提高PDC钻头复合片钎焊质量的工艺研究

提高PDC钻头复合片钎焊质量的工艺研究

王露

新疆贝肯能源工程股份有限公司新疆克拉玛依834000

摘要：PDC钻头是现在石油钻井工具中使用最多的钻头种类，它的性能直接影响钻井工程的勘探进度，具有寿命长、耐磨性高、成本低、应用范围广等优点，钎焊复合片的焊接强度会直接影响PDC钻头的使用性能，特别是寿命，而焊接工艺又是影响焊接强度的重要因素，本论文对多种焊接工艺研究，试验结果表明，焊钎齿孔和复合片之间的间隙的尺寸精度控制在0.2毫米以下效果好，焊前对齿孔和复合片喷砂处理效果好，焊接时温度控制在700度以下最好，焊后炉内冷却效果高于自然冷却，鲁科斯（LucasMilhaupt）PDC钻头专用银焊丝焊接强度最高。

关键词：PDC钻头钎焊焊接强度火焰钎焊

前言

PDC钻头作为钻井过程中主要的岩石破碎工具，其质量的优劣将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。目前钻井中用的钻头有牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀钻头三大类。PDC钻头是金刚石材料钻头一类，它是用人造聚晶金刚石切削块嵌于钻头胎体而制成的一种新型切削型钻头。它以牙齿锋利、高耐磨、能自锐的金刚石切削块作为切削元件，从而能够在低钻压（40KN左右）下取得高进尺（为牙轮钻头的4-6倍）和高钻速（高于牙轮钻头2倍以上）。它比牙轮钻头具有更高的安全性，可以极大地提高钻井工作效率和减低钻井成本。在大段软到中等硬度地层具有突出的优点，特别是在成本高的海洋钻井中和超深井及小井眼钻井中PDC钻头更具有牙轮钻头不可比拟的优势。聚晶金刚石复合片以广泛应用于制造金属切削工具，石油钻井、地质钻探、石材加工等，钎焊则是制造这类工具的关键技术之一。聚晶金刚石复合片是将聚晶金刚石复合片焊接到钻头体或硬质合金面上形成的切削型钻头，复合片是制造钻头的最关键原材料，复合片上的聚晶金刚石层的热稳定实效温度是700度，如果超过，金刚石于硬质合金衬底结合面易分层，金刚石层的耐磨性也将因石墨化而下降，因此，焊接过程温度要控制在700度以下，目前普遍采用氧气乙炔火焰钎焊，所以本论文研究怎么提高PDC钻头钎焊质量方法，而焊接工艺确定时，焊接质量的提高和控制就主要在焊接的工艺流程中了

1火焰钎焊的特点

火焰钎焊，其特点是设备简单操作方便，应用十分广泛。应用火焰钎焊技术的设备价格低而且可以保证获得较高的钎焊质量，可钎焊形状不规则的产品，钎焊焊缝，平整光滑。外形美观可随时观察到钎焊过程中的不良及时控制避免产生过多的不良品，保证了钎焊焊料填充的均匀性和稳定性，钎焊火力的大小及钎焊时间均可自由设定。

PDC钻头的刀翼不规则并且空间位置每一个需要焊接的复合片都不一样，采用火焰钎焊的效率和可操作性最高。

基于聚晶金刚石复合片的特性及对焊材的要求，在火焰的选择上一般选用氧乙炔的中性焰或外焰加热，这样可以防止聚晶金刚石复合片的热损伤和钎料及钎焊金属的过分氧化，还可避免钎焊焊缝区金属晶粒长大，影响焊缝强度性能，钎焊操作时应先加热钻头钢体，当钎焊焊剂开始融化后，再将火焰移至复合片上加热达到钎焊温度，火焰钎焊需要添加阻焊剂，且钎焊周围有局部被氧化的可能，这对火焰温度的调节也存在一定的局限性，所以这对操作者要求高，操作者要对焊接时的温度凭借经验来控制。

