金剛石鉆頭焊接強度的研究

吳海霞，陳云龍，沈立娜，梁秋平

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

目前在地質(zhì)巖心鉆探、油氣田開發(fā)鉆探中，金剛石鉆探是主要的工作手段。隨著鉆探工程向深部復(fù)雜地層發(fā)展，對鉆孔的質(zhì)量和鉆進效率有更高的要求，因此對各種高性能金剛石鉆頭有著迫切需求[1]?，F(xiàn)階段二次鑲嵌的孕鑲金剛石鉆頭，由于其燒結(jié)溫度低、對金剛石的熱損傷小及鉆頭胎體性能較好，在硬巖地層鉆進中應(yīng)用很廣泛；復(fù)合片鉆頭也成功用于軟至中硬地層[2]。這些金剛石鉆頭在復(fù)雜地層鉆進中經(jīng)常有掉齒、掉塊等現(xiàn)象發(fā)生，造成鉆頭壽命降低甚至鉆頭失效[3,4]。因此本文對金剛石鉆頭的焊接強度展開研究，通過使用不同材料的焊料，測試應(yīng)用于不同材料時相應(yīng)的焊接強度，優(yōu)選適用于各胎體配方及復(fù)合片金剛石鉆頭的焊接材料。

1 金剛石鉆頭焊接試驗方法及設(shè)計

1.1 試驗材料

本文以熱壓R1、R6、R10、無壓W1胎體、復(fù)合片為焊接基材，以45鋼為焊接母材，選擇5種不同牌號的銀釬焊料，對其焊接強度試驗進行設(shè)計研究。銀釬焊料主要牌號如表1所示。

表1 不同牌號的焊料主要技術(shù)參數(shù)

1.1 胎體焊接強度

依照YS/T 485-2005[5,6]的剪切試驗?zāi)Ｐ瓦M行焊接強度測試，本標準規(guī)定了粉末冶金燒結(jié)雙金屬材料剪切強度的測定方法，本文在其基礎(chǔ)上做了適當(dāng)修改，模型如圖1所示。

1.焊接基材 2.焊料 3.焊接母材 4.試驗工裝圖1 焊接強度工裝示意圖

1.2 試樣焊接

焊接前須對焊接面進行預(yù)處理，去除焊接基材和母材表面的油、銹和氧化物，采用不同牌號的銀釬焊料，焊劑為銀釬焊溶劑，脫水劑為無水乙醇，采用火焰焊接方式?；脑嚇映叽鐬?0 mm×10 mm×10 mm，母材尺寸為10 mm×10 mm×30 mm。

1.3 焊接面微觀結(jié)構(gòu)觀察

利用體視顯微鏡或金相顯微鏡觀察分析剪切破壞后的焊接連接面的表面狀態(tài)，以評估焊接質(zhì)量，分析強度值形成原因。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同焊料對胎體焊接強度的影響

2.1.1 焊接試樣

試驗所用基母材實物試樣如圖2所示，母材均選用45鋼。

圖2 焊接強度測試試樣

2.1.2 不同焊接材料對R1胎體焊接強度的影響

使用上述的5種焊接材料分別焊接R1胎體基材與45鋼母材，用微機控制萬能材料試驗機進行剪切試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 不同焊接材料與R1胎體焊接強度統(tǒng)計表

由上表2可知，針對R1胎體配方，焊接強度最高的是T304焊料，均值為187.7 MPa，所以T304焊料最適用于R1胎體配方。H306焊料的燒結(jié)溫度為840～860℃，是5種材料中最高的，而且其焊接強度是最低，因此在后期R配方的焊接實驗將其淘汰。

2.1.3 不同焊接材料對R6胎體焊接強度的影響

使用除H306焊料之外4種焊接材料分別焊接R6胎體基材與45鋼母材，用微機控制萬能材料試驗機進行剪切試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同焊接材料與R6胎體焊接強度統(tǒng)計表

由表2可知，針對R6胎體配方，所有焊料的焊接強度均值在149 MPa以上，可見這種配方的焊接性較強。從焊接強度數(shù)值上看，最適合R6胎體配方的焊接材料是50CuZnNi焊料，其焊接強度均值為194.5 MPa。

2.1.4 不同焊接材料對R10胎體焊接強度的影響

使用除H306焊料之外4種焊接材料分別焊接R10胎體基材與45鋼母材，用微機控制萬能材料試驗機進行剪切試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 不同焊接材料與R10胎體焊接強度統(tǒng)計表

