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解析光纖激光器在石油產業的應用
石油礦場的工況比較惡劣，很多金屬零部件長期承受重荷，并在有腐蝕、摩擦和磨損的工況下使用．導致其過早發生失效破壞。利用激光表面改性技術能進步材料的硬度和耐磨性。在激光加工技術中，激光表面強化具有節省能源和材料的上風，文章介紹了激光表面改性的原理、分類和金屬表面各種激光改性工藝的特點。重點闡述了激光相變硬化、激光熔覆、激光熔凝、激光合金化、激光沖擊硬化在石油產業中的應用情況，展看了該技術在石油產業中的應用遠景。
20世紀60年代激光問世。20世紀70年代中期大功率激光器的出現．使激光加工技術不僅在研究和開發方面得到迅速發展。而且在產業應用方面也取得了長足進步。經過30年的迅猛發展，激光加工技術已在汽車、冶金、紡織等行業得到成功的應用。獲得了良好的社會效益和經濟效益。激光加工技術從問世以來就得到石油產業的關注并獲得了一定應用．如激光切割石油割縫篩管、激光焊接輸油管道、高能激光器鉆油井、激光丈量、激光打標及激光表面強化等。
在激光加工技術中．激光表面強化具有節省能源、材料的上風和明顯的經濟效益，已經展現出了廣闊的應用遠景。本文總結并探討激光表面改性在石油產業中的應用現狀及遠景。
激光表面改性的原理及分類
當激光束照射到材料表面時，激光被材料吸收變為熱能，表層材料受熱升溫。由于功率集中在一個很小的表面上，在很短時間內即把材料加熱到高溫，使材料發生固態相變、熔化甚至蒸發。當激光束被切斷或移開后，材料表面快速冷卻(冷卻速度高10000°C/s)，自然冷卻就能實現表面改性。根據激光束與材料表面作用的功率密度、作用時間及作用方式的不同，可實現不同類型的激光表面改性。激光表面改性技術的分類見圖1嘲。圖2表示出激光表面改性方法在激光功率密度和作用時間坐標系中所處的位置閣。這些過程在很大程度上取決于功率密度和輻照時間。
當激光束照射到材料表面時，激光被材料吸收變為熱能，表層材料受熱升溫。由于功率集中在一個很小的表面上，在很短時間內即把材料加熱到高溫，使材料發生固態相變、熔化甚至蒸發。當激光束被切斷或移開后，材料表面快速冷卻(冷卻速度高10000°C/s)，自然冷卻就能實現表面改性。根據激光束與材料表面作用的功率密度、作用時間及作用方式的不同，可實現不同類型的激光表面改性。激光表面改性技術的分類見圖1嘲。圖2表示出激光表面改性方法在激光功率密度和作用時間坐標系中所處的位置閣。這些過程在很大程度上取決于功率密度和輻照時間。
激光相變硬化(激光淬火)的應用
激光相變硬化是現有各種激光表面處理技術中研究和應用zui多的方法之一。用激光束掃描零件表面．其紅外線能量被零件表面吸收后迅速升溫到*的溫度，此時工件仍處于冷態，隨著激光束離開零件表面，由于熱傳導作用。表面熱量迅速向內部傳遞，使表層冷卻并獲得*的冷卻速度，故可進行自冷淬火，實現工件表面相變硬化。激光相變硬化工藝以其熱影響區小而工件變形少、淬火區晶粒極細且均勻、工件改性效果好等多種上風在進步產品壽命方面占據越來越重要的地位。它能很好地解決機械產品中要求耐磨性好而零件外形復雜、壁薄的零件表面改性題目。激光相變硬化加工方法早在70年代就已在美國通用汽車公司Saginaw工廠的轉向器生產線上得到應用。而我國激光熱處理的研究、開發、應用起始于70年代。由鐵道科學研究院金屬化學研究所和中科院長春光學精密機械研究所等單位開展該項工作以來。也已有20多年的歷史。