DE69008213T2

DE69008213T2 - Verbesserungen an oder in Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren von Schneideeinheiten für rotierende Bohrköpfe.

Info

Publication number: DE69008213T2
Application number: DE69008213T
Authority: DE
Inventors: John Denzil Barr
Original assignee: Camco Drilling Group Ltd
Current assignee: Camco Drilling Group Ltd
Priority date: 1989-02-16
Filing date: 1990-02-12
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2010-02-13
Also published as: GB8903542D0; EP0383508A2; DE69008213D1; GB2229124B; EP0383508B1; ZA901113B; GB2229124A; EP0383508A3; US5101691A; IE900586L; IE64127B1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Schneideeinheiten zur Verwendung in Drehbohrmeißeln und eine Schneideeinheit, die durch solche Verfahren hergestellt wurde.
Drehbohrmeißel der Art, für die die vorliegende Erfindung anwendbar ist, umfassen einen Meißelkörper mit einem Schaft zur Befestigung eines Bohrstranges und einen Durchgang zur Zuführung von Bohrfluid zur Stirnseite des Meißels, welcher eine Vielzahl von Schneideelementen trägt. Die Schneideelemente sind sogenannte Schneideelement-"Rohlinge", die eine Platte umfassen, die oft kreisrund oder kreisabschnittförmig ausgebildet ist, und aus einer dünnen harten Deckplatte, gewöhnlich aus polykristallinen Diamant, besteht, und auf eine weniger harte Tragschicht, gewöhnlich aus gesintertem Wolframkarbid, gebondet ist.
Normalerweise wird der Meißelkörper durch spanende Bearbeitung aus einem Metallstück, gewöhnlich aus Stahl, hergestellt, oder er wird unter Anwendung eines pulvermetallurgischen Verfahrens, bei welchem Wolframkarbidpulver in einem Ofen in eine Legierungsbindephase infiltriert wird, und sich so eine harte Grundmasse bildet.
In einem Meißel mit Stahlkörper und auch in einigen Meißeln, die aus einer Grundmasse bestehen, wird jedes Schneideelement normalerweise auf einem Träger, z. B. einem Zapfen oder Pfeiler befestigt, und der Zapfen oder Pfeiler wird dann in einer Fassung im Meißelkörper befestigt. Gewöhnlich wird die hintere Fläche der Tragschicht auf eine Fläche des Trägers durch Hartlöten gebondet, obgleich auch vorgeschlagen wurde, andere Verbindungsverfahren, insbesondere das Diffusions-Bonden anzuwenden. Eine solche Anordnung ist in EP-A-295151 dargestellt.
Bei konventionellen zweischichtigen Schneideelementen der Art, wie sie in EP-A-295151 dargestellt sind, ist die hintere Fläche der Tragschicht im wesentlichen flach, und sie wird auf eine entsprechende flache Fläche am Träger gebondet. Die weniger harte Tragschicht hat jedoch normalerweise einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die harte Vorderschicht des Schneideelementes, und daraus folgend entsteht, wenn das Element auf die zum Hartlöten oder Diffusionsbonden notwendige Temperatur erhitzt wird, eine unterschiedliche Ausdehnung, die dazu führt, daß sich das Schneideelement wölbt, mit dem Ergebnis, daß die Rückseite der Tragschicht konvex verformt wird. Es müssen sehr hohe Drücke auf das Schneideelement ausgeübt werden, um es gegen die flache Fläche des Trägers abzuflachen, und dies ist in der Praxis schwer erreichbar. Dementsprechend hat die konvexe Deformation der Rückfläche der Tragschicht zur Folge, daß die Abstände zwischen der Rückfläche und der Fläche des Trägers nicht konstant sind, sondern daß sie nahe der Peripherie des Schneideelementes größer sind, und dies kann die Festigkeit des endgültigen Bondens ungünstig beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung zeigt Wege auf, Verfahren zu entwickeln, um dieses Problem zu überwinden.
