CN106984906A - 石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，包括曲面聚晶金刚石复合片毛坯体的成型，对所述毛坯体进行激光加工为曲面聚晶金刚石复合片。本发明的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法可实现简单或复杂曲面结构聚晶金刚石复合片成型且精度极高，加工成型后的曲面聚晶金刚石复合片在石油、天然气等钻探应用中具有极锋利的切削碎石作用，适用于各种岩质地层且可大幅度提高钻进效率、降低钻探成本，确保钻井平台的平稳操控性。

Description

石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法
技术领域
本发明属于超硬复合材料技术领域，其主要涉及石油、天然气钻探等领域，尤其涉及一种石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法。
背景技术
聚晶金刚石复合片兼顾金刚石的高耐磨性及硬质合金基体的高抗冲击韧性，其被视为理想的钻进材料和切削加工材料。目前，聚晶金刚石复合片作为超耐磨切削元件已广泛应用于石油、天然气钻探等领域。然而，随着油气勘探面临的环境越来越苛刻，尤其是传统平面聚晶金刚石复合片钻头遇到高研磨性地层、极坚硬岩层、坚韧夹层等地质岩层时，钻头难吃进，同时亦发生平面聚晶金刚石复合片不出刃、崩齿等严重失效形式，更甚至发生泥包卡钻现象。
鉴于上述的疑难问题，中国专利文献CN204729011U、CN205259954U分别公开了一种低切削阻力曲面结构聚晶金刚石复合片及一种多刃异形结构聚晶金刚石复合片等曲面聚晶金刚石复合片，上述曲面聚晶金刚石复合片可解决上述高研磨性地层、极坚硬岩层、坚韧夹层等地层钻进问题。但是，上述曲面聚晶金刚石复合片成型方法面临考验。虽然一次烧结成型的方法可实现上述曲面聚晶金刚石复合片，但其精度难以控制，将会导致上述低精度曲面聚晶金刚石复合片的切削刃齿不锋利、工作层表面粗糙等现象的发生，进而产生致排屑困难等问题。
发明内容
鉴于上述曲面聚晶金刚石复合片成型问题，本申请提出石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，此加工方法可实现各种简单或复杂曲面聚晶金刚石复合片的成型，且可大大提高曲面聚晶金刚石复合片的各项控制精度，解决曲面聚晶金刚石复合片的切削刃齿不锋利及工作表面粗糙难排屑等技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，包括曲面聚晶金刚石复合片毛坯体的成型、对所述曲面聚晶金刚石复合片毛坯体通过激光加工方法加工为曲面聚晶金刚石复合片；
所述激光加工方法为激光热加工成型方法。
作为本发明优选的技术方案，所述激光加工方法还可以为冷激光蚀除加工方法。
作为本发明优选的技术方案，所述激光热加工方法或冷激光蚀除加工方法均采用激光发生器发射激光束，经过扩束、聚焦，在曲面聚晶金刚石复合片毛坯体表面形成能量集中区域，进而被气化蚀除。
作为本发明优选的技术方案，所述激光热加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定激光波长193nm～10600nm，激光脉冲频率100kHz～1000kHz，脉冲宽度1ns～100ns，扩束比例为1:2～1:50，聚焦镜焦距为20mm～200mm，以工作台运动或振镜矩阵扫描的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。
作为本发明优选的技术方案，所述冷激光蚀除加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定激光波长193nm～10600nm，激光脉冲频率100kHz～1000kHz，脉冲宽度1fs～100ps，扩束比例为1:2～1:50，聚焦镜焦距为20mm～200mm，以工作台运动或振镜矩阵扫描的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。
所述冷激光蚀除加工方法中被加工区域热效应不明显，对材料本身的性能影响较小。
作为本发明优选的技术方案，所述激光热加工成型方法或冷激光蚀除加工方法中激光发生器采用固体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的其中一种。
作为本发明优选的技术方案，所述曲面聚晶金刚石复合片毛坯体为曲面毛坯体或平面毛坯体，将原料在1400-2000℃，5.0-11.0Gpa压力下一次烧结而成，所述原料包括金刚石微粉，硬质合金基体。
