提高PDC鉆頭復(fù)合片釬焊質(zhì)量的工藝研究

提高PDC鉆頭復(fù)合片釬焊質(zhì)量的工藝研究摘要：PDC鉆頭是現(xiàn)在石油鉆井工具中使用最多的鉆頭種類(lèi)，它的性能直接影響鉆井工程的勘探進(jìn)度，具有壽命長(zhǎng)、耐磨性高、成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，釬焊復(fù)合片的焊接強(qiáng)度會(huì)直接影響PDC鉆頭的使用性能，特別是壽命，而焊接工藝又是影響焊接強(qiáng)度的重要因素，本論文對(duì)多種焊接工藝研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，焊釬齒孔和復(fù)合片之間的間隙的尺寸精度控制在0.2毫米以下效果好，焊前對(duì)齒孔和復(fù)合片噴砂處理效果好，焊接時(shí)溫度控制在700度以下最好，焊后爐內(nèi)冷卻效果高于自然冷卻，魯科斯（LucasMilhaupt）PDC鉆頭專(zhuān)用銀焊絲焊接強(qiáng)度最高。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭釬焊焊接強(qiáng)度火焰釬焊

前言

PDC鉆頭作為鉆井過(guò)程中主要的巖石破碎工具，其質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響鉆井速度、鉆井質(zhì)量和鉆井成本。目前鉆井中用的鉆頭有牙輪鉆頭、金剛石材料鉆頭及刮刀鉆頭三大類(lèi)。PDC鉆頭是金剛石材料鉆頭一類(lèi)，它是用人造聚晶金剛石切削塊嵌于鉆頭胎體而制成的一種新型切削型鉆頭。它以牙齒鋒利、高耐磨、能自銳的金剛石切削塊作為切削元件，從而能夠在低鉆壓（40KN左右）下取得高進(jìn)尺（為牙輪鉆頭的4-6倍）和高鉆速（高于牙輪鉆頭2倍以上）。它比牙輪鉆頭具有更高的安全性，可以極大地提高鉆井工作效率和減低鉆井成本。在大段軟到中等硬度地層具有突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是在成本高的海洋鉆井中和超深井及小井眼鉆井中PDC鉆頭更具有牙輪鉆頭不可比擬的優(yōu)勢(shì)。聚晶金剛石復(fù)合片以廣泛應(yīng)用于制造金屬切削工具，石油鉆井、地質(zhì)鉆探、石材加工等，釬焊則是制造這類(lèi)工具的關(guān)鍵技術(shù)之一。聚晶金剛石復(fù)合片是將聚晶金剛石復(fù)合片焊接到鉆頭體或硬質(zhì)合金面上形成的切削型鉆頭，復(fù)合片是制造鉆頭的最關(guān)鍵原材料，復(fù)合片上的聚晶金剛石層的熱穩(wěn)定實(shí)效溫度是700度，如果超過(guò)，金剛石于硬質(zhì)合金襯底結(jié)合面易分層，金剛石層的耐磨性也將因石墨化而下降，因此，焊接過(guò)程溫度要控制在700度以下，目前普遍采用氧氣乙炔火焰釬焊，所以本論文研究怎么提高PDC鉆頭釬焊質(zhì)量方法，而焊接工藝確定時(shí)，焊接質(zhì)量的提高和控制就主要在焊接的工藝流程中了

1火焰釬焊的特點(diǎn)

火焰釬焊，其特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便，應(yīng)用十分廣泛。應(yīng)用火焰釬焊技術(shù)的設(shè)備價(jià)格低而且可以保證獲得較高的釬焊質(zhì)量，可釬焊形狀不規(guī)則的產(chǎn)品，釬焊焊縫，平整光滑。外形美觀可隨時(shí)觀察到釬焊過(guò)程中的不良及時(shí)控制避免產(chǎn)生過(guò)多的不良品，保證了釬焊焊料填充的均勻性和穩(wěn)定性，釬焊火力的大小及釬焊時(shí)間均可自由設(shè)定。

PDC鉆頭的刀翼不規(guī)則并且空間位置每一個(gè)需要焊接的復(fù)合片都不一樣，采用火焰釬焊的效率和可操作性最高。

基于聚晶金剛石復(fù)合片的特性及對(duì)焊材的要求，在火焰的選擇上一般選用氧乙炔的中性焰或外焰加熱，這樣可以防止聚晶金剛石復(fù)合片的熱損傷和釬料及釬焊金屬的過(guò)分氧化，還可避免釬焊焊縫區(qū)金屬晶粒長(zhǎng)大，影響焊縫強(qiáng)度性能，釬焊操作時(shí)應(yīng)先加熱鉆頭鋼體，當(dāng)釬焊焊劑開(kāi)始融化后，再將火焰移至復(fù)合片上加熱達(dá)到釬焊溫度，火焰釬焊需要添加阻焊劑，且釬焊周?chē)芯植勘谎趸目赡?，這對(duì)火焰溫度的調(diào)節(jié)也存在一定的局限性，所以這對(duì)操作者要求高，操作者要對(duì)焊接時(shí)的溫度憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制。

