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备，其特征在于：所述夹紧轮组件包括滑块和至少一组夹紧轮，所述夹紧轮通过滑块可滑动地安装于所述夹紧臂面向钢管外壁的端面上。

4.如权利要求3所述的基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备，其特征在于：所述激光器为矩形激光器，用于激光清洗、软化钢管外壁以及软化喷涂粉末。

5.如权利要求4所述的基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备，其特征在于：所述喷粉枪出粉口为拉瓦尔喷嘴，出口形状为矩形。

6.如权利要求5所述的基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备，其特征在于：所述转向轮为万向轮，用于实现整个涂层沉积设备在钢管外壁的径向移动和周向移动。

7.利用权利要求6所述的基于超音速激光沉积的钢管外壁强化喷涂设备的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)涂层沉积设备自检，检测管外壁夹紧机构、转向装置以及喷涂装置是否运行正常；

2)根据钢管材质选择喷涂粉末，对设备进行参数设置，调整好载气压力、载气流量、载气预热温度和送粉气流速度；

3)根据钢管外径大小，调节夹紧臂张开大小和张开角度，使其夹紧钢管的外壁；

4)根据钢管材质和粉末材质，设置激光器的功率；调整激光器射出的光斑和喷粉枪喷出的粉斑位置，使得粉斑位于光斑之内；

5)激光器和喷粉枪在驱动器驱动下沿着圆弧轨道滑动，从而对钢管外壁壁进行喷涂制备强化涂层，直至完成整个钢管的喷涂工作。

8.如权利要求7所述的工艺方法，其特征在于：步骤2)中，喷涂的载气是空气、氮气或氦气，载气压力范围为0.5～5Mpa，预热温度范围为25～1000℃，送粉转速范围0～10r/min，粉末粒径范围为15～53μm，粉末形状为球形或不规则形状。

9.如权利要求7所述的工艺方法，其特征在于：步骤4)中，喷涂材料是有色金属、Fe基、Ni基、Co基及其复合材料和陶瓷等非金属材料，涂层厚度为50～400μm。

10.如权利要求7所述的工艺方法，其特征在于：步骤5)中，激光器和喷粉枪从喷涂起始处开始环绕钢管外壁进行涂层强化制备，之后整个装置沿着管壁旋转，激光器和喷枪再对着剩下区域进行涂层制备，当完成一圈涂层制备后，整个设备向前移动完成下一圈工作，如此反复直至完成喷涂强化。

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