焊接式高胎體地質鑽頭及其製作方法
2023-05-19 09:22:56 2
焊接式高胎體地質鑽頭及其製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種焊接式高胎體地質鑽頭及其製作方法，包括高胎體鑽齒、水口塊和鋼體。高胎體鑽齒和水口塊單獨燒結成型再的緊密連接成鑽齒冠，鑽齒冠雷射焊接在鋼體上；高胎體鑽齒由含破巖磨粒的工作齒層、不含磨粒的過渡齒層、以及不含磨粒的焊接齒層組成，高胎體鑽齒總高度為15mm～35mm；水口塊可採用單質粉、多種金屬粉或合金粉燒結製作。本發明由於採用高胎體鑽齒獨立燒結，並設計了自適應磨損水口塊，燒結溫度大大降低，金剛石損傷減少，鑽齒高度提高，鑽頭的鑽進效率、使用壽命都得到了大幅度提高，能顯著降低地質鑽探中鑽頭起下鑽次數，特別適合1000米以下深孔鑽進工程中。
【專利說明】焊接式高胎體地質鑽頭及其製作方法
(—)【技術領域】:
[0001]本發明涉及地質勘探鑽進技術，具體為一種焊接式高胎體地質鑽頭及其製作方法。
(二)【背景技術】:
[0002]目前，固體礦藏勘探鑽進工程中大多仍採用金剛石地質鑽頭，金剛石地質鑽頭製造技術經過數十年的發展，在結構設計、鑽探工藝方面有了一定的進步，但是，總的來說發展緩慢，技術創新力度不夠。
[0003]金剛石地質鑽頭產品目前包括中頻整體燒結法地質鑽頭、電鍍法地質鑽頭。
[0004]中頻整體燒結法地質鑽頭是採用中頻熱壓燒結機製造，製造過程是先將金剛石與金屬粉末的混合物倒入所需尺寸的石墨模具中，然後將經加工形成鋸齒面的鋼體放置在粉體上，通過中頻電磁感應產生的熱量和上下壓力，將燒結成型的鑽齒與鋼體結合在一起。這種方法生產的金剛石鑽頭燒結溫度高，鑽齒內部緻密度差，鑽齒與鋼體結合力不夠強，所以鑽齒高度低，且鑽進效率、使用壽命都較低。
[0005]孫友宏等人的《可再生水口的金剛石取芯鑽頭》(申請號為200810051152.9)發明專利提出了從結構上進行了合理設計，實現鑽齒和水口的多層化，並保證每一層水口面積比達到15%?35%，但是此專利仍然採用中頻整體燒結法製造，燒結溫度高、鑽齒燒結緻密度低，而且結構複雜，製造難度大，模具消耗大。
[0006]電鍍法金剛石地質鑽頭是在經表面處理後的鋼體表面直接鍍上金屬胎體和金剛石顆粒的複合層，金屬胎體與鋼體是原子價鍵結合，因此結合強度較高；電鍍法製作的地質鑽頭金屬胎體對金剛石具有比普通方法更高的把持強度，而且金剛石無高溫損傷，鑽頭鑽進效率高；然而電鍍鑽頭製作時間長，成本高，且胎體高度越高，製作時間越長，鑽頭使用壽命往往較低。
[0007]肖雲捷的《一種高效金剛石地質鑽頭的製造方法》(申請號為201110008431.9)發明專利第一次提出了採用雷射焊接方法製造金剛石地質鑽頭的概念，但只是簡單的模仿常規雷射焊接產品，將鑽齒與鋼體實現連接而已。由於地質鑽頭鑽齒內金剛石磨粒含量通常較高，鑽齒強度也往往較低，隨著鑽齒高度的增加，鑽齒斷裂的可能性增加，因此，常規鑽頭鑽齒高度低於8mm，鑽頭壽命十分有限。
(三)
【發明內容】
:
[0008]為此，本發明提供一種焊接式高胎體地質鑽頭及其製造方法，旨在解決礦產地質勘探鑽進工程中、特別是1000米以下深部鑽進中鑽頭鑽進效率低、使用壽命短而導致鑽頭起下鑽頻率高、鑽探總體效率低、鑽孔易於塌陷等問題。
[0009]能夠解決上述技術問題的焊接式高胎體地質鑽頭，包括高胎體鑽齒、水口塊和鋼體，所述高胎體鑽齒於鋼體上圓周均布，所述水口塊設於相鄰高胎體鑽齒之間的鋼體上，所不同的是所述高胎體鑽齒包括含破巖磨粒的工作齒層、不含磨粒的過渡齒層以及不含磨粒的焊接齒層，高胎體鑽齒總高度為15mm?35mm，其中，所述工作齒層高度為12mm?29mm，所述過渡齒層高度為Imm?3mm,所述焊接齒層高度為2mm?3mm ;匹配於高胎體鑽齒高度，所述水口塊高度為5mm?15mm。