作为本发明优选的技术方案，所述激光加工方法加工成型的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的尺寸精度为0.01mm-0.1mm、切削刃齿夹角精度为0.1°-0.5°、上表面粗糙度为Ra0.01-0.5 μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明有利地利用非接触式激光加工方法，依靠激光聚焦在物体表面，形成高能量集中区域，从而将物质气化蚀除；与传统加工方式相比，加工时没有外部施加的作用力，设备和待加工物体不会产生形变；与电加工方式相比，对被加工物体的导电性没有要求，和被加工物体的硬度、强度等参数没有关系。
（2）本发明采用激光加工方法加工成型的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片具有极高的精度，可以实现对各种简单或复杂的曲面聚晶金刚石复合片进行高精度加工，提高曲面聚晶金刚石复合片的应用价值，大幅度降低钻探成本。
附图说明
图1为本发明曲面聚晶金刚石复合片毛坯体结构示意图；
图2为本发明实施例1加工成型的屋脊状曲面聚晶金刚石复合片结构示意图；
图3为本发明实施例2加工成型的四刃齿曲面聚晶金刚石复合片结构示意图；
图4为本发明实施例3加工成型的多刃齿曲面聚晶金刚石复合片结构示意图；
图中：100-聚晶金刚石层，101-聚晶金刚石上表面，200-硬质合金基体，102-倒角，103-切削刃齿。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明采用万能工具显微镜测试制得的曲面聚晶金刚石复合片的切削刃齿夹角精度以及倒角精度等尺寸精度，采用便携式表面粗糙度测试仪测试制得的的曲面聚晶金刚石复合片的上表面粗糙度。
本发明曲面聚晶金刚石复合片毛坯体包括聚晶金刚石层及与其相粘结的硬质合金基体，采用高温高压工艺一次烧结成型的平面毛坯体。
将金刚石微粉、硬质合金基体等原料在1500℃，9.0Gpa压力下一次烧结而成曲面聚晶金刚石复合片毛坯体。所述毛坯体如图1所示，曲面聚晶金刚石复合片毛坯体包括聚晶金刚石层100，及与其粘接的硬质合金基体200，聚晶金刚石层上表面101。图2-4所示是以下三个实施例中分别制得的曲面聚晶金刚石复合片的结构示意图，图中102代表倒角，103代表切削刃齿。
以下三个实施例均采用如图1所示的曲面聚晶金刚石复合片毛坯体进行激光加工成型。
实施例1
本实施例采用所述激光热加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定固体激光器激光波长1100nm，激光脉冲频率200kHz，脉冲宽度80ns，扩束比例为1:30，聚焦镜焦距为30mm，以振镜矩阵扫描的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。
如图2所示，采用上述激光热加工方法制得的屋脊状曲面聚晶金刚石复合片的切削刃齿夹角精度0.4°、倒角精度0.025mm、上表面粗糙度Ra0.12μm。
本实施例采用所述冷激光蚀除加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定半导体激光器激光波长363nm，激光脉冲频率100kHz，脉冲宽度100ps，扩束比例为1:20，聚焦镜焦距为20mm，以振镜矩阵扫描的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。
采用上述冷激光蚀除加工方法制得的屋脊状曲面聚晶金刚石复合片的切削刃齿夹角精度0.3°、倒角精度0.015mm、上表面粗糙度Ra0.16μm。
上述高精度屋脊状曲面聚晶金刚石复合片适用于极硬岩层、坚韧夹层等复杂地层的钻探，尤其极硬岩层。
实施例2
本实施例采用所述激光热加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定固体激光器激光波长1100nm，激光脉冲频率200kHz，脉冲宽度80ns，扩束比例为1:30，聚焦镜焦距为30mm，以工作台运动的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。
如图3所示，采用上述激光热加工方法制得的四刃齿曲面聚晶金刚石复合片的切削刃齿夹角精度0.3°、倒角精度0.03mm、上表面粗糙度Ra0.22μm。
本实施例采用所述冷激光蚀除加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定半导体激光器激光波长363nm，激光脉冲频率100kHz，脉冲宽度100ps，扩束比例为1:20，聚焦镜焦距为20mm，以工作台运动的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。
采用上述冷激光蚀除加工方法制得的四刃齿曲面聚晶金刚石复合片的切削刃齿夹角精度0.2°、倒角精度0.028mm、上表面粗糙度Ra0.21μm。
上述高精度四刃齿曲面聚晶金刚石复合片适用于极硬岩层、坚韧夹层等复杂地层的钻探，可实现高效利用率，更进一步大幅度降低钻探成本。
实施例3
