CN116988060B - 油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺 - Google Patents

Abstract

本申请公开了油气田钻具的Ni‑WC复合激光强化修复设备及工艺，涉及激光熔覆修复技术领域，其包括：底座，其上固定设置有固定架；竖直板架，竖直固定在底座上，且竖直板架上固定设置有控制组件；机械臂，一端设置在控制组件上，另一端设置有激光件，且激光件位于固定架上方；冷却***，固定设置在控制组件中，且冷却***延伸连接至激光件，为激光件进行冷却；粉料输送机，固定设置在底座上，且粉料输送机连接至激光件，为激光件输送熔覆粉末；喷粉辅助组件，设置在粉料输送机和激光件之间；本发明能够有效避免熔覆粉末在粉料输送机出口位置多次堆积最终出现堵塞的问题。

Description

油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺

技术领域

本申请涉及激光熔覆修复技术领域，具体涉及油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺。

背景技术

油气田钻具在使用过程中需要面对高温、高压、高矿化度多相流条件下剧烈的电化学腐蚀以及强烈的机械摩擦等情况，出现损伤是常有现象，为节约成本通常油气田钻具经过修复后继续使用，激光熔覆的修复方式可改变金属或合金表面层的组织和成分,提高金属零部件的使用寿命，激光熔覆主要是利用高能量的激光束对基材表面与熔覆材料进行快速加热和快速凝固，使填料与基材表面形成良好的冶金结合，从而显著改善基材表面的耐磨、耐蚀和抗高温氧化性等性能。

但是在使用激光熔覆技术进行修复时，影响修复效果的因素有很多，除了激光熔覆的工艺参数如激光功率、扫描速度、送粉速率等会影响熔覆结果外，熔覆粉末输送过程中容易出现熔覆粉末堆积堵塞现象，导致熔覆过程中送粉出现波动浪费或者中断影响修复效果。

因此，有必要提供油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺，包括：

底座，其上固定设置有固定架；

竖直板架，竖直固定在所述底座上，且所述竖直板架上固定设置有控制组件；

机械臂，一端设置在所述控制组件上，另一端设置有激光件，且所述激光件位于所述固定架上方，所述激光件的一端设有激光熔覆头；

冷却***，固定设置在所述控制组件中，且所述冷却***延伸同所述激光件连接，辅助所述激光件进行冷却；

粉料输送机，固定设置在所述底座上，且所述粉料输送机连接至所述激光件，为所述激光件输送熔覆粉末；

喷粉辅助组件，设置在所述粉料输送机和所述激光件之间。

进一步，作为优选，所述激光件集成焦距调节、气体保护、循环冷却、粉末流道、激光束通道结构，其中冷却***主要对激光熔覆头进行冷却，同时熔覆粉末通过粉末流道喷洒而出。

进一步，作为优选，所述喷粉辅助组件包括：

主送粉管组，固定连接在所述粉料输送机上，且所述主送粉管组下方固定设置有副送粉管组；

连接座，用于固定所述主送粉管组和所述副送粉管组，并且所述连接座固定设置在所述底座上；

分流接头，设置在所述主送粉管组和所述粉料输送机之间；

集流盖，固定设置在所述主送粉管组远离所述分流接头（94）的一端，且在所述集流盖上还连通设置有转接口，在所述转接口和激光件之间设置有输送软管，可构成熔覆粉末输送通路；

导通组件，布置为两个，分别设置在所述集流盖和副送粉管组之间，以及所述分流接头和副送粉管组之间。

进一步，作为优选，所述主送粉管组包括：

管壁，通过所述连接座进行固定；

分流管，设置为多个，所述分流管均匀分布的设置在所述管壁内，且所述分流管通过多个支撑架在所述管壁内进行固定；

挡板，固定设置在所述管壁的两端。

进一步，作为优选，所述挡板上开设有多个接孔，所述接孔分别对应所述分流管的管口。

进一步，作为优选，所述分流接头包括固定塞和锁紧环套，所述固定塞上开设有多个通孔，且所述通孔位置和数量同所述分流管相同，且所述固定塞的一端与所述分流管的端口贴合装配，另外所述固定塞另一端的通孔端口处进行圆弧过渡处理，所述锁紧环套上还开设有用于同所述导通组件连接的连接口。

