CN103621188B - 粗大硬金属颗粒内注射焊枪以及相关的组合、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
在一个方案中，本发明提供一种内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴，其包括：耐热喷嘴体；至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口；至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口；至少一个气体端口；以及阴极。还公开了有关的系统、装置、组合和方法。
Description
技术领域
本发明涉及用硬金属粉末对井下工具进行耐磨堆焊（hardfacing），更具体地涉及内注射粗大硬金属颗粒以对井下工具进行耐磨堆焊的等离子弧焊枪（plasma transferredarc torch）系统。
背景技术
本文使用的术语“耐磨堆焊”可大体定义为通过沉积技术将一层硬质耐磨材料（本文称为“沉积物”）施加于较小抵抗表面或基底。耐磨堆焊被频繁地用于延长油气工业中使用的钻头和其它井下工具的使用寿命。碳化钨和各种碳化钨合金是广泛地用于保护与钻探和生产油和气的井相关的钻头以及其它井下工具的耐磨堆焊材料的示例。事实上，碳化物颗粒悬浮在工具表面上形成层的金属基体中。碳化物颗粒为耐磨堆焊材料提供硬度和耐磨性，同时基体金属为耐磨堆焊提供断裂韧度。在过去数年间，随着工业上认识到较软、较低成本的材料的基底能够进行耐磨堆焊，从而具有与较硬材料的较昂贵基底相同的耐磨和耐腐蚀特性，该技术的应用明显增长。
涂覆/耐磨堆焊程序包括在基底上形成相对厚的沉积物，以便使后者具有沉积材料的固有品质。耐磨堆焊包括通过焊接或热喷射来沉积硬质层。传统的焊接耐磨堆焊通过氧气焊（“OFW”）、钨电极惰性气体保护焊（“TIG”）、气体保护金属极电弧焊（“GMAW”）、自动保护金属极电弧焊（“SMAW”）、埋弧焊（“SAW”）以及管状焊条电弧焊（“FCAW”）。还可使用等离子弧焊耐磨堆焊和激光束耐磨堆焊。典型地，耐磨堆焊材料例如通过电弧焊或气焊施加到井下工具（例如钻头）的外表面，以保护钻头不被腐蚀和磨损。耐磨堆焊材料典型地包括一种或多种金属碳化物，所述金属碳化物通过金属合金（“粘结合金”）粘接到钢体。
许多因素影响具体应用中的耐磨堆焊组合物的耐久性。这些因素包括碳化物颗粒的化学组成和物理结构（尺寸、形状和颗粒尺寸分布）、基体金属或合金的化学组成和微观结构以及碳化物材料相对于彼此和相对于基体金属或合金的比例。最普遍的用于耐磨堆焊的金属碳化物是碳化钨。这种材料中也可存在少量碳化钽和和碳化钛，尽管这些其它碳化物可能被认为是有害的。
不管所使用的耐磨堆焊材料的类型如何，设计人员继续寻求改进耐磨堆焊材料的属性（例如提高耐磨性、热阻等）。遗憾的是，增大耐磨性通常导致损失断裂韧度，或反之亦然。例如，为获得较高的耐磨性（主要耐磨损或耐腐蚀），耐磨堆焊组合物可被设计为在金属基体中具有最大量的碳化物含量或耐磨堆焊层的厚度可增大。然而，具有较高硬度和较高碳化物含量的耐磨堆焊更易于分裂和脱层，随着耐磨堆焊厚度的增长将尤其如此。此外，在单层耐磨堆焊层的厚度增大的情况下，耐磨堆焊层的抗断强度或断裂韧度减小，从而限制耐磨堆焊的寿命。使耐磨损性或耐腐蚀性与韧度获得平衡的一种方式是在耐磨堆焊组合物中包括较大的碳化物颗粒。较大颗粒在焊接沉积物中具有较大的表面积，其提供增强的机械性能。
当使用等离子弧焊（PTA）法时，转移弧构成再充灌材料的发热元件，部件的表面形成基底。参照图1，其为PTA焊枪喷嘴116的截面图，PTA焊枪喷嘴具有阴极保持装置102、等离子气体104、阴极106、冷却水108、保护气体110、来自碳化物粉末漏斗120的碳化物粉末的供给线路112、焊接沉积物114、基底118（例如，井下工具的进行耐磨堆焊的那部分）以及电源122。
在例如图1中所示的典型的PTA装置中，与焊枪的阴极相比，基底升高到正电势，然后焊枪与基底之间的电流完全横穿等离子射流，向后者传输用于加热与局部熔化待涂覆或耐磨堆焊的区域所需要的能量。碳化物粉末在部件的表面上熔化，以便形成液态的焊接沉积物，其在取代焊枪下方的部件期间连续地补充。基底的表面熔化允许类似焊接工艺中遇到的冶金键（metallurgical bond）。
尽管PTA法在耐磨堆焊技术中非常有用，但是能够用在那些方法中的碳化物粉在PTA喷嘴内能够使用的颗粒大小方面受限。标准焊枪供给微小的碳化物粉末，当放置在基底上时，微小的碳化物粉末既不耐磨、也不耐腐蚀。能被PTA喷嘴容置的典型的颗粒大小约是250微米到约38微米（60网孔或更微小）。这是因为如果使用较大颗粒的碳化物粉末，会导致供给线路和PTA的喷嘴发生阻塞问题。因此，迄今为止，为了利用较大粒度的碳化物颗粒，必须利用碳化物绳或碳化物杆的手工焊接技术将碳化物粉末施加到基底。
