PDC自动化高频感应钎焊强度的影响因素

随着制造业不断向自动化、智能化方向发展,研究PDC钻头钎焊自动化是钻头生产技术的重点发展方向之一。为分析焊接强度对PDC自动化钎焊的影响及适应情况,利用特制的工装及试验条件,以PDC片和合金支柱为基体材料,开展了PDC高频感应焊接试验;并结合剪切强度和断面形态,分析了钎料钎剂、表面预处理、焊接方式、保温方式及感应加热对焊接强度的影响,并提出了适应PDC自动化钎焊的钎焊工艺方法。结果表明:应根据实际情况选取合适的银基钎料及专用焊膏;母材表面氧化层对焊接强度的影响较大;采用旋转式辅助焊接方式有助于钎料的铺展及排气排渣,能有效提高感应钎焊的强度;保温方式对PDC感应焊接强度的影响不大;应减小感应加热的集肤效应造成的边缘钎料熔蚀和中心温度低钎料未完全熔融对工件焊接强度的影响。研究结果为实现PDC自动化感应焊接提供了可行性方案,并对实现PDC钻头自动化钎焊提供了基础依据。      

基于ANSYS的PDC钻头钎焊裂纹应力场和应力强度因子分析

金刚石复合片(PDC)钻头钎焊裂纹尖端两侧临近界面处应力高度集中,是导致其断裂失效的主要原因。基于ANSYS对PDC钻头钎焊裂纹进行数值模拟,针对焊缝裂纹形状、厚度、位置的不同,能对裂纹尖端应力场等值线图及应力强度因子进行数值计算。借助这一计算PDC焊缝裂纹应力强度因子的新方法,阐述了PDC断裂失效机理,用以指导钻头焊接工艺,稳定和提高PDC钻头焊接质量。      

钢体PDC钻头修复技术之研究

介绍了一种钢体PDC钻头修复技术。首先对已使用过的钢体PDC钻头的可修复性进行确认，将符合修复条件的钻头进行预处理后，以8~10 ℃/min的速度对钻头体加热，加热到620 ℃左右时，焊接切削齿的焊料开始熔化，把符合条件的复合片切削齿取下，放入600 ℃的焊剂中保温待用，最后利用堆焊技术对钻头体进行修复。现场试验证明，修复后的钻头质量与新加工钻头质量无明显差别。以修复一只12 (1/4) in钢体PDC钻头为例，至少可节约成本4.14万元人民币，经济效益明显。     

《支柱型复合体及其钻进性能的研究》课题成果喜人

该课题成功地用铜基钎料代替了价格昂贵的金基钎料焊接复合片与支柱,焊接强度达392.6 MPa。所研制的支柱型复合体钻头,在普通方法、绳索取心及沿煤层定向钻进中,在6级以下软硬互层岩石中,单只钻头平均寿命达374.26 m,为硬质合金钻头在相同条件下平均寿命的89％;钻头平均效率3.1 m/h,高于硬质合金钻头和独联体复合片钻头的平均时效。支柱型复合体无心钻头填补了国内该领域的空白。该试制品在山东、山西煤田地质局所属勘探队     

温度对不同外形PDC切削齿性能的影响

为了探究不同温度下PDC切削齿性能,以适应不同的钎焊温度,并合理选用外形来提高效率,从影响金刚石复合片（PDC）质量的主要参数:耐磨性、磨削时间、平稳性、抗冲击韧性等出发,对不同厂家、不同外形的PDC在受热前后的性能进行试验,同时比较了平面片、微弧片和弧面片性能上的差异。结果表明:随着温度的升高,磨耗比呈现出降低的趋势;加热到750℃后,PDC磨耗比降低约30%~50%,磨削时间增加,进尺变慢;当温度达到800℃时,磨耗比小于10万,冲击功小于100 J;PDC切削齿对温度的敏感度不同,可根据不同温度下的性能对其分级,以满足不同的钎焊温度的焊接;对于不同外形的PDC,平面片磨削时间短,磨削效率高,而微弧片和弧面片磨耗比略低,磨削时间长,但冲击韧性大大提高。因此,在制造PDC钻头的过程中合理选择PDC形状,并将不同性能的PDC用于钻头的不同部位,能够有效提高PDC钻头的寿命。      

