CN105545214A - 主副底喷型激光焊接金刚石钻头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主副底喷型激光焊接金刚石钻头及其制造方法，其钢管基体的管口小于管体而形成台阶，台阶上同轴焊接补强环，补强环与管口以及台阶之间形成水流环腔，多个钻头胎体焊接在管口和补强环的端面上，阻水块焊接在相邻钻头胎体之间；水流环腔内开设贯通台阶的多个主底喷孔和多组副底喷孔，各主底喷孔对位各阻水块的出水孔，各组副底喷孔对位各钻头胎体；采用高强冷压法制造高强度钻齿冷压坯，采用双向压制低温真空热压法制造钻头胎体，激光焊接钻头胎体于管口和补强上，焊后中温回火热处理，完成后续成品机加工。本发明冷却冲刷面积大，有效降低焊缝部位的热疲劳损伤，具有时效高、取芯率高、寿命长的特点。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石地质钻头，具体为一种主副底喷型激光焊接金刚石钻头及其制造方法。
背景技术：
随着浅部地层矿产资源的日益枯竭及水涨船高的人工成本，地质找矿工作对“单孔单钻”、“高效长寿”的新型钻头需求愈加迫切。
目前业内公认的提升钻头寿命的有效方法主要为提升钻齿胎体高度，但在目前现有的常规中频制法及电镀制法中，无法很好的解决提升钻齿胎体高度同胎体强度、胎体内金刚石质量、胎体同基体之间结合强度(以下简称胎-基结合强度)之间的矛盾，需从制造方法上进行技术革新才能从根本上解决这些矛盾。
金刚石钻头属超硬工具，其主要特征为含金刚石颗粒的胎体与钢管基体(带连接结构)的一端相连接，钢管基体通过直接或间接安装在压力回转设备上进行磨削钻取而实现钻进的钻进工具，常规制造方法主要有中频烧结法、电阻热烧结法、电镀法等。
但是随着工作胎体的加高，以上制造方法都无法在胎体强度、胎体内磨粒质量、胎体-基体结合强度上有效的保障钻头质量，这限制了金刚石钻头的发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种适用于中低功率激光焊机且模具亲和力好，可有效提升厚壁高胎体钻头的胎体强度、胎体内磨粒质量、胎体-基体结合强度及钻进冷却性能的主副底喷型激光焊接金刚石钻头及其制造方法。
能够解决上述技术问题的主副底喷型激光焊接金刚石钻头，其技术方案包括钻头胎体和钢管基体，所不同的是所述钢管基体的管口直径小于管体直径而形成台阶，所述台阶上同轴焊接外径与管体直径一致、高度平齐管口端面的补强环，所述补强环的内径与管口的外径以及台阶之间形成半封闭的水流环腔，多个钻头胎体圆周均布焊接在管口和补强环的端面上，相邻钻头胎体之间的管口和补强环的端面上焊接阻水块；对应于水流环腔位置开设出贯通台阶的多个主底喷孔和多组副底喷孔，各主底喷孔的位置对应于各阻水块的出水孔，各组副底喷孔的位置对应在各钻头胎体的底部。
为避免主底喷孔的孔径过小而造成冷却水流动不畅，各主底喷孔的直径可以加工出大于水流环腔的宽度，而各组副底喷孔的直径则≤水流环腔的宽度加工。
为有效保证补强环的强度，所述台阶高度(即补强环的轴向长度)设计为3mm～8mm。
可视钻头胎体的尺寸大小，将各组副底喷孔中的喷孔选择为2～5个。
所述钢管基体的壁厚设计为与补强环的厚度一致且厚度范围选择在3mm～10mm之间，厚度的取值视金刚石钻头的规格大小而定。
所述主副底喷型激光焊接金刚石钻头的制造方法，其工艺步骤为：
1、将粉料、金刚石颗粒按比例均匀混合。
2、高强度冷压制作若干个钻齿冷压坯。
3、将钻齿冷压坯装至石墨拼装模具中，通过低温真空热压烧结将钻齿冷压坯烧制成型为钻头胎体。
4、加工缩小钢管基体的管口使其与管体形成台阶以及制作尺寸匹配的补强环。
5、将补强环与管口同轴套装于台阶上并与管体用激光焊接，按位置要求加工出与钻头胎体数量一致的多个主底喷孔和多组副底喷孔。
6、通过激光焊接方式分别将钻头胎体焊接于管口和补强环上，钻头胎体之间的管口和补强环上焊接开设有出水孔的阻水块，各钻头胎体的底部位置对应于各组副底喷孔，各阻水块的出水孔位置对应于各主底喷孔。