EP-A-211642 offenbart Schneideelemente, welche aus einer konkaven einzelnen Schicht von polykristallinem Diamant bestehen, die auf einen Träger oder einen Meißelkörper gebondet sind. Der Zweck der Konkavität der Schicht ist lediglich, eine konkave Frontschneidfläche zu erzielen. Einschichtige Schneideelemente dieser Art, wie sie in EP-A-211642 dargestellt sind, erfahren keine konvexe Deformation, wenn sie bei höheren Temperaturen gebondet werden, weil keine unterschiedliche Ausdehnung zwischen den Schichten vorhanden ist, die solch eine Deformation erzeugt. Das zu lösende Problem, welches der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb hier nicht.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Schneideeinheit für einen Drehbohrmeißel vorgeschlagen, das das Bonden auf einen Träger bei hoher Temperatur und ein Schneideelement umfaßt, welches aus einer dünnen harten Vorderschicht, die bereits mit einer weniger harten Tragschicht verbunden ist, besteht, wobei die Tragschicht einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die harte Vorderschicht besitzt, und das Verfahren den Schritt enthält, die Tragschicht mit einer Rückseite zu versehen, die zur Verbindung mit dem Träger bei Umgebungstemperatur konkav ist.
Bei der höheren Temperatur, bei welcher das Bonden durchgeführt wird, neigt die konkave Tragschicht im Ergebnis der unterschiedlichen Ausdehnung der Diamantschicht und der Tragschicht dazu, sich abzuflachen. In Abhängigkeit von der anfänglichen Konkavität wird sie dementsprechend weniger konkav, flach oder leicht konvex. Das Vorsehen von etwas Konkavität an der Rückseite der Tragfläche führt sehr wahrscheinlich zu einigen Vorteilen, selbst in den Fällen, wenn die Rückseite bei der Bondtemperatur nur noch leicht konkav oder gar konvex deformiert ist, weil in solchen Fällen die Deformierung geringer ist, als sie sein würde, wenn die Rückseite der Tragschicht ursprünglich flach war. Die Ausgangskonkavität der Rückseite der Tragschicht wird jedoch vorzugsweise so gewählt, daß die Rückseite bei der höheren Temperatur, bei der sie auf den Träger gebondet wird, im wesentlichen flach wird.
Wenn die Schneideeinheit, nachdem sie auf den Träger gebondet ist, abgekühlt wird, werden die Schneideelemente dazu neigen, zu versuchen, ihr ursprüngliche Form anzunehmen, und dies wird zu dem Effekt führen, die gebondete Verbindung zwischen der Rückseite des Schneideelementes und dem Träger unter Spannung zu setzen. Die peripheren Kanten der Bondverbindung werden sich unter Druck befinden und diese vorgespannte Bondung wird fester sein als die konventionellen Bondverbindungen zwischen Flächen, welche bei Umgebungstemperatur flach sind.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Schneideeinheit für einen Drehbohrmeißel vorgeschlagen, das das Bonden eines Schneideelementes, welches aus einer dünnen harten Vorderschicht, die bereits mit einer weniger harten Tragschicht verbunden ist, bei höherer Temperatur auf einen Träger umfaßt, wobei die Tragschicht einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als die harte Vorderschicht, und das Verfahren den Schritt einschließt, den Träger mit einer konkaven Fläche zu versehen, und die Rückseite der Tragschicht des Schneideelementes auf die konkave Fläche des Trägers zu bonden, wobei die konkave Fläche, mindestens teilweise, jegliche konvexe Deformation der Rückseite der Tragfläche bei der erhöhten Temperatur, bei der das Bonden durchgeführt wird, aufnimmt.
So kann bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung das Schneideelement eine konventionelle Form mit flacher Rückseite haben, und die konvexe Deformation der Rückseite wird dann teilweise oder vollständig durch die Konkavität der Fläche des Trägers aufgenommen.
Vorzugsweise wird die ausgehende Konkavität der Fläche des Trägers so gewählt, daß sie im wesentlichen der Konkavität der Rückseite der Tragfläche bei erhöhter Temperatur, bei der sie auf den Träger gebondet wird, entspricht.
Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte sind insbesondere in dem Falle einsetzbar, wenn das Schneideelement durch Diffusionsbonden auf den Träger aufgebracht wird, sie können aber auch in den Fällen von Vorteil sein, wenn das Schneideelement durch Hartlöten oder in anderer Weise auf den Träger gebondet wird.
