專利名稱：穿孔頂頭的激光強化工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光熔覆方法，尤其是一種穿孔頂頭表面的激光熔覆方法。
背景技術(shù)：
隨著我國無縫鋼管出口量的增加，生產(chǎn)無縫鋼管所使用的備件的消耗量也逐年增大。穿孔頂頭是生產(chǎn)無縫鋼管的關(guān)鍵工具，穿孔頂頭的質(zhì)量的好壞和使用壽命的長短對無縫鋼管的產(chǎn)量、質(zhì)量和生產(chǎn)成本都有直接的影響。穿孔頂頭在工作時溫度很高，并承受很大的復(fù)合應(yīng)力，使用中會出現(xiàn)變形、塌陷、粘鋼、開裂等失效。我國每年有超過百萬的穿孔頂頭因失效原因而被廢棄掉，并且這個數(shù)字正以15%以上的速度逐年增長。如能將這些失效的或新的穿孔頂頭利用激光熔覆技術(shù)對其表面進行處理，每年可節(jié)省材料費上億元。穿孔頂頭鼻部在工作中承受的溫度、摩擦率、沖擊性最高，是最易磨損的部位。使用激光熔覆技術(shù)在穿孔頂頭鼻部的外表面堆焊一層厚度均勻的耐高溫、耐磨損、高硬度的合金材料，可以使得穿孔頂頭的使用壽命大大提高。目前，國內(nèi)外針對穿孔頂頭所采用的激光熔覆技術(shù)，一般是在頂頭外表面堆焊一層高硬度高耐磨性的鎳基合金層或鈷基合金層。例如中國專利文獻CN101596551B (申請?zhí)枮?00910088534. 3)公開了一種雙合金涂層無縫鋼管頂頭，在頂頭的鼻部、工作部激光寬帶熔覆鎳基或鈷基合金涂層，在矯直部、平行部激光寬帶熔覆鐵基合金涂層，獲得一種雙合金涂層無縫鋼管頂頭。該雙合金涂層無縫鋼管頂頭是在頂頭的不同部位熔覆不同的合金層。穿孔頂頭在激光熔覆的過程中，不可避免的會產(chǎn)生堆焊應(yīng)力，這些應(yīng)力必須被及時消除，否則對激光熔覆層的組織造成致命的破壞。現(xiàn)有技術(shù)中的穿孔頂頭激光熔覆工藝都必須對頂頭進行預(yù)熱，并在堆焊結(jié)束后進行退火，以消除應(yīng)力，不僅工序繁瑣，生產(chǎn)效率慢，還會使得熔覆層的硬度降低，存在著一定的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種對穿孔頂頭表面進行激光熔覆，激光熔覆之前無需預(yù)熱，激光熔覆之后無需退火，可使穿孔頂頭表面硬度和耐磨性大幅提高的穿孔頂頭的激光強化工藝。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種穿孔頂頭的激光強化工藝，先在穿孔頂頭基體表面上激光熔覆過渡合金層，再在過渡合金層上激光熔覆高強度合金層；所述過渡合金層米用的合金粉末為鎳基合金，所述高強度合金層米用的合金粉末為鈷基合金。為了使得過渡合金層能夠更好的緩解激光熔覆過程中所產(chǎn)生的堆焊應(yīng)力，一種優(yōu)選的技術(shù)方案是上述鎳基合金的組分及重量百分比含量是CS0. 03%, Cr 15%至19%，B
0.8%至I. 2%, Si :2%至2. 5%，其余為Ni。合金粉末嚴(yán)格控制了 C的含量，使其不大于0. 03%,有利于提高熔覆層的潤濕性，防止在熔覆過程中產(chǎn)生裂紋和氣孔；同時合金粉末中通過添加適量的B、Si使合金在凝固后形成以奧氏體為主的基體；另外適量的Cr元素對鎳基合金進行了合金強化。過渡合金層在高溫下雖然硬度小于高強度合金層，但是依然具有良好的焊接特性和力學(xué)性能。為了使得高強度合金層在高溫下具有更高的硬度和耐磨性，一種優(yōu)選的技術(shù)方案是上述鈷基合金的組分及重量百分比含量是C彡0. 1%，Cr 19%至21%，B :1. 5%至2. 5%，Si :1. 5% 至 2. 5%, W :5. 5% 至 6. 5%, Ti :0. 5% 至 I. 5%, Al 3% 至 5%，其余為 Co。合金粉末嚴(yán)格控制了 C的含量，使其不大于0. 