提高PDC钻头焊接强度工艺研究

随着PDC钻头的应用范围不断扩大,所钻进岩层更加复杂,在复杂地层及硬岩钻进中时有PDC片脱落现象,造成钻头寿命迅速降低,从而制约了推广应用.通过分析发现,影响PDC钻头掉片的主要原因是焊接强度不稳定.针对这种情况,通过工艺研究,在焊前处理中采用了特殊处理方法,使得焊接强度提高了70%以上.     

基于Pro/E的PDC钻头参数化设计

基于Pro/E (Pro/ENGINEER)的二次开发平台,以煤炭系统常用的胎体式内凹型PDC钻头为例,在系统分析钻头结构特点和主要参数相关性的基础上,建立了钻头结构设计各参数相关性技术体系实体参数化设计模型。通过设计Φ65 mm胎体式内凹PDC钻头,验证了该模型能够快速、准确地利用参数变化完成钻头体的三维及二维结构图设计,从而大大提高了设计效率和质量,为钻头参数化设计提供了参考。      

硬岩PDC定向钻头优化设计及其表面增材技术研究

定向长钻孔是煤矿瓦斯、水害治理的主要技术手段,PDC定向钻头性能是影响坚硬地层钻进效率的重要因素。针对煤层顶底板岩层定向长钻孔施工中出现因PDC钻头体断翼、PDC崩齿等问题导致的频繁起下钻、施工效率低等现象,采用等切削布齿原则对刀翼布齿进行优化,有效降低切削齿冲击破坏;通过流体力学仿真分析,优化钻头水力参数,保证岩屑及时排出孔底,防止切削齿因重复破碎岩石导致过早损坏;通过仿真分析,优选大直径PDC异型齿,提高切削齿耐磨和抗冲击性能;引入表面增材制造技术,通过优化等离子(PTA)增材制造工艺参数,实现了兼具胎体耐磨耐冲蚀和钢体强韧性的WC基复合钻头体加工工艺。新研制的PDC定向钻头,在淮南顾桥煤矿北区底板探放水钻孔中进行了现场试验。结果表明：钻进致密、坚硬灰岩地层时,2只钻头寿命分别达到827、810 m,相对于以前的?120 mm胎体式定向钻头平均寿命300 m有较大幅度的提高,并降低了上下钻等辅助作业时间,提高了施工效率,达到了硬岩定向长钻孔提速增效的目标,为硬岩定向长钻孔用PDC钻头设计和制造工艺开发提供了新的解决方案。     

PDC钻头焊前焊后处理工艺的试验研究

PDC钻头焊前脱水方式、焊后炉中冷却初温与冷却时间等工艺参数的合理选择是提高PDC钻头焊接强度的基础。通过室内正交实验， 研究了上述工艺参数与PDC焊接面抗剪切强度的关系，确定了各工艺参数的优化值。     

PDC钻头在中硬岩钻进中的应用

PDC钻头是在高温、高压下由人造金刚石与硬质合金一次合成的超硬材料制成的一种新型钻头,具有强度高,耐磨,抗冲击性强、出刃大等特点。以某勘探区为例,介绍该钻头的应用情况,并与普通硬质合金钻头进行了时效和成本的对比,从对比结果来看,使用PDC钻头钻进效率比合金钻头钻进效率提高57%-69%,钻头成本比合金钻头降低61%-67%,同时还对PDC钻头如何钻进破碎带进行了探讨,并对该钻头在使用中的注意事项进行了说明。     