Die beiden Aspekte der Erfindung können auch kombiniert werden, d. h., daß Anordnungen möglich sind, bei welchen sowohl die Rückseite der Tragschicht des Schneideelementes als auch die Fläche auf dem Träger bei Umgebungstemperatur konkav sind. In diesem Falle ist es notwendig, daß die Konkavität jeder Fläche geringer ist als in dem Falle, wenn nur eine Fläche ursprünglich konkav ist.
Die Konkavität kann durch einen Schleifvorgang, wie er z. B. beim Schleifen sphärischer Linsen üblich ist, wenn eine Vielzahl von Elementen gleichzeitig unter Verwendung eines großen teilsphärischen Schleifkopfes geschliffen werden.
Im folgenden wird eine detailiertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung gegeben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
Figur 1 ist eine Seitenansicht einer Schneideeinheit, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde,
Figur 2 ist eine Vorderansicht der in Figur 1 dargestellten Einheit,
Figur 3 ist eine Seitenansicht eines Schneideelementes bei Umgebungstemperatur,
Figur 4 ist eine Seitenansicht eines Schneideelementes bei höherer Temperatur und
Figur 5 ist eine Seitenansicht eines Zapfens und eines Schneideelementes bei höherer Temperatur, nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Schneideeinheiten, auf die sich die Erfindung bezieht, sind zur Befestigung im Körper eines solchen Drehbohrmeißels vorgesehen, wie er eingangs beschrieben wurde. Der Meißelkörper ist an seiner Oberfläche mit einer Vielzahl von Fassungen versehen, und in jeder Fassung ist der Zapfenteil einer Schneideeinheit aufgenommen. Die Schneideeinheit wird normalerweise durch Schrumpfen oder Hartlöten in seiner Fassung befestigt. Wie vorstehend bereits erwähnt, werden die Schneideeinheiten an Meißeln verwendet, bei denen der Meißelkörper spanend aus Metall, gewöhnlich Stahl, hergestellt ist, oder an Meißelkörpern, welche unter Verwendung eines pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellt wurden, und in diesem Fall sind die Fassungen gleichzeitig mit der Formung des Meißelkörpers eingeformt worden. Die Konstruktion solcher Meißel ist allgemein bekannt und braucht deshalb nicht im Detail beschrieben werden.
Die Figuren 1 und 2 zeigen folgendes: Die Schneideeinheit umfaßt einen Zapfen oder Pfosten 10, der aus gesinterten Wolframkarbid geformt ist. Der Zapfen ist im wesentlichen zylindrisch und besitzt einen kreisförmigen Querschnitt, und wird zur Funktion in einer Fassung im Meißelkörper aufgenommen.
Der Zapfen weist an einem Ende eine flache Fläche 11 auf, welche zur Längsachse des Zapfens um einen Winkel von kleiner als 90º abgewinkelt ist. Ein Schneideelement 12 ist auf der Fläche 11 des Zapfens durch Diffusionsbondung, durch Hartlöten oder ein anderes Bondungsverfahren befestigt. Das Schneideelement besteht aus einer harten Vorderschicht 13 aus polykristallinem Diamant, welche auf eine dickere Tragschicht 14 aus gesintertem Wolframkarbid gebondet ist. Die Tragschicht 14 besitzt eine Rückseite 15, welche auf die Fläche 11 des Zapfens 10 gebondet ist.
In der dargestellten Konstruktion hat das Schneideelement 12 eine gegenüber einer geraden Kante 17 befindliche kreisabschnittförmige Kante 16. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Formen von Schneideelementen und insbesondere auf Formen von Schneideelementen, wie sie im Stand der Technik gebräuchlich sind, z. B. kreisförmige und kreisabschnittförmige Schneideelemente, anwendbar. Auch der dargestellte Zapfen oder Pfosten 10 ist nur beispielhaft dargestellt, und es kann jede andere Form eines Trägers angewendet werden.
Figur 3 zeigt ein Schneideelement 12 bei Umgebungstemperatur. Es ist erkennbar, daß die harte Vorderschicht 13 in konventioneller Weise flach ist, daß jedoch die Rückseite 15 der Tragschicht 14 sphärisch konkav geformt ist. Wie vorstehend beschrieben, kann die konkave Fläche 15 durch ein Schleifverfahren, z. B. das zum Schleifen konkaver Linsen weithin verwendete, geformt werden, