石油钻杆表面合金增材设备技术方案

宁波驰迈激光科技有限公司石油钻杆耐磨带增材设备技术方案2017-2-17前言石油钻杆接头耐磨带以其一定的耐磨性和减磨性，保护钻杆接头和套管免遭强烈的磨损，在深井钻井、大位移井钻井和大斜度井钻井工程中获得了推广应用，钻杆接头耐磨带的作用是利用自身及其耐磨性，将钻杆外壁和套管内壁隔离，使钻杆不与套管壁或井壁直接接触，以保护钻杆接头和套管免遭强烈的磨损。然而，实际情况并不简单，耐磨带的出现，将钻杆接头与套管内壁接触摩擦，转换为耐磨带与套管内壁的接触摩擦。它们之间的摩擦磨损，不仅取决于两个接触体材料的特性及其匹配行为，同时还受到钻井过程中诸多因素的影响。自从耐磨带技术问世以来，随着现场应用中出现问的逐步克服，新型耐磨带专用堆焊材料不断被推出，耐磨带的材料品种已经发生了质的变化。为了提高钻杆接头的耐磨性，就出现了钻杆接头耐磨带，所谓的钻杆接头耐磨带就是为了保护钻杆在钻井过程中不至于过度磨损，采用等离子（高能束）堆焊、喷焊方式将耐磨焊丝（粉）沿钻杆接头圆周方向堆焊、喷焊，加工宽约30-50mm，厚2-3mm的环形带，此环形带及称之为钻杆接头耐磨带。钻杆接头耐磨带因其具有优于钻杆接头本身的耐磨性能，同时能够降低对套管的磨损的优点，从而对解决钻杆与套管的磨损这一问题起到关键性的作用。堆焊、喷焊作为现代材料加工与制造业中一种重要的制造和维修方法，常用来提高钻杆接头的使用寿命，降低钻杆接头耐磨带制造成本。人们研制出多种材质的合金粉末或药芯焊丝，给钻杆接头耐磨带带来较好的耐磨性和耐腐蚀性。同时,研制出的高硬度耐磨合金体系堆焊层还可用于其它工业部门中的耐磨零件的修复与制造。第一章：高能离子束增材介绍介绍定义：　　高能离子束增材的英文简称是HPM。它是利用离子束喷枪的钨极作为电流的负极和基体作为电流的阳极之间产生的高能离子束作为热能，并将热能转移给被增材的工件基体，并向该热能区域送入合金粉末材料，使其熔化后沉积在被增材工件基体表面的新型涂层加工工艺。技术优势：　　高能离子束增材最显著的优点就是其热影响区小，对基体的热影响小，稀释率低，使得工件在增材过程中变形小；其次，离子束主弧可精确调节，工艺可控性强，可从事精巧及异性工件的增材作业，能够加工较小的工件；第三，弧柱温度高，能量密度大，集中，熔透能力强，可以高速施焊，生产率高。1、增材合金层与工件基体呈冶金结合，结合强度高；2、增材效率高，稀释率低；稀释率可控制在5%一8%或更低。3、新合金层组织致密，成型美观；堆焊过程易实现机械化、自动化；4、设备操作简便，可实现大规模制造生产，维护简单，成本较低；5、离子束温度高、能量集中、稳定性好，在工件上引起的残余应力和变形小。6、可控性好。可以通过改变功率、改变气体的种类、流量及喷嘴的结构尺寸来调节离子束的气氛、温度等电弧参数，从而实现高效自动化生产，提高劳动生产率。第二章：高能离子束增材设备结构结构部件功能介绍1高能离子束电源是整机能量动力的来源。采用纯正高能离子束电源，可与国外电源相媲美。设备稳定性高，能耗小，结构排列合理，减少干扰。电源、转换电路、控制电路、输出电路、保护电路等重要配件采用国内外一线等品牌电子原件，以确保增加设备使用寿命。目前公司又研发出新型脉冲微束离子束增材电源，在薄管，薄板的增材工艺中，减小了热输出比，使工件的变形量与传统的离子束相比降低了40％。2高能离子束喷枪是整机在工作过程中的最终能量输出端。完全自主研发，内部结构进行了多次革新优化，不易堵粉，连续长时间工作，离子束压缩能力强，拆卸方便，维修维护成本低。第三代内孔枪已经做到60mm孔径的工件，国际领先。