一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺及设备

技术领域

本发明涉及奶瓶刷结构，具体为一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺及设备。

背景技术

在原油开采中，抽油光杆作为抽油杆柱最上端的第一根杆，不仅要承受下部杆柱的重量，还要连接地面动力设备做持续的往复或旋转运动。在运动中，抽油光杆不可避免要与其外侧的油管及井口的橡胶油封发生摩擦，导致抽油光杆使用寿命降低。

目前抽油光杆的材质大多采用铬钼合金钢，并通过热处理工艺来获得高强度抽油光杆，这种抽油光杆在实际应用中不防腐不耐磨，使用寿命低，严重降低了采油的工作效率。如果需要抽油光杆具有更好的防腐耐磨性能，一般在抽油光杆表面喷焊镍基粉末，与抽油光杆基体冶金结合，喷焊镍基粉末合金虽然提高了防腐耐磨性能，但是现有的抽油光杆喷焊工艺粉末利用率低、加热温度高，容易造成资源浪费。

因此，使用绿色环保的节能新型设备，提高合金粉利用率，简化并优化工艺流程，成为行业内的迫切需要。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺及设备，有效的解决了上述技术背景中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明包括如下步骤：

1)砂磨——在砂磨机上磨削抽油光杆的待熔覆部分，使外圆达到预设直径，同时去除表面杂质，降低表面粗糙度；

2)装夹——将砂磨好的抽油光杆，装夹到光杆承载设备上；

3)激光熔覆——使用高能激光束，在预热后的抽油光杆表面熔覆防腐耐磨合金层。

根据上述技术方案：所述1)砂磨的具体工艺为：将抽油光杆放入砂磨机中，设置砂盘转速800～3000r/min、光杆杆体转速100～400r/min、光杆行进速度0.5～2m/min，对光杆待熔覆部分进行砂磨。

根据上述技术方案：所述2)装夹的具体工艺为：

a)抽油光杆非镦粗端杆头通过固定工装与光杆承载设备主轴箱连接，抽油光杆镦粗端杆头通过活动工装与光杆承载设备尾座连接，尾座采用液压油缸控制，拉直光杆；

b)光杆承载设备上安装支撑平台，支撑平台上安装滑轮，加工过程中滑轮支撑抽油光杆，保证光杆旋转运动的稳定性。

根据上述技术方案：所述3)激光熔覆的具体工艺为：

a)电磁感应加热装置、送粉器、激光器安装在激光熔覆设备滑动平台上，三者同步运动。激光熔覆设备与光杆承载设备平行摆放并通过操作台实现联动；

b)加工程序编制：根据抽油光杆外径、抽油光杆长度、光斑大小等参数，设置卡盘转速15～30r/min，编制螺距为1.5～3mm的螺旋线加工程序；

c)合金粉烘干：将合金粉盛装于干净的金属托盘中，粉末堆积厚度不大于5mm。金属托盘置于电加热箱中，180～200℃烘干10～15mim。取出后，立即放入送粉器中；

d)预热：启动光杆承载设备、激光熔覆设备，设置电流20～40A，用电磁感应加热装置将抽油光杆预热至180～220℃；

e)激光熔覆：设置激光器出光功率3～4kW，启动送粉器，按预定程序进行合金粉熔覆。

一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产设备，包括光杆承载设备、激光熔覆设备和操作台，光杆承载设备上滑动安装有支撑平台，光杆承载设备一端的顶部设置有主轴箱，光杆承载设备另一端的顶部安装有尾座，主轴箱的输出轴上连接有固定工装，固定工装固定抽油光杆，且带动抽油光杆转动，尾座上安装有液压油缸，尾座的中部安装有活动工装，液压油缸控制尾座移动，活动工装连接抽油光杆的另一端，支撑平台上对称安装有两个滑轮，激光熔覆设备上滑动安装有滑动平台，滑动平台上安装有激光器，激光器的一侧安装有送粉器，送粉器的一侧安装有套设在抽油光杆上的电磁感应加热装置，操作台用于编制加工程序。

根据上述技术方案：抽油光杆由中部的抽油光杆杆体，抽油光杆杆体的一端设置的非镦粗端杆头，抽油光杆杆体的另一端设置的镦粗端杆头。

有益效果：本发明提供的一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺及设备具有如下有益效果：

1、激光熔覆过程直接将粉末熔融于抽油光杆表面，省掉了合金粉预喷涂工序。

2、使用电磁感应加热装置预热抽油光杆，能量集中、加热迅速，用红外感应开关控制预热温度易于实现自动化。

3、激光熔覆能量集中，只需很小的能量输入，就能在抽油光杆基体表面形成微熔池，可以实现高速加工。而传统喷焊重熔需要将抽油光杆整体加热到1100℃左右，才能使表面合金粉呈现熔融状态，加工效率低。

4、可以通过调节激光器功率、光斑大小、送粉量等参数，控制熔覆层厚度，合金粉利用率高，并且熔覆层厚度均匀。而传统喷焊抽油光杆的合金层厚度，只能靠前置工序的预喷涂合金粉厚度控制，受人为因素影响大，误差大，合金粉利用率低。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明图1中A的结构示意图；