2釬焊焊料的選擇

目前釬焊使用的釬料主要有銅基釬料、銀基釬料、金基釬料。銅基釬料的釬焊強(qiáng)度相對(duì)于其他兩種釬料來(lái)說(shuō)。焊接強(qiáng)度高，而且價(jià)格低，但銅基釬料的釬焊溫度較高，所以容易對(duì)焊件造成熱損傷，我們一般不使用銅基釬料，而金基釬料的焊接強(qiáng)度，但相對(duì)于銀基釬料價(jià)格要高出很多，不宜推廣，因此銀基釬料的性?xún)r(jià)比比較高，且釬焊強(qiáng)度能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用的要求，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)魯科斯（LucasMilhaupt）PDC鉆頭專(zhuān)用銀焊絲焊接強(qiáng)度最高，且在焊接時(shí)的穩(wěn)定性很好

3釬焊前的準(zhǔn)備

釬焊復(fù)合片之前，準(zhǔn)備工藝對(duì)焊接質(zhì)量起著決定性作用，主要有一下三點(diǎn)。

3.1釬縫的尺寸

PDC鉆頭復(fù)合片齒孔和復(fù)合片之間釬縫的間隙尺寸，一定要保證在0.2毫米以下，這樣的焊接強(qiáng)度最高，如果超過(guò)，釬縫的強(qiáng)度下降，會(huì)有掉片的可能

3.2被連接材料的表面處理

去除鉆頭刀翼表面和復(fù)合片氧化層或者油污，最理想的工藝就是噴砂處理，也是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的，去除氧化層后，用氣槍清理鉆頭齒孔，保證焊接表面的干凈，復(fù)合片表面噴砂處理完成后不要用手直接拿，這樣會(huì)在復(fù)合片表面留下水印，最理想的是用夾子

3.3在需要釬焊的齒孔和表面涂抹焊劑

應(yīng)為鉆頭和復(fù)合片需要提前加熱，如果不提前涂抹好焊劑，在加熱過(guò)程中焊接表面容易氧化，提前涂抹好焊劑可以保證釬焊焊料的潤(rùn)濕性，加快焊料的擴(kuò)散，復(fù)合片需要在專(zhuān)用的加熱容器內(nèi)加熱，提前把焊劑加熱成液體，再把復(fù)合片放進(jìn)去，從而達(dá)到充分的潤(rùn)濕

4焊前加熱

PDC鉆頭焊前加熱溫度最好在550-600度之間，過(guò)高容易氧化，過(guò)低焊接時(shí)間拖長(zhǎng)，從而會(huì)降低復(fù)合片性能，加熱時(shí)間最好控制在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)，一般采用電阻爐加熱，也可以采用高頻整體加熱加火焰局部加熱的方法，總之溫度不宜超過(guò)600度，可以采用熱電偶和紅外測(cè)溫儀來(lái)測(cè)量溫度

5焊中的溫度控制

在釬焊過(guò)程中，需要三個(gè)人來(lái)配合，達(dá)到控制溫度、充分潤(rùn)濕、填滿(mǎn)焊料、保證復(fù)合片空間位置、縮短焊接時(shí)間的目的

5.1氣焊工

需要憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制焊接時(shí)的溫度，不超過(guò)700度，一般鉆頭體成暗紅時(shí)溫度適宜，火焰的停留時(shí)間和火焰高度要隨時(shí)調(diào)整，保證添加焊料的及時(shí)性和焊料充分潤(rùn)濕填滿(mǎn)整個(gè)釬縫

5.2轉(zhuǎn)齒工

在焊接過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片，讓復(fù)合片在齒孔里轉(zhuǎn)動(dòng)自如，在焊料充分填滿(mǎn)整個(gè)焊縫間隙后，把復(fù)合片后端頂?shù)轿?，保證空間位置

5.3輔助工

在整個(gè)焊接過(guò)程中，添加焊劑，一般是焊粉，保證焊接過(guò)程中，焊料的充分潤(rùn)濕，從而到達(dá)焊料快速填滿(mǎn)釬縫的目的

6焊后冷卻

由于PDC鉆頭體和復(fù)合片的材質(zhì)不同，其收縮系數(shù)也不同，釬縫在冷卻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而降低焊接強(qiáng)度，所以焊接完，PDC鉆頭主要需要在保溫桶內(nèi)冷卻，冷卻時(shí)間不低于6小時(shí)

7改進(jìn)后質(zhì)量對(duì)比

由于鉆頭都是在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用，可以直接對(duì)比出區(qū)別，所以采用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證效果，從2017-2018年之間嚴(yán)格按照改進(jìn)后的釬焊焊接工藝焊接，其使用結(jié)果發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定性大幅提高，PDC鉆頭在較復(fù)雜地層和中硬、較硬地層中鉆進(jìn)從未出現(xiàn)過(guò)掉片現(xiàn)象，獲得滿(mǎn)意效果

8結(jié)論

(1)在電阻爐加熱，氧乙炔火焰釬焊的工藝下，影響焊接強(qiáng)度最主要的因素是，焊前準(zhǔn)備，焊前處理的好，可以獲得較高的焊接強(qiáng)度

(2)焊后爐內(nèi)保溫，可以獲得較穩(wěn)定的焊接強(qiáng)度值

(3)噴砂工藝是對(duì)焊接面去除氧化層最高效的方法

(4)復(fù)合片在有焊劑的容器里加熱，可以提高表面的潤(rùn)濕性

參考文獻(xiàn)

[1]劉曉燕，李鎖智等：PDC鉆頭的研究（R）西安：煤炭科學(xué)研究總院西安分院，2001.