本实施例采用所述激光热加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定固体激光器激光波长1060nm，激光脉冲频率190kHz，脉冲宽度90ns，扩束比例为1:30，聚焦镜焦距为40mm，以振镜矩阵扫描的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。
如图4所示，采用上述激光热加工方法制得的多刃齿曲面聚晶金刚石复合片的切削刃齿夹角精度0.4°、倒角精度0.045mm、上表面粗糙度Ra0.15μm。
本实施例采用所述冷激光蚀除加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定半导体激光器激光波长363nm，激光脉冲频率100kHz，脉冲宽度100ps，扩束比例为1:20，聚焦镜焦距为20mm，以振镜矩阵扫描的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。
采用上述冷激光蚀除加工方法制得的多刃齿曲面聚晶金刚石复合片，切削刃齿夹角精度0.4°、倒角精度0.042mm、上表面粗糙度Ra0.18μm。
上述高精度多刃齿曲面聚晶金刚石复合片适用于极硬岩层、坚韧夹层等复杂地层的钻探，尤其坚韧夹层及较深的复杂地层。同时，此多刃齿曲面聚晶金刚石复合片可实现无方向使用，且抗崩齿、避免泥包等问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，其特征在于，包括曲面聚晶金刚石复合片毛坯体的成型、对所述曲面聚晶金刚石复合片毛坯体通过激光加工方法加工为曲面聚晶金刚石复合片；
所述激光加工方法为激光热加工成型方法。
2.根据权利要求1所述的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，其特征在于，所述激光加工方法还可以为冷激光蚀除加工方法。
3.根据权利要求1或2所述的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，其特征在于，所述激光热加工方法或冷激光蚀除加工方法均采用激光发生器发射激光束，经过扩束、聚焦，在曲面聚晶金刚石复合片毛坯体表面形成能量集中区域，进而被气化蚀除。
4.根据权利要求3所述的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，其特征在于，所述激光热加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定激光波长193nm～10600nm，激光脉冲频率100kHz～1000kHz，脉冲宽度1ns～100ns，扩束比例为1:2～1:50，聚焦镜焦距为20mm～200mm，以工作台运动或振镜矩阵扫描的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。
5.根据权利要求3所述的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，其特征在于，所述冷激光蚀除加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定激光波长193nm～10600nm，激光脉冲频率100kHz～1000kHz，脉冲宽度1fs～100ps，扩束比例为1:2～1:50，聚焦镜焦距为20mm～200mm，以工作台运动或振镜矩阵扫描的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。
6.根据权利要求3所述的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，其特征在于，所述激光热加工成型方法或冷激光蚀除加工方法中激光发生器采用固体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的其中一种。
7.根据权利要求1至6任一项所述的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，其特征在于，所述曲面聚晶金刚石复合片毛坯体为曲面毛坯体或平面毛坯体，将原料在1400-2000℃，5.0-11.0Gpa压力下一次烧结而成，所述原料包括金刚石微粉，硬质合金基体。
8.根据权利要求1至6任一项所述的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，其特征在于，所述激光加工方法加工成型的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的尺寸精度为0.01mm-0.1mm、切削刃齿夹角精度为0.1°-0.5°、上表面粗糙度为Ra0.01-0.5 μm。
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