图中标号：1光杆承载设备、2激光熔覆设备、3支撑平台、4滑动平台、5固定工装、6活动工装、7抽油光杆、7.1抽油光杆杆体、7.2抽油光杆非镦粗端杆头、7.3抽油光杆镦粗端杆头、8滑轮、9激光器、10送粉器、11电磁感应加热装置、12液压油缸、13尾座、14主轴箱、15操作台。

具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

由图1-2给出，本发明提供一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺，包括如下步骤：

1)砂磨——在砂磨机上磨削抽油光杆的待熔覆部分，使外圆达到预设直径，同时去除表面杂质，降低表面粗糙度；

2)装夹——将砂磨好的抽油光杆，装夹到光杆承载设备上；

3)激光熔覆——使用高能激光束，在预热后的抽油光杆表面熔覆防腐耐磨合金层。

所述1)砂磨的具体工艺为：将抽油光杆放入砂磨机中，设置砂盘转速800～3000r/min、光杆杆体转速100～400r/min、光杆行进速度0.5～2m/min，对光杆待熔覆部分进行砂磨。

所述2)装夹的具体工艺为：

a)抽油光杆非镦粗端杆头通过固定工装与光杆承载设备主轴箱连接，抽油光杆镦粗端杆头通过活动工装与光杆承载设备尾座连接，尾座采用液压油缸控制，拉直光杆；

b)光杆承载设备上安装支撑平台，支撑平台上安装滑轮，加工过程中滑轮支撑抽油光杆，保证光杆旋转运动的稳定性。

所述3)激光熔覆的具体工艺为：

a)电磁感应加热装置、送粉器、激光器安装在激光熔覆设备滑动平台上，三者同步运动。激光熔覆设备与光杆承载设备平行摆放并通过操作台实现联动；

b)加工程序编制：根据抽油光杆外径、抽油光杆长度、光斑大小等参数，设置卡盘转速15～30r/min，编制螺距为1.5～3mm的螺旋线加工程序；

c)合金粉烘干：将合金粉盛装于干净的金属托盘中，粉末堆积厚度不大于5mm。金属托盘置于电加热箱中，180～200℃烘干10～15mim。取出后，立即放入送粉器中；

d)预热：启动光杆承载设备、激光熔覆设备，设置电流20～40A，用电磁感应加热装置将抽油光杆预热至180～220℃；

e)激光熔覆：设置激光器出光功率3～4kW，启动送粉器，按预定程序进行合金粉熔覆。

一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产设备，包括光杆承载设备1、激光熔覆设备2和操作台15，光杆承载设备1上滑动安装有支撑平台3，光杆承载设备1一端的顶部设置有主轴箱14，光杆承载设备1另一端的顶部安装有尾座13，主轴箱14的输出轴上连接有固定工装5，固定工装5上设置有卡盘，固定工装5固定抽油光杆7，且带动抽油光杆7转动，尾座13上安装有液压油缸12，尾座13的中部安装有活动工装6，液压油缸12控制尾座13移动，活动工装6连接抽油光杆7的另一端，支撑平台3上对称安装有两个滑轮8，激光熔覆设备2上滑动安装有滑动平台4，滑动平台4上安装有激光器9，激光器9的一侧安装有送粉器10，送粉器10的一侧安装有套设在抽油光杆7上的电磁感应加热装置11，操作台15用于编制加工程序。

抽油光杆7由中部的抽油光杆杆体7.1，抽油光杆杆体7.1的一端设置的非镦粗端杆头7.2，抽油光杆杆体7.1的另一端设置的镦粗端杆头7.3。

本发明所述抽油光杆的耐磨防腐工艺的具体工艺流程为：砂磨——装夹——激光熔覆。本发明所述工艺利用高能激光束，在抽油光杆基体表面形成微熔池，自熔合金粉末通过送粉器，注入熔池熔融，与基体形成冶金结合，形成具有一定厚度的防腐耐磨层。该工艺配套使用的主要设备包括：砂磨机、光杆承载设备、带电磁感应加热装置、送粉器、激光器的激光熔覆设备。通过以上工艺及设备，可以在抽油光杆表面形成一层致密的冶金结合的防腐耐磨层。

实施例1

由图1给出，一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺及设备，包括：光杆承载设备1、激光熔覆设备2、操作台15，所述光杆承载设备1上装有支撑平台3、主轴箱14、尾座13，所述主轴箱14的输出轴上连接固定工装5，带动抽油光杆7转动，所述尾座13上装有液压油缸12、活动工装6，液压油缸12控制尾座13移动，活动工装6连接抽油光杆7另一端，所述支撑平台3上装有滑轮8，所述激光熔覆设备2上装有滑动平台4，所述滑动平台4上装有激光器9、送粉器10、电磁感应加热装置11，所述操作台15用于编制加工程序。