驰迈科技喷枪分为手动、自动、内孔、微束喷枪几大类。3自动送粉器是整机的耗材输送端。自动送粉器做到大容量，连续工作不停机工作，粉桶可装50公斤粉末，控制信号除了可以连接传统的CNC系统，现在已经完全连接到机器人示教器界面上，实现与机器人统一程序进行操作，实时控制。在原有的送粉桶基础上加大3倍体积容量。结构优化。4高效水循环装置为整机提供恒温、恒流、恒压的水冷却设备。将一定量的水注入机器的内部水箱，通过冷水机制冷系统将水冷却，而后有机器内部的水泵将低温冷冻的水注入需要冷却的设备内，冷冻水将喷枪内部的热量带走，将高温的热水再次回流到水箱进行降温，如此循环交换冷却，达到为喷枪冷却的作用。时整机中较为重要的循环流程，其动力不足可导致喷枪烧坏，停机等故障。驰迈采用2~3匹的高效水冷循环装置，大大提升了喷枪的使用寿命。5数控加工系统为整机提供自动加工执行的自动化机构。驰迈所采用的是专业焊接及堆焊数控编程加工系统，其功能满足五轴联动加工，储存量大，操作简便，故障率低，公司也可根据贵司的实际情况，在原有的数控车床加工系统的基础上进行结构改造融合，满足石油接箍等工件的自动化增材加工。数控编程系统和自动行走机构组成了一整套自动加工系统，自动增材专机按照工件要求进行个性化定制，最大程度程度满足工件的多样化加工。第三章：高能离子束增材设备技术参数输入电压380V±5%　　50/60Hz三相输入功率12~22KVA可根据工件大小选择匹配的功率输出电流20~400A直流正极性暂载率60％负载持续率≤30℃维弧输出2~50A可根据工艺进行调节，导弧100％输出工业气体工业氩气Ar离子气值0.5~8L/min保护气值0.5~10L/min送粉气值0.5~6L/min送粉量值1~100g/min可根据增材厚度进行调节增材厚度范围0.5mm~100mm可根据工艺要求进行调节增材宽度范围4~40mm单次增材4~12mm宽，摆动15~40mm宽增材效率700~1200mm/min,根据厚度来调整计算效率水冷却温度20~25℃恒温、恒流、恒压电能消耗8~14kw/h,按照400A计算，每小时约11度电使用粉末铁基、镍基、钴基合金、碳化钨、陶瓷、合金铜、不锈钢、氧化锆喷枪距离工件距离7~14mm，根据所需要增材的工件表面要求进行调整，一般为10mm热量输出工件温度增材后的热量在工件的温度依据工件大小而定，一般在190~320℃之间编程方式数控系统采用CNC编程系统，自动增材机器人采用示教编程系统进给速度13~20mm/s行走机构选择可根据工件增材要求定制丝杠类，齿条类，导轨类行走工装。整机尺寸根据现场使用确定整机外观大小，接箍专机：1600*1300*1500整机重量1100kg第四章：高能离子束自动增材设备新机方案驰迈激光高能离子束石油钻杆增材专机型号：CM-HPM-OPC4001、增材效率：按照101.6mm☓30mm的耐磨带为例，增材2mm厚的涂层，自动增材1根的时间为4~5分钟，包含了装夹的时间。每小时生产12~15个，8小时生产95~120根。一个月下来按照30天计算，生产量在3000~3600根左右。2、增材成本：按照上述尺寸为例，通过高能离子束增材工艺来进行合金涂层加工，每只所需要的材料成本大约在60~75元之间，因石油钻杆使用环境需要耐磨防腐，因材料配方不同，价格差异也较大。按照贵司的成本控制要求可以定制出更为合理的耗材配方。其他的成本就是电费和人工，电费每小时在10~12度，人工按照贵司当地的人力成本计算。此工艺的报废率几乎为零，无其他损耗，无任何污染。