进一步，作为优选，所述集流盖的口径逐步缩减，其中，所述集流盖与所述主送粉管组连接的一端的口径为最大，而所述集流盖与所述转接口连接的一端的口径为最小。

进一步，作为优选，所述副送粉管组包括：

外壳，通过所述连接座进行固定连接，且所述外壳内部设置有循环管道，所述循环管道的两端均连接有转接嘴；

固定座，固定连接在靠近固定座一端的所述转接嘴和外壳，且在靠近固定座一端的所述转接嘴上方固定设置有转接管；

风机，与远离所述固定座一端的所述转接嘴固定连通设置，且在所述风机上方同样设置有转接管，所述风机可通过滤网经过所述外壳的端部与外部环境连通，也可主动闭合所述外壳的端部。

进一步，作为优选，所述导通组件包括转接架、连通管和单向阀，所述转接架将所述单向阀和所述连通管固定设置在所述主送粉管组和副送粉管组之间，所述单向阀控制连通管的导通方向，且所述连通管的一端与所述转接管连接，所述连通管的另一端还分别与所述集流盖和分流接头连通。

油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复工艺，包括如下步骤：

Ⅰ.对钻具磨损腐蚀表面进行打磨抛光化学腐蚀等预处理，去除表面氧化物、油污和其它杂质，之后将钻具固定在固定架上；

Ⅱ.通过控制组件对激光功率、扫描速度、光斑尺寸、电压和行走轨迹参数等进行控制编程；

Ⅲ.在粉料输送机中添加处理好的熔覆粉末，在喷粉辅助组件的中转下向激光件进行粉末输送，熔覆粉末在键入粉料输送机之前需要使用滚筒球磨机提前混合均匀；

Ⅳ.之后进行激光熔覆，在熔覆过程中选用氩气保护气体保护熔覆层金属和激光件。

与现有技术相比，本申请提供油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺，具有以下有益效果：

本申请中熔覆粉末在高速输送过程中穿过多个分流管，当粉料输送机停止工作时，熔覆粉末沉积在单个分流管内部，因为分流管均匀分布的设置在管壁内，相对的熔覆粉末在输送路径单个截面内分布更为均匀，相比于熔覆粉末完全沉积在输送路径截面底部，本申请的方式在后续启动过程中可以使得沉积的熔覆粉末更容易被吹动，可以使得沉积的熔覆粉末及时的最大化进入后续输送过程中，有效避免熔覆粉末在粉料输送机出口位置多次堆积最终出现堵塞的问题；

本申请中熔覆粉末从粉料输送机输出会在锁紧套环处出现沉积现象，熔覆粉末在集流盖处也会出现沉积现象，在输送熔覆粉末过程中，部分熔覆粉末在集流盖处在高速气流作用下经过导通组件进入副送粉管组中，该部分熔覆粉末再次经过导通组件在分流接头位置处进入主送粉管组中形成输送循环，有效清理在集流盖和分流接头堆积的熔覆粉末避免出现堵塞，另外在停止粉料输送机工作的时候，可以打开外壳端部，控制风机启动使得激光件和转接口之间沉积的熔覆粉末回流到副送粉管组中，有效避免熔覆粉末在后续工作中流失。

