PDC鉆頭焊接質(zhì)量的技術(shù)改進(jìn)

     PDC鉆頭是聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的簡(jiǎn)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(yè)巖地層中，原因是硬的夾層會(huì)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(zhǎng)段的硬巖地層了，PDC鉆頭正越來(lái)越多地為鉆井施工隊(duì)伍所選用。
　　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(lái)時(shí)，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接效率低。而鉆頭在井下工作時(shí)，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(guò)程中不斷承受沖擊載荷，因此易發(fā)生脆性斷裂。這就對(duì)PDC鉆頭焊縫的焊接質(zhì)量提出了更高的要求和可靠性。
　　焊接工藝
　　PDC鉆頭胎體是通過(guò)爐中高溫?zé)Y(jié)與鋼體結(jié)合在一起，再通過(guò)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(xué)成分、焊接工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用條件。鉆頭鋼體和上接頭的含碳量高，焊接時(shí)淬硬傾向大，因而在焊接熱影響區(qū)的過(guò)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(yán)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(shí)間，避免了奧氏體晶粒的過(guò)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(qiáng)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(jìn)行調(diào)質(zhì)處理；線能量越小，加熱冷卻速度越快，受熱時(shí)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(lái)時(shí)，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接效率低。
　　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(shí)，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(wèn)題，焊接的同軸度差，導(dǎo)致焊接質(zhì)量的不穩(wěn)定。
　　質(zhì)量改進(jìn)
　　1焊接工藝的改進(jìn)
　　1.1焊接材料的選擇
　　根據(jù)工況條件對(duì)焊縫性能的要求，以及參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上決定采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊。藥芯焊絲氣體保護(hù)焊是在實(shí)芯焊絲高效自動(dòng)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(diǎn)：（1）焊接工藝性能好；（2）熔敷速度快、生產(chǎn)效率高、可進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)和半自動(dòng)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(duì)于低合金高強(qiáng)鋼焊接的優(yōu)勢(shì)是實(shí)芯焊絲無(wú)法比擬的；（4）能耗低、可節(jié)省20-30%的綜合焊接成本。
　　1.2焊接坡口的設(shè)計(jì)
　　從經(jīng)濟(jì)和實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)焊的角度考慮，擬采用CO2氣體保護(hù)焊的焊接方法，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T985.1-2008《氣焊、焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊和高能束焊的推薦坡口》設(shè)計(jì)的焊接坡口見(jiàn)圖1，坡口采用機(jī)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
　　2環(huán)縫焊接機(jī)的研制
　　2.1環(huán)縫焊接機(jī)的組成
　　焊接機(jī)由焊接變位機(jī)、焊接操作機(jī)、壓緊裝置、預(yù)熱裝置和成套CO2裝置等五部分組成。
　　2.2環(huán)縫焊接機(jī)的工作原理
　　a.把鉆頭上接頭放在焊接變位機(jī)的卡盤上，鉆頭下體放在上接頭上，焊接坡口對(duì)準(zhǔn)，壓緊裝置將其壓緊。
　　b.變位機(jī)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(dòng)焊炬夾持器使加熱焊炬對(duì)準(zhǔn)焊接坡口位置，點(diǎn)燃加熱，焊炬對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到預(yù)熱溫度后，停止加熱，移開(kāi)加熱焊件。
　　d.操作機(jī)將CO2焊槍移到焊接坡口位置進(jìn)行焊接。
　　e.焊接完畢，變位機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，操作機(jī)把CO2焊接移開(kāi)，變位機(jī)向上翻轉(zhuǎn)90°，使焊件和壓緊裝置處于垂直位置，松開(kāi)壓緊裝置，將鉆頭取出。
　　改進(jìn)效果
　　通過(guò)改進(jìn)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(gè)焊接過(guò)程操作簡(jiǎn)單，焊接的勞動(dòng)強(qiáng)度得到了改善。
　?。?）采用粗焊絲焊接，電弧的穿透力強(qiáng)，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(qiáng)，抗裂性能好。
　?。?）該環(huán)縫焊接機(jī)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(shí)也可用于同樣尺寸的其他圓狀物體的環(huán)縫自動(dòng)焊接。
　　結(jié)論與建議
　　將鉆頭環(huán)縫焊接機(jī)全面投入生產(chǎn)，不斷對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。繼續(xù)對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高焊接設(shè)備的自動(dòng)化水平，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題全面分析，全面提高鉆頭焊接質(zhì)量。