手工施加碳化物粉末会因为人工误差和手工工艺的固有变化性而导致若干问题。就变化性而言，在手工施加时，焊接沉积物的厚度会发生极大地变化。这可导致附加的技术，例如用金刚石砂轮研磨涂层以提供期望的厚度。另外，在手工焊接工艺中，基底必须预加热（例如，约700℉，这要求附加的时间并使操作者暴露在高热下。手工工艺还比自动/机器人工艺慢（例如至少三倍），这会导致操作者疲劳和发生事故。
发明内容
本发明涉及用硬金属粉末对井下工具进行耐磨堆焊，更具体地涉及内注射粗大硬金属颗粒以对井下工具进行耐磨堆焊的等离子弧焊枪系统。
在一个实施例中，本发明提供一种内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴，包括：耐热喷嘴体；至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口；至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口；至少一个气体端口；以及阴极。
在一个实施例中，本发明提供一种对井下工具进行耐磨堆焊的系统，包括：等离子弧焊喷嘴，其包括：耐热喷嘴体、至少一个粗大颗粒的内注射端口、至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口、至少一个气体端口以及阴极；和粗大硬金属颗粒漏斗；微小硬金属颗粒和基体漏斗；机器人臂；可操纵的基底支撑工作台；电源；以及计算机控制系统。
在一个实施例中，本发明提供一种井下工具，包括：井下工具的至少一个表面；由在井下工具的表面上的焊接沉积物形成的耐磨堆焊层，焊接沉积物通过内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴施加，焊接沉积物还具有散布在所述焊接沉积物内的大量的粗大硬金属颗粒硬金属和基体；其中至少一种粗大硬金属颗粒具有约2000微米到约250微米（10网孔到60网孔）的尺寸范围。
在一个实施例中，本发明提供一种对井下工具的表面进行耐磨堆焊的方法，该方法包括：用机器人耐磨堆焊系统在井下工具的表面上放置焊接沉积物，机器人耐磨堆焊系统包括内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴，其包括：耐热喷嘴体；至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口；至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口；至少一个气体端口；以及阴极；并且焊接沉积物包括均匀分布的大碳化物颗粒。
在一个实施例中，本发明提供一种方法，包括：提供包括具有了耐磨堆焊的表面的井下工具，耐磨堆焊通过内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴形成，内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴包括：耐热喷嘴体；至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口；至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口；至少一个气体端口；以及阴极；并且将井下工具放置在地层中。
在本领域技术人员阅读随后的优选实施例的描述时，本发明的特征和优点将容易显而易见。
附图说明
以下附图被包括在内以示出本发明的某些方案，并且不应视为排他性的实施例。如本领域技术人员将想到的并具有本发明的益处，所公开的主题能够在形式和功能方面进行相当大的修改、改变和等同替换。
图1是PTA喷嘴组件的剖切示意图。
图2是根据本发明的内注射粗大硬金属颗粒的等离子弧焊枪喷嘴的示意性剖视图。
图3是根据本发明的内注射粗大硬金属颗粒的等离子弧焊枪喷嘴的一面的示意图。
图4是包括根据本发明的内注射粗大硬金属颗粒的等离子弧焊枪喷嘴的本发明的机器人耐磨堆焊系统的视图。
图5是根据本发明的双漏斗系统和内注射粗大硬金属颗粒的等离子弧焊枪喷嘴的视图。
图6A描绘了通过手工技术在井下工具的表面上形成的沉积物的剖视图。
图6B描绘了通过根据本发明的内注射粗大硬金属颗粒的等离子弧焊枪喷嘴在井下工具的表面上形成的沉积物的剖视图。
图7描绘了外注射粗大硬金属颗粒的等离子弧焊枪的系统。
图8描绘了具有位于测量衬垫（gage pads）上的耐磨堆焊的表面的井下工具。
具体实施方式
本发明涉及用硬金属粉末对井下工具进行耐磨堆焊，更具体地涉及内注射粗大硬金属颗粒以对井下工具进行耐磨堆焊的等离子弧焊枪系统。