7、焊后热处理。
8、后续机械加工及成品化处理。
所述钻头胎体与管口和补强环的激光焊接，所用焊接设备的输出功率为1800KW～6000KW，单次焊透深度为3mm～10mm，累计焊透深度为6mm～20mm。
采用激光焊接方式、摩擦焊接方式、埋弧焊接方式、保护气体填料焊接方式焊接补强环与管体。
本发明的有益效果：
1、本发明解决了胎体高度同胎体强度、胎体内金刚石颗粒质量、胎—基结合强度之间的矛盾问题，本专利对于设备要求低，成型效果好；较热压烧结法而言模具重复利用率高，降低了生产成本，可融入流水线化生产作业提升生产率；较电镀法而言无污染排放，更节能环保。
2、本发明自身胎体致密高、金刚石颗粒质量热损小且具有独特设计的主副底喷孔内冷循环水路；该主副底喷孔内冷循环水路冷却冲刷覆盖面积大，可达到钻头胎体全覆式冲刷冷却效果；且在实际钻进过程中可由内而外对焊缝部位进行冷却冲刷，可有效降低钻进时焊缝部位的热疲劳损伤，提升高胎体金刚石钻头的安全使用性能。
3、本发明金刚石钻头具有时效高、质量稳定性好、取芯率高、寿命长等特点。
4、本发明制造方法对激光焊接设备要求较低，在钢管基体、补强环的匹配设计下，中低功率激光焊接设备即可胜任，设备成本低。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。
图2为图1的前视剖视图。
图3为图1中钢管基体的立体结构示意图。
图4为图3的俯视图。
图号标识：1、钻头胎体；2、钢管基体；2-1、管口；2-2、管体；3、补强环；4、阻水块；4-1、出水孔；5、主底喷孔；6、副底喷孔；7、水流环腔。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明主副底喷型激光焊接金刚石钻头包括六个钻头胎体1、一个钢管基体2、一个补强环3和六个阻水块4。
所述钢管基体2(壁厚3mm～10mm)的上端管口2-1小于管体2-2而在管口2-1与管体2-2之间形成台阶(轴向高度3mm～8mm)，所述补强环3的外径等于管体2-2的直径、高度平齐管口2-1，补强环3于台阶上与管口2-1同轴套装并与管体2-2用激光焊接，补强环3、管口2-1、台阶三者之间形成半封闭水流环腔7，对应于水流环腔7位置于台阶上开设贯通的六个主底喷孔5(孔径在5mm～7mm之间)和六组副底喷孔6(孔径在2mm～4mm之间)，每组副底喷孔6的喷孔设为三个，所述主底喷孔5的孔径大于水流环腔7的径向宽度，所述副底喷孔6的孔径小于水流环腔7的径向宽度，如图1、图2、图3、图4所示。
六个钻头胎体1圆周均布激光焊接在补强环3和管口2-1的端面上(覆盖对应部位的水流环腔7)，各钻头胎体1底部的焊接位置分别对应于各组副底喷孔6，六个阻水块4(其上事先开设出水孔4-1)分别焊接在相邻钻头胎体1之间的补强环3和管口2-1的端面上(覆盖对应部位的水流环腔7)，各阻水块4的位置分别对应于各主底喷孔5，使得阻水块4的出水孔4-1与对应的主底喷孔5相通，如图1、图2所示。
所述主副底喷型激光焊接金刚石钻头的制造方法，其工艺步骤为：
1、将粉料、金刚石颗粒按配比混合并通过混料设备均匀混合，配比混合制备成工作料、过渡料、焊接料三种粉料。
2、将各配比混合粉料装入钻齿冷压模具并通过高强度冷压制作成含工作层、过渡层、焊接层三层成份的致密钻齿冷压坯。
3、将钻齿冷压坯装入石墨模具中并通过低温真空热压烧结成型为钻头胎体1(可为独立单齿或含数个单齿的胎体环)。
4、采用冷缩或热扩法加工制作钢管基体5上端的管口2-1，所述管口2-1与钢管基体2的管体2-2形成台阶，机加工制作尺寸匹配的补强环3，将补强环3于台阶上与管口2-1同轴套装并与管体2-2焊接(采用激光焊、摩擦焊、埋弧焊、保护气体填料焊及其他焊接方式)，对应于补强环3与管口2-1之间形成的水流环腔7位置，于台阶上加工出上、下贯通的主底喷孔5及副底喷孔6。