附图说明

图1为油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺的整体结构示意图；

图2为油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺中喷粉辅助组件的结构示意图；

图3为油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺中主送粉管组的结构示意图；

图4为油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺中副送粉管组的结构示意图；

图5为油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺中导通组件的结构示意图；

图6为油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺中正常工作粉末流动示意图；

图7为油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺的回收工作粉末流动示意图；

图中：1、底座；2、固定架；3、竖直板架；4、控制组件；5、机械臂；6、冷却***；7、激光件；8、粉料输送机；9、喷粉辅助组件；91、主送粉管组；911、管壁；912、分流管；913、支撑架；914、挡板；92、副送粉管组；921、外壳；922、固定座；923、转接嘴；924、循环管道；925、转接管；926、风机；93、连接座；94、分流接头；941、固定塞；942、通孔；943、锁紧环套；95、集流盖；96、转接口；97、导通组件；971、转接架；972、连通管；973、单向阀。

具体实施方式

请参阅图1-图7，本申请实施例中，油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备及工艺，包括：

底座1，其上固定设置有固定架2；

竖直板架3，竖直固定在所述底座1上，且所述竖直板架3上固定设置有控制组件4，所述控制组件4可以对激光功率、扫描速度、送粉速率等工艺参数进行设置，对应调节匹配为适合加工件的参数；

机械臂5，一端设置在所述控制组件4上，另一端设置有激光件7，且所述激光件7位于所述固定架2上方，所述激光件7的一端设有激光熔覆头，通过机械臂5控制激光件7扫描加工件，进行修复过程；

冷却***6，固定设置在所述控制组件4中，且所述冷却***6延伸与所述激光件7连接，辅助所述激光件7进行冷却；具体的，所述冷却***6同样由控制组件4进行控制；

粉料输送机8，固定设置在所述底座1上，且所述粉料输送机8连接至所述激光件7，为所述激光件7输送熔覆粉末；具体的，所述粉料输送机8可调节输送熔覆粉末的送粉速率；

喷粉辅助组件9，设置在所述粉料输送机8和所述激光件7之间。

作为较佳的实施例，所述激光件7集成焦距调节、气体保护、循环冷却、粉末流道、激光束通道结构，其中冷却***6主要对激光熔覆头进行冷却，同时熔覆粉末通过粉末流道喷洒而出；具体的，本申请中采用同步同轴送粉法，通过粉料输送机8输送熔覆粉末，使得熔覆粉末通过激光件7输出，在该过程中熔覆粉末与激光束接触，熔覆粉末加入和扫描过程同时进行，熔覆粉末经过预热能够保证较好的熔覆质量。

本实施例中，如图2，所述喷粉辅助组件9包括：

主送粉管组91，固定连接在所述粉料输送机8上，且所述主送粉管组91下方固定设置有副送粉管组92；具体的，通过主送粉管组91和副送粉管组92配合使用辅助熔覆粉末的输送，以解决熔覆粉末在输送过程中因多次层积引起的堵塞或者浪费的问题；

连接座93，用于固定所述主送粉管组91和所述副送粉管组92，并且所述连接座93固定设置在所述底座1上；

分流接头94，设置在所述主送粉管组91和所述粉料输送机8之间，通过分流接头94引导熔覆粉末更为平缓的过度，以及通过分流接头94连接其他部件；

集流盖95，固定设置在所述主送粉管组91远离所述分流接头94的一端，且在所述集流盖95上还连通设置有转接口96，在所述转接口96和激光件7之间设置有输送软管，可构成熔覆粉末输送通路；

导通组件97，布置为两个，分别设置在所述集流盖95和副送粉管组92之间，以及所述分流接头94和副送粉管组92之间。

需要解释的是，在熔覆粉末的粒度及均匀性的影响下，其流动性存在差异，同时管道弯曲和粉料输送机8循环工作等因素影响，在粉料输送机8出口处容易出现堵塞堆积现象，阻碍熔覆过程的进行，进而影响熔覆质量，另外在上次激光熔覆完成后，输送软管和激光件7内部会残留部分熔覆粉末，再次启动粉料输送机8进行高速送粉，激光件7输出的熔覆粉末量临时增加，出现粉末流失的问题。