[0010]根據鑽進巖石對象，進一步對水口塊聞度的設置:所述聞胎體鑽齒總聞度選擇為15mm?20mm時，所述水口塊高度選擇為5mm?IOmm ;所述高胎體鑽齒高度選擇為20mm?35mm時，所述水口塊高度選擇為IOmm?15mm。
[0011]為保證鑽削區域供水充分，所述水口塊的內、外兩側(直徑方向)分別開設內水槽和外水槽，所述內、外水槽深度根據鑽進對象選擇為Imm?5mm。
[0012]對於普通鑽進巖石，一般不需要添加聚晶進行鑽頭保徑，但對於強研磨性地層，所述高胎體鑽齒的內、外表面需鑲嵌聚晶，聚晶鑲嵌部位為工作齒層、或為過渡齒層、或為工作齒層和過渡齒層。
[0013]所述工作齒層中包含的破巖磨粒為金剛石，當鑽進巖石為中硬、軟地層時，工作齒層中包含的破巖磨粒為金剛石和碎聚晶的混合物，通過體積破碎方式實現鑽進，可大大提高鑽進效率。
[0014]如上所述的焊接式高胎體地質鑽頭之製作方法，方案有三種:
[0015]1、所述高胎體鑽齒和水口塊分別獨立燒結成型，然後通過燒結工藝實現高胎體鑽齒和水口塊緊密結合成鑽齒冠。
[0016]2、或所述高胎體鑽齒和水口塊的製作為各自冷壓成型，單獨成型後的高胎體鑽齒和水口塊組裝在一起燒結成為鑽齒冠。
[0017]3、或所述高胎體鑽齒的製作採用先冷壓後熱壓，冷壓胚體緻密度為50%?70%，熱壓採用真空電阻式熱壓燒結，燒結溫度為750°C?900°C，保溫時間3min?8min，最大加壓壓力為20MPa?30MPa，所述水口塊採用單質粉、或多種金屬粉或合金粉燒結而成，燒結緻密度為50%?100%，高胎體鑽齒與水口塊連接成為整體齒冠的方式為將水口塊壓縮，通過橫向擠壓作用力使其與高胎體鑽齒實現機械嵌固，或採用釺焊法焊接，或者採用浸潰法實現補縫與結合。
[0018]上述高胎體鑽齒和水口塊的分別製作，便於單獨調節鑽齒結合劑配方，同時水口塊與聞胎體鑽齒的組合結構能提聞聞胎體鑽齒聞度，能實現聞胎體鑽齒的製作，從而保證了鑽頭的長壽命；能夠實現高胎體鑽齒與水口塊的牢固連接，保障水口塊能一直正常發揮鑽齒支撐作用；所述製作方法操作簡易，鑽頭圓周跳動很低，易於實現高胎體鑽齒內部結構設計成不同類型，如「三明治」、高低濃度齒等。
[0019]將上述1、2、3三種製作方式中所述高胎體鑽齒與水口塊連接後形成的鑽齒冠通過雷射焊接方法焊接在鋼體上。
[0020]所述雷射焊接方法可採用雷射直接焊接，或採用雷射熔覆焊接。
[0021 ] 可採用焊片、或焊絲、或焊膏進行釺焊法焊接。
[0022]本發明的有益效果:
[0023]1、本發明結構中，高胎體鑽齒結構中焊接齒層確保了與鋼體的連接強度，過渡齒層則起到銜接工作齒層與焊接齒層的作用，能保障高胎體鑽齒的整體強度；製作方法中採用先進的雷射焊接技術製造具有大的鑽齒高度、能保證鑽齒強度不至於斷裂的地質鑽頭，此種地質鑽頭鑽齒強度聞、鑽進效率聞、使用壽命聞，從而大大減少了鑽頭起下鑽的次數，大大提聞了鑽探臺月效率，減少塌孔事故的發生。
[0024]2、本發明具有鑽齒燒結緻密度高、金剛石熱損傷小、胎體尺寸高等優點，因而較常規地質鑽頭具有聞得多的鑽進壽命和較聞的鑽進效率，大大減少了鑽頭的起下鑽頻率，能極大的提升鑽進工程效率。
(四)【專利附圖】
【附圖說明】:
[0025]圖1為本發明一種實施方式的立體結構圖。
[0026]圖2(a)為圖1實施方式中矮齒鑽頭的立體結構圖。
