PDC鉆頭焊接質量的技術改進

     PDC鉆頭是聚晶金剛石復合片鉆頭的簡稱，是石油鉆井行業常用的一種鉆井工具。最初，PDC鉆頭只能被用于軟頁巖地層中，原因是硬的夾層會損壞鉆頭。但由于新技術的出現以及結構的變化，目前PDC鉆頭已能夠用于鉆硬夾層和長段的硬巖地層了，PDC鉆頭正越來越多地為鉆井施工隊伍所選用。
　　PDC鉆頭現狀
　　PDC鉆頭是破碎巖石的有效工具。它是由鉆頭胎體、切削齒、鋼體和上接頭組成，通常鉆頭焊接采用焊條電弧焊的方法將鋼體與上接頭連接起來時，焊接質量不穩定、勞動強度大、焊接效率低。而鉆頭在井下工作時，由于地質條件比較復雜，鉆頭在井底工作條件比較惡劣，不僅受到鉆壓和扭矩的作用，而且在破巖過程中不斷承受沖擊載荷，因此易發生脆性斷裂。這就對PDC鉆頭焊縫的焊接質量提出了更高的要求和可靠性。
　　焊接工藝
　　PDC鉆頭胎體是通過爐中高溫燒結與鋼體結合在一起，再通過鋼體（退火狀態35CrMo鋼）與上接頭（調質狀態40CrMnMo鋼）的焊接連成一整體。影響鋼材的焊接性的主要因素有：鋼材的化學成分、焊接工藝、結構設計和使用條件。鉆頭鋼體和上接頭的含碳量高，焊接時淬硬傾向大，因而在焊接熱影響區的過熱區內很容易產生硬脆的高碳馬氏體，冷卻速度越大，生成的高碳馬氏體越多，脆化也就越嚴重。大線能量將產生寬的、組織粗大的熱影響區，增大脆化傾向，也增大焊縫及熱影響區產生熱裂紋的可能性，而采用小線能量減少了高溫停留時間，避免了奧氏體晶粒的過熱，增加了奧氏體成份的不均勻性，從而降低了奧氏體的穩定性；鋼材的強度較高，因此焊接熱影響區容易軟化，而PDC鉆頭焊接之后不能進行調質處理；線能量越小，加熱冷卻速度越快，受熱時間越短，軟化程度越小，軟化區的寬度越窄。目前鉆頭焊接采用的是焊條電弧焊的方法將鋼體與上接頭連接起來時，焊接質量不穩定、勞動強度大、焊接效率低。
　　焊接設備
　　PDC鉆頭下體與上接頭環縫焊接采用手工電弧焊時，由于工件沉重，現有工裝存在鉆頭下體與上接頭壓緊用力不均的問題，焊接的同軸度差，導致焊接質量的不穩定。
　　質量改進
　　1焊接工藝的改進
　　1.1焊接材料的選擇
　　根據工況條件對焊縫性能的要求，以及參照相關標準的基礎上決定采用藥芯焊絲氣體保護焊。藥芯焊絲氣體保護焊是在實芯焊絲高效自動焊的基礎上發展一種高效焊接方法，它具有以下優點：（1）焊接工藝性能好；（2）熔敷速度快、生產效率高、可進行連續自動和半自動的焊接，為焊條電弧焊的3-4倍；（3）合金系統調整方便，優其對于低合金高強鋼焊接的優勢是實芯焊絲無法比擬的；（4）能耗低、可節省20-30%的綜合焊接成本。
　　1.2焊接坡口的設計
　　從經濟和實現半自動焊的角度考慮，擬采用CO2氣體保護焊的焊接方法，根據國家標準GB/T985.1-2008《氣焊、焊條電弧焊、氣體保護焊和高能束焊的推薦坡口》設計的焊接坡口見圖1，坡口采用機械加工方法加工，保證了裝配精度，并避免由熱切割引起坡口處產生淬火組織。
　　焊接坡口形式及尺寸
　　2環縫焊接機的研制
　　2.1環縫焊接機的組成
　　焊接機由焊接變位機、焊接操作機、壓緊裝置、預熱裝置和成套CO2裝置等五部分組成。
　　2.2環縫焊接機的工作原理
　　a.把鉆頭上接頭放在焊接變位機的卡盤上，鉆頭下體放在上接頭上，焊接坡口對準，壓緊裝置將其壓緊。
　　b.變位機將兩焊件及壓緊裝置轉至水平。
　　c.把加熱焊炬放到壓緊裝置上的焊炬夾持器上，并移動焊炬夾持器使加熱焊炬對準焊接坡口位置，點燃加熱，焊炬對焊件進行預熱，達到預熱溫度后，停止加熱，移開加熱焊件。
　　d.操作機將CO2焊槍移到焊接坡口位置進行焊接。
　　e.焊接完畢，變位機停止轉動，操作機把CO2焊接移開，變位機向上翻轉90°，使焊件和壓緊裝置處于垂直位置，松開壓緊裝置，將鉆頭取出。
　　改進效果
　　通過改進焊接工藝和設備，取得了良好的效果大大提高了PDC鉆頭的整體質量。
　　（1）整個焊接過程操作簡單，焊接的勞動強度得到了改善。
　　（2）采用粗焊絲焊接，電弧的穿透力強，焊接速度快，溶深較大，溶池較小，熱影響區窄，焊件焊后變形小，抗銹能力強，抗裂性能好。
　　（3）該環縫焊接機能滿足鉆頭環縫直徑為Ф60mm-Ф280mm，焊接坡口厚度為5-30mm的鉆頭焊接，能夠滿足鉆頭制造業環縫焊接的需要，同時也可用于同樣尺寸的其他圓狀物體的環縫自動焊接。
　　結論與建議
　　將鉆頭環縫焊接機全面投入生產，不斷對其進行改進。繼續對焊接工藝進行優化，提高焊接設備的自動化水平，對出現的問題全面分析，全面提高鉆頭焊接質量。