本实施例中，如图3，所述主送粉管组91包括：

管壁911，通过所述连接座93进行固定；

分流管912，设置为多个，所述分流管912均匀分布在所述管壁911内，且所述分流管912通过多个支撑架913在所述管壁911内进行固定；

挡板914，固定设置在所述管壁911的两端。

需要解释的是，熔覆粉末在高速输送过程中穿过多个分流管912，当粉料输送机8停止工作时，熔覆粉末沉积在单个分流管912内部，因为分流管912均匀分布设置在管壁911内，相对的熔覆粉末在输送路径单个截面内分布更为均匀，相比于熔覆粉末完全沉积在输送路径截面底部，本申请的方式在后续启动过程中可以使得沉积的熔覆粉末更容易被吹动，可以使得沉积的熔覆粉末及时的最大化进入后续输送过程中，有效避免熔覆粉末在粉料输送机8出口位置多次堆积最终出现堵塞的问题。

作为较佳的实施例，所述挡板914上开设有多个接孔，所述接孔分别对应所述分流管912的管口，所述挡板914可有效防止熔覆粉末进入分流管912的外部间隙处，在输送过程中可有效收束熔覆粉末流通路径。

本实施例中，所述分流接头94包括固定塞941和锁紧环套943，所述固定塞941上开设有多个通孔942，且所述通孔942位置和数量同所述分流管912相同，且所述固定塞941一端与所述分流管912的端口贴合装配，另外所述固定塞941另一端的通孔942端口处进行圆弧过渡处理，所述锁紧环套943上还开设有用于同所述导通组件97连接的连接口，具体的固定塞941能够提供更为流畅的流通条件，有效引导熔覆粉末平缓的由集中到分散状态的过渡。

需要解释的是，熔覆粉末经由固定塞941进入分流管912中，所述锁紧环套943套接所述固定塞941，且所述锁紧环套943的两端分别连接所述主送粉管组91和粉料输送机8，其熔覆粉末从粉料输送机8输出后会在锁紧环套943内部出现沉积现象，该处沉积的熔覆粉末可在副送粉管组92的辅助下进行清除。

作为较佳的实施例，所述集流盖95的口径逐步缩减，其中，所述集流盖95与所述主送粉管组91连接的一端的口径为最大，而所述集流盖95与所述转接口96连接的一端的口径为最小；熔覆粉末在经过集流盖95输送过程中会出现沉积现象，该处沉积的熔覆粉末可通过导通组件97进入副送粉管组92，避免持续堆积引起堵塞。

本实施例中，如图4，所述副送粉管组92包括：

外壳921，通过所述连接座93进行固定连接，且所述外壳921内部设置有循环管道924，所述循环管道924的两端均连接有转接嘴923；

固定座922，固定连接所述转接嘴923和外壳921，且所述转接嘴923上方固定设置有转接管925；

风机926，与远离所述固定座922一端的所述转接嘴923固定连通设置，且在所述风机926上方同样设置有转接管925，所述风机926可通过滤网经过所述外壳921的端部与外部环境连通，也可主动闭合所述外壳921的端部。

需要解释的是，副送粉管组92有两种工作方式：一种工作方式为正常熔覆粉末输送过程，部分熔覆粉末直接穿过主送粉管组91经由转接口96输送至激光件7处，另一部分熔覆粉末在集流盖95处经过导通组件97进入副送粉管组92中，该部分熔覆粉末再次经过导通组件97在分流接头94的位置处进入主送粉管组91中形成输送循环，有效清理在集流盖95和分流接头94堆积的熔覆粉末从而避免出现堵塞；

副送粉管组92的另外一种工作方式为，停止粉料输送机8的工作使得粉料输送机8的输出端闭合，打开外壳921的端部，控制风机926的启动使得激光件7和转接口96之间沉积的熔覆粉末回流到副送粉管组92中，有效避免熔覆粉末在后续工作中流失，之后停止风机926的工作，同时闭合外壳921的端部，后续可正常启动粉料输送机8进行输送工作。