2钎焊焊料的选择

目前钎焊使用的钎料主要有铜基钎料、银基钎料、金基钎料。铜基钎料的钎焊强度相对于其他两种钎料来说。焊接强度高，而且价格低，但铜基钎料的钎焊温度较高，所以容易对焊件造成热损伤，我们一般不使用铜基钎料，而金基钎料的焊接强度，但相对于银基钎料价格要高出很多，不宜推广，因此银基钎料的性价比比较高，且钎焊强度能满足现场使用的要求，经过试验鲁科斯（LucasMilhaupt）PDC钻头专用银焊丝焊接强度最高，且在焊接时的稳定性很好

3钎焊前的准备

钎焊复合片之前，准备工艺对焊接质量起着决定性作用，主要有一下三点。

3.1钎缝的尺寸

PDC钻头复合片齿孔和复合片之间钎缝的间隙尺寸，一定要保证在0.2毫米以下，这样的焊接强度最高，如果超过，钎缝的强度下降，会有掉片的可能

3.2被连接材料的表面处理

去除钻头刀翼表面和复合片氧化层或者油污，最理想的工艺就是喷砂处理，也是现在应用最广泛的，去除氧化层后，用气枪清理钻头齿孔，保证焊接表面的干净，复合片表面喷砂处理完成后不要用手直接拿，这样会在复合片表面留下水印，最理想的是用夹子

3.3在需要钎焊的齿孔和表面涂抹焊剂

应为钻头和复合片需要提前加热，如果不提前涂抹好焊剂，在加热过程中焊接表面容易氧化，提前涂抹好焊剂可以保证钎焊焊料的润湿性，加快焊料的扩散，复合片需要在专用的加热容器内加热，提前把焊剂加热成液体，再把复合片放进去，从而达到充分的润湿

4焊前加热

PDC钻头焊前加热温度最好在550-600度之间，过高容易氧化，过低焊接时间拖长，从而会降低复合片性能，加热时间最好控制在一个小时之内，一般采用电阻炉加热，也可以采用高频整体加热加火焰局部加热的方法，总之温度不宜超过600度，可以采用热电偶和红外测温仪来测量温度

5焊中的温度控制

在钎焊过程中，需要三个人来配合，达到控制温度、充分润湿、填满焊料、保证复合片空间位置、缩短焊接时间的目的

5.1气焊工

需要凭借经验来控制焊接时的温度，不超过700度，一般钻头体成暗红时温度适宜，火焰的停留时间和火焰高度要随时调整，保证添加焊料的及时性和焊料充分润湿填满整个钎缝

5.2转齿工

在焊接过程中转动复合片，让复合片在齿孔里转动自如，在焊料充分填满整个焊缝间隙后，把复合片后端顶到位，保证空间位置

5.3辅助工

在整个焊接过程中，添加焊剂，一般是焊粉，保证焊接过程中，焊料的充分润湿，从而到达焊料快速填满钎缝的目的

6焊后冷却

由于PDC钻头体和复合片的材质不同，其收缩系数也不同，钎缝在冷却过程中会产生的内应力，从而降低焊接强度，所以焊接完，PDC钻头主要需要在保温桶内冷却，冷却时间不低于6小时

7改进后质量对比

由于钻头都是在实际现场中应用，可以直接对比出区别，所以采用现场应用的试验来验证效果，从2017-2018年之间严格按照改进后的钎焊焊接工艺焊接，其使用结果发现，稳定性大幅提高，PDC钻头在较复杂地层和中硬、较硬地层中钻进从未出现过掉片现象，获得满意效果

8结论

(1)在电阻炉加热，氧乙炔火焰钎焊的工艺下，影响焊接强度最主要的因素是，焊前准备，焊前处理的好，可以获得较高的焊接强度

(2)焊后炉内保温，可以获得较稳定的焊接强度值

(3)喷砂工艺是对焊接面去除氧化层最高效的方法

(4)复合片在有焊剂的容器里加热，可以提高表面的润湿性

参考文献

[1]刘晓燕，李锁智等：PDC钻头的研究（R）西安：煤炭科学研究总院西安分院，2001.

[2]印有胜，钎焊手册（M）哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1989.

[3]龙伟民，乔培新等：PDC石油钻头钎缝强度的研究，河南省钎焊材料重点实验室，郑州，2010.

作者简介

王露，1991年出生，电焊工高级技师，一直从事PDC钻头的制造加工焊接工作。