一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆處理工藝的制作方法
【專利摘要】一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆處理工藝，步驟如下：(1)對牙輪鉆頭齒面進行預處理；(2)用著色探傷法對牙輪鉆頭齒面進行檢驗；(3)選用鎳基合金粉末作為牙輪鉆頭齒面的打底層；(4)利用高功率CO2激光成套設備熔覆打底合金；(5)選用球形WC與Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末作為牙輪鉆頭齒面的工作層；(6)高功率激光器熔覆球形WC與Ni-Cr-B-Si混合粉末采用窄帶熔覆加工或寬帶熔覆加工兩種加工方式熔覆；(7)熔覆后進行探傷檢驗，確保加工部位表面平整。本發(fā)明強化了牙輪鉆齒面，提高了牙輪鉆頭的使用壽命，基本解決了牙輪鉆頭過早磨禿、剝落等問題，提高了鉆機作業(yè)效率，降低了生產(chǎn)成本。
【專利說明】一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆處理工藝
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及牙輪鉆表面強化工藝領域，具體為一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆
處理工藝。
【背景技術】
[0002]隨著人們對能源利用需求的不斷增長，我國對油氣資源的勘探和開發(fā)也在不斷發(fā)展，這使得人們對鉆井設備的鉆探性能提出了更高的要求。牙輪鉆是鉆井的主要破巖工具，在高鉆壓下與堅硬的巖石之間產(chǎn)生壓碎、滑動剪切作用并伴有巨大的沖擊以及含巖屑泥漿的強烈沖刷，這對牙輪鉆頭材料提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。由于牙輪鉆服役環(huán)境為碎石的巨大沖擊和含巖泥漿的強烈沖刷，因此，制造牙輪鉆頭的材料需具備高硬度、高耐磨性等機械性倉泛。
[0003]目前，有數(shù)種工藝方法用于牙輪鉆頭的耐磨強化處理。國外研究者在牙輪鉆頭材質選擇及強化工藝上進行了一些研究，甚至早在上個世紀80年代便開發(fā)出新型鉆頭作為牙輪鉆的替代品，但是由于新型鉆頭適用巖層條件較牙輪鉆苛刻且制造成本大大超過了牙輪鉆，牙輪鉆頭制造及其表面耐磨強化工藝研究仍然具有現(xiàn)實意義。比較有效的牙輪鉆頭強化方法有金剛石(硬質合金)增強復合方法以及堆焊法。鑿巖球齒合金最早應用于礦用牙輪鉆頭，而目前商業(yè)化的球齒均為金剛石和硬質合金材料。金剛石硬度非常高、綜合耐磨損性能好而在高硬巖石鉆齒上發(fā)揮了不可替代的作用，然而金剛石球齒制備工藝復雜、成本高，且強度低、沖擊韌性小，這些不利因素限制了其應用。硬質合金強度和硬度高、紅硬性好、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小、化學穩(wěn)定性好，且和金剛石比，硬質合金成本低很多，目前在鉆齒上的使用量也很大，但是和金剛石材料相比，硬質合金材料硬度低很多，綜合性能遠不及金剛石，且硬質合金中含有包活W、Co、Ta等戰(zhàn)略金屬，大量使用硬質合金制造牙輪鉆會加重資源、環(huán)境的緊張局面，限制了硬質合金的進一步發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所解決的技術問題是提供一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆處理工藝，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0005]本發(fā)明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現(xiàn):
一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆處理工藝，包括如下步驟:
(1)室溫下用清洗劑對牙輪鉆頭齒面進行除油、除銹，并用酒精清洗干凈；
(2)用著色探傷法對牙輪鉆頭齒面進行檢驗，確保待加工部位無裂紋、氣孔、夾雜等缺
陷；
(3)選用鎳基合金粉末作為牙輪鉆頭齒面的打底層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到1.5-2mm ；
(4)選用高功率C02激光器，以數(shù)控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率C02激光成套設備熔覆打底合金；具體工藝參數(shù)如下:
聚焦鏡f = 300~400mm 熔覆功率P=3000~5000W 光斑直徑D=2-3_
溶覆掃描速度V=600~1 200mm/mi η 搭接率40~60%
(5)選用球形WC與N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末作為牙輪鉆頭齒面的工作層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到1.5-2mm;
(6)對打底層表面的工作層進行熔覆，高功率激光器熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合粉末采用兩種加工方式:
1)窄帶熔覆加工
采用送粉方式喂入合金粉末，在打底層表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉
末；
具體工藝參數(shù)如下:
熔覆功率P=2500W~3000W 光斑直徑D=L 2^3mm
熔覆掃描速度V=15(T250mm/min 搭接率40~60%
2)寬帶熔覆加工