实施例2

一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺及设备，利用实施例1所述设备，包括以下步骤：

(1)将抽油光杆7放入砂磨机中，设置砂盘转速1500r/min、抽油光杆7杆体7.1转速300r/min、光杆行进速度1.5m/min，对抽油光杆7待熔覆部分进行砂磨。

(2)抽油光杆7非镦粗端杆头7.2通过固定工装5与光杆承载设备1前卡盘连接，抽油光杆7镦粗端杆头7.3通过活动工装6与光杆承载设备1后卡盘连接。

(3)设置卡盘转速20r/min，在操作台15编制螺距为2.5mm螺旋线加工程序。

(4)将合金粉盛装于干净的金属托盘中，粉末堆积厚度5mm。金属托盘置于电加热箱中，200℃烘干10mim。取出后，立即放入送粉器10中。

(5)启动光杆承载设备1、激光熔覆设备2。设置电流30A，用电磁感应加热装置11将抽油光杆7预热至200℃。

(6)设置激光器9出光功率3kW，启动送粉器10，设置送粉速率30g/min，按预定程序进行合金粉熔覆。

实施例3

一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺及设备，利用实施例1所述设备，包括以下步骤：

(1)将抽油光杆7放入砂磨机中，设置砂盘转速1500r/min、抽油光杆7杆体7.1转速300r/min、光杆行进速度1.5m/min，对抽油光杆7待熔覆部分进行砂磨。

(2)抽油光杆7非镦粗端杆头7.2通过固定工装5与光杆承载设备1前卡盘连接，抽油光杆7镦粗端杆头7.3通过活动工装6与光杆承载设备1后卡盘连接。

(3)设置卡盘转速25r/min，在操作台15编制螺距为2mm螺旋线加工程序。

(4)将合金粉盛装于干净的金属托盘中，粉末堆积厚度5mm。金属托盘置于电加热箱中，190℃烘干10mim。取出后，立即放入送粉器10中。

(5)启动光杆承载设备1、激光熔覆设备2。设置电流30A，用电磁感应加热装置11将抽油光杆7预热至200℃。

(6)设置激光器9出光功率3.5kW，启动送粉器10，设置送粉速率30g/min，按预定程序进行合金粉熔覆。

实施例4

一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺及设备，利用实施例1所述设备，包括以下步骤：

(1)将抽油光杆7放入砂磨机中，设置砂盘转速1500r/min、抽油光杆7杆体7.1转速300r/min、光杆行进速度1.5m/min，对抽油光杆7待熔覆部分进行砂磨。

(2)抽油光杆7非镦粗端杆头7.2通过固定工装5与光杆承载设备1前卡盘连接，抽油光杆7镦粗端杆头7.3通过活动工装6与光杆承载设备1后卡盘连接。

(3)设置卡盘转速30r/min，在操作台15编制螺距为1.5mm螺旋线加工程序。

(4)将合金粉盛装于干净的金属托盘中，粉末堆积厚度5mm。金属托盘置于电加热箱中，180℃烘干10mim。取出后，立即放入送粉器10中。

(5)启动光杆承载设备1、激光熔覆设备2。设置电流30A，用电磁感应加热装置11将抽油光杆7预热至200℃。

(6)设置激光器9出光功率4kW，启动送粉器10，设置送粉速率30g/min，按预定程序进行合金粉熔覆。

实验例1

将上述实施例2～4加工的防腐耐磨抽油光杆进行耐磨防腐层硬度、耐磨防腐层厚度、粉末利用率、表面质量检验，具体试验方法为：

防腐耐磨层硬度检验，按GB/T 4340.1《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》执行。

防腐耐磨层厚度检验，通过游标卡尺测量激光重熔前后抽油光杆外径差，从而确定厚度。

合金粉利用率＝抽油光杆增重/合金粉消耗重量。

表面质量检验，目测并通过着色渗透探伤剂检测有无针孔、裂纹等缺陷。

具体试验结果见表1。

表1抽油光杆耐磨防腐层检验结果(抽油光杆样件尺寸：

由此可见，本发明的一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺及设备改变了传统喷焊抽油光杆生产工艺流程繁琐、设备功耗高、合金粉利用率低的现状，简化了流程、节约了成本。

有益效果：本发明提供的一种抽油光杆的高速激光熔覆耐磨防腐层生产工艺及设备具有如下有益效果：

1、激光熔覆过程直接将粉末熔融于抽油光杆表面，省掉了合金粉预喷涂工序。

2、使用电磁感应加热装置预热抽油光杆，能量集中、加热迅速，用红外感应开关控制预热温度易于实现自动化。

3、激光熔覆能量集中，只需很小的能量输入，就能在抽油光杆基体表面形成微熔池，可以实现高速加工。而传统喷焊重熔需要将抽油光杆整体加热到1100℃左右，才能使表面合金粉呈现熔融状态，加工效率低。

4、可以通过调节激光器功率、光斑大小、送粉量等参数，控制熔覆层厚度，合金粉利用率高，并且熔覆层厚度均匀。而传统喷焊抽油光杆的合金层厚度，只能靠前置工序的预喷涂合金粉厚度控制，受人为因素影响大，误差大，合金粉利用率低。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。