本实施例中，如图5，所述导通组件97包括转接架971、连通管972和单向阀973，所述转接架971将所述单向阀973和所述连通管972固定设置在所述主送粉管组91和副送粉管组92之间，所述单向阀973控制连通管972的导通方向，且所述连通管972的一端与所述转接管925连接，所述连通管972的另一端还分别同所述集流盖95和分流接头94连通；具体的，对应集流盖95的单向阀973控制连通管972的导通方向为主送粉管组91到副送粉管组92，对应分流接头94的单向阀973控制连通管972的导通方向为副送粉管组92到主送粉管组91。

本实施例中，油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复工艺包括：

Ⅰ.对钻具磨损腐蚀表面进行打磨抛光化学腐蚀等预处理，去除表面氧化物、油污和其它杂质，之后将钻具固定在固定架2上；

Ⅱ.通过控制组件4对激光功率、扫描速度、光斑尺寸、电压和行走轨迹参数等进行控制编程，具体的稀释率和激光功率成正相关，与扫描速度和光斑宽度呈负相关，稀释率过小，涂层与基材结合强度不高，涂层质量效果差，通常控制稀释率在5%-10%左右，本申请中相应的激光功率P考值可选4000W，搭接率可选50%，光斑宽度D可选2mm；

另外随着扫描速度的增加相应涂层的硬度增加，磨损量和摩擦系数会逐渐降低，耐磨性能较基体极大地提高，扫描速度过快会出现气孔和裂纹等缺陷，使得涂层质量变差，综合考虑本申请中扫描速度为v参考范围8mm/s-14mm/s；

Ⅲ.在粉料输送机8中添加处理好的熔覆粉末，在喷粉辅助组件9的中转下向激光件7进行粉末输送，具体的Ni45自溶性合金粉末有优良的耐腐蚀、抗氧化性和高温性能本省请中作为激光熔覆主要材料，另外陶瓷颗粒碳化钨具有高硬度、高熔点和良好的化学稳定性作为增强相，其中Ni45粉末颗粒粒度可选用30-100μm，WC颗粒粒度为60-200目，向Ni45合金粉末中添加质量分数为30%的WC颗粒作为熔覆粉末，熔覆粉末在键入粉料输送机8之前需要使用滚筒球磨机提前混合均匀；

Ⅳ.之后进行激光熔覆，在熔覆过程中选用氩气保护气体保护熔覆层金属和激光件7。

以上所述的，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其申请构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备，其特征在于，包括：

底座（1），其上固定设置有固定架（2）；

竖直板架（3），竖直固定在所述底座（1）上，且所述竖直板架（3）上固定设置有控制组件（4）；

机械臂（5），一端设置在所述控制组件（4）上，另一端设置有激光件（7），且所述激光件（7）位于所述固定架（2）上方，所述激光件（7）的一端设有激光熔覆头；

冷却***（6），固定设置在所述控制组件（4）中，且所述冷却***（6）延伸同所述激光件（7）连接，辅助所述激光件（7）进行冷却；

粉料输送机（8），固定设置在所述底座（1）上，且所述粉料输送机（8）连接至所述激光件（7），为所述激光件（7）输送熔覆粉末；

喷粉辅助组件（9），设置在所述粉料输送机（8）和所述激光件（7）之间；

所述喷粉辅助组件（9）包括：

主送粉管组（91），固定连接在所述粉料输送机（8）上，且所述主送粉管组（91）下方固定设置有副送粉管组（92）；

连接座（93），用于固定所述主送粉管组（91）和所述副送粉管组（92），并且所述连接座（93）固定设置在所述底座（1）上；

分流接头（94），设置在所述主送粉管组（91）和所述粉料输送机（8）之间；

集流盖（95），固定设置在所述主送粉管组（91）远离所述分流接头（94）的一端，且在所述集流盖（95）上还连通设置有转接口（96），在所述转接口（96）和激光件（7）之间设置有输送软管，构成熔覆粉末输送通路；