本发明提供：内注射粗大硬金属颗粒的等离子焊枪喷嘴；对井下工具进行耐磨堆焊的系统，井下工具包括已经用本发明的内注射粗大硬金属颗粒的等离子焊枪喷嘴和/或系统进行了耐磨堆焊的表面；对井下工具的表面进行耐磨堆焊的方法；以及使用井下工具的方法，该井下工具包括已经用本发明的内注射粗大硬金属粒子的等离子焊枪喷嘴和/或系统进行了耐磨堆焊的表面。
本发明提供用具有较大颗粒的粉末提高井下工具的耐磨堆焊的内注射粗大硬金属颗粒的系统和方法。因此，本发明提供的井下工具具有提高的耐腐蚀性、抗磨损性和耐磨性，从而导致更长的工具寿命。例如，如果根据本发明对钻头的切割表面进行耐磨堆焊，则改善井下切割结果。本发明的粉末成分提供更一致的焊接沉积物，这导致这些提高的特性。此外，焊接沉积物的质量至少等同于手工焊接技术的质量。因为焊接沉积物更均匀，所以可避免附加的研磨步骤。图6A是示出使用包括焊接绳的手工技术在焊接沉积物中结合粗大硬金属颗粒604的焊接沉积物的截面显微图。在图中以602示出基体中的微小硬金属颗粒。图6B是示出使用本发明的内注射粗大硬金属颗粒的等离子焊枪在焊接沉积物中结合粗大硬金属颗粒604的焊接沉积物的截面显微图。基体内的硬金属颗粒分布类似于用手工施加获得的硬金属颗粒分布。因此，能够获得相似的结果，且具有自动化的优点。
此外，本发明的PTA机器人耐磨堆焊系统容易自动化并且具有优良的系列生产性。本发明的自动工艺提供超过传统的手工焊接技术的提高的人体工学和生产优点。
另外，基底不需要预热，这在能源节约与减少危险方面提供附加的优点。这导致更短的循环时间，以及大规模生产的能力，这是当前用手工技术所没有的。
总之，使用自动焊接系统将高耐磨和高耐腐蚀的粗大硬金属颗粒有效注入硬金属涂层的能力形成高质量生产，同时显著地增大产品流。
本文使用的术语“内注射粗大硬金属颗粒的等离子焊枪喷嘴”指的是包括内注射粗大硬金属颗粒到喷嘴的端口的等离子焊枪喷嘴，意思是说粗大硬金属颗粒可通过耐热喷嘴体行进以沉积在焊接沉积物中，这与从供给线路和耐热喷嘴体外部的注射端口外注射焊接沉积物相反。与外部供给相比，内注射是有利的，因为其实际上将粗大硬金属颗粒直接放入火焰。在外注射系统中，粗大硬金属注射端口未充分闭合成弧形，以产生这个效果。使粗大硬金属颗粒直接位于火焰中将允许更均匀的施加，导致较少的后续步骤。
具有内注射端口导致的令人惊讶的结果在于，提供增强的机械性能的粗大硬金属颗粒能够均匀地结合在焊接沉积物内。传统的喷嘴不允许使用粗大硬金属颗粒，而且除了别的因素以外，这样做会导致焊接沉积物不均匀和注射端口发生阻塞。
优选地，本发明的方法可用来将耐磨堆焊施加到井下工具。本文使用的术语“井下工具”用来描述任何金属工具或工具的金属部分，其可用在期望对工具的表面进行耐磨堆焊的地下应用中。耐磨堆焊的方法包括使用设备以产生电弧，该电弧在14,000℉以上的温度加热粉末混合物，例如耐磨堆焊粉末。粉末混合物熔化而形成沉积在例如工具表面的基底上的熔化合金，进而覆盖。熔化合金在基底上形成焊接沉积物（也被称为池或坑），其充分高温以冶金键合或焊接到基底金属，此后凝固而形成耐磨堆焊覆盖物。耐磨堆焊覆盖物的厚度能够通过控制供应到焊接机的耐磨堆焊粉末的数量和每沉积时间的体积而变化。可选地，面向的厚度能够通过形成多层而增大，每层焊接到前一层。
应注意，当在计数单（numerical list）的开始设置“约”时，“约”改变计数单的每个数字。应注意在一些计数单范围内，列出的一些下限可能大于列出的一些上限。本领域技术人员将认识到，所选择的子集将要求选择的上限超过所选择的下限。
在本发明中有用的粉末成分包括粗大硬金属颗粒、微小硬金属颗粒和基体材料。在一些实施例中，用于本发明的粉末成分可包括粉末成分的重量的约55%到约80%的数量范围中组合的粗大硬金属颗粒和微小的硬金属颗粒。在一些实施例中，数量可在约65%到约70%的范围中。剩余部分的粉末成分可包括基体材料。
应理解，本发明中使用的术语“微粒”或“颗粒”包括所有己知形状的材料，包括大体上球形的材料、纤维材料、高到低长径比材料（high-to-low aspect ratio material）、多角形的材料（例如立方体材料）以及它们的混合物。在优选实施例中，粗大硬金属颗粒是标准的球形，因为它们被认为通过焊枪供给较佳。微小硬金属颗粒可自然有角。图6A和6B示出球形的粗大硬金属颗粒604和矩形微小硬金属颗粒602。
本文使用的术语“粗大硬金属颗粒”指的是平均直径大于约250微米（包括但并不限于）的硬金属颗粒，平均直径尺寸从约250微米、500微米、750微米和1000微米的下限到约750微米、1000微米、1500微米和2000微米的上限范围内的颗粒，以及其中平均直径的范围可从任一下限到任一上限并包含该上限与下限之间的任一子集。在一些实施例中，粗大硬金属颗粒可具有约1700微米（12网孔）到约250微米（60网孔）的直径。在一些实施例中，粗大硬金属颗粒可具有约2000微米（10网孔）到约250微米（60网孔）的直径。该专用语涉及使颗粒通过本领域技术人员已知的网孔筛。
