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激光雕刻柱塞表面
发表时间:2020-08-11     阅读次数:138     字体:【

纳秒激光雕刻柱塞表面工艺参数研究


采用纳秒激光在压裂泵柱塞表面进行激光雕刻实验,考虑激光功率、扫描速度、烧结次数、移动路径4种工艺参数,借助白光干涉仪获得雕刻后的织构三维形状及其几何尺寸,对比分析各工艺参数对织构体积的影响。研究结果表明:增加激光功率可以显式提高柱塞表面织构的体积;激光扫描速度对织构体积的影响程度随速度的增加而降低;适当增加烧结次数可以实现对烧蚀体积微弱修正;采用弓形路径相比环形路径所获得的烧蚀体积增量较大。

关键词:纳秒激光;压裂泵柱塞;工艺参数;织构体积

1 引 言

柱塞是压裂泵实现油气开采中固井压裂作业的重要部件之一,安装于压裂泵动力端与液力端之间,其工作环境恶劣且容易损坏。研究表明,在柱塞工作表面分布合理的织构可以有效改善柱塞工作表面与密封件之间的润滑性能[1],同时达到储存磨屑的效果,进而增加柱塞的使用寿命[2-3]。柱塞表面织构就是在柱塞工作表面通过传统机加工或激光加工出一组具有特定排列顺序、几何特征的微小凹坑[4]

激光技术的高速发展,逐渐取代了传统机加工在微小织构雕刻领域中的应用[5]。激光雕刻原理一般被认为是高能量脉冲激光轰击材料表面导致表面物质发生化学刻蚀效应和汽化效应从而形成雕刻痕迹。激光雕刻工艺参数(如激光功率、脉冲宽度、重复频率、扫描速度等)对织构几何特征产生着重要影响。利用激光对某种材料进行雕刻,其刻蚀深度总是同雕刻系统的工艺参数息息相关,表现出较强的设备相关性,工艺参数的种类会因实验设备的不同而不同[6]。同时,不同的雕刻应用对工艺参数的具体要求也不一样,原因在于不同材料的波长吸收率函数关系和材料表面的光波吸收率不同且难以精确计算[7]。尽管增加激光功率和降低扫描速度都增加材料单位面积所吸收的能量,但雕刻效果并不完全相同[8]

国内外学者已经开展了大量关于激光技术应用到金属表面微加工的研究,其特征主要为:以各个型号钢材、铝材、Fe-Ni合金、304/316不锈钢等金属材料为加工对象,以激光功率、扫描速度、重复频率、填充路径间距、脉冲宽度等参数作为基本变量,以凹坑深度、加工效率、凹坑质量作为主要评价指标,少数学者选择以纳米硬度、弹性模量、表面残余应力、表面粗糙度等作为评价指标[9-13]

基于此,本文以压裂泵柱塞表面镀层为主要研究对象,通过改变激光功率、扫描速度、雕刻次数、移动路径4种激光雕刻工艺参数,进行大量的全尺寸激光雕刻实验。以所雕刻的织构体积作为评价指标,充分研究激光雕刻工艺参数对柱塞表面微型织构体积的影响,为后期的织构化柱塞加工工艺提供重要技术参考和数据支撑。

2 全尺寸激光雕刻实验

2.1 实验试样

实验试样取自于压裂泵的全尺寸柱塞,由线切割加工而成,如图1所示。全尺寸柱塞直径为101.6 mm,基体材料为20#钢,柱塞基体表面电镀有一定厚度(远大于激光雕刻深度)的镀层,其主要材料为金属铬。

图1 实验试样

Fig.1 Sample

2.2 实验设备

激光雕刻设备采用上海三克激光科技有限公司生产的纳秒光纤激光雕刻机,如图2所示。激光雕刻机主要由光学模块、主控模块、软件操作模块、振镜驱动器和计算机组成。激光光源中心波长1.06 μm,光斑直径为60 μm。

图2 纳秒光纤激光雕刻机

Fig.2 Nanosecond optical fiber laser engraving machine

激光雕刻后的织构形貌由美国布鲁克道尔顿公司生产的Contour GT-K1型白光干涉仪进行三维扫描获得,如图3所示。通过图像分析处理软件Vision64可以精确获得织构的体积值。

图3 白光干涉仪

Fig.3 The white-light interferometer

2.3 实验步骤

实验内容分为两部分:激光雕刻圆形织构(直径为0.2 mm)实验、白光干涉仪测量织构特征实验。实验考虑的激光参数包括激光功率、扫描速度、雕刻次数、移动路径(见图4)。四种参数取值如表1所示。

表1 激光雕刻工艺参数

Tab.1 Laser engraving process parameters

图4 激光移动路径

Fig.4 Laser moving path

采用白光干涉仪测量每个织构的三维形状及几何尺寸,软件计算出激光雕刻后的有效体积值。有效体积值定义为基准面(非雕刻面)以下的凹坑体积值,如图5所示。

图5 有效体积值测量方法

Fig.5 Measurement method of the effective volume

2.4 评价指标

柱塞表面雕刻织构的目的在于减少磨损、降低摩擦力、降低温升。其作用原理主要体现在两个方面,一是织构的凹坑在柱塞与密封件往复运动的过程中可以储存润滑液,并持续提供给摩擦副,实现流体动压润滑,从而实现其降磨、减摩、降温的作用;二是在摩擦过程中,摩擦副不可避免地会出现材料剥离现象,织构的凹坑可以储存磨粒,从而避免产生二次磨损。可以看出,柱塞表面织构体积的大小,决定了可储存润滑液的多少和储存磨粒的能力。因此,对于柱塞表面织构几何参数的评价,选用体积作为评价指标更具有实际应用价值。