导通组件（97），布置为两个，分别设置在所述集流盖（95）和副送粉管组（92）之间，以及所述分流接头（94）和副送粉管组（92）之间；

所述副送粉管组（92）包括：

外壳（921），通过所述连接座（93）进行固定连接，且所述外壳（921）内部设置有循环管道（924），所述循环管道（924）的两端均连接有转接嘴（923）；

固定座（922），固定连接在靠近固定座（922）一端的所述转接嘴（923）和外壳（921），且在靠近固定座（922）一端的所述转接嘴（923）上方固定设置有转接管（925）；

风机（926），与远离所述固定座（922）一端的所述转接嘴（923）固定连通设置，且在所述风机（926）上方同样设置有转接管（925），所述风机（926）通过滤网经过所述外壳（921）的端部与外部环境连通，或者主动闭合所述外壳（921）的端部；

所述导通组件（97）包括转接架（971）、连通管（972）和单向阀（973），所述转接架（971）将所述单向阀（973）和所述连通管（972）固定设置在所述主送粉管组（91）和副送粉管组（92）之间，所述单向阀（973）控制连通管（972）的导通方向，且所述连通管（972）的一端与所述转接管（925）连接，所述连通管（972）的另一端还分别与所述集流盖（95）和分流接头（94）连通。

2.根据权利要求1所述的油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备，其特征在于，所述激光件（7）集成焦距调节、气体保护、循环冷却、粉末流道、激光束通道结构，其中冷却***（6）对激光熔覆头进行冷却，同时熔覆粉末通过粉末流道喷洒而出。

3.根据权利要求1所述的油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备，其特征在于，所述主送粉管组（91）包括：

管壁（911），通过所述连接座（93）进行固定；

分流管（912），设置为多个，所述分流管（912）均匀分布的设置在所述管壁（911）内，且所述分流管（912）通过多个支撑架（913）在所述管壁（911）内进行固定；

挡板（914），固定设置在所述管壁（911）的两端。

4.根据权利要求3所述的油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备，其特征在于，所述挡板（914）上开设有多个接孔，所述接孔分别对应所述分流管（912）的管口。

5.根据权利要求3所述的油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备，其特征在于，所述分流接头（94）包括固定塞（941）和锁紧环套（943），所述固定塞（941）上开设有多个通孔（942），且所述通孔（942）位置和数量同所述分流管（912）相同，且所述固定塞（941）的一端与所述分流管（912）的端口贴合装配，另外所述固定塞（941）另一端的通孔（942）端口处进行圆弧过渡处理，所述锁紧环套（943）上还开设有用于同所述导通组件（97）连接的连接口。

6.根据权利要求1所述的油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备，其特征在于，所述集流盖（95）的口径逐步缩减，其中，所述集流盖（95）与所述主送粉管组（91）连接的一端的口径为最大，而所述集流盖（95）与所述转接口（96）连接的一端的口径为最小。

7.油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复工艺，其采用如权利要求1-6任意一项所述的油气田钻具的Ni-WC复合激光强化修复设备，其特征在于，包括如下步骤：

Ⅰ.对钻具磨损腐蚀表面进行打磨抛光化学腐蚀预处理，去除表面氧化物、油污和其它杂质，之后将钻具固定在固定架（2）上；

Ⅱ.通过控制组件（4）对激光功率、扫描速度、光斑尺寸、电压和行走轨迹参数进行控制编程；

Ⅲ.在粉料输送机（8）中添加处理好的熔覆粉末，在喷粉辅助组件（9）的中转下向激光件（7）进行粉末输送，熔覆粉末在键入粉料输送机（8）之前需要使用滚筒球磨机提前混合均匀；

Ⅳ.之后进行激光熔覆，在熔覆过程中选用氩气保护气体保护熔覆层金属和激光件（7）。