[其他]一种表面硬化激光处理工艺及装置

说明书

本发明涉及表面处理领域，尤其适用于长圆筒内表面的硬化处理。

长期以来，长圆筒内表面的硬化处理一直未得到合理解决，在此仅举抽油泵筒内表面的抗原油磨蚀处理一例。目前国内外均采用渗碳、淬火、低温回火或碳氮共渗的工艺来解决其表面硬化问题，由于我国现有表面处理的技术水平还不能解决长抽油泵筒内表面硬化问题，因此只好采用将短筒相接成长筒的方法，这种方法需将许多个150～300mm以下的短筒接在一起，再用一个外套筒将这些短筒套住，因而一只油井抽油泵至少需要20多节短筒和一个外套筒，而且每个套筒之间的对中精度要求得很高，这就必然地使得工艺变得复杂化。生产效率大为降低，也给现场安装和维修带来了极大的不便。虽然美国已通过碳氮共渗方法解决了对长抽油泵筒内表面的硬化处理问题，但是引进该项技术仅设备费就需100多万美元，另外还需建造具有能处理长圆筒的热处理炉的车间，不仅如此，购买该项技术还必须引进材料，这不但要花费巨额外汇，而且也不利于我国材料的合理开发使用。

本发明为解决长圆筒，尤其是长抽油泵筒的内表面硬化处理问题，提供一种长圆筒内表面激光处理的工艺和装置。

本发明的主要特征是将欲处理的长圆筒工件放置在一个可以产生螺旋运动的激光装置上，激光束从单模或低阶模CO₂激光器输出，其激光束全发散角＜6毫弧度，激光束工作点直径3～4mm，激光束功率900～1200W，激光处理速度30～50mm/S。输出的激光束通过与光轴成45°角的反射镜导入圆筒内表面上，同时由微机数控，由步进电机和分瓣齿轮卡具（5）或图2中空卡盘（5′）组成的转动机构，从而使圆筒的转动与球面聚焦反射镜支承杆（7）的移动相配合，产生螺旋面扫描，螺旋处理螺距为2.5～4mm。本装置可采用两个以上的反射镜，其中最接近于球面聚焦反射镜的终端反射镜（2）和球面聚焦反射镜（3）反向平行，而球面聚焦反射镜安置在与可在机床底座（8）上作直线移动的支承座（9）相连接的支承杆（7）上。另外在使用本装置处理之前，欲处理的长圆筒必须首先进行化学浸蚀黑化予处理，然后才可进行表面硬化激光处理。

下面给出本发明的实施例1，其装置如图1所示。

由图1可见激光束从功率为1.5KW低阶膜的CO₂激光器（1）中输出，通过与光轴成45°角的反射镜（2）导入泵筒（4）内，再通过球面反射镜（3）聚焦到泵筒内表面上，由微机数控转动机构，该转动机构中的步进电机带动卡在圆筒上的分瓣齿轮卡具（5）转动，从而使泵筒（4）的转动与球面聚焦镜支承杆（7）的移动相配合，产生螺旋面扫描。图中（6）为转动支承座，（8）为机床底座，（9）为聚焦反射镜支承杆的支承座。

本装置可采用不同的工艺条件处理不同材料的长圆筒工件，下面给出不同材料制成的长圆筒工件的处理工艺：

1）欲处理工件：经过黑化处理的φ70×2100mm的抽油泵筒

材料    45＃钢

激光束发散角    ＜6毫弧度

激光束功率    1100W

激光束工作点直径    3mm

激光处理速度    40mm/S

螺旋扫描螺距    3mm

保护气体N₂8升/分

经过上述工艺条件处理的长抽油泵筒的内表面硬化层宽3.5mm，层深0.35mm，HV780，变形不直度＜0.015mm/100mm，耐磨蚀性能提高1.6倍。

2）欲处理工件：经黑化处理的φ5.6×300mm的抽油泵筒

材料    20CrMo

激光束发散角    ＜6毫弧度

激光束功率    1200W

光束直径    3mm

扫描速度    50mm/S

螺旋扫描螺距    2.8mm

保护气氛N₂8升/分

经上述工艺条件处理的内表面硬化层宽3.4mm，层深0.35mm，HV750～950，变形不直度在珩磨公差范围内，耐磨蚀性能提高1.5倍。

3）欲处理工件：经黑化处理的φ95×7500mm长抽油泵筒

材料    42CrMo

激光束发散角    ＜6毫弧度

激光束功率    1100W

光束直径    3mm

扫描速度    40mm/S

螺旋扫描螺距    3mm

保护气氛N₂8升/分