复合片破碎岩石载荷分析及其试验

为解决金刚石复合片易出现非正常破损问题,对钻进过程中金刚石复合片(PDC)钻头的单个复合片的受力进行了分析,并对改善金刚石层与衬底脱离、脱落现象的措施进行了研究。结果表明,作用在复合片金刚石层上的剪切力是影响脱离或脱落现象的主要因素之一,而剪切力的提高与衬底的切削作用有关,这可通过增大金刚石层与衬底之间的接触面积来实现。通过一种棋盘状刻槽衬底的PDC钻头试验研究证实,研制合适的衬底结构形状,并在衬底表面加工不同形状的凹槽来增大两者的接触面积能使其获得足够的连接强度。      

难钻进地层金刚石钻头的现状和发展趋势

近年来,针对坚硬致密地层、坚硬强研磨性地层以及坚硬致密泥岩地层这3类地质勘探的难钻进地层,开展了金刚石钻头相关的研究与攻关,取得了重大进步。针对坚硬致密地层,通过在胎体中添加稀土和自锐材料、低压钻头结构设计,在可钻性小于11级的坚硬致密“打滑”地层中,钻进速度可达1.5～2.0 m/h,钻头寿命达30～300 m;针对坚硬研磨性地层,通过超高金刚石工作层和优化的水力结构设计,超细预合金化粉末以及超耐磨胎体性能,使机械钻速同比提高20%～70%,钻头寿命同比提高1.4～10倍;针对坚硬致密泥岩地层,对尖齿复合片和巴拉斯钻头进行了深入的研究,钻进效率提高了50%左右。在油气田深井硬岩钻探领域,NR826系列金刚石孕镶钻头配合螺杆钻具同比牙轮钻头,机械钻速提高18%～85%,钻头寿命提高5～8倍。此外,我国在海洋深水钻探复合片钻头方面的研究也取得了长足的进步。     

煤系钻探岩石可钻性分级方法的研究

研究了煤系中采用硬质合金钻进工艺时岩石可钻性分级的指标体系及测试方法;研制了一套能在野外流动条件下进行岩石可钻性分级测试的轻便仪器及工具。在7项分级指标体系中,压入强度、研磨性、塑性系数和用微型针状硬质合金钻头测试“微钻钻速”是首次应用,尤以用小试样测试“压入强度”及用微型针状硬质合金钻头测试“微钻钻进速度”两项指标能有效地反映煤系软岩石分级档次,可以弥补用微型孕镶金刚石钻头在6级以下较软岩石中无法钻进或达不到钻进指标的不足。     

尖齿状金刚石复合片钻头在油页岩矿区的钻进实验

松辽盆地青山口组和嫩江组含油页岩系,夹有数十层白云岩透镜体或条带。在对该油页岩系进行钻探时,由于经常遇到硬度较大的白云岩层,使用普通的硬质合金钻头不仅进尺极其缓慢,而且钻头损坏严重,寿命短。为解决此钻探难题,研制开发具有高耐磨性和穿透能力强的钻头势在必行。为此,研发了尖齿状金刚石复合片钻头,并进行了现场钻进实验。结果表明,这种钻头在含白云岩层的油页岩地层钻进时,不仅钻进速度高,而且具有高耐磨性、寿命长,其综合技术经济指标远远优于常规硬质合金钻头。     

聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

残余热应力是影响聚晶金刚石复合片(PDC)性能好坏的最重要因素之一。考虑聚晶金刚石层(PCD)与硬质合金层厚度比以及PDC压制过程中烧结温度的波动对聚晶金刚石复合片残余热应力的影响,在ANSYS中建立PDC模型,运用热-结耦合法分析PDC的残余热应力。计算表明,随着PCD层与硬质合金层厚度比由0.067增加到0.333,PCD层表面中心的压应力由1.61 GPa降低到380 MPa,PCD层最大径向压应力由1.61 GPa降低1.03 GPa左右,而PCD层边缘靠近界面附近最大轴向拉应力逐渐增大;随着PDC压制过程中烧结温度由1000℃升高到1500℃,PCD层的最大径向压应力、最大轴向拉应力以及最大剪应力等均逐渐增大。认为,在研究PDC合成新工艺过程中,应在保证PDC使用寿命的前提下尽量降低PCD层与硬质合金层厚度比;必须尽量切断原材料以及人为操作对温度的影响。