采用送粉方式喂入合金粉末，在打底層表面熔覆WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末； 具體工藝參數(shù)如下:
熔覆功率P=500(T7000W 光斑大小長X寬=IOXlmm 熔覆掃描速度V=30(T500mm/min 搭接率40~60%
(J)熔覆后進行探傷檢驗，確保加工部位表面平整，無肉眼可見裂紋和氣孔等。
[0006]步驟(3)中，所述鎳基合金粉末包括Fe、C、S1、Cr、N1、Mo、Nb，其化學成份按重量百分比分別為:C:0.03%、Cr:21.5%、Fe:1.4%、Mo:9%、Si:0.4%、Nb:3.8%，余量為 Ni。
[0007]步驟(3)中，所述WC重量百分比大于或等于60%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末為已知技術，其化學成份包括Fe、C、Cr、N1、Si，其化學成份按重量百分比分別為:C:
0.32%、Cr:3%, Fe:3%、Si:3.7%，余量為 Ni。
[0008]綜上所述，本發(fā)明有益效果:
本發(fā)明強化了牙輪鉆齒面，提高了牙輪鉆頭的使用壽命，基本解決了牙輪鉆頭過早磨禿、剝落等問題，提高了鉆機作業(yè)效率，降低了生產(chǎn)成本。
【具體實施方式】
[0009]下面將結合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0010]實施例1
一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆處理工藝，包括如下步驟:
(1)室溫下用清洗劑對牙輪鉆頭齒面進行除油、除銹，并用酒精清洗干凈；
(2)用著色探傷法對牙輪鉆頭齒面進行檢驗，確保待加工部位無裂紋、氣孔、夾雜等缺
陷；
(3)選用鎳基合金粉末作為牙輪鉆頭齒面的打底層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到1.5-2mm ；
(4)選用高功率C02激光器，以數(shù)控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率C02激光成套設備熔覆打底合金；
具體工藝參數(shù)如下:
聚焦鏡f = 312mm 熔覆功率P=3500W 光斑直徑D=3mm 熔覆掃描速度V=800mm/min 搭接率50%
(5)選用球形WC與N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末作為牙輪鉆頭齒面的工作層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合`金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到1.5-2mm;
(6)對打底層表面的工作層進行熔覆，高功率激光器熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合粉末采用兩種加工方式:
1)窄帶熔覆加工
采用送粉方式喂入合金粉末，在打底層表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉
末；
具體工藝參數(shù)如下:
熔覆功率P=2500W 光斑直徑D=3mm 熔覆掃描速度V=200mm/min 搭接率50%
2)寬帶熔覆加工
采用送粉方式喂入合金粉末，在打底層表面熔覆WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末； 具體工藝參數(shù)如下:
熔覆功率P=4500W 光斑大小長X寬=IOXlmm 熔覆掃描速度V=450mm/min 搭接率50%
(7)熔覆后進行探傷檢驗，確保加工部位表面平整，無肉眼可見裂紋和氣孔等。
[0011]步驟(3)中，所述鎳基合金粉末包括Fe、C、S1、Cr、N1、Mo、Nb，其化學成份按重量百分比分別為:C:0.03%、Cr:21.5%、Fe:1.4%、Mo:9%、Si:0.4%、Nb:3.8%，余量為 Ni。
[0012]步驟(3)中，所述WC重量百分比大于或等于60%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末為已知技術，其化學成份包括Fe、C、Cr、N1、Si，其化學成份按重量百分比分別為:C:
0.32%、Cr:3%, Fe:3%、Si:3.7%，余量為 Ni。
[0013]實施例2
一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆處理工藝，包括如下步驟:
(1)室溫下用清洗劑對牙輪鉆頭齒面進行除油、除銹，并用酒精清洗干凈；
(2)用著色探傷法對牙輪鉆頭齒面進行檢驗，確保待加工部位無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷；
(3)選用鎳基合金粉末作為牙輪鉆頭齒面的打底層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到1.5-2mm ；
(4)選用高功率C02激光器，以數(shù)控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率C02激光成套設備熔覆打底合金；
具體工藝參數(shù)如下:
聚焦鏡f = 312mm 熔覆功率P=3500W 光斑直徑D=3mm 熔覆掃描速度V=800mm/min 搭接率50%
(5)選用球形WC與N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末作為牙輪鉆頭齒面的工作層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到1.5-2mm;