本文使用的术语“微小硬金属颗粒”指的是平均直径小于约250微米（包括但并不限于）的硬金属颗粒，平均直径尺寸从约10微米、50微米、75微米和100微米的下限到约75微米、100微米、150微米200微米和250微米的上限范围的颗粒，以及其中平均直径的范围可从任一下限到任一上限并包含该上限与下限之间的任一子集。在一些实施例中，微小的硬金属颗粒可具有约250微米（60网孔）到约10微米（1250网孔）的直径。
在一些实施例中，粗大硬金属颗粒可具有从约14g/cc到约16g/cc范围的比重。
在一些实施例中，粗大硬金属颗粒可具有约1200到约2500努普1kg载荷的硬度。在一些实施例中，微小硬金属颗粒可具有约1200到约2500努普1kg载荷的硬度。
在一些优选实施例中，粗大硬金属颗粒具有约1300努普1kg载荷的硬度、约1180/600微米的平均直径和约14g/cc到约16g/cc的比重。
在一些优选实施例中，微小硬金属颗粒具有约1200到2500努普1kg载荷的硬度、约105/45微米的平均直径和约14g/cc到约16g/cc的比重。
在优选实施例中，微小硬金属颗粒具有约250微米（60网孔）的平均直径。
粗大硬金属颗粒和微小硬金属颗粒可包括能够用于耐磨堆焊应用的任一合适的硬金属，包括但不限于，金属硼化物、金属碳化物、金属氧化物、金属氮化物和它们的组合。示例包括钨、铸造碳化钨、渗碳碳化钨、粗晶碳化钨、烧结碳化钨（也被称为熔结碳化钨）、氮化钨、硅化钨、硼化钨、它们的组合以及它们的派生物。其它示例包括碳、铌、钒、钼、硅、钛、钽、钇、锆、铬、硼、硼化物、其碳化物、其氮化物、其硅化物、它们的混合物、它们的组合以及它们的混合物。碳化钨可优选用于本发明。
本文使用的术语“碳化钨”可包括碳化钨（WC）、碳化二钨（W2C）和/或粗晶碳化钨。铸造碳化物指的是WC和W2C化合物的共晶混合物，这样的是亚化学计量；也就是，其具有的碳比WC形式的少。铸造碳化物从熔融状态凝固并粉碎到期望的颗粒大小。合适的碳化钨颗粒可在这样的碳化钨颗粒中没有胶着材料（胶着材料的重量为0%）或具有相对高重量百分比的胶着材料（5%或大于5%）。用来形成碳化钨颗粒的胶合剂示例可包括但是不局限于钴、镍、硼、钼、铌、铬、铁和这些元素的合金。一种优选的适合用于本发明的粗大硬金属颗粒的类型是包括约4%的钴粘合剂的碳化钨圆球。合适的粗大硬金属颗粒在2010年4月29日公布的美国专利文献No.2010/0101866中描述，其全部公开内容以引用方式并入本文。
烧结碳化钨也是合适的。烧结碳化钨指的是通过混合碳化钨颗粒（典型地碳化钨）与钴颗粒或其它铁族金属并烧结该混合物而形成。在制成烧结碳化钨的典型工艺中，小的碳化钨颗粒（例如约1微米到约15微米）和钴颗粒一起与少量充当临时粘合剂的有机蜡充分混合。有机溶剂可用来促进均匀混合。该混合物可准备以两种技术中的任一种烧结：其可被按压入常常被称为生坯的固体；可选地，其例如通过压过筛或翻滚形成为微粒或颗粒，然后经过筛选以获得多多少少均匀的颗粒大小。
在一个实施例中，粗大硬金属颗粒包括如2010年4月29日公布的美国专利文献No.2010/0101866（其全部公开内容以引用方式并入本文）描述的与多个涂层金刚石颗粒混杂的碳化钨圆球。
在一个实施例中，粗大硬金属颗粒包括约3.5%到约5%的钴、约5.65%到约5.85%的碳、约0.5%的铁、约0.3%的钛、约0.3%的钽，剩余部分包括钨。在一个实施例中，微小硬金属颗粒可包括约6%的碳、约0.5%的铁、约0.3%的钛、约0.3%的钽，剩余部分为钨。
本发明使用的组合物中的基体材料可包括用于耐磨堆焊应用的任一合适的基体材料。基体的合适的成分的示例包括但是不局限于，铬、铁、硅、硼、碳、钴、镍以及它们的组合和混合物。
在实施例的示例中，基体可包括约7%到约8%的铬、约1.5%到约3.5%的铁、约3.2%到约3.8%的硅、约1.5%到约1.8%的硼、约0.2%到约0.3%的碳、0.1%的钴，剩余部分为镍。
在一些实施例中，基体材料可设置为颗粒形式，其中基体微粒（不包括微小硬金属微粒）可具有约350HV30到约420HV30的硬度。注意这些单位指的是不同的硬度测试技术。在一些实施例中，基体中的这些粒子的尺寸范围大约为125微米或更少。比重大约为8g/cc，熔点大约为1888℉到约1940℉。这些是混合粉末成分之前或之时的测量结果。
在一些实施例中，本发明提供一种内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴，其包括：耐热喷嘴体；至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口；至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口；至少一个气体端口；以及阴极。