3 结果与讨论

3.1 激光功率对织构体积的影响

改变激光功率是显式提高柱塞表面单位面积所接收的能量,对织构体积值的影响最为明显。如图6所示,激光光斑以100 mm/s的速度沿弓形路径移动,分别雕刻1次、2次、3次,随着激光功率从12 W依次提高至15 W、18 W时,织构的体积呈现近乎翻倍式的增长趋势。激光发生器所使用的功率越大,处于焦点位置的光斑上所聚集的能量越多,光斑扫略柱塞表面的瞬间,单位面积柱塞表面上所吸收的热量也就越多,被照射区域材料熔融和气化程度增加,最终所形成的雕刻凹坑体积越大。

从图6可以得出,仅通过改变激光功率增加柱塞表面织构体积更类似传统机加工中的粗加工工艺,有利于快速获得被加工材料的基本形状,但是难以控制单次切削被加工材料的体积。

图6 激光功率对织构体积的影响

Fig.6 Effect of laser power on texture volume

3.2 扫描速度对织构体积的影响

激光扫描速度的快慢直接影响了光斑在扫描柱塞表面时光斑的重叠程度,从而引起被辐照表面单位面积内所吸收能量的改变,是一种间接式地改变柱塞表面吸收能量的方式。同时,激光移动速度的快慢也是影响激光加工效率的主要因素之一。

如图7所示,激光功率为12 W,光斑沿弓形路径以不同速度移动,当激光雕刻次数固定时,光斑以100 mm/s的速度扫描柱塞表面,烧蚀所形成的体积明显高于其他三种扫描速度。

图7 激光扫描速度对织构体积的影响

Fig.7 Effect of laser scanning speed on texture volume

同时,随着速度从200 mm/s继续加快,烧蚀体积的缩减程度逐渐减缓。产生这种现象的原因在于,当速度以固定增量变化时,即相邻两个光斑圆心之间的距离以等间距分布,由于激光光斑为圆形,导致光斑重叠程度随着光斑圆心距离的增加而急剧降低。

3.3 烧结次数对织构体积的影响

烧结次数表示激光光斑沿某一路径扫描一个完整织构重复扫描的频率。如图8所示,激光功率为15 W,光斑分别在四种移动速度下沿弓形路径扫描柱塞表面,扫描次数分别为1次、2次、3次、4次。

当激光功率为15 W,且光斑以100 mm/s的速度沿弓形路径扫略柱塞表面时,随着光斑对完整的织构重复扫描次数的增加,所烧蚀的体积明显增加且体积增量基本保持相同。当移动速度分别为300 mm/s、400 mm/s时,明显的体积增量仅出现在光斑第2次柱塞表面之后,第3次、第4次的扫描结果更趋向于对第2次扫描之后所获得的烧蚀体积的微弱修正。移动速度为200 mm/s且扫描次数为第3次到第4次时所产生的织构体积负增长现象,更应看作为前述两种特征的过渡阶段。

图8 激光烧结次数对织构体积的影响

Fig.8 Effect of laser repetition rate on texture volume

从图8可以得出,适当增加烧结次数所产生的“体积修正”现象更类似于传统机加工中的精加工,如磨削、研磨等工艺。“体积修正”现象有利于实验获得形状更为规整的织构。

3.4 移动路径对织构体积的影响

移动路径表示激光光斑为完成一个织构扫描操作所移动的路线,移动路径由实验者确定,本实验仅考虑弓形路径和环形路径。弓形路径表示光斑沿水平-竖直-水平-竖直的方向移动,相邻水平移动方向相反且距离由织构几何参数确定,竖直移动距离为路径间距(实验取0.01 mm)。环形路径表示光斑沿一个个同心圆圆周从织构边缘向织构中心点的方向移动。

如图9所示,激光功率为18 W,光斑以200 mm/s的速度移动,当烧结次数持续增加时,光斑沿弓形路径烧蚀所产生的织构体积增量均高于沿环形路径烧蚀所产生的体积增量。这表明在确定弓形路径的基础上,仅增加烧结次数就可以获得明显的织构体积增量。若选择环形路径,增加烧结次数则更易实现对织构体积的微弱修正。

图9 激光移动路径对织构体积的影响

Fig.9 Effect of laser scanning path on texture volume

当烧结次数分别为1次、2次、3次、4次时,光斑沿弓形路径扫略所产生的织构体积均高于沿环形路径扫略所产生的织构体积。光斑沿弓形路径和环形路径扫描一个完整的织构所移动的距离分别为3.39 mm和3.45 mm,可见当其他激光参数固定不变时,光斑移动路径的不同并不影响柱塞表面单位面积上所吸收的能量,即辐照能量不是导致织构体积变化的主要原因。对比环形和弓形两种路径发现,光斑沿弓形路径相邻两次水平移动所间隔的时间较环形路径短。光斑第一次辐照柱塞表面时所剩余的能量来不及散去,使得第二次辐照能量所引起的材料熔融和气化程度增加,材料去除体积固然会增加。可以认为,改变路径不影响柱塞表面单位面积上所吸收的能量,但会影响所吸收能量对材料熔融和气化的贡献程度。

4 结 论

在压裂泵柱塞表面开展了大量的激光雕刻实验,通过改变激光功率、扫描速度、雕刻次数、移动路径4种工艺参数,得到了工艺参数对柱塞表面织构体积的影响规律:

(1)增加激光功率可以显式提高柱塞表面织构体积,类似于机加工中的粗加工工艺;

(2)激光扫描速度对织构体积的影响程度随速度的增加而降低;

(3)适当增加烧结次数可以实现在第一次柱塞表面烧蚀的基础上进行烧蚀体积的微弱修正;

(4)相同工况下,采用弓形路径可以实现明显的烧蚀体积增量,采用环形路径所获得体积增量非常小。


 
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