(6)對打底層表面的工作層進行熔覆，高功率激光器熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合粉末采用兩種加工方式:
1)窄帶熔覆加工
采用送粉方式喂入合金粉末，在打底層表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉
末；
具體工藝參數(shù)如下:
熔覆功率P=3000W 光斑直徑D=3mm 熔覆掃描速度V=170mm/min 搭接率50%
2)寬帶熔覆加工
采用送粉方式喂入合金粉末，在打底層表面熔覆WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末； 具體工藝參數(shù)如下:
熔覆功率P=4800W 光斑大小長X寬=IOXlmm 熔覆掃描速度V=350mm/min 搭接率50%(7)熔覆后進行探傷檢驗，確保加工部位表面平整，無肉眼可見裂紋和氣孔等。
[0014]步驟(3)中，所述鎳基合金粉末包括Fe、C、S1、Cr、N1、Mo、Nb，其化學成份按重量百分比分別為:C:0.03%、Cr:21.5%、Fe:1.4%、Mo:9%、Si:0.4%、Nb:3.8%，余量為 Ni。
[0015]步驟(3)中，所述WC重量百分比大于或等于60%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末為已知技術，其化學成份包括Fe、C、Cr、N1、Si，其化學成份按重量百分比分別為:C:
0.32%、Cr:3%, Fe:3%、Si:3.7%，余量為 Ni。
[0016]本發(fā)明采用激光表面熔覆工藝，熔覆層組織主要由鐵鉻碳化物和過飽和固溶體超細鑄態(tài)組織組成，這種組織保證了熔覆層有很好的強韌性能并且硬度保持在較高水平，從而使牙輪鉆齒面具有很好的耐磨損性能和沖擊韌性。
[0017]對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。[0018]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【權利要求】
1.一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆處理工藝，其特征是，包括如下步驟: (1)室溫下用清洗劑對牙輪鉆頭齒面進行除油、除銹，并用酒精清洗干凈； (2)用著色探傷法對牙輪鉆頭齒面進行檢驗，確保待加工部位無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷； (3)選用鎳基合金粉末作為牙輪鉆頭齒面的打底層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到1.5-2mm ； (4)選用高功率C02激光器，以數(shù)控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率C02激光成套設備熔覆打底合金； 具體工藝參數(shù)如下: 聚焦鏡f = 300~400mm 熔覆功率P=3000~5000W 光斑直徑D=2-3_ 溶覆掃描速度V=600~1 200mm/mi η 搭接率40~60% (5)選用球形WC與N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末作為牙輪鉆頭齒面的工作層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到1.5-2mm; (6)對打底層表面的工作層進行熔覆，高功率激光器熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合粉末采用兩種加工方式: 1)窄帶熔覆加工 采用送粉方式喂入合金粉末，在打底層表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末； 具體工藝參數(shù)如下: 熔覆功率P=2500W~3000W 光斑直徑D=L 2^3mm 熔覆掃描速度V=15(T250mm/min 搭接率40~60% 2)寬帶熔覆加工 采用送粉方式喂入合金粉末，在打底層表面熔覆WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末； 具體工藝參數(shù)如下: 熔覆功率P=500(T7000W 光斑大小長X寬=IOXlmm 熔覆掃描速度V=30(T500mm/min 搭接率40~60% (J)熔覆后進行探傷檢驗，確保加工部位表面平整，無肉眼可見裂紋和氣孔等。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆處理工藝，其特征是，步驟⑶中，所述鎳基合金粉末包括Fe、C、S1、Cr、N1、Mo、Nb，其化學成份按重量百分比分別為:C:0.03%、Cr:21.5%、Fe:1.4%、Mo:9%、Si:0.4%、Nb:3.8%，余量為 Ni。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種牙輪鉆頭齒面的激光表面熔覆處理工藝，其特征是，步驟(3)中，所述WC重量百分比大于或等于60%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末，其化學成份包括Fe、C、Cr、N1、Si，其化學成份按重量百分比分別為:C:0.32%、Cr:3%、Fe:3%、Si:`3.7%，余量為Ni。`
【文檔編號】C23C24/10GK103741137SQ201310746431
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權日:2013年12月31日
【發(fā)明者】陶興啟, 黃旭東, 廖運生 申請人:武漢團結點金激光科技有限公司