[0027]圖2(b)為圖1實施方式中中齒鑽頭的立體結構圖。
[0028]圖2(c)為圖1實施方式中高齒鑽頭的立體結構圖。
[0029]圖3為圖1實施方式中高胎體鑽齒與水口塊形成為鑽齒冠的立體結構圖。
[0030]圖4(a)為樹脂圈箍緊圖3中鑽齒冠的結構示意圖。
[0031]圖4(b)為圖4(a)中的A-A剖示圖。
[0032]圖號標識:1、高胎體鑽齒；1_1、工作齒層；1_2、過渡齒層；1_3、焊接齒層；2、水口塊；3、鑽齒冠；4、鋼體；5、外水槽；6、內水槽；7、樹脂圈。
(五)【具體實施方式】:
[0033]下面結合附圖所示實施方式對本發明的技術方案作進一步說明。
[0034]本發明焊接式高胎體地質鑽頭包括相連接的上部的鑽齒冠3和下部的鋼體4，所述鑽齒冠3包括高胎體鑽齒I和水口塊2,所述高胎體鑽齒I於鋼體4上圓周均布,所述水口塊2間隔設於相鄰高胎體鑽齒I之間的鋼體4上；所述高胎體鑽齒I包括上、中、下三部分，分別為上部含破巖磨粒的工作齒層1-1、中部不含磨粒的過渡齒層1-2，下部不含磨粒的焊接齒層1-3，高胎體鑽齒I總高度為15mm?35mm，根據不同的鑽進工況，所述工作齒層1-1的高度在12mm?29mm之間選擇,所述過渡齒層1-2高度在Imm?3mm之間選擇,所述焊接齒層1-3的高度在2mm?3mm之間選擇，為了與高胎體鑽齒I的總高度相匹配，所述水口塊2的高度在5mm?15mm之間選擇；所述水口塊2徑向的內、外兩側分別開設有內水槽6和外水槽5,所述內、外水槽6、5的深度根據鑽進工況選擇在1_?5mm之間，如圖1、圖2 (a)、圖 2(b)、圖 2(c)、圖 3 所示。
[0035]上述結構中，所述過渡齒層1-2起到銜接工作齒層1-1與焊接齒層1-3的作用，保障鑽齒整體的抗斷裂強度；焊接齒層1-3為雷射焊接專用粉末燒結而成，具有較高的燒結緻密性和防燒熔流失能力，確保鑽齒3冠與鋼體4焊接後具有較高的連接強度。
[0036]所述水口塊2的作用是支撐高胎體鑽齒1，提高其抗切向斷裂強度和徑向斷裂強度，所述水口塊2的高度根據高胎體鑽齒I的高度進行設計:當高胎體鑽齒I的高度在15mm?20mm之間時，水口塊2的高度為5?IOmm ;高胎體鑽齒I的高度為20mm?35mm時，水口塊2的高度為10_?15_。
[0037]根據鑽進工況需要，所述高胎體鑽齒I的內、外表面鑲嵌聚晶，聚晶鑲嵌部位為工作齒層1-1、或為過渡齒層1-2、或為工作齒層1-1和過渡齒層1-2 ;所述工作齒層l-ι中包含的破巖磨粒為金剛石，或為金剛石和碎聚晶的混合物，如圖1、圖2、圖3所示。
[0038]本發明焊接式高胎體地質鑽頭之製造方法:[0039]1、製作鑽齒冠3。
[0040]①、所述高胎體鑽齒1、水口塊2分別獨立燒結成型，組裝在一起燒結成一個整體即鑽齒冠3，結合劑成份為WC、Co、Cu、Sn、Ni等單質或合金的粉末冶金燒結體，如圖3所示。
[0041]所述高胎體鑽齒1、水口塊2分別獨立燒結成型時，可以先分別採用鋼模冷壓出胚體，然後分別組裝在碳模中，採用真空電阻熱壓燒結機進行燒結，在製作成為齒冠3過程中，則需要分別冷壓出高胎體鑽齒1、水口塊2的冷壓胚體，然後將冷壓胚體組裝在碳模中燒結成環。
[0042]由於高胎體鑽齒I採用獨立電阻熱壓燒結，相對於常規鑽頭的中頻整體燒結方法，燒結溫度大大降低，從而減少了金剛石的強度損傷，也減少了燒結模具的熱損傷，燒結效率大大提升，胎體緻密度、強度等都得到了大幅度提升，鑽頭的鑽進效率、鑽進進尺數從而也獲得了大幅度提聞。
[0043]②、所述高胎體鑽齒I和水口塊2的製作為各自冷壓成型，單獨成型後的高胎體鑽齒I和水口塊2組裝在一起燒結成為整體的鑽齒冠3，結合劑成份為WC、Co、Cu、Sn、Ni等單質或合金的粉末冶金燒結體，如圖3所示。