3、操作人员：具有一定的焊接基础和数控加工编程的基础，比较容易上手，需要心细的人来操作，调整增材参数需要进行系统的工艺培训，有习惯记录的技术操作人员更能快速的掌握此类增材技术。4.设备服务：根据合同约定，双方一旦展开合作，在技术上驰迈全力支持贵司，从人员技术培训到整体工艺支持，成本控制，效率提升，设备故障排除，易损件的配送，远程技术随时支持，系统更新，新工艺开发等服务都是双方所需要长期进行下去的工作。保修期12个月，到期后的维保服务仍然通过电话或其他通讯方式随时进行沟通，解决现场实际问题。5、培训内容：高能离子束的操作指南；高能离子束的作业指导协助编排；高能离子束增材设备的维护保养及注意事项；高能离子束增材效率的提升；增材粉末的重复利用及成本控制；高能离子束作业人员的专业技能考评等。6、高能离子束与热喷涂工艺的比较：6.1．工件受热情况不同喷涂无重熔过程，工件表面温度可始终控制在250C以下。一般不产生变形和使工件的组织状态发生变化。而堆焊要使涂层融化，重熔温度可达900C以上，工艺使用不当，容易引起工件变形。6.2．与基材结合状态不同喷涂层与基材表面的结合以机械咬合为主，尽管存在微区冶金结合，但是涂层结合强度不高。增材通过涂层熔化与基材表面形成冶金结合，结合强度是喷涂3-6倍，结合厚度是喷涂2-10倍。6.3．所用粉末不同合金增材要求使用自熔性合金粉末，而喷涂则对粉末的自熔性要求不高，各种自熔性合金粉末可用于增材又可用于喷涂，但喷涂粉末中不具备自熔性的只能用于喷涂而不能用于合金增材工艺。6.4．覆盖层结构不同增材合金层均匀致密，一般认为无孔隙，而喷涂层有孔隙缺陷。6.5．承载能力不同喷涂层不能承受冲击载荷和较高的接触应力，多在润滑条件的工作表面，配合面以及其它受力较小的工况条件下使用，增材合金层可承受冲击载荷和较高的接触应力，可在复杂工况条件下使用，可用于线接触场合。石油钻杆耐磨带增材高能离子束加工技术是采用高能离子离子束增材方法，利用离子束的高温，电流密度大的特点。将高硬度质颗粒均匀地熔于增材层金属中,而硬质颗粒不产生熔化或很少产生熔化.形成复合合金层.这种复合合金层是由两种以上在宏观上具有不同性质的异种材料组成：一种是在合金层中起主要耐磨作用的碳化物硬质颗粒,一般为铸造碳化钨,碳化铬,碳化硼,烧结碳化钨等.从原则上讲各种碳化物,硼化物甚至硬度更高的金刚石都可以作为复合合金层的组成物.目前国内外工业上复合材料高能离子束增材应用焊接较多的硬质颗粒是铸造碳化钨,它是由共晶组成,硬度为250～300.合金层的另一种组成金属是起"牯结"作用的基材金属,也称之为胎体金属,它是合金层中的基体.一般认为,硬质颗粒与胎体金属的结合是钎焊结合,增材层与母材的结合为冶金结合。石油钻杆耐磨带增材专机的特点：　　采用高能离子束增材技术获得的复合增材层质量稳定可靠，高能离子束增材层达到无气孔,裂纹及碳化物烧损,熔解等缺陷.碳化物颗粒在增材层中分布均匀。耐磨材料增材层耐磨性高,在磨损严重的工况条件下,复合增材层的耐磨性表现尤为突出,可较通常的铁,钴,镍基舍金表面保护层提高耐磨使用寿命几倍甚至十几倍。具有较高的结合强度.由于增材层与被保护工件表面是冶金结合,因此可以满足很高的强度要求.同热喷涂获得的复合耐磨保护层比较,增材层结合强度是热喷涂层结合强度的3—8倍。驰迈高能离子束增材设备成套专机报价：29.8万第五章：高能离子束增材工艺增材工艺工件尺寸应满足图纸要求。增材合金层硬度应符合设计和使用要求。增材后的合金涂层外观应平整光滑，不得有气孔，缩松，裂纹等缺陷。增材基材表面的形状与尺寸一般为圆形或平面、锥形等。增材前对已经验收的合金粉末选择合适的目数，一般在80-270目，特殊要求选用300目以上的粉末。