CN109736713A - 一种金刚石取芯钻头及其激光焊接制备工艺 - Google Patents

一种金刚石取芯钻头及其激光焊接制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金刚石取芯钻头及其激光焊接制备工艺，属于金刚石取芯钻头技术领域。该金刚石取芯钻头是由金属基体和金刚石刀头连接而成，多个刀头均匀分布于金属基体端面上；所述金属基体与金刚石刀头之间设置过渡层，所述金刚石刀头侧表面上均匀开设多个条形沟槽，形成波浪齿结构的侧表面。通过激光焊接工艺将金属基体与刀头连接为一体。本发明通过刀头形状的特殊设计，使得高速取芯钻头可以在大深度钻孔时起到很好的水冷却作用，同时刀头内壁连续波浪齿结构更加有利于粉碎的泥沙及时排出，以保持很好切割性能。本发明通过优化刀头和过渡层成分，以及优化激光功率、焊接速度等工艺参数，获得具有优良性能的焊缝。

Description

一种金刚石取芯钻头及其激光焊接制备工艺
技术领域
本发明涉及金刚石取芯钻头技术领域，具体涉及一种金刚石取芯钻头及其激光焊接制备工艺。
背景技术
金刚石取芯钻头具有钻进速度快、石材损耗小、不破坏周边环境等独特优点，从而被广泛应用于混凝土、沥青、岩石、钢筋水泥墙面钻孔。金刚石取芯钻头是在钢基体上连接刀头形成。目前，国内钢基体与刀头常采用钎焊方法连接，金刚石取芯钻头工作时，由于转速极快，受强烈冲击震动，需要高剪切强度高温强度，因此，钎焊连接的刀头经常由于高速钻进发热引起钎料熔化而脱落。
在中国高速发展的经济环境下，路面施工安装，取芯高效作业时很多情况下环境要求都非常苛刻，特别是钻头在钻孔过程中，取芯困难，钻孔速度慢。因此，开发一种刀头与基体结合强度高、刀头不易脱落、不易损坏，能够适应苛刻环境的金刚石取芯钻头是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金刚石取芯钻头及其激光焊接制备工艺，通过设计金刚石取芯钻头宏观结构及焊接工艺，获得具有钻孔取芯效率高、在极端条件使用时不易脱落的金刚石取芯钻头。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种金刚石取芯钻头，是由金属基体和金刚石刀头连接而成，其中：所述金属基体为圆筒状结构，金刚石刀头为多个，多个刀头均匀分布于金属基体端面上；所述金属基体与金刚石刀头之间设置过渡层，所述过渡层厚度为2.0-2.5mm。
所述金刚石刀头的外端面为平面，其侧表面上沿金属基体的轴向均匀开设多个条形沟槽，形成波浪齿结构的侧表面。
所述金刚石刀头侧表面上的相邻条形沟槽的间距d小于金刚石刀头厚度，条形沟槽的开设深度为沟槽间距d的0.5-1倍。
所述金刚石取芯钻头是通过激光焊接技术将金属基体和金刚石刀头连接为一体，获得金刚石取芯钻头，该制备工艺包括如下步骤：
(1)基体加工
车加工所需结构基体，并进行抛光打磨；
(2)激光焊接：
将带有过渡层的金刚石刀头放置于基体上相应的位置上，过渡层位于刀头与基体之间；将激光焊接机的激光光点调整到刀头与基体合适的位置，启动激光焊接机焊接，使刀头和基体在激光穿透的瞬间焊接在一起；焊接过程中，采用CO2激光器，激光光斑直径0.35-0.5mm，激光功率880-910W，焊接速度0.85-0.95m/min；保护气体为氩气，保护气流量0.3-0.55L/min；
(3)打磨、喷漆：
将焊接后所得取芯金刚石钻头，用砂轮打磨金刚石刀头的工作面，并使金刚石暴露出来，再用磨光机打磨基体表使之光亮，然后进行表面喷漆，烘干，以防止表面生锈。
上述焊接过程中，采用负离焦增加熔深，离焦量0.25-0.32mm，为减少焊接时飞溅，降低刀头材料合金元素烧损，焦点应偏向基体一侧0.05-0.12mm，入射激光倾斜8°-11°。
所述金属基体为45#钢，所述金刚石刀头的制备原材料是由铜、钨、镍、铁、锡、稀土合金、液体石蜡和金刚石组成，其中金刚石粒度为30-50目，金刚石的抗压强度20-30kg；所述稀土合金为La-Ni合金，La-Ni合金中La为25wt.％，余量为Ni；所述金刚石刀头的原材料按重量份数计的组成如下：
