CN1007596B

CN1007596B - 金刚石复合片钻头的焊接方法

Info

Publication number: CN1007596B
Application number: CN 86103437
Authority: CN
Inventors: 叶玉屏; 赵永明; 周连科; 李鹏鸣
Original assignee: Mine Exploratory Engineering Inst Ministry Of Geology & Minerals
Current assignee: Mine Exploratory Engineering Inst Ministry Of Geology & Minerals
Priority date: 1986-05-24
Filing date: 1986-05-24
Publication date: 1990-04-18
Also published as: CN86103437A

Abstract

金刚石复合片钻头的焊接方法，是在封闭的石墨模具内，在同一温度下同时施用银基钎料钎焊和无压浸流两种方法，把金刚石复合片焊接在粉末冶金预制成型的钻头冠部，它包括用粉末冶金烧结带有预留孔和支撑背的钻头冠部，放置金刚石复合片及充填钎焊料、充填剂，施加银钎焊熔剂并组装封闭，入炉加温保温。它具有焊接牢固、降低复合片精加工费用、对复合片损伤小和确保钻头规格尺寸等优点。用此法制造的地质岩心钻头，在软到中硬地层中钻进，平均钻头寿命达116.25米，平均时效为2.62米/小时。

Description

本发明涉及到一种金刚石复合片为切削刃制作钻探用钻头的方法。

金刚石复合片可以用于制造地质、煤田和油井钻探用的各种钻头，取得好的钻进效果。但由于复合片不耐高温，通常的金刚石钻头烧结工艺和硬质合金钻头的焊接工艺均难直接应用于制造复合片钻头。故目前通常采用铜焊（专利号：EP-101-096-A）或者是将复合片先制成带柄的镶嵌块再镶嵌到钻头体上的方法（专利号：US 4265324）。采用单一钎焊时，焊接部分的温度一般在800-900℃，为了控制复合片金刚石层部分的温度在750℃以内，必须采用真空设备，或其它冷却措施。并且为了提高焊接强度，所使用的复合片必须是经过精加工处理的，才能保证焊接牢固和钻头整体尺寸的要求。而复合片的精加工费用是很昂贵的。

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，而提供一种将金刚石复合片焊接在钻头冠部上的方法。由于同时采用钎焊和无压浸渍镶焊两种方法，焊接温度低、焊接牢固、对复合片损伤小，同时不要求复合片有高的尺寸精度，以至降低钻头成本，获得好的经济效果。

本发明采用包括粉末冶金法烧结带有预留孔和支撑背的钻头冠部，其特殊之处是在封闭的石墨模具内，在同一温度下，同时施用Ag-Cu-Cd钎料钎焊和Ag-Cu-Zn钎料对骨架金属充填剂进行无压浸渍镶焊两种方法，把复合片焊接在粉末冶金预制成型的钻头冠部。

附图表述了本发明的主要特征。

图1为用粉末冶金烧结而成的钻头基体，冠部有待焊复合片的预留孔和支撑背。

图2为金刚石复合片、焊料和充填剂等在钻头冠部预留孔的组装结构图。

图3为焊接模具和待焊钻头总装示意图。

图中：1-钢体

2-钻头冠部

3-保径突棱

4-保径聚晶金刚石

5-内水口石墨片

6-预留孔

7-支撑背

8-复合片硬质合金层

9-复合片聚晶层

10-充填剂粉末

11-充填剂粉末

12-焊片（焊料Ⅰ）

13-焊丝（焊料Ⅰ）

14-焊丝（焊料Ⅱ）

15-顶环

16-上芯模

17-模套

18-下芯模

19-底模

本发明如附图所示：先用粉末冶金法制成一个如图1所示的带预留孔和支撑背的钻头冠部，预留孔和支撑背的尺寸依复合片尺寸而定。然后将复合片、两种银基钎料和充填剂如图2所示组装好，入炉前在焊料上施以银钎焊熔剂，并如图3方式组装封闭好，推入到马弗炉中加温到680-720℃时，预置在复合片周围的焊料Ⅰ达到钎焊所需的流动状态，而焊料Ⅱ则达到可以浸渍充填剂粉末的程度，此时保温2-4分钟，实现钎焊和浸渍镶焊。由于挤紧了的充填剂固体粉末在受热时会膨胀产生一定大小的压力，使主焊面排气排渣，提高钎焊质量，使复合片的硬质合金面被牢牢的焊住;而充填剂粉末被焊料Ⅱ浸渍，冷却后，在充填剂粉末与复合片接触部位对复合片形成包镶并与钻头胎体粘结在一起。

附图1中钻头冠部胎体材料可以是WC、（W₂C+WC）、Cu、Ni、Co、Sn、Zn、Pb、Mn等金属和金属碳化物粉末的混合物。依钻进岩石的不同，对钻头胎体性能有不同的要求，为使胎体性能与岩石性质相匹配，其中铜合金（663青铜）含量为30-50%，铸造碳化钨（W₂C+WC）含量为2-10%，余量为WC、Ni、Mn、Co等。所形成的胎体具有不同的硬度和耐磨性，硬度随663青铜含量增加而降低，值为HRC50-20，且均有好的焊接性能和吸收振动的能力。

