PDC鉆頭的焊接

     PDC鉆頭是聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的簡稱，是石油鉆井行業(yè)常用的一種鉆井工具。最初，PDC鉆頭只能被用于軟頁巖地層中，原因是硬的夾層會損壞鉆頭。但由于新技術(shù)的出現(xiàn)以及結(jié)構(gòu)的變化，目前PDC鉆頭已能夠用于鉆硬夾層和長段的硬巖地層了，PDC鉆頭正越來越多地為鉆井施工隊伍所選用。
　　1.PDC鉆頭現(xiàn)狀
　　PDC鉆頭是破碎巖石的有效工具。它是由鉆頭胎體、切削齒、鋼體和上接頭組成，通常鉆頭焊接采用焊條電弧焊的方法將鋼體與上接頭連接起來時，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動強度大、焊接效率低。而鉆頭在井下工作時，由于地質(zhì)條件比較復(fù)雜，鉆頭在井底工作條件比較惡劣，不僅受到鉆壓和扭矩的作用，而且在破巖過程中不斷承受沖擊載荷，因此易發(fā)生脆性斷裂。這就對PDC鉆頭焊縫的焊接質(zhì)量提出了更高的要求和可靠性。
　　2.焊接工藝
　　PDC鉆頭胎體是通過爐中高溫燒結(jié)與鋼體結(jié)合在一起，再通過鋼體（退火狀態(tài)35CrMo鋼）與上接頭（調(diào)質(zhì)狀態(tài)40CrMnMo鋼）的焊接連成一整體。影響鋼材的焊接性的主要因素有：鋼材的化學成分、焊接工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用條件。鉆頭鋼體和上接頭的含碳量高，焊接時淬硬傾向大，因而在焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)內(nèi)很容易產(chǎn)生硬脆的高碳馬氏體，冷卻速度越大，生成的高碳馬氏體越多，脆化也就越嚴重。大線能量將產(chǎn)生寬的、組織粗大的熱影響區(qū)，增大脆化傾向，也增大焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生熱裂紋的可能性，而采用小線能量減少了高溫停留時間，避免了奧氏體晶粒的過熱，增加了奧氏體成份的不均勻性，從而降低了奧氏體的穩(wěn)定性；鋼材的強度較高，因此焊接熱影響區(qū)容易軟化，而PDC鉆頭焊接之后不能進行調(diào)質(zhì)處理；線能量越小，加熱冷卻速度越快，受熱時間越短，軟化程度越小，軟化區(qū)的寬度越窄。目前鉆頭焊接采用的是焊條電弧焊的方法將鋼體與上接頭連接起來時，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動強度大、焊接效率低。
　　3.焊接設(shè)備
　　PDC鉆頭下體與上接頭環(huán)縫焊接采用手工電弧焊時，由于工件沉重，現(xiàn)有工裝存在鉆頭下體與上接頭壓緊用力不均的問題，焊接的同軸度差，導(dǎo)致焊接質(zhì)量的不穩(wěn)定。
　　4.質(zhì)量改進
　　4.1焊接工藝的改進
　　4.1.1焊接材料的選擇
　　根據(jù)工況條件對焊縫性能的要求，以及參照相關(guān)標準的基礎(chǔ)上決定采用藥芯焊絲氣體保護焊。藥芯焊絲氣體保護焊是在實芯焊絲高效自動焊的基礎(chǔ)上發(fā)展一種高效焊接方法，它具有以下優(yōu)點：（1）焊接工藝性能好；（2）熔敷速度快、生產(chǎn)效率高、可進行連續(xù)自動和半自動的焊接，為焊條電弧焊的3-4倍；（3）合金系統(tǒng)調(diào)整方便，優(yōu)其對于低合金高強鋼焊接的優(yōu)勢是實芯焊絲無法比擬的；（4）能耗低、可節(jié)省20-30%的綜合焊接成本。
　　4.1.2焊接坡口的設(shè)計
　　從經(jīng)濟和實現(xiàn)半自動焊的角度考慮，擬采用CO2氣體保護焊的焊接方法，根據(jù)國家標準GB/T985.1-2008《氣焊、焊條電弧焊、氣體保護焊和高能束焊的推薦坡口》設(shè)計的焊接坡口見圖1，坡口采用機械加工方法加工，保證了裝配精度，并避免由熱切割引起坡口處產(chǎn)生淬火組織。
　　焊接坡口形式及尺寸
　　4.2環(huán)縫焊接機的研制
　　4.2.1環(huán)縫焊接機的組成
　　焊接機由焊接變位機、焊接操作機、壓緊裝置、預(yù)熱裝置和成套CO2裝置等五部分組成。
　　4.2.2環(huán)縫焊接機的工作原理
　　a.把鉆頭上接頭放在焊接變位機的卡盤上，鉆頭下體放在上接頭上，焊接坡口對準，壓緊裝置將其壓緊。
　　b.變位機將兩焊件及壓緊裝置轉(zhuǎn)至水平。
　　c.把加熱焊炬放到壓緊裝置上的焊炬夾持器上，并移動焊炬夾持器使加熱焊炬對準焊接坡口位置，點燃加熱，焊炬對焊件進行預(yù)熱，達到預(yù)熱溫度后，停止加熱，移開加熱焊件。
　　d.操作機將CO2焊槍移到焊接坡口位置進行焊接。
　　e.焊接完畢，變位機停止轉(zhuǎn)動，操作機把CO2焊接移開，變位機向上翻轉(zhuǎn)90°，使焊件和壓緊裝置處于垂直位置，松開壓緊裝置，將鉆頭取出。
　　5.改進效果
　　通過改進焊接工藝和設(shè)備，取得了良好的效果大大提高了PDC鉆頭的整體質(zhì)量。
　?。?）整個焊接過程操作簡單，焊接的勞動強度得到了改善。
　?。?）采用粗焊絲焊接，電弧的穿透力強，焊接速度快，溶深較大，溶池較小，熱影響區(qū)窄，焊件焊后變形小，抗銹能力強，抗裂性能好。
　?。?）該環(huán)縫焊接機能滿足鉆頭環(huán)縫直徑為Ф60mm-Ф280mm，焊接坡口厚度為5-30mm的鉆頭焊接，能夠滿足鉆頭制造業(yè)環(huán)縫焊接的需要，同時也可用于同樣尺寸的其他圓狀物體的環(huán)縫自動焊接。