目前，激光相變硬化加工方法，已廣泛應用于汽車、冶金、重型機械等很多產業部分。隨著各油田相繼進進開采的中后期，機械采油在整個開采量中所占的比重越來越大．抽油泵是機械采油的關鍵設備．由于所開采液體中含有大量的腐蝕性氣體。加上一些井底雜質的磨損，抽油泵的泵筒經常損壞．從而嚴重影響了開采效率。早在1983年，中科院金屬所就與玉門石油機械廠合作，研究抽油泵泵筒內激光淬火(即相變硬化)工藝，于1987年由原石油部組織了鑒定。油田井下使用結果表明。泵筒經激光淬火后，使用壽命進步一倍．但變形甚微，耗電量僅為鍍鉻工藝的12％。他們還進行了整筒45。鋼柱塞和球鐵鉆井泵缸套的激光淬火試驗，均取得了很好的效果。
近些年。很多研究者對抽油泵激光相變硬化工藝進行了大量的研究。例如勝利油田錢暉對內徑44～83 rain、長300 mm組合抽油泵缸套進行了激光淬火．缸套內表面硬度達到HRC60～66，硬化層深度達到0.4-0.6 mm，缸套直徑上變形僅為0.03 mill左右．遠遠小于常規熱處理的變形量，大幅度進步了生產效率，降低了生產本錢。
隨著激光相變硬化工藝的發展。很多研究者使用激光相變硬化+其他強化方法的復合處理工藝。例如，東北輸油治理局張鵬吉等通過增加外導光系統，解決了在直徑70 mill、長7.6 m整筒抽油泵泵筒內表面進行激光淬火的技術困難。并根據現場試驗情況確定了經C-N共滲處理后再進行激光淬火的工藝流程．形成了較完善的整筒泵泵筒激光熱處理工藝路線。對泵筒激光淬火工藝與目前普遍采用的泵筒中頻淬火工藝進行比較，結果表明，整筒抽油泵泵筒采用C-N共滲后再進行激光淬火，具有生產效率高、耗能少、本錢低等優點。并且擴大了泵筒的選材范圍。西南石油學院湯富榮等人采用45°鋼作為鉆井泵缸套材料在中頻淬火的基礎上再進行激光相變硬化處理。缸套表面獲得了硬度高、硬度梯度平坦、支承力強、耐磨性好的強化層。不僅可使缸套在含砂的鉆井液介質中具有很強的抗磨損能力，而且還有利于應力的開釋，其使用壽命略高于高鉻鑄鐵雙金屬缸套，且本錢較低。
油管螺紋在上卸時常出現粘扣現象．河南石油勘探局谷志峰利用激光淬火工藝對油管螺紋進行淬火，經處理后的材料表面呈超細化組織結構，表面硬度HVQl340，淬硬層深，牙頂0.5~1.1 mm、牙底0.2-0.4 mm，可解決油管粘扣題目。
激光相變硬化工藝不僅在井下采油機械中有一定應用．而且在鉆井機械的下部鉆具中也獲得了較多的應用舊。鉆桿作為石油鉆井、地質鉆探、采礦鉆孔的*工具，在鉆進過程中起著極其重要的作用。由于地下環境惡劣，使得鉆桿的壽命縮短，故難以滿足深井鉆探的需求。目前。鉆桿桿體材料經常采用30CrMnSiA或45MnMoB．在機械加工前只進行常規熱處理。吳東江等采用高功率CO2激光器，利用正交實驗法對鉆桿表面進行淬火處理，使鉆桿接頭表面得到了很高的硬度值(HV 0.1 1150)，比基體組織的硬度值(HV 0.1 380)高兩倍以上，比高頻淬火、鍍硬鉻等方法得到的硬度值(HVn 0.1 800)高40％以上，抗磨能力明顯進步。文獻對鉆桿接頭材料30 CrMnSiA鋼進行了表面相變硬化處理，結果表明，30 CrMnSiA鋼表面相變硬化層分為*淬硬層、過渡層和受熱影響的基體組織．硬化層的顯微組織明顯細化，其表面層的耐磨性明顯進步。國外曾有人對井下渦輪鉆具中的128700型軸承進行激光快速加熱和深層熔化的改性處理，使表層硬度達到HRC57-60，進步了耐磨性，其支承節軸承的均勻工作壽命比普通渦輪鉆具支承節進步2倍以上。