现在参照图2，本发明的内注射粗大硬金属颗粒的PTA喷嘴的非限制性示意性实施例可具有耐热喷嘴体218，其可由任一合适的耐热材料制成，包括但不限于，铜、钛等。第一漏斗504容置准备通过粗大硬金属颗粒的内注射端口208供给的碳化物粉末成分的大碳化物颗粒。第二漏斗502容置准备通过微小硬金属和基体的内注射端口206供给的微小硬金属颗粒和基体。粗大硬金属颗粒、微小颗粒和基体材料的组合流210在基底212上形成焊接沉积物214。气体可在粗大硬金属颗粒的内注射端口208、微小硬金属和基体的内注射端口206和/或围绕阴极216的通道220中混合。在一些实施例中，粗大硬金属颗粒的内注射端口208以及微小硬金属和基体的内注射端口206可与图2中所示的构造互换。合适的气体可以是惰性气体，可包括但是不局限于，氩、氦、氮、氙、二氧化碳等，以及它们的组合。气体端口不必与这些注射端口分开，而是可允许气体与喷嘴中所需的任一成分混合。然而，气体优选地用来将颗粒从漏斗供给到注射端口。
现在参照图3（非限制性实施例的截面示意图），内注射粗大硬金属颗粒的PTA喷嘴的面可具有耐热喷嘴体218。粗大硬金属颗粒的内注射端口302通过包括粗大硬金属颗粒的漏斗供给。其对应于图2的208。本文被称为“内注射端口”，与从耐热喷嘴体外部的注射端口和供给线路外部注射焊接沉积物相反，粗大硬金属颗粒行进通过耐热喷嘴体，以沉积在焊接沉积物中。根据焊接沉积物中期望的粗大硬金属颗粒的体积，附加的粗大硬金属颗粒的内注射端口可被包括在PTA喷嘴的面的设计中。优选地，这些注射端口的供给线路从单个粗大硬金属颗粒漏斗和单个微小硬金属颗粒和基体漏斗供给。微小硬金属和基体的内注射端口306类似地位于耐热喷嘴体的内部。其对应于图2的206。根据焊接沉积物中期望的微小硬金属颗粒的数量，可包括比图3中所示的或多或少的微小硬金属和基体的内注射端口306。电弧端口308是电弧端口。
与图3的内注射端口比较，图7示出具有粗大硬金属颗粒的注射端口702、微小硬金属和基体的注射端口710、漏斗708、喷嘴体704和基底706的外部机构的现有技术的PTA装置的示例。
在一个实施例中，本发明提供一种内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴，包括：耐热喷嘴体；至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口；至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口；至少一个气体端口；以及阴极。
本发明的粗大硬金属颗粒的内注射机器人系统包括PTA喷嘴，其具有至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口和至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口、基底支撑工作台以及机器人臂。
在一些实施例中，本发明提供对井下工具进行耐磨堆焊的系统，包括：等离子弧焊喷嘴，包括：耐热喷嘴体；至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口；至少一个微小硬金属颗粒和基体内注射的端口；至少一个气体端口；以及阴极；用于粗大硬金属颗粒的第一漏斗；用于微小硬金属颗粒和基体粉末的第二漏斗；机器人臂；可操纵的基底支撑工作台；电源；以及计算机控制系统。在一些实施例中，计算机控制系统是CAM（计算机辅助制造）系统。
现在参照图4（系统的非限制性实施例的示图），机器人臂402能够由计算机系统（图中未示）来控制，以操作本发明的粗大硬金属颗粒的内注射PTA喷嘴。在一些实施例中，计算机控制系统是CAM系统。机器人臂402应构造为使得其能够操纵粗大硬金属颗粒的内注射PTA喷嘴。计算机系统可包括容纳焊接程序的计算机辅助系统（“CAD”）系统（例如，3D模型）。基底支撑工作台404支撑基底到施加焊接沉积物的位置。任选地，基底支撑工作台404可包括转台408。基底支撑工作台404优选地可操纵，意思是其能够沿任一期望的方向倾斜或移动，以将基底放置在耐磨堆焊的期望位置。优选地，基底支撑工作台404是可编程的，从而与任一计算机控制系统结合使用。在一些实施例中，基底支撑工作台404能够摆动以按照需要移动基底。在一些实施例中，基底是固定的，粗大硬金属颗粒的内注射PTA喷嘴与正在耐磨堆焊的基底大致垂直。进一步，该系统可包括电源406。
现在参照图5（实施例的非限制性示图），漏斗系统500可与本发明的粗大硬金属颗粒的内注射PTA喷嘴结合使用。粗大硬金属颗粒漏斗502容置包括粗大硬金属颗粒的颗粒混合物。漏斗504是微小颗粒漏斗。粗大硬金属颗粒漏斗502和微小颗粒漏斗504分别通过供给线路506和508连接到喷嘴。
