CN114273674A - 一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，涉及无缝钢管加工技术领域。包括如下步骤：S1、对钢管穿孔顶头的基体表面进行打磨，预留出激光增材所需的工作层厚度；S2、对基体表面进行清理去除油污；S3、对基体表面激光增材CoCrW合金粉末层，CoCrW合金粉末层的化学成分重量百分比为：碳1.5~3.0%、硅0.5~2.5%、铬27.0~33.0%、铁0~4.5%、镍1.0~3.0%、钨10.0~15.0%、钼0.5~2.2%、锰0.2~0.7%、钒0.1~0.2%、其余为钴及不可避免的杂质。本发明的CoCrW合金相对现有技术提高了铬、钨的含量，同时增加了钒，可以有效提高涂层的耐热性、硬度及热强性。本发明使得穿孔顶头硬度达到600HV，高温（500℃）下摩擦系数仅为0.18，相较于未增材的顶头，使用寿命由原来的100根上升至500根，提升了5倍。
Description
技术领域
本发明涉及无缝钢管加工技术领域，具体为一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法。
背景技术
我国无缝钢管产量经过十多年持续增长，但纵观全球，抗酸、抗寒、抗高压、抗CO2等高品质无缝钢管仍然是供不应求。穿孔顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一，在穿孔过程中，穿孔顶头承受着极大的轴向力、压应力、切应力以及表面摩擦力。此外，不同类别的无缝钢管生产的工况不同，有的顶头在完成一次穿孔后需要水冷后再使用，而有的不需要水冷，在急冷急热以及轧制力的作用下，使顶头容易发生塌陷、变形和开裂等情况。穿孔顶头的质量、使用寿命，直接影响无缝钢管的品质、生产效率以及工厂效益。
目前合金钢顶头为目前应用较多的顶头，大致分为低合金钢、中合金钢和高合金钢3种。20CrNi4、H13、15Cr2Ni3MoW、高合金A、含钴高合金为5种典型合金钢顶头材质，但仅使用单一材料制造的穿孔顶头损耗大、成本高。
近年来，有研究人员利用激光增材制造技术制造穿孔顶头，例如CN103290410B一种无缝钢管穿孔顶头的激光熔覆制造方法，描述了以15CrMo为基体，在基体表面熔覆碳化钨的方法，达到了降低穿孔顶头制造成本的目的。但是并没有考虑到基体对熔覆粉末的稀释作用，没有对穿孔顶头的使用寿命有所改善，目前还无法解决穿孔顶头的高磨损率问题。
综上所述，现有的穿孔顶头生产技术，在提高使用周期、降低磨损率方面无法做到明显提升，因此急需一种能够大幅提高穿孔顶头使用周期，提升顶头性能的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，能够大幅提高穿孔顶头使用周期，提升顶头性能。
实现上述目的的技术方案是：一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对钢管穿孔顶头的基体表面进行打磨，预留出激光增材所需的工作层厚度；
S2、对基体表面进行清理去除油污；
S3、对基体表面激光增材CoCrW合金层，CoCrW合金层化学成分的重量百分比为：碳1.5~3.0%、硅0.5~2.5%、铬27.0~33.0%、铁0~4.5%、镍1.0~3.0%、钨10.0~15.0%、钼0.5~2.2%、锰0.2~0.7%、钒0.1~0.2%、其余为钴及不可避免的杂质。
本发明的CoCrW合金相对现有技术提高了铬、钨的含量，同时增加了钒，可以有效提高涂层的耐热性、硬度及热强性。
本发明使得穿孔顶头硬度达到600HV，高温（500℃）下摩擦系数仅为0.18，相较于未增材的顶头，使用寿命由原来的100根上升至500根，提升了5倍，提升更为明显，且使用增材技术，生产成本较低。
进一步地，在步骤S2后，对基体进行探伤检测，保证进入增材工序的基体无气孔、裂纹缺陷。
进一步地，在步骤S3之后，对增材后的基体进行探伤检测，要求加工部位无裂纹、气孔缺陷。
进一步地，步骤S1中以H13钢作为穿孔顶头的基体。
进一步地，步骤S3中增材层数为4~7层。
本发明通过对H13基体逐层增材CoCrW合金层，降低了基体对增材合金层的稀释作用，使得穿孔顶头的性能达到钴基合金的强度，相比于传统穿孔顶头，在硬度、高温磨损性能、耐腐蚀性能均有明显提升。
本发明的增材层数控制在4~7层，这是由于基体材料对增材粉末有稀释作用，降低涂层的性能，而当增材层数达到3层后，稀释作用大大降低，7层后降低不再明显，故将增材层数控制在4~7层对于涂层性能有重要意义。
进一步地，步骤S3中每层增材的厚度为200~500μm，增材CoCrW合金层的总厚度为2~3mm。
进一步地，步骤S3中采用YAG固体激光器对基体表面激光增材，YAG固体激光器的工作参数：波长为1064nm，最大激光功率为2000W，光斑直径为2.0~2.5mm。
进一步地，步骤S3中激光增材过程中使用氩气对熔池进行保护。
进一步地，CoCrW合金粉末层所采用合金粉末的粒度为200~280μm，粉末太细成本太高，粉末太粗的话会影响涂层质量，因此粒度为200~280μm最为合理。
涂层厚度增加一般来说结合力会下降，会降低涂层的使用寿命，但是涂层太薄了，结合力好但是耐磨损性能比较差。本发明相对现有技术的主要区别在于分配方上，增加了微量元素，制备了合适厚度的涂层，提高了涂层的耐磨损性能以及涂层的使用寿命。
具体实施方式
第一实施例
本发明公开了一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，具体包括如下步骤：