粉末的加工方式分为水雾化和气雾化，针对高能离子束增材工艺要求，建议使用气雾化的粉末，其增材涂层质量要高于水雾化工艺的粉末。7、在增材前需要对工件表面进行常规清理，表面粗糙度低于Ra6.3，不允许有砂眼和铁锈等氧化物。8、调整喷枪的位置，保证喷枪喷嘴与定位工件的相互位置。9、根据工件和焊道成形尺寸的要求（宽和高）预选进给速度，送粉量、摆幅宽度、喷枪与工件的距离，离子气和送粉气流量等规范参数。10、开机前先通冷却水，检查送粉、送气、供电系统是否正常，检查无误后方可开机工作。11、增材过程11.1严格按增材工艺细则进行增材。11.2调整工艺参数，特别是转移弧电流的大小，要按照熔池状况加以调整。11.3起弧时送粉量应由小到大，不能突然增大，收弧时送粉量应由大到小，不能突然停止送粉，同时电流应由大到小逐步衰减，其衰减时间一般为5-20s，确保焊缝搭接处平滑过渡，保证接头平整。11.4若发现工件故障，如双弧、结珠等现象，应立即停机检查，清理喷嘴、调整钨极尖端与喷嘴的同轴度，距离和离子气流量，其气流量一般在0.6-1m3/h内调整。11.5对于结构刚性大的碳钢和低合金钢焊后要进行消除应力退火，对于不锈钢要进行稳定化热处理。11.6高能离子束增材产品的过程参数都应进行控制，由操作工把控制参数填写在《**工件增材工艺参数记录》上。12、增材后的检验12.1经高能离子束增材的零部件、车削或磨削后测量硬度值，增材工艺按照粉末标注的实际硬度往下减去3-5度即为测试硬度。前期试机试样的对每批工件进行全检，通过磨合后设备性能及工艺掌握熟练后，每批工件抽检不得少于3％，若在抽查中发现有一个零件不合格，应加倍抽查。检验记录按10%比例记录在《过程检验记录》上。12.2对增材质量有问题的部件进行着色探伤检查，合格后转入其他工序。12.3在检查中发现的气孔、微裂纹等缺陷，允许将缺陷清除干净后，用与增材材料相同的耗材及相应工艺进行补焊。12.4涂层表面要求平整高于基材不高于1mm以内，否则很难进行二次加工，也极大限度的降低了成本。增材后表面不允许有气孔、夹杂、咬边及裂纹存在。13、增材操作步骤13.1、准备通电之前根据高能离子束增材工艺规范连接好增材控制回路，检查供气、供水装置。检查喷枪各零件是否装配合适，特别要检查钨极和喷嘴的烧损情况，以及钨极和喷嘴之间的距离（即钨极内缩量）。确认无误后，打开气瓶，打开冷却水箱，接通增材设备电源。13.2、气体预置按下增材设备正面板右上部的离子气预调和保护气预调按钮，此时气体电磁阀打开，开始供气，调节面板上的气体流量计，根据增材工艺，设置离子气和保护气流量。▲注释：气体预置的主要作用有两个：√　检查气体通路，预调气流量。√　排出枪内残留空气，防止引弧时电极被氧化。13.3、引燃维弧一般采用高频引弧。通过维弧电流调节旋钮调节合适的维弧电流，把起弧方式切换开关打到“高频”，按下维弧开关到“开”，此时钨极跟喷嘴之间会产生瞬间高频，击穿两者之间的空气，引燃维弧。▲小心：长时间的高频容易损坏等离子堆焊设备，如果按下开关3秒内没有正常起弧，则应先按下维弧开关到“关”停几秒钟后，再重新引弧。如果多次试图引弧没有成功，则应根据说明书《基本故障预防》里关于不起弧的解决方法，做相应的调整。13.4、开启主弧13.4.1使用外接式高能离子束启动开关，开启主弧时按下外接式增材开关。▲注意：此时务必把增材设备面板上主弧开关打到“关”，否则外接式增材开关不起作用。13.4.2不使用外接式增材设备开关,开启主弧时把面板上主弧开关打到”开”。