铜15-28份，铁2640份，镍7-17份，钨23-40份，锡2-10份，稀土合金0.15-0.55份，金刚石1.7-3.0份，液体石蜡0.0015-0.0038份。
所述金刚石刀头制备原材料按重量份数计的组成优选如下：
铜17-23份，铁29-35份，镍10-15份，钨25-36份，锡4-7份，稀土合金0.2-0.45份，金刚石1.9-2.6份，液体石蜡0.0022-0.006份。
所述金刚石刀头制备原材料按重量份数计的组成更优选如下：
铜20份，铁33份，镍12份，钨29份，锡5.5份，稀土合金0.5份，金刚石2.2份，液体石蜡0.0025份。
所述金刚石刀头与过渡层采用热压烧结技术烧结为一体，具体过程如下：
将刀头原材料按照所需比例混合，混合均匀后先进行冷压成型，得到预制刀头；所述过渡层的原料粉末混合均匀后也进行冷压成型，得到预制过渡层；然后将预制刀头与预制过渡层合并装入石墨模具中，在热压机中经热压烧结，得到带有过渡层的金刚石刀头；所述热压烧结过程中，烧结温度为720～750℃，烧结压力为280～320kg/cm2，保温时间4～6分钟。
所述过渡层的原料粉末组成为：Co为20-22.5wt.％，Cu为7.5-9wt.％，Ni2.5-3.1wt.％，余量为Fe；热压烧结后过渡层密度8.52-8.80g/cm3。
本发明制备的取芯金刚石钻头，经检测，焊缝无气孔、裂纹等宏观缺陷。刀头抗弯强度大于1850N/mm2，焊接强度大于40N.m。
本发明有以下优点：
1、通过将刀头侧面制作成波浪齿结构，当钻机高速扭转过程中钻孔取芯，刀头特殊的波浪齿设计可以将更多的泥沙颗粒碎屑从深层孔洞中快速输送走，降低钻进过程中多余的切割阻力，使得钻孔取芯效率更高。
2、通过将刀头设计成特殊的波浪齿，钻头内壁与钻孔材料接触面积留有一定的空隙，使得在深度钻孔取芯过程中钻头的水冷却更加通畅，使得钻头金刚石层不会因冷却不足而导致钻头发热，钻孔功能失效。
3、本发明使用特定化学成分的过渡层与刀头，由于刀头中的金刚石在高温下易石墨化，激光焊接时焊缝会出现空洞，因此在刀头与基体之间设置一定厚度的过渡层。过渡层的熔结温度应略小于或等于刀头材料的熔结温度，同时在激光焊接时，过渡层熔化，分别与刀头与基体形成冶金结合。
4、刀头与过渡层应用具有良好的致密度，以使在激光焊接形成的焊缝中有极少的气孔，增强焊接强度。一般刀头与过渡层的热压温度越高，则越致密，焊缝强度越高。本发明通过优化刀头与过渡层的成分，使之在较低的热压温度下仍能达到良好的致密度，且有优异的焊接强度。
5、本发明采用激光焊接，强度高，安全性能好。但由于过渡层为粉末冶金材料，焊接时易出现空洞和裂纹，因此焊接参数的选择极为重要。本发明通过优化激光功率、焊接速度等工艺参数，获得具有优良性能的焊缝。
附图说明
图1为本发明金刚石取芯钻头整体结构示意图。
图2为本发明金刚石取芯钻头中刀头结构图(侧视图)。
图3为本发明金刚石取芯钻头中刀头结构图(俯视图)。
图4为实施例1制备的金刚石刀头断口扫描形貌显微图。
图5为对比例1制备的金刚石刀头断口扫描形貌显微图。
图中：1-金属基体；2-金刚石刀头；201-沟槽；3-过渡层。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明进行描述，但实施例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供一种金刚石取芯钻头，其结构如图1-3所示。该钻头是由圆筒状结构的金属基体1和金刚石刀头2连接而成，多个金刚石刀头2均匀分布于金属基体1的一个圆形端面上；所述金属基体与金刚石刀头之间设置过渡层3，所述过渡层厚度为2.0-2.5mm。
所述金刚石刀头的外端面为平面，其侧表面(内侧面与外侧面)上沿金属基体的轴向均匀开设多个条形沟槽201，形成波浪齿结构的侧表面。通过将刀头设计成波浪齿结构，使钻头内壁与钻孔材料的接触面留有一定的空隙，使得在深度钻孔取芯过程中，钻头的水冷却更加通畅，使得钻头的金刚石层不会因冷却不足而导致钻头发热，钻孔功能失效。
所述金刚石刀头2侧表面上的相邻条形沟槽201的间距d小于金刚石刀头厚度(沿基体径向的厚度)。条形沟槽的开设深度为沟槽间距d的0.5-1倍。