S1、采用H13钢作为穿孔顶头的基体，首先使用砂轮机对基体表面进行打磨，预留出2mm增材层厚度。
S2、使用酒精对打磨后的H13钢表面进行清洗去除油污。
S3、使用着色探伤法对打磨清洗后的基体表面进行检测，要求打磨清洗后无裂纹、气孔等缺陷，确保增材可以均匀熔覆。
S4、采用RH-700型YAG固体激光器对基体表面激光增材CoCrW合金粉末层，CoCrW合金粉末层化学成分的重量百分比为：碳1.5%、硅2.5%、铬27.0%、铁4.5%、镍1.0%、钨15.0%、钼0.5%、锰0.7%、钒0.1%、其余为钴及不可避免的杂质。
其中CoCrW合金粉末层采用合金粉末的粒度为200μm，增材层数为4层，每层增材的平均厚度为520μm，增材CoCrW合金层的总厚度为2.08mm。
YAG固体激光器的工作参数：激光器波长为1064nm，激光功率为2000W，光斑直径为2mm，并且在增材过程中采用氩气对熔池进行保护，防止其氧化。
S5、对增材后的基体进行探伤检测，要求CoCrW合金粉末层无裂纹、气孔等缺陷。
本实施例制造的穿孔顶头寿命可以达到原H13穿孔顶头的4倍，由连续生产100根提升至400根钢管，使用寿命大幅提升，且经过高温摩擦磨损试验机的耐磨性能测试，高温下（500℃）摩擦系数达到0.20，显微硬度为680HV，通过金相观察，增材层总厚度2.08mm，是背景技术中公开的一种无缝钢管穿孔顶头的激光熔覆制造方法中制造的顶头熔覆厚度的2倍。
第二实施例
本发明公开了一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，具体包括如下步骤：
S1、采用H13钢作为穿孔顶头的基体，首先使用砂轮机对基体表面进行打磨，预留出3mm增材层厚度。
S2、使用酒精对打磨后的H13钢表面进行清洗去除油污。
S3、使用着色探伤法对打磨清洗后的基体表面进行检测，要求打磨清洗后无裂纹、气孔等缺陷，确保增材可以均匀熔覆。
S4、采用RH-700型YAG固体激光器对基体表面激光增材CoCrW合金粉末层，CoCrW合金粉末层化学成分的重量百分比为：碳3.0%、硅0.5%、铬33.0%、镍3.0%、钨10.0%、钼2.2%、锰0.2%、钒0.2%、其余为钴及不可避免的杂质。
其中CoCrW合金粉末层采用合金粉末的粒度为280μm，增材层数为6层，每层增材的厚度为500μm，增材CoCrW合金层的总厚度为3mm。
YAG固体激光器的工作参数：激光器波长为1064nm，激光功率为2000W，光斑直径为2.5mm，并且在增材过程中采用氩气对熔池进行保护，防止其氧化。
S5、对增材后的基体进行探伤检测，要求CoCrW合金粉末层无裂纹、气孔等缺陷。
本实施例制造的穿孔顶头寿命可以达到原H13穿孔顶头的5倍，由连续生产100根提升至500根钢管，经过高温摩擦磨损试验机的耐磨性能测试，高温下（500℃）摩擦系数达到0.18，显微硬度为699HV，与背景技术中公开的一种无缝钢管穿孔顶头的激光熔覆制造方法中制造的顶头相当，增材层总厚度3mm，是对比文件中的3倍，这也是本发明生产出的顶头寿命更高的原因。
Claims (9)
1.一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对钢管穿孔顶头的基体表面进行打磨，预留出激光增材所需的工作层厚度；
S2、对基体表面进行清理去除油污；
S3、对基体表面激光增材CoCrW合金粉末层，CoCrW合金粉末层化学成分的重量百分比为：碳1.5~3.0%、硅0.5~2.5%、铬27.0~33.0%、铁0~4.5%、镍1.0~3.0%、钨10.0~15.0%、钼0.5~2.2%、锰0.2~0.7%、钒0.1~0.2%、其余为钴及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于：在步骤S2后，对基体进行探伤检测，保证进入增材工序的基体无气孔、裂纹缺陷。
3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于：在步骤S3之后，对增材后的基体进行探伤检测，要求增材CoCrW合金粉末层无裂纹、气孔缺陷。
4.根据权利要求1所述的一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于：步骤S1中以H13钢作为钢管穿孔顶头的基体。
5.根据权利要求1所述的一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于：步骤S3中增材层数为4~7层。
6.根据权利要求5所述的一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于：步骤S3中每层增材的厚度为200~500μm，增材CoCrW合金层的总厚度为2~3mm。
7.根据权利要求1所述的一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于：步骤S3中采用YAG固体激光器对基体表面激光增材，YAG固体激光器的工作参数：波长为1064nm，最大激光功率为2000W，光斑直径为2.0~2.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于：步骤S3中激光增材过程中使用氩气对熔池进行保护。
9.根据权利要求1所述的一种激光增材制造无缝钢管穿孔顶头的方法，其特征在于：CoCrW合金粉末层所采用合金粉末的粒度为200~280μm。
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