1%，有利于提高熔覆層的潤濕性，防止在熔覆過程中產(chǎn)生裂紋和氣孔；同時合金粉末中通過添加適量的B、Si使合金在凝固后形成以奧氏體為主的基體；另外適量的Cr、W、Ti、Al元素對鈷基合金進行了合金強化，并起抗氧化作用，使得高強度合金層在高溫下的硬度、耐磨性和焊接特性大幅提升。為了避免激光熔覆過程中熱量在頂頭鼻部尖端集中，一種優(yōu)選的技術(shù)方案是采用分段式激光熔覆方法，自穿孔頂頭的鼻部尖端起，從前至后逐段進行熔覆。采用這種方法可以使得激光熔覆過程中所產(chǎn)生的堆焊應(yīng)力更加分散，達到應(yīng)力平衡，從而進一步保證即使不預(yù)熱、不退火，堆焊應(yīng)力也不會影響熔覆層的性能。為了更好的消除激光熔覆過程中所產(chǎn)生的堆焊應(yīng)力，一種優(yōu)選的技術(shù)方案是在 激光熔覆過程中，對穿孔頂頭進行振動時效處理。采用這種在應(yīng)力產(chǎn)生時就及時將其分散甚至消除的方法，可以有效的消除部分堆焊應(yīng)力，從而更進一步保證即使不預(yù)熱、不退火，堆焊應(yīng)力也不會影響熔覆層的性能。為了保證熔覆層的性能，更好的消除堆焊應(yīng)力，一種優(yōu)選的技術(shù)方案是激光熔覆采用預(yù)置送粉的方式，以快速橫流二氧化碳激光器為光源對穿孔頂頭進行連續(xù)螺旋進給搭接掃描；激光功率為1500W至1900W，標(biāo)高為260mm至275mm，光斑尺寸為IOmmXl. 8mm，掃描速度為110mm/min至140mm/min,搭接量為6. 5mm,送粉量為12g/min至18g/min。采用寬帶激光束，有助于提高工作的效率；采用預(yù)置送粉的方式，嚴(yán)格控制送粉量，并對激光功率、掃描速度、搭接量等進行了優(yōu)化，可以使得穿孔定頭的變形量小，熔覆層與基體的熔合率高、結(jié)合緊密，熔覆層的組織均勻性好、厚度和硬度均勻。為了使得穿孔頂頭獲得更好的強化效果，并且保證強化后穿孔頂頭的質(zhì)量，一種優(yōu)選的技術(shù)方案是在激光熔覆前，對穿孔頂頭的表面進行預(yù)處理；在激光熔覆后，對穿孔頂頭進行檢測。本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點本發(fā)明的穿孔頂頭的激光強化工藝先在基體上先激光熔覆一層過渡合金層，再在過渡合金層上激光熔覆一層高強度合金層，過渡合金層硬度比高強度合金層低，對高硬度高耐磨性的高強度合金層起過渡作用，可以很好的緩解堆焊應(yīng)力。該工藝使得頂頭即使不預(yù)熱、不退火，殘留的堆焊應(yīng)力也不會對激光熔覆層的組織造成很大的影響，從而有效的避免了進行退火會影響熔覆層性能，使得穿孔頂頭表面硬度和耐磨性大幅提高，硬度可達58至62HRC，同時省去預(yù)熱和退火工藝還提高了生產(chǎn)效率。該工藝使得穿孔頂頭使用壽命更長，也可用于穿孔頂頭失效修復(fù)，有利于節(jié)約材料及資源，有利于降低無縫鋼管生產(chǎn)成本，有利于減少廢棄穿孔頂頭對環(huán)境的污染，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
具體實施例方式本實施例的穿孔頂頭的激光強化工藝的具體步驟如下
A.對穿孔頂頭的表面進行預(yù)處理。