附图2中焊料Ⅰ（12）（13）为Ag-Cu-Cd钎料，Ag含量40-50%、Cu含量10-20%、Cd含量20-30%;焊料Ⅱ（14）为另一种低熔点银基钎料，含有Ag、Cu、Zn等成份，其中Ag含量40-50%，Cu含量25-35%，Zn含量20-30%，充填剂（10）（11）是一种无压胎体骨架粉末料，其中含过渡族Ni、Co、Fe的成份为40-70%，与钻头胎体材料相对应。

附图3表明了封闭石墨模具由底模（19）、下芯模（16）、顶环（15）所组成。

以56地质取心复合片钻头为例，说明本发明的实施过程：

取6片直径8+0.2毫米、厚4+0.3毫米金刚石复合片。

如图1所示，在钢体（1）上用粉末冶金法烧结钻头冠部（2），并设置冠部的内、外保径棱（3）、保径棱（4）和内水口石墨片（5）。采用水口成型方法可以在冠部（2）上预制好预留孔（6）和支撑背（7），预留孔（6）的尺寸应比所用复合片中的最大者尺寸大0.1-0.2毫米，支撑背（7）的高度依拟钻地层性质而定，一般为复合片直径的1/2左右，冠部（2）所用胎体配方为：

胎体成份 WC （W₂C+WC） YG₆Ni Mn 663青铜

重量含量（%） 30 10 15 5 5 35

其中：YG₆为含WC94%，Co6%硬质合金粉末，烧结温度为980℃，压力为130Kg/cm。

将复合片硬质合金层（8）的底面用砂纸磨平打光，如图2所示安置在钻头冠部的预留孔（6）内，硬质合金层（8）一面靠支撑背（7），测量所有六个复合片的出刃高度，在出刃较低的预留孔（6）底部填入适量的充填剂粉末（10），使六个复合片出刃高度偏差在0.1毫米以内。所用充填剂粉末配比为：

充填剂成份 WC Ni Mn Co

重量百分比（%） 50 36 8 6

然后在复合片硬质合金层（8）和支撑背（7）之间插入焊片（12）（焊料Ⅰ），焊片的一端为半圆形，该端插入预留孔（6），其宽度略小于所用复合片的直径，其长度约为复合片直径的1.5倍，焊片厚度0.1毫米，其成份（重量比）为：Ag50，Cu30，Cd18，Zn16。接着在复合片聚晶层（9）前面的间隙中填入与上述同样的充填剂粉末（11），并压紧，在粉末（11）的上方及附近放上小段焊丝（14）（焊料Ⅱφ2）3-5克，其成份（重量比）为Ag45，Cu30，Zn余量。在焊片（12）前面、复合片硬质合金层（8）的上方添加小段焊丝（13）（焊料Ⅰ，φ2）2-4克。

待整个钻头冠部上六处复合片及焊料、充填剂全部组装完毕后，如图3将待焊钻头装入焊接模具内，并在焊丝（13）和焊丝（14）上方复盖适量银钎焊熔剂- 剂102，盖上顶环（15），当马弗炉炉温到达600℃以上时，将整套组件推入炉内，炉内置适量木炭，以产生CO保护性气氛，当温度升至720℃时，保温4分钟出炉，置空气中自冷。

焊好的钻头脱模清理，洗去焊剂，按图纸作机械加工。

采用该方法用手工整形的复合片焊接的19个钻头通过在四个矿区4-7级软至中硬地层进行了生产性试验。共进尺2081.91米，除去两个非正常使用钻头外，平均钻头寿命116.25米，平均时效2.62米/小时，最高钻头寿命236.21米，最高钻头平均时效4.29米/小时。钻头在四个矿区使用过程中钻压即使增大到800-1000Kg，正常使用均无脱焊现象发生。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.由于采用封闭的石墨模具进行保护和限位，而且焊接温度低（600-720℃）因而焊接过程中对复合片损伤小，钻头成型规则;

2.由于在同一温度同时施用钎焊和无压浸渍镶焊两种方法，既降低了对复合片的加工精度要求，又可以保证复合片钻头的焊接强度和尺寸要求，因而降低了钻头的成本，提高了钻头质量和使用寿命。

Claims

1、金钢石复合片钻头的焊接方法，包括粉末冶金烧结带有预留孔和支撑背的钻头冠部，其特征在于：在封闭的石墨模具内，在同一温度同时施用Ag-Cu-Cd钎料钎焊和Ag-Cu-Zn钎料对骨架金属充填剂进行无压浸渍镶焊两种方法，将金钢石复合片焊接在预制成型的钻头冠部。

2、按权利要求1所述的焊接方法，其特征在于烧结的钻头冠部的胎体材料中，铜合金（663青铜）含量为30-50%，铸造碳化钨（W₂C+WC）含量为2-10%，余量为WC，Ni，Mn，Co等。

3、按权利要求1所述的焊接方法，其特征在于封闭的石墨模具由底模、下芯模、模套、上芯模和顶环组成。

4、按权力要求1所述的焊接方法，其特征在于钎焊和无压浸渍镶焊的温度为680-720℃。