13.4.3根据增材工艺要求，调节主弧电流至合适值。13.4.4调整喷枪和工件间的距离到合适的起弧距离，一般为7mm-14mm。（按照不同基材及增材要求来设定）13.5增材过程增材过程利用主弧加热和熔化工件，实施合金增材。此时需要严格按照操作说明和培训指南来进行对主弧电流的调节。▲注意：增材过程中喷嘴不能接触工件，否则会烧坏喷嘴。13.6关闭主弧增材过程结束时，按下增材开关或把面板上主弧开关打至“关”，关闭主弧。13.7关闭维弧全部增材工作结束后，将维弧开关打到关。13.8关闭主弧电源将主弧开关打到关。13.9关机断开增材设备输入电源，关闭循环冷却水箱，关闭气瓶。清理现场整理保管好喷枪等附件，清理作业现场。15、增材时的设备参数调节控制（以下按照400A的堆焊设备作为参考）15.1、主弧电流：40-60％，160A-240A；15.2、维弧电流：10-20A；一般不用去调节。15.3、离子气：30-40％，5-6Mpa；15.4、保护气：30-40％，5-6Mpa；15.5、送粉气：30-35％，4-5Mpa；15.6、送粉量：30-50％，根据梯材厚度来进行调节；冷却水温：夏天：20℃；冬天：25℃。16、增材过程中的安全防护16.1、增材工件时必须要带防护面罩，保护眼睛不受强光刺激，面部距离增材工件的不得低于30cm,以免灼伤。16.2、增材电源控制柜后端的总开光不得暴漏在潮湿的环境中，以免造成短路，发生危险。16.3、在控制面板上方白色指示灯亮起时，说明水循环出现故障，不可强行开启堆焊启动开关，以免造成电路或喷枪烧损，一般情况是水箱缺水或没有开启水循环开关，检查完毕后再次开启，直到缺水指示灯熄灭为止。16.4、增材前必须先检查工件接地，自动增材设备都设计有接地夹子，不接地不会起弧，不可强行启动高频主弧，以免造成回路损坏。17、增材设备操作过程中的细节补充17.1、增材工件时先仔细了解基材的材质和是否存在裂纹等隐性因素，打磨后无裂纹后方可进行堆焊，否则在堆焊后裂纹会沿着堆焊层延伸，导致增材无效。17.2、增材过程中的电流调节是按照工件要求来进行合理控制的，按照工件的大小、粗细、厚薄来判断是否需要大电流增材，在摆动时的增材电流应考虑工件的运动速度来调整，速度越快，电流越大，增材层越薄，增材电流越小，需要根据不同合金粉末来调整电流的大小，按照粉末的流动性来合理调节电流是通过现场实践来判断的，工件不同，因此方法也需要灵活改变。17.3、增材过程中的离子气流量的调节根据增材厚度及增材速度来控制，等离子气越大，增材时的冲淡率（熔深）越大，送粉量也相对加大，需要合理掌握工件运动速度，以免影响增材外观，离子气调节的诀窍在于对增材厚度和速度的计算，气量过小，不能送粉，会导致在工件上干烧，出现凹坑。17.4、增材过程中对水循环的水温调整要求：夏天外部环境温度高，水循环的出水温度调节在18-20℃，因为冬天外部温度低，特别是北方，容易出现冰冻，水箱内需要增加防冻液，出水温度需要调整在23-27℃，以保证喷枪的正常工作。17.5、堆焊后的局部瑕疵解决办法：因人为的编程及操作因素而导致增材工件的表面有瑕疵，需要根据不同情况来做特殊处理，一般出现不平整时，只需要在原有涂层上面开启主弧空走一遍，出现凸起时采用相同办法解决；高出其他表面0.35mm以上时的凸起，直接用砂轮片磨掉即可；出现滴珠的现象时，检查粉末及离子气调节；出现未焊透时，调整电流的大小和检查增材基体材料；增材出现气孔时，需要检查粉末和送粉气，如果是生铁材质，堆增材前必须预热。第五章：高能离子束增材案例技术支持：宁波驰迈激光科技有限公司工艺部马球13777042555