[0044]③、所述高胎體鑽齒I採用先冷壓後熱壓工藝，冷壓胚體緻密度為50%?70%，熱壓採用真空電阻式熱壓燒結，燒結溫度為750°C?900°C，保溫時間3min?8min，最大加壓壓力為20MPa?30MPa ;所述水口塊2採用單質粉、或多種金屬粉或合金粉燒結而成，燒結緻密度為50%?100%，水口塊2的成份根據鑽進巖層的性質(包括研磨性、硬度、強度等)設計，一般為Fe、Co、Cu等金屬元素的混合物。
[0045]高胎體鑽齒I與水口塊2連接成為整體的鑽齒冠3的方式為將水口塊2壓縮,通過橫向擠壓作用力使其與高胎體鑽齒I實現機械嵌固，或採用釺焊法焊接(焊接材料採用焊片、或焊絲、或焊膏等)，或者採用浸潰法實現補縫與結合。
[0046]2、用雷射焊接方法將①、②、③方法分別製作的鑽齒冠3焊接在鋼體4上，如圖1、圖2 (a)、圖2(b)、圖2(c)所示。
[0047]焊接前，使用如圖4(a)、圖4(b)所示的樹脂圈7緊箍住鑽齒冠3，採用平磨設備進行鑽齒冠3底部磨平和光潔處理，然後將鑽齒冠3和鋼體4分別安裝在專用夾具上，利用雷射焊接機完成焊接工序，焊接壁厚根據鑽頭內外徑尺寸一般選擇為6mm?15mm，焊接方法可以為雷射直接焊接，也可為雷射熔覆焊接等，焊接強度要求達到SOOMPa以上，焊接要求焊縫飽滿，無空隙。焊接完成後，可對鑽頭進行回火處理，以減少焊接的熱損傷，提高焊接強度，回火溫度為250°C?350°C，保溫時間為4小時。
[0048]完成焊接工序後，按常規地質鑽頭的製作工藝，進一步進行鑽頭的機加工，包括在水口塊2位置加工出外水槽5和內水槽6，鋼體4根據所需尺寸車制內外圓、倒角、螺紋加工
坐寸ο
[0049]本發明的使用:
[0050]將如圖1、圖2 (a)、圖2 (b)、圖2 (C)所示的鑽頭安裝在地質鑽機的鑽杆上，通過鑽杆的聞速旋轉，並向井內通入鑽井液，鑽頭上的聞胎體鑽齒I實現對巖層的鑽進，由於水口塊2的支撐作用，高胎體鑽齒I具有較高的抗斷裂強度，保障了高胎體鑽齒I的正常使用；由於配方組成的特殊設計，水口塊2在高胎體鑽齒I磨損的同時也具有同步磨損的功能，因此能保證鑽頭在所有工作齒層1-ι消耗的過程中都存在水口，鑽井液流通順暢，實現冷卻及排屑的作用。
[0051]本發明結構中的鑽齒冠3可按地質鑽頭的常用內、外徑尺寸製作，如Φ36.5/Φ 21.5、Φ 59/ Φ 36.5、Φ 75/ Φ 47.5、Φ 96/63.5 等。
[0052]以直徑為Φ 36.5/Φ21.5的鑽頭為例，設計高胎體鑽齒I的高度為16mm，水口塊2的高度為5mm,水口塊2寬度為5mm,設計水口數量為5個,鑽進巖石可鑽性級別為7級、中等研磨性，設計高胎體鑽齒I配方為WC、Co、Cu、Sn、Ni等，金剛石濃度為70%，粒度為40/45，水口塊2配方為Co、Cu等，將粉末分別冷壓成型後再燒結成高胎體鑽齒I和水口塊2，燒結溫度為860°C，全壓為25MPa，保溫6min，鑽齒冠3脫模取出後經過去毛刺、磨光處理，用樹脂圈7緊箍成圓環狀，採用平磨機將焊接層部位磨平整，然後通過雷射實現鑽齒冠3與鋼體4的焊接，再經過機加工、噴漆、檢測，即實現焊接式高胎體地質鑽頭的製作。