通过本发明的益处，本领域技术人员应理解，使用本发明的粗大硬金属颗粒的内注射喷嘴的对井下工具进行耐磨堆焊的系统可被构造为包括其它部件和/或性能。这些其它部件和/或性能的示例包括但不局限于，阴极保持装置、等离子气体、保护气体、粗大颗粒和微小颗粒供给气体、冷却系统、喷嘴冷却系统以及它们的组合。
在一个实施例中，本发明提供一种用于对井下工具进行耐磨堆焊的系统，包括：等离子弧焊喷嘴，包括：耐热喷嘴体、至少一个粗大颗粒的内注射端口、至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口、至少一个气体端口以及阴极；以及粗大硬金属颗粒漏斗；微小硬金属颗粒和基体漏斗；机器人臂；可操纵的基底支撑工作台；电源；以及计算机控制系统。
在一些实施例中，焊接沉积物的厚度可以是0.125″的公差。必要时，焊接沉积物能够通过本领域技术人员已知的任何方法进行打磨。然而，这不是必须的。
在本发明中，优选地在基底与焊接沉积物之间产生冶金键。
需要进行耐磨堆焊或从耐磨堆焊受益的任何井下工具或其部件可根据本发明的方法进行耐磨堆焊，其包括但不限于，钻头、定向的井下工具、修井工具（work over tool）、完井和生产设备（completions and production equipment）等，以及可用于或不可用于钻探井眼的其它井下工具。本文使用的术语“井下工具”广义地用于描述放置在地层以钻探井眼进入地层的工具。具体示例包括但是不局限于以下这些工具或其部件：旋转的圆锥钻头、旋转的可转向工具、磨机（例如，用于再进入或多侧向井的窗口切割磨机、套管切割机、平整磨机等）、固定式切割器钻头、取芯钻头、防旋转装置、扩孔器、近钻头扩大器、扩眼器、驱动电机（井下动力钻具）（例如，这些电机上的地层接触点，例如弯接头和稳定器等）、驱动代用品（drive subs）、井下工作筒、稳定器、工具接头和定心夹具。其它示例包括井下流体分隔器、向下孔泵、修井设备等。
图8描绘了具有耐磨堆焊802的井下工具。其它示例包括但不局限于，转子上的涂层、径向轴承、限流器和万向联轴节。
本发明耐磨堆焊的井下工具可用于各种地下操作，包括但不限于钻探操作、钻入操作（drill-in operation）、完井操作（completion operation）和维修操作。在优选实施例中，耐磨堆焊的井下工具可在钻探操作中用于穿透地层的井眼中。
在一个实施例中，本发明提供一种井下工具，包括：井下工具的至少一个表面；耐磨堆焊层，由井下工具的表面上的焊接沉积物形成，焊接沉积物通过内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴施加，焊接沉积物还具有散布在焊接沉积物内的多个粗大硬金属颗粒硬金属和基体；其中至少一种粗大硬金属颗粒具有约2000微米到约250微米（10网孔到60网孔）的尺寸范围。在另外的实施例中，焊接沉积物具有多个微小硬金属颗粒，微小硬金属颗粒具有约250微米到约10微米（60网孔到1250网孔）的尺寸范围。
在一个实施例中，本发明提供一种方法，包括：提供包括具有了耐磨堆焊的表面的井下工具，耐磨堆焊通过内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴形成，该等离子弧焊枪喷嘴包括：耐热喷嘴体；至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口；至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口；至少一个气体端口；以及阴极；并且将井下工具放置在地层中。
在一些实施例中，本发明的粗大硬金属颗粒的内注射喷嘴可用于耐磨堆焊工具，该耐磨堆焊工具在油气勘探和生产以外的工业中也有用。本发明的粗大硬金属颗粒的内注射喷嘴适用的应用在本文被称为“磨损应用（abrasive applications）”。
这种磨损应用可包括挖沟机、前悬式装载机、推土机以及接触土地并需要耐磨堆焊以延长设备的磨损保护的其它设备。
其它磨损应用包括矿业中的从耐磨堆焊受益的设备。矿业中使用的设备经受腐蚀、摩擦和磨损。因此，本发明的装置、方法和组合对用于这种采矿应用的耐磨堆焊设备有用。
其它磨损应用包括在采石场到预拌混凝土搅拌机的水泥厂中的从耐磨堆焊受益的设备。示例包括但不限于，滚压机、窑轮胎、锤碎机、风扇叶片、风扇罩、铲斗、牵引链台、熟料破碎机盘、原厂风扇等。
其它磨损应用包括垃圾和回收工业中的从耐磨堆焊受益的设备。这样的设备包括涉及垃圾焚烧、轮胎切碎机、玻璃回收，以及建筑垃圾消除、粉碎机等的设备，例如进料斗、破碎机、螺钉、锤、传送带台、输送带、刀等。