所述金属基体为45#钢，所述金刚石刀头的制备原材料是由铜、钨、镍、铁、锡、稀土合金、液体石蜡和金刚石组成，其中金刚石粒度为30-50目，金刚石的抗压强度20-30kg，所述稀土合金为La-Ni合金。
实施例1：
本实施例中，金刚石刀头制备原材料的组成(重量份)：铜20份，铁33份，镍12份，钨29份，锡5.5份，稀土合金0.5份，金刚石2.2份，液体石蜡0.0025份。
稀土合金为La-Ni合金，其中La为25wt.％，余量为Ni。
本实施例中过渡层的原料粉末组成为：Co为21.2wt.％，Cu为8wt.％，Ni3.05wt.％，余量为Fe。
所述金刚石刀头与过渡层采用热压烧结技术烧结为一体，具体过程如下：
将刀头原材料按比例混合均匀后先进行冷压成型，得到预制刀头；所述过渡层的原料粉末混合均匀后也进行冷压成型，得到预制过渡层；然后将预制刀头与预制过渡层合并装入石墨模具中，在热压机中进行热压烧结，烧结温度为725℃，烧结压力为300kg/cm2，保温时间5分钟；得到带有过渡层的金刚石刀头；热压烧结后过渡层密度约为8.6g/cm3。
该过渡层添加适量Cu提固溶强化并降低熔点，以Fe代替大部分Co以降低成本，同时加入通过Fe、Ni的配合提高强韧性，因此具有较大密度、较低的烧结温度和较高的强韧性。
在烧结的金刚石刀头中，稀土合金的加入能够提高胎体金属对金刚石的浸润性，增强粘结能力，同时提高胎体材料的抗弯强度、耐磨性；降低粘结金属的熔点，降低金刚石制品的烧结温度，从而减少热压法高温造成的金刚石质量下降。如图4所示，对金刚石胎体进行断口扫描，由断口形貌显微图(图4)可以看出，在胎体中加入微量La-Ni合金粉后，试样的断裂可见明显的韧窝，以韧性断裂为主。
本实施例中，所述金刚石取芯钻头是通过激光焊接技术将金属基体和金刚石刀头连接为一体，具体工艺包括如下步骤：
(1)基体加工
车加工所需结构基体，并进行抛光打磨；
(2)激光焊接：
将带有过渡层的金刚石刀头放置于基体上相应的位置上，过渡层位于刀头与基体之间；将激光焊接机的激光光点调整到刀头与基体合适的位置，启动激光焊接机焊接，使刀头和基体在激光穿透的瞬间焊接在一起，然后以600N/mm2强度标准对每个金刚石刀头进行焊接强度检测。
焊接过程中，采用CO2激光器，激光光斑直径0.4mm，激光功率900W，焊接速度0.9m/min；保护气体为氩气，保护气流量0.5L/min。
焊接过程中，采用负离焦增加熔深，离焦量0.3mm，为减少焊接时飞溅，降低刀头材料合金元素烧损，焦点应偏向基体一侧0.1mm，为获得最佳角焊缝效果，入射激光倾斜6-11°。
(3)打磨、喷漆：
将焊接后所得取芯金刚石钻头，用砂轮打磨金刚石刀头的工作面，并使金刚石暴露出来，再用磨光机打磨基体表使之光亮，然后进行表面喷漆，烘干，以防止表面生锈。
本实施例制备的取芯金刚石钻头，经检测，焊缝无气孔、裂纹等宏观缺陷。刀头抗弯强度1870N/mm2，焊接强度48N.m。
对比例1：
与实施例1不同之处在于：金刚石刀头原材料中不加入稀土合金。
本例制备的不含稀土合金的金刚石刀头试样断口呈层状脆性断裂特征(图5。
对比例2：
与实施例1不同之处在于：金刚石刀头原材料中加入稀土合金粉为2重量份。
本例制备的金刚石刀头，由于稀土合金的过量加入，使胎体的烧结性能变差，孔隙增多，胎体中夹杂多，导致胎体强度降低(刀头抗弯强度约1400N/mm2)。
实施例2：
本实施例中，金刚石刀头制备原材料的组成(重量份)：铜25份，铁35份，镍15份，钨31份，锡4.5份，稀土合金0.25份，金刚石2.2份，液体石蜡0.0042份。
其他均与实施例1相同。
本实施例制备的取芯金刚石钻头，经检测，焊缝无气孔、裂纹等宏观缺陷。刀头抗弯强度大于1872N/mm2，焊接强度45N.m。
实施例3：
本实施例中，金刚石刀头制备原材料的组成(重量份)：铜21份，铁30份，镍11份，钨31份，锡4.5份，稀土合金0.40份，金刚石2.4份，液体石蜡0.0040份。
其他均与实施例1相同。
本实施例制备的取芯金刚石钻头，经检测，焊缝无气孔、裂纹等宏观缺陷。刀头抗弯强度大于1875N/mm2，焊接强度42N.m。

