解析光纖激光器在石油產業的應用

寂靜天花板

激光熔凝是以很高的激光功率密度、在極短的時間內與金屬交互作用，使金屬表面局部區域在瞬間被加熱到相當高的溫度使之熔化，隨后借助于冷態的金屬基體吸收和傳導熱的作用，使已熔化的極薄表層金屬快速凝固。激光熔凝得到的是鑄態組織．其硬度較高。耐磨性亦較好。其工藝過程與激光相變硬化類似，只不過功率密度和輻照時間存在差異。鋁合金表面熔凝可以改善表層組織。使其細化．清除表面缺陷，進步鋁的使用性。銅合金表面重熔、熔凝層組織更加細密均勻，導電性和耐磨性進步。對接觸電極導電性起重要作用。該工藝在冶金行業比較典型的是軋輥激光毛化技術。可以在毛化的同時，使激光作用區的材料獲得超常硬度．給軋面帶來超常的強韌化效果，延長軋輥使用壽命。激光熔凝在石油行業中的應用較少。前蘇聯鉆井技術研究所等單位用1 kW的CO2氣體激光器對128700型軸承表面進行短周期的激光快速加熱和深層熔化．然后控制冷卻速度，使鋼球的表面硬度為HRC57-58；軸圈和座圈的表面光潔度高。不必精加工，而且滾道的耐磨性好，強化深度可達1.2 cm。
激光合金化類似于激光熔覆．但二者又有不同。激光合金化和激光熔覆都是利用高功率密度的激光束照射被覆在工件表面的金屬或合金涂層。使之熔融。從而強化表面的工藝。二者的主要區別在于基材表面的熔融程度。激光合金化是用激光束照射被覆純金屬或合金涂層的工件表面。在基材上形成熔池。使合金元素因表面張力和溫度梯度引起機械攪拌，以及在熔池中的擴散，可在極短的時間內熔于一層厚度為10-1 0熔化層內，以到表面合金化的目的。激光合金化中加進的元素和基材一起熔化。并混進融化的基材中形成一種新的合金．其成分既不同于外加合金。也不同于基材。我國已開始把激光合金化技術應用到實際產品上，以此來強化新型高溫結構材料．以進步其耐磨性圈。當激光脈沖功率足夠高時(109 W/cm2)，短時間內金屬表面產生汽化、膨脹、爆炸，產生的沖擊波對金屬表面形成很大壓力．使材料表面塑變、位錯等．從而能明顯進步材料的硬度、屈服強度和抗疲憊性能。由激光沖擊波作用，使材料表面硬化和強度進步的方法稱為激光沖擊硬化。這一方法在航空產業中得到應用。航空鋁的激光沖擊硬化層可使疲憊強度進步4.5-9.8倍。奧氏體鋼經5次沖擊硬化后，硬度進步20％-40％，Ti及其合金經激光沖擊硬化也有較好效果。

& w7 y& M6 G% z, ~$ t近年來．激光表面強化處理已經從相變硬化階段、表面合金化階段發展到反應表面強化階段--即在一定條件下。通過化學反應而在基材表面天生一些強化相，以達到強化的目的，它可分為激光物理氣相沉積(LPW)和激光化學氣相沉積(LCVD)。在機械領域．尤以金屬材料的激光陶瓷涂層和涂膜技術引人注目。可以通過控制激光功率密度與處理時間來獲得不同性質、不同厚度的陶瓷涂層和涂膜陶。這一技術主要應用于電子產業中。但在石油石化行業的應用還有待于開展研究工作。
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總結：

石油礦場的工況比較惡劣。很多金屬零部件長期承受重載荷并在有腐蝕、磨損的工況下使用，致使其過早發生失效破壞，進而縮短使用壽命。停產檢驗和更換新部件．既增加材料本錢．又影響油田生產，帶來多方面的損失。利用激光表面改性技術能使低等級材料實現高性能表層改性。達到零件低本錢與工作表面高性能的最佳結合。為解決整體改性和表面改性的矛盾帶來了可能性，對重要構件材質與性能的選擇匹配、設計、制造產生重要的影響。目前。激光相變硬化和激光熔覆在石油石化行業已獲得了一定應用，但主要局限于井下采油機械和井下鉆井機械方面。激光加工技術在石油機械行業中還未得到廣泛應用，還有很多設備的加工值得采用激光強化技術。例如石油礦場、石化工廠有很多關鍵性的易損部件，對損壞零件棄舊換新本錢高，若能使用激光熔覆修復重新利用，則能明顯降低本錢。另外．輸油管、鉆柱在石油產業中用量大、質量要求高，如能研究出一種高效、實用、經濟的高功率激光加工系統，使管材內外表面淬火硬化、合金化、非晶化、上釉等，便可解決其腐蝕疲憊斷裂題目，具有明顯的經濟效益。另外，若能用激光表面強化技術對石油產業中用量很大的抽油桿柱進行強化和修復，其經濟效益也是非常可觀的。