其它磨损应用包括发电工业中的从耐磨堆焊受益的设备。这样的设备包括涉及发电的设备，包括象螺钉、锅炉喷嘴、涂覆预热机管、传送带台、磨煤机、水板、点火伞等。
其它磨损应用包括钢工业中的从耐磨堆焊受益的设备。这样的设备包括涉及从鼓风炉通过最终产品的钢生产的设备。这种设备的示例包括冷却辊火车、泵、输出道辊、轧机、滚压锥、机械手卡爪、热剪切刀片、工作筒轴、导轮、熔渣破碎机等。
为了帮助更好地理解本发明，给出了以下代表优选实施例的示例。以下示例绝不应理解为限制或限定本发明的范围。
示例
进行测试来比较手工工艺制成的耐磨堆焊与外部注射的自动方法制成的耐磨堆焊，以示出自动系统比人工系统快。表1描述了所用的工艺。
表1
| 自动 | 8.5四刃套筒 | 1小时36分钟 |
| 手工、氧乙炔气 | 8.5四刃套筒 | 4小时16分钟 |
根据ASTM测试方法B611执行磨损试验。结果在以下表2中。
表2-磨损试验比较
| 手工-样本1 | 5.78 |
| 手工-样本2 | 5.71 |
| 手工-样本3 | 5.42 |
| 手工-样本4 | 5.25 |
| 手工-样本5 | 5.71 |
| 平均 | 5.57 |
| 自动-样本1 | 5.71 |
| 自动-样本2 | 5.18 |
| 自动-样本3 | 6.14 |
| 自动-样本4 | 4.66 |
| 平均 | 5.42 |
从该测试可知，自动过程的实际耐磨堆焊施加时间要快超过倍。预热温度是一半（350℉ vs.700℉）；因此每部分预热时间是一半。可以从开放的火焰预热改变为窑预热或线圈预热以缩短甚至更多的预热时间。
还可知，耐磨堆焊增强能够在所有测量衬垫上的精磨期间恒定地保持到约0.030″。这样可在因耐磨堆焊沉积物过低或过高引起的再作业成本方面节省数千美元。还可以通过避免金刚石砂轮的成本来实现节省。
另外可知，用于焊接凹槽的研磨操作可以去除，因为耐磨堆焊沉积物的厚度能够编程到恒定高度并再次处于完成尺寸的0.030″内。
因此，本发明良好地适于获得提到的目的和优点以及其中固有的那些。以上公开的具体实施例仅仅是说明性的，因为本发明可以不同的方式更改并实践，但是等同方式对具有本文教授的内容的益处的本领域技术人员是明显的。此外，除了以下权利要求书描述的，对于本文示出的构造或设计的细节没有限制。因此，明显的是，以上公开的具体说明性的实施例可改变、组合或更改，并且所有这些变型被认为处于本发明的范围和精神内。虽然组合和方法是从“包括”、“包含”或“包括”各种部件或步骤的方面来描述的，但是组合和方法也能够“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。以上公开的所有数量和范围可在一定程度上变化。不论何时公开具有下限和上限的数字范围，落在该范围的任何数字和任何包括的范围是特别公开的。具体地，本文公开的每个值的范围（“从约a到约b”或，等同地，“从大约a到b”或，等同地，“从大约a-b”的形式）应理解为提出的每个数字和范围被包含在该值的更宽范围内。而且，除非专利权人另外明确并清楚地限定，权利要求书中的术语具有它们平常的普遍意思。此外，如权利要求书使用的，本文限定的不定冠词“一个”或“一”意味引入一个或多个元件。如果本说明书和一个或多个专利或可以引用方式并入本文的其它文献中使用的单词或术语有任何冲突，应采用与本说明书一致的定义。
Claims (17)
1.一种内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴，包括：
耐热喷嘴体；
至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口；
至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口；
至少一个气体端口；以及
阴极；
其中，所述至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口、所述至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口以及所述至少一个气体端口都位于所述内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴的一面上。
2.如权利要求1所述的内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴，还包括从以下组成的组中选择的元件：阴极保持装置，等离子气体，保护气体，粗大颗粒和微小颗粒供给气体，冷却系统，喷嘴冷却系统以及它们的结合。
3.如权利要求1所述的内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴，其中所述耐热喷嘴体包括从以下组成的组中选择的成分：铜，钛和它们的任意组合。