[0053]以直徑為Φ 75/ Φ 47.5的鑽頭為例，設計高胎體鑽齒I高度為25mm，水口塊2高度為10mm，水口塊2寬度為8mm，設計水口數量6個，鑽進巖石可鑽性級別為8級、強研磨性，設計鑽齒配方為高WC基，金剛石濃度為100%，粒度為40/45、45/50、50/60的組合粒度，水口塊配方為Fe、Co、Cu等，將粉末分別冷壓成型後再組裝成環狀，放入石墨模具中進行燒結，燒結溫度為880°C，全壓為30MPa，保溫8min，燒結後的鑽齒冠3通過焊接層磨光處理，採用焊接專用夾具將鑽齒冠3和鋼體4安裝在雷射焊接機上，根據調試調節雷射功率，實現鑽齒冠3與鋼體4的焊接，再進行機加工、噴漆、檢測，完成焊接式高胎體地質鑽頭的製作。
【權利要求】
1.焊接式高胎體地質鑽頭，包括高胎體鑽齒(I)、水口塊(2)和鋼體(4)，所述高胎體鑽齒⑴於鋼體⑷上圓周均布，所述水口塊⑵設於相鄰高胎體鑽齒⑴之間的鋼體(4)上，其特徵在於:所述高胎體鑽齒(I)包括含破巖磨粒的工作齒層(1-1)、不含磨粒的過渡齒層(1-2)以及不含磨粒的焊接齒層(1-3)，高胎體鑽齒(I)總高度為15mm?35mm，其中，所述工作齒層(1-1)高度為12mm?29mm,所述過渡齒層(1_2)高度為Imm?3mm,所述焊接齒層(1-3)高度為2mm?3mm ;匹配於高胎體鑽齒(I)高度，所述水口塊⑵高度為5mm?15mm。
2.根據權利要求1所述的焊接式高胎體地質鑽頭，其特徵在於:所述高胎體鑽齒(I)總高度為15mm?20mm,所述水口塊⑵高度為5mm?IOmm ;所述高胎體鑽齒(I)高度為20mm?35m,所述水口塊(2)高度為10mm?15mm。
3.根據權利要求1或2所述的焊接式高胎體地質鑽頭，其特徵在於:所述水口塊(2)的內、外兩側分別開設有內水槽(9)和外水槽(8)，所述內、外水槽(9、8)深度為Imm?5_。
4.根據權利要求1或2所述的焊接式高胎體地質鑽頭，其特徵在於:所述高胎體鑽齒(I)的內、外表面鑲嵌聚晶，聚晶鑲嵌部位為工作齒層(1-1)、或為過渡齒層(1-2)、或為工作齒層(1-1)和過渡齒層(1-2)。
5.根據權利要求1或2所述的焊接式高胎體地質鑽頭，其特徵在於:所述工作齒層(1-1)中包含的破巖磨粒為金剛石，或為金剛石和碎聚晶的混合物。
6.如權利要求1或2所述的焊接式高胎體地質鑽頭之製作方法，其特徵在於: ①、所述高胎體鑽齒(I)和水口塊(2)獨立燒結成型，然後再通過燒結工藝實現高胎體鑽齒⑴和水口塊⑵緊密結合為鑽齒冠⑶； ②、或所述高胎體鑽齒(I)和水口塊(2)的製作為各自冷壓成型，單獨成型後的高胎體鑽齒⑴和水口塊⑵組裝在一起燒結成為鑽齒冠⑶； ③、或所述高胎體鑽齒(I)的製作採用先冷壓後熱壓，冷壓胚體緻密度為50%?70%，熱壓採用真空電阻式熱壓燒結，燒結溫度為750°C?900°C，保溫時間3min?8min，最大加壓壓力為20MPa?30MPa，所述水口塊(2)採用單質粉、或多種金屬粉或合金粉燒結而成，燒結緻密度為50%?100%，高胎體鑽齒(I)與水口塊(2)連接成為鑽齒冠(3)的方式為將水口塊(2)壓縮，通過橫向擠壓作用力使其與高胎體鑽齒(I)實現機械嵌固，或採用釺焊法焊接，或者採用浸潰法實現補縫與結合； 所述鑽齒冠(3)通過雷射焊接方法焊接在鋼體(4)上。
7.根據權利要求6所述的焊接式高胎體地質鑽頭之製作方法，其特徵在於:所述雷射焊接方法為雷射直接焊接，或為雷射熔覆焊接。
8.根據權利要求6所述的焊接式高胎體地質鑽頭之製作方法，其特徵在於:採用焊片、或焊絲、或焊膏進行釺焊法焊接。
【文檔編號】B23P15/00GK103953286SQ201410210153
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月19日 優先權日:2014年5月19日
【發明者】劉志環, 潘曉毅, 謝德龍, 羅文來, 林峰, 呂智, 胡喬帆, 王進保 申請人:中國有色桂林礦產地質研究院有限公司