5、将钻头胎体1通过激光焊接方式分别焊接于补强环3和管口2-1的端面上(激光焊接设备输出功率设定1800～5000KW之间，单次焊透深度设定为3mm～10mm，累计焊透深度设定为6mm～20mm，分离式激光焊接可有效降低焊接热量对钻头胎体1的损伤)，相邻钻头胎体1之间的补强环3和管口2-1端面上焊接阻水块4，焊接后的阻水块4的出水孔4-1位置对应于主底喷孔5，焊接后的钻头胎体1的底部位置对应于副底喷孔6。
6、完成焊接后，将金钢石钻头整体置入马弗炉中进行中温回火热处理(加热温度设定在600℃～800℃之间，保温时间视钢管基体2壁厚控制在0.5～1.5小时之间，随炉冷却至400℃后出炉空冷或通过侵泡入油中快速冷却至室温)。
7、热处理完成后，进行后续机械精加工及成品化处理。
Claims (8)
1.主副底喷型激光焊接金刚石钻头，包括钻头胎体(1)和钢管基体(2)，其特征在于：所述钢管基体(2)的管口(2-1)直径小于管体(2-2)直径而形成台阶，所述台阶上同轴焊接外径与管体(2-2)直径一致、高度平齐管口(2-1)端面的补强环(3)，所述补强环(3)的内径与管口(2-1)的外径以及台阶之间形成半封闭的水流环腔(7)，多个钻头胎体(1)圆周均布焊接在管口(2-1)和补强环(3)的端面上，相邻钻头胎体(1)之间的管口(2-1)和补强环(3)的端面上焊接阻水块(4)；对应于水流环腔(7)位置开设出贯通台阶的多个主底喷孔(5)和多组副底喷孔(6)，各主底喷孔(5)的位置对应于各阻水块(4)的出水孔(4-1)，各组副底喷孔(6)的位置对应在各钻头胎体(1)的底部。
2.根据权利要求1所述的主副底喷型激光焊接金刚石钻头，其特征在于：各主底喷孔(5)的直径大于水流环腔(7)的宽度，各组副底喷孔(6)的直径≤水流环腔(7)的宽度。
3.根据权利要求1所述的主副底喷型激光焊接金刚石钻头，其特征在于：所述台阶高度为3mm～8mm。
4.根据权利要求1所述的主副底喷型激光焊接金刚石钻头，其特征在于：各组副底喷孔(6)中的喷孔为2～5个。
5.根据权利要求1所述的主副底喷型激光焊接金刚石钻头，其特征在于：所述钢管基体(2)的壁厚与补强环(3)的厚度一致且厚度范围为3mm～10mm。
6.主副底喷型激光焊接金刚石钻头制造方法，其特征在于采用以下工艺步骤对如权利要求1～5中任意一项所述的主副底喷型激光焊接金刚石钻头进行加工制作：
①、将粉料、金刚石颗粒按比例混合均匀；
②、高强度冷压制作若干个钻齿冷压坯；
③、将钻齿冷压坯装至石墨拼装模具中，通过低温真空热压烧结将钻齿冷压坯烧制成型为钻头胎体(1)；
④、加工缩小钢管基体(2)的管口(2-1)使其与管体(2-2)形成台阶以及制作尺寸匹配的补强环(3)；
⑤、将补强环(3)与管口(2-1)同轴套装于台阶上并与管体(2-2)焊接，按位置要求加工出与钻头胎体(1)数量一致的多个主底喷孔(5)和多组副底喷孔(6)；
⑥、通过激光焊接方式分别将钻头胎体(1)焊接于管口(2-1)和补强环(3)上，钻头胎体(1)之间的管口(2-1)和补强环(3)上焊接开设有出水孔(8)的阻水块(4)，各钻头胎体(1)的底部位置对应于各组副底喷孔(6)，各阻水块(4)的出水孔(4-1)位置对应于各主底喷孔(5)；
⑦、焊后热处理；
⑧、后续机械加工及成品化处理。
7.根据权利要求6所述的主副底喷型激光焊接金刚石钻头制造方法，其特征在于：所述钻头胎体(1)分别与管口(2-1)和补强环(3)的激光焊接，所用焊接设备的输出功率为1800KW～6000KW，单次焊透深度为3mm～10mm，累计焊透深度为6mm～20mm。
8.根据权利要求6所述的主副底喷型激光焊接金刚石钻头制造方法，其特征在于：采用激光焊接方式、摩擦焊接方式、埋弧焊接方式、保护气体填料焊接方式焊接补强环(3)与管体(2-2)。
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