4.一种用于对井下工具进行耐磨堆焊的系统，包括：
等离子弧焊喷嘴，所述等离子弧焊喷嘴包括：
耐热喷嘴体，
至少一个粗大颗粒的内注射端口，
至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口，
至少一个气体端口，和
阴极；
其中，所述至少一个粗大硬金属颗粒的内注射端口、所述至少一个微小硬金属颗粒和基体的内注射端口以及所述至少一个气体端口都位于所述内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴的一面上；
粗大硬金属颗粒漏斗；
微小硬金属颗粒和基体漏斗；
机器人臂；
可操纵的基底支撑工作台；
电源；以及
计算机控制系统。
5.如权利要求4所述的用于对井下工具进行耐磨堆焊的系统，还包括从以下组成的组中选择的元件：阴极保持装置，等离子气体，保护气体，粗大颗粒和微小颗粒供给气体，冷却系统，喷嘴冷却系统以及它们的结合。
6.如权利要求4所述的用于对井下工具进行耐磨堆焊的系统，其中所述计算机控制系统是CAM系统。
7.一种井下工具，包括：
所述井下工具的至少一个表面；
耐磨堆焊层，所述耐磨堆焊层由所述井下工具的表面上的焊接沉积物形成，所述焊接沉积物通过如权利要求1所述的内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴施加，所述焊接沉积物还具有散布在所述焊接沉积物内的多个粗大硬金属颗粒和基体；
其中至少一种粗大硬金属颗粒具有2000微米到250微米的尺寸范围。
8.一种井下工具，包括由所述井下工具的表面上的焊接沉积物形成的耐磨堆焊层，所述焊接沉积物通过如权利要求1所述的内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴施加，其中所述焊接沉积物具有多个微小硬金属颗粒，所述微小硬金属颗粒具有250微米到10微米的尺寸范围，所述焊接沉积物还具有散布在所述焊接沉积物内的多个粗大硬金属颗粒和基体，其中至少一种粗大硬金属颗粒具有2000微米到250微米的尺寸范围。
9.如权利要求8所述的井下工具，其中至少一种粗大硬金属颗粒和/或至少一种微小硬金属颗粒包括从以下组成的组中选择的成分：金属硼化物，金属碳化物，金属氧化物，金属氮化物和它们的组合。
10.如权利要求8所述的井下工具，其中至少一种粗大硬金属颗粒和/或至少一种微小硬金属颗粒包括从以下组成的组中选择的成分：钨，铸造碳化钨，渗碳碳化钨，粗晶碳化钨，烧结碳化钨，氮化钨，硅化钨，硼化钨以及它们的组合。
11.如权利要求8所述的井下工具，其中至少一种粗大硬金属颗粒和/或至少一种微小硬金属颗粒包括从以下组成的组中选择的成分：碳，铌，钒，钼，硅，钛，钽，钇，锆，铬，硼，其硼化物，其碳化物，其氮化物，其硅化物和它们的组合。
12.一种井下工具，包括由所述井下工具的表面上的焊接沉积物形成的耐磨堆焊层，所述焊接沉积物通过如权利要求1所述的内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴施加，其中，所述焊接沉积物具有散布在所述焊接沉积物内的多个粗大硬金属颗粒和基体，其中至少一种粗大硬金属颗粒具有2000微米到250微米的尺寸范围，至少一种粗大硬金属颗粒通过处于每个大的硬金属颗粒的总重量的百分之三与百分之五之间的范围内的粘合材料部分地形成。
13.一种井下工具，包括由所述井下工具的表面上的焊接沉积物形成的耐磨堆焊层，所述焊接沉积物通过如权利要求1所述的内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴施加，其中，所述焊接沉积物还具有散布在所述焊接沉积物内的多个粗大硬金属颗粒和基体，其中至少一种粗大硬金属颗粒具有2000微米到250微米的尺寸范围，所述基体包括从以下组成的组中选择的一个：铬，铁，硅，硼，碳，钴，镍和它们的组合。
14.一种对井下工具的表面进行耐磨堆焊的方法，包括：
用机器人耐磨堆焊系统在所述井下工具的表面上放置焊接沉积物，所述机器人耐磨堆焊系统包括如权利要求1所述的内注射粗大颗粒的等离子弧焊枪喷嘴，其中，焊接沉积物包括均匀分布的大碳化物颗粒。
15.如权利要求14所述的方法，还包括经由穿透地层的井眼在地层中放置井下工具。
16.如权利要求14所述的方法，其中内注射粗大颗粒的所述等离子弧焊枪喷嘴还包括从以下组成的组中选择的元件：阴极保持装置，等离子气体，保护气体，粗大颗粒和微小颗粒供给气体，冷却系统，喷嘴冷却系统以及它们的结合。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述机器人耐磨堆焊系统包括计算机控制系统。
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