激光表面改性在石油工业中的应用

    20世纪60年代激光问世。20世纪70年代中期大功率激光器的出现．使激光加工技术不仅在研究和开发方面得到迅速发展。而且在工业应用方面也取得了长足进步。经过30年的迅猛发展，激光加工技术已在汽车、冶金、纺织等行业得到成功的应用。获得了良好的社会效益和经济效益。激光加工技术从问世以来就得到石油工业的关注并获得了一定应用．如激光切割石油割缝筛管、激光焊接输油管道、高能激光器钻油井、激光测量、激光打标及激光表面强化等。
     在激光加工技术中．激光表面强化具有节省能源、材料的优势和显著的经济效益，已经展现出了广阔的应用前景。本文总结并探讨激光表面改性在石油工业中的应用现状及前景。
    l激光表面改性的原理及分类
    当激光束照射到材料表面时，激光被材料吸收变为热能，表层材料受热升温。由于功率集中在一个很小的表面上，在很短时间内即把材料加热到高温，使材料发生固态相变、熔化甚至蒸发。当激光束被切断或移开后，材料表面快速冷却(冷却速度高10000°C/s)，自然冷却就能实现表面改性。根据激光束与材料表面作用的功率密度、作用时间及作用方式的不同，可实现不同类型的激光表面改性。激光表面改性技术的分类见图1嘲。图2表示出激光表面改性方法在激光功率密度和作用时间坐标系中所处的位置阁。这些过程在很大程度上取决于功率密度和辐照时间。
    2激光相变硬化(激光淬火)的应用
    激光相变硬化是现有各种激光表面处理技术中研究和应用最多的方法之一。用激光束扫描零件表面．其红外线能量被零件表面吸收后迅速升温到极高的温度，此时工件仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用。表面热量迅速向内部传递，使表层冷却并获得极高的冷却速度，故可进行自冷淬火，实现工件表面相变硬化。激光相变硬化工艺以其热影响区小而工件变形少、淬火区晶粒极细且均匀、工件改性效果好等多种优势在提高产品寿命方面占据越来越重要的地位。它能很好地解决机械产品中要求耐磨性好而零件形状复杂、壁薄的零件表面改性问题。激光相变硬化加工方法早在70年代就已在美国通用汽车公司Saginaw工厂的转向器生产线上得到应用。而我国激光热处理的研究、开发、应用起始于70年代。由铁道科学研究院金属化学研究所和中科院长春光学精密机械研究所等单位率先开展该项工作以来。也已有20多年的历史。目前，激光相变硬化加工方法，已广泛应用于汽车、冶金、重型机械等许多工业部门。随着各油田相继进入开采的中后期，机械采油在整个开采量中所占的比重越来越大．抽油泵是机械采油的关键设备．由于所开采液体中含有大量的腐蚀性气体。加上一些井底杂质的磨损，抽油泵的泵筒经常损坏．从而严重影响了开采效率。早在1983年，中科院金属所就与玉门石油机械厂合作，研究抽油泵泵筒内激光淬火(即相变硬化)工艺，于1987年由原石油部组织了鉴定。油田井下使用结果表明。泵筒经激光淬火后，使用寿命提高一倍．但变形甚微，耗电量仅为镀铬工艺的12％。他们还进行了整筒45。钢柱塞和球铁钻井泵缸套的激光淬火试验，均取得了很好的效果。
   

    近些年。许多研究者对抽油泵激光相变硬化工艺进行了大量的研究。例如胜利油田钱晖对内径44～83 rain、长300 mm组合抽油泵缸套进行了激光淬火．缸套内表面硬度达到HRC60～66，硬化层深度达到0．4-0．6 mm，缸套直径上变形仅为0．03 mill左右．远远小于常规热处理的变形量，大幅度提高了生产效率，降低了生产成本。
    随着激光相变硬化工艺的发展。很多研究者使用激光相变硬化+其他强化方法的复合处理工艺。例如，东北输油管理局张鹏吉等通过增加外导光系统，解决了在直径70 mill、长7．6 m整筒抽油泵泵筒内表面进行激光淬火的技术难题。并根据现场试验情况确定了经C-N共渗处理后再进行激光淬火的工艺流程．形成了较完善的整筒泵泵筒激光热处理工艺路线。对泵筒激光淬火工艺与目前普遍采用的泵筒中频淬火工艺进行比较，结果表明，整筒抽油泵泵筒采用C-N共渗后再进行激光淬火，具有生产效率高、耗能少、成本低等优点。并且扩大了泵筒的选材范围。西南石油学院汤富荣等人采用45°钢作为钻井泵缸套材料在中频淬火的基础上再进行激光相变硬化处理。缸套表面获得了硬度高、硬度梯度平坦、支承力强、耐磨性好的强化层。不仅可使缸套在含砂的钻井液介质中具有很强的抗磨损能力，而且还有利于应力的释放，其使用寿命略高于高铬铸铁双金属缸套，且成本较低。
    油管螺纹在上卸时常出现粘扣现象．河南石油勘探局谷志峰利用激光淬火工艺对油管螺纹进行淬火，经处理后的材料表面呈超细化组织结构，表面硬度HVQl340，淬硬层深，牙顶0．5~1.1 mm、牙底0．2-0．4 mm，可解决油管粘扣问题。
    激光相变硬化工艺不仅在井下采油机械中有一定应用．而且在钻井机械的下部钻具中也获得了较多的应用旧。钻杆作为石油钻井、地质钻探、采矿钻孔的必备工具，在钻进过程中起着极其重要的作用。由于地下环境恶劣，使得钻杆的寿命缩短，故难以满足深井钻探的需求。目前。钻杆杆体材料经常采用30CrMnSiA或45MnMoB．在机械加工前只进行常规热处理。吴东江等采用高功率C02激光器，利用正交实验法对钻杆表面进行淬火处理，使钻杆接头表面得到了很高的硬度值(HV 0.1 1150)，比基体组织的硬度值(HV 0.1 380)高两倍以上，比高频淬火、镀硬铬等方法得到的硬度值(HVn 0.1 800)高40％以上，抗磨能力明显提高。文献对钻杆接头材料30 CrMnSiA钢进行了表面相变硬化处理，结果表明，30 CrMnSiA钢表面相变硬化层分为完全淬硬层、过渡层和受热影响的基体组织．硬化层的显微组织明显细化，其表面层的耐磨性明显提高。国外曾有人对井下涡轮钻具中的128700型轴承进行激光快速加热和深层熔化的改性处理，使表层硬度达到HRC57-60，提高了耐磨性，其支承节轴承的平均工作寿命比普通涡轮钻具支承节提高2倍以上。
    齿轮在传动系统中起着传递动力及改变运动速度和方向的作用。激光相变硬化工艺在齿轮表面强化方面的研究和应用也很多。该工艺可以克服传统的齿轮表面强化工艺(如渗碳淬火、感应淬火等)硬化层分布不均、变形大的缺点，能获得沿齿廓分布的均匀硬化层。