解析光纖激光器在石油產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

寂靜天花板

激光熔凝是以很高的激光功率密度、在極短的時(shí)間內(nèi)與金屬交互作用，使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到相當(dāng)高的溫度使之熔化，隨后借助于冷態(tài)的金屬基體吸收和傳導(dǎo)熱的作用，使已熔化的極薄表層金屬快速凝固。激光熔凝得到的是鑄態(tài)組織．其硬度較高。耐磨性亦較好。其工藝過(guò)程與激光相變硬化類(lèi)似，只不過(guò)功率密度和輻照時(shí)間存在差異。鋁合金表面熔凝可以改善表層組織。使其細(xì)化．清除表面缺陷，進(jìn)步鋁的使用性。銅合金表面重熔、熔凝層組織更加細(xì)密均勻，導(dǎo)電性和耐磨性進(jìn)步。對(duì)接觸電極導(dǎo)電性起重要作用。該工藝在冶金行業(yè)比較典型的是軋輥激光毛化技術(shù)。可以在毛化的同時(shí)，使激光作用區(qū)的材料獲得超常硬度．給軋面帶來(lái)超常的強(qiáng)韌化效果，延長(zhǎng)軋輥使用壽命。激光熔凝在石油行業(yè)中的應(yīng)用較少。前蘇聯(lián)鉆井技術(shù)研究所等單位用1 kW的CO2氣體激光器對(duì)128700型軸承表面進(jìn)行短周期的激光快速加熱和深層熔化．然后控制冷卻速度，使鋼球的表面硬度為HRC57-58；軸圈和座圈的表面光潔度高。不必精加工，而且滾道的耐磨性好，強(qiáng)化深度可達(dá)1.2 cm。
激光合金化類(lèi)似于激光熔覆．但二者又有不同。激光合金化和激光熔覆都是利用高功率密度的激光束照射被覆在工件表面的金屬或合金涂層。使之熔融。從而強(qiáng)化表面的工藝。二者的主要區(qū)別在于基材表面的熔融程度。激光合金化是用激光束照射被覆純金屬或合金涂層的工件表面。在基材上形成熔池。使合金元素因表面張力和溫度梯度引起機(jī)械攪拌，以及在熔池中的擴(kuò)散，可在極短的時(shí)間內(nèi)熔于一層厚度為10-1 0熔化層內(nèi)，以到表面合金化的目的。激光合金化中加進(jìn)的元素和基材一起熔化。并混進(jìn)融化的基材中形成一種新的合金．其成分既不同于外加合金。也不同于基材。我國(guó)已開(kāi)始把激光合金化技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品上，以此來(lái)強(qiáng)化新型高溫結(jié)構(gòu)材料．以進(jìn)步其耐磨性圈。當(dāng)激光脈沖功率足夠高時(shí)(109 W/cm2)，短時(shí)間內(nèi)金屬表面產(chǎn)生汽化、膨脹、爆炸，產(chǎn)生的沖擊波對(duì)金屬表面形成很大壓力．使材料表面塑變、位錯(cuò)等．從而能明顯進(jìn)步材料的硬度、屈服強(qiáng)度和抗疲憊性能。由激光沖擊波作用，使材料表面硬化和強(qiáng)度進(jìn)步的方法稱(chēng)為激光沖擊硬化。這一方法在航空產(chǎn)業(yè)中得到應(yīng)用。航空鋁的激光沖擊硬化層可使疲憊強(qiáng)度進(jìn)步4.5-9.8倍。奧氏體鋼經(jīng)5次沖擊硬化后，硬度進(jìn)步20％-40％，Ti及其合金經(jīng)激光沖擊硬化也有較好效果。

  M4 n0 [- }# l) l' I0 Q: {  x! v  e& p近年來(lái)．激光表面強(qiáng)化處理已經(jīng)從相變硬化階段、表面合金化階段發(fā)展到反應(yīng)表面強(qiáng)化階段--即在一定條件下。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)而在基材表面天生一些強(qiáng)化相，以達(dá)到強(qiáng)化的目的，它可分為激光物理氣相沉積(LPW)和激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)。在機(jī)械領(lǐng)域．尤以金屬材料的激光陶瓷涂層和涂膜技術(shù)引人注目。可以通過(guò)控制激光功率密度與處理時(shí)間來(lái)獲得不同性質(zhì)、不同厚度的陶瓷涂層和涂膜陶。這一技術(shù)主要應(yīng)用于電子產(chǎn)業(yè)中。但在石油石化行業(yè)的應(yīng)用還有待于開(kāi)展研究工作。
, O  _, t6 e% _5 `' a/ K; D) D7 g
' s% {' z) Z+ O+ D4 r總結(jié)：

石油礦場(chǎng)的工況比較惡劣。很多金屬零部件長(zhǎng)期承受重載荷并在有腐蝕、磨損的工況下使用，致使其過(guò)早發(fā)生失效破壞，進(jìn)而縮短使用壽命。停產(chǎn)檢驗(yàn)和更換新部件．既增加材料本錢(qián)．又影響油田生產(chǎn)，帶來(lái)多方面的損失。利用激光表面改性技術(shù)能使低等級(jí)材料實(shí)現(xiàn)高性能表層改性。達(dá)到零件低本錢(qián)與工作表面高性能的最佳結(jié)合。為解決整體改性和表面改性的矛盾帶來(lái)了可能性，對(duì)重要構(gòu)件材質(zhì)與性能的選擇匹配、設(shè)計(jì)、制造產(chǎn)生重要的影響。目前。激光相變硬化和激光熔覆在石油石化行業(yè)已獲得了一定應(yīng)用，但主要局限于井下采油機(jī)械和井下鉆井機(jī)械方面。激光加工技術(shù)在石油機(jī)械行業(yè)中還未得到廣泛應(yīng)用，還有很多設(shè)備的加工值得采用激光強(qiáng)化技術(shù)。例如石油礦場(chǎng)、石化工廠有很多關(guān)鍵性的易損部件，對(duì)損壞零件棄舊換新本錢(qián)高，若能使用激光熔覆修復(fù)重新利用，則能明顯降低本錢(qián)。另外．輸油管、鉆柱在石油產(chǎn)業(yè)中用量大、質(zhì)量要求高，如能研究出一種高效、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的高功率激光加工系統(tǒng)，使管材內(nèi)外表面淬火硬化、合金化、非晶化、上釉等，便可解決其腐蝕疲憊斷裂題目，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。另外，若能用激光表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)石油產(chǎn)業(yè)中用量很大的抽油桿柱進(jìn)行強(qiáng)化和修復(fù)，其經(jīng)濟(jì)效益也是非常可觀的。
! G2 _9 h! |& l