由表4可知，針對R10胎體配方，最高的焊接強度是T304焊料，均值是156 MPa，所以最適用于R10胎體配方的焊接材料是T304焊料。

2.1.5 不同焊接材料對W1胎體焊接強度的影響

使用本文中的5種焊接材料分別焊接無壓W1基材與45鋼母材，用微機控制萬能材料試驗機進行剪切試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 不同焊接材料與W1胎體焊接強度統(tǒng)計表

由表5可知，針對無壓W1胎體配方，H304和T304焊料的焊接強度均值分別是125 MPa和126 MPa，基本一致，但H304焊料的焊接強度最高值為152 MPa，且其他焊料強度均不足100 MPa，可見最適合的焊接材料是H304和T304焊料。

2.1.6 不同焊接材料對?8 mm復(fù)合片胎體焊接強度的影響

本次試驗選用了?8 mm復(fù)合片的舊片和新片作為焊接基材，分別用不同的焊料與45鋼母體焊接為試樣。表6為不同焊接材料與?8 mm復(fù)合片舊片焊接強度匯總數(shù)據(jù)，表7為不同焊接材料與?8 mm 復(fù)合片新片焊接強度匯總數(shù)據(jù)。

表6 不同焊接材料與?8 mm復(fù)合片(舊片)焊接強度統(tǒng)計表

表7 不同焊接材料與?8 mm復(fù)合片(新片)焊接強度統(tǒng)計表

由表6、表7可知，對于金剛石聚晶復(fù)合片而言，使用L312焊料焊接強度最高，均值為137.6 MPa，所以L312焊料最適用于復(fù)合片鉆頭焊接。

2.2 胎體材料的可焊性比較

由上述的焊接強度試驗結(jié)果中取每種材料的最優(yōu)數(shù)據(jù)列舉如表8及圖3所示。

表8 最優(yōu)焊接強度匯總表

圖3 胎體焊接強度對比曲線圖

由表8及圖3可以看出，針對不同胎體材料或切削齒，存在最優(yōu)的焊接材料，可以獲得較高的焊接強度，對于列舉的這幾種胎體材料而言，其可焊性大致可排序如下：R6>R1>R10>PDC>W1。但焊接強度最高值與最低值有時會相差很大，如R6測得值，相差74%。對比其斷面圖的顯微照片(圖4)可以看出，較高焊接強度值的焊接斷面呈現(xiàn)平整光亮的金黃色，而較低值焊接強度的斷面含部分黑色氣孔，這些氣孔內(nèi)部似乎存有焊劑殘渣或雜質(zhì)，由此可見，火焰焊接的焊接接觸面必須進行打磨噴砂脫水等表面預(yù)處理，否則會嚴重影響焊接質(zhì)量。

圖4 R1-T304焊接斷面的顯微照片

2.3 電鍍層對焊接強度的數(shù)值影響

為了提高基母材之間的焊接強度，通常會采用在其間增加過渡涂層的方法來增加強度，因此針對銀銅焊料，選用電鍍銅和銀來進行基母材的表面處理，鍍層厚度10 μm，再制作焊接試樣進行試驗。不同胎體配方的基母材電鍍銅和銀的焊接強度匯總表見表9、表10。

表9 不同胎體配方電鍍銅后的焊接強度統(tǒng)計表

表10 不同胎體配方電鍍銀后的焊接強度統(tǒng)計表

由表9、表10可見，對于R1，R6，R10，W1幾種胎體配方而言，鍍銀后的焊接強度比鍍銅強度略高，但無論電鍍銅或者是銀，均會大幅度降低材料的焊接強度，因此該方法不適用于金剛石鉆頭的焊接。

4 結(jié)論

(1)不同的胎體配方需要使用不同的焊接材料，從而能獲得更好的焊接強度，熱壓R1與R10胎體配方使用T304焊料，熱壓R6胎體配方使用50CuZnNi焊料，無壓W1胎體使用H304焊料，PDC焊接時使用L312焊料。

(2)對比可焊性可知，R1，R6，R10，W1以及PDC的可焊性大致排序：R6>R1>R10>PDC>W1。

(3)電鍍銅或者銀會很大程度降低材料的焊接強度，并不能起到過渡層應(yīng)有的作用。