將穿孔頂頭上的灰塵、油污、銹蝕等清除；檢測各部位的尺寸；并進行清洗。B.對穿孔頂頭的表面進行激光熔覆。采用分段式激光熔覆方法，自穿孔頂頭的鼻部尖端起，從前至后(頂頭鼻部尖端為前端，頂頭外徑最大處為后端)逐段對穿孔頂頭的表面進行激光熔覆。先在穿孔頂頭基體表面上熔覆一層過渡合金層，再在過渡合金層上熔覆一層高強度合金層。在激光熔覆過程中，不停地用銅棒敲擊穿孔頂頭，使得穿孔頂頭振動從而消除焊接應(yīng)力。激光熔覆采用預(yù)置送粉的方式，以快速橫流二氧化碳激光器為光源對穿孔頂頭進行連續(xù)螺旋進給搭接掃描。激光功率為1700W，標(biāo)高(即激光器 離作用物之間的距離，標(biāo)高=焦距+離焦量)為270mm,光斑尺寸為IOmmXl. 8mm,掃描速度為120mm/min,搭接量為6. 5mm,送粉量為15g/min。過渡合金層所采用的合金粉末為鎳基合金，其組分及重量百分比含量是C :0. 03%, Cr 17%, B :1%，Si :2. 2%，其余為Ni。高強度合金層所采用的合金粉末為鈷基合金，其組分及重量百分比含量是C :0. 1%，Cr 20%, B :2%，Si :2%，W :6%，Ti :1%，Al :4%，其余為Co。C.激光熔覆結(jié)束后，對穿孔頂頭進行檢測。檢測表面硬度；檢測變形量；按照圖紙的要求對穿孔頂頭表面進行機械加工；進行滲透探傷，檢測是否有氣孔、夾渣、裂痕等影響頂頭機械性能的缺陷；進行校驗，檢驗質(zhì)量是否合格。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種穿孔頂頭的激光強化工藝，其特征在于先在穿孔頂頭基體表面上激光熔覆過渡合金層，再在過渡合金層上激光熔覆高強度合金層；所述過渡合金層采用的合金粉末為鎳基合金，所述高強度合金層米用的合金粉末為鈷基合金。
2.按照權(quán)利要求I所述的穿孔頂頭的激光強化工藝，其特征在于所述鎳基合金的組分及重量百分比含量是C彡0. 03%, Cr :15%至19%, B :0. 8%至I. 2%，Si :2%至2. 5%，其余為Ni。
3.按照權(quán)利要求2所述的穿孔頂頭的激光強化工藝，其特征在于所述鈷基合金的組分及重量百分比含量是 C 彡 0. 1%，Cr 19% 至 21%, B :1. 5% 至 2. 5%, Si :1. 5% 至 2. 5%, W :5. 5%至 6. 5%, Ti :0. 5% 至 I. 5%, Al 3% 至 5%,其余為 Co。
4.按照權(quán)利要求I至3之一所述的穿孔頂頭的激光強化工藝，其特征在于采用分段式激光熔覆方法，自穿孔頂頭的鼻部尖端起，從前至后逐段進行熔覆。
5.按照權(quán)利要求4所述的穿孔頂頭的激光強化工藝，其特征在于在激光熔覆過程中， 對穿孔頂頭進行振動時效處理。
6.按照權(quán)利要求5所述的穿孔頂頭的激光強化工藝，其特征在于激光熔覆采用預(yù)置送粉的方式，以快速橫流二氧化碳激光器為光源對穿孔頂頭進行連續(xù)螺旋進給搭接掃描；激光功率為1500W至1900W，標(biāo)高為260mm至275mm，光斑尺寸為IOmmX I. 8mm,掃描速度為110mm/min 至 140mm/min,搭接量為 6. 5mm,送粉量為 12g/min 至 18g/min。
7.按照權(quán)利要求6所述的穿孔頂頭的激光強化工藝，其特征在于在激光熔覆前，對穿孔頂頭的表面進行預(yù)處理；在激光熔覆后，對穿孔頂頭進行檢測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種穿孔頂頭的激光強化工藝，先在穿孔頂頭基體表面上激光熔覆過渡合金層，再在過渡合金層上激光熔覆高強度合金層；所述過渡合金層采用的合金粉末為鎳基合金，所述高強度合金層采用的合金粉末為鈷基合金。該工藝中過渡合金層硬度比高強度合金層低，對高硬度高耐磨性的高強度合金層起過渡作用，可以很好的緩解堆焊應(yīng)力，使得頂頭即使不預(yù)熱、不退火，殘留的堆焊應(yīng)力也不會對激光熔覆層的組織造成很大的影響，從而有效的避免了進行退火會影響熔覆層性能，使得穿孔頂頭表面硬度和耐磨性大幅提高，同時省去預(yù)熱和退火工藝還提高了生產(chǎn)效率。
文檔編號C22C19/07GK102732878SQ20121024896
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者何建方, 鄧琦林 申請人:丹陽宏圖激光科技有限公司