Claims (10)

1.一种金刚石取芯钻头，其特征在于：该金刚石取芯钻头是由金属基体和金刚石刀头连接而成，其中：所述金属基体为圆筒状结构，金刚石刀头为多个，多个刀头均匀分布于金属基体端面上；所述金属基体与金刚石刀头之间设置过渡层，所述过渡层厚度为2.0-2.5mm。
2.根据权利要求1所述的金刚石取芯钻头，其特征在于：所述金刚石刀头的外端面为平面，其侧表面上沿金属基体的轴向均匀开设多个条形沟槽，形成波浪齿结构的侧表面。
3.根据权利要求2所述的金刚石取芯钻头，其特征在于：所述金刚石刀头侧表面上的相邻条形沟槽的间距d小于金刚石刀头厚度，条形沟槽的开设深度为沟槽间距d的0.5-1倍。
4.根据权利要求1所述的金刚石取芯钻头的激光焊接制备工艺，其特征在于：该工艺是通过激光焊接技术将金属基体和金刚石刀头连接为一体，获得金刚石取芯钻头，该制备工艺包括如下步骤：
(1)基体加工
车加工所需结构基体，并进行抛光打磨；
(2)激光焊接：
将带有过渡层的金刚石刀头放置于基体上相应的位置上，过渡层位于刀头与基体之间；将激光焊接机的激光光点调整到刀头与基体合适的位置，启动激光焊接机焊接，使刀头和基体在激光穿透的瞬间焊接在一起；焊接过程中，采用CO2激光器，激光光斑直径0.35-0.5mm，激光功率880-910W，焊接速度0.85-0.95m/min；保护气体为氩气，保护气流量0.3-0.55L/min；
(3)打磨、喷漆：
将焊接后所得取芯金刚石钻头，用砂轮打磨金刚石刀头的工作面，并使金刚石暴露出来，再用磨光机打磨基体表使之光亮，然后进行表面喷漆，烘干，以防止表面生锈。
5.根据权利要求4所述的金刚石取芯钻头的激光焊接制备工艺，其特征在于：焊接过程中，采用负离焦增加熔深，离焦量0.25-0.32mm，为减少焊接时飞溅，降低刀头材料合金元素烧损，焦点应偏向基体一侧0.05-0.12mm，入射激光倾斜8°-11°。
6.根据权利要求4所述的金刚石取芯钻头的激光焊接制备工艺，其特征在于：所述金属基体为45#钢，所述金刚石刀头的制备原材料是由铜、钨、镍、铁、锡、稀土合金、液体石蜡和金刚石组成，其中金刚石粒度为30-50目，金刚石的抗压强度20-30kg；所述稀土合金为La-Ni合金，La-Ni合金中La为25wt.％，余量为Ni；所述金刚石刀头的原材料按重量份数计的组成如下：
铜15-28份，铁26-40份，镍7-17份，钨23-40份，锡2-10份，稀土合金0.15-0.55份，金刚石1.7-3.0份，液体石蜡0.0015-0.0038份。
7.根据权利要求6所述的金刚石取芯钻头的激光焊接制备工艺，其特征在于：所述金刚石刀头制备原材料按重量份数计的组成如下：
铜17-23份，铁29-35份，镍10-15份，钨25-36份，锡4-7份，稀土合金0.2-0.45份，金刚石1.9-2.6份，液体石蜡0.0022-0.006份。
8.根据权利要求6所述的金刚石取芯钻头的激光焊接制备工艺，其特征在于：所述金刚石刀头制备原材料按重量份数计的组成如下：
铜20份，铁33份，镍12份，钨29份，锡5.5份，稀土合金0.5份，金刚石2.2份，液体石蜡0.0025份。
9.根据权利要求6所述的金刚石取芯钻头的激光焊接制备工艺，其特征在于：所述金刚石刀头与过渡层采用热压烧结技术烧结为一体，具体过程如下：
将刀头原材料按照所需比例混合，混合均匀后先进行冷压成型，得到预制刀头；所述过渡层的原料粉末混合均匀后也进行冷压成型，得到预制过渡层；然后将预制刀头与预制过渡层合并装入石墨模具中，在热压机中经热压烧结，得到带有过渡层的金刚石刀头；所述热压烧结过程中，烧结温度为720～750℃，烧结压力为280～320kg/cm2，保温时间4～6分钟。
10.根据权利要求9所述的金刚石取芯钻头的激光焊接制备工艺，其特征在于：所述过渡层的原料粉末组成为：Co为20-22.5wt.％，Cu为7.5-9wt.％，Ni2.5-3.1wt.％，余量为Fe；热压烧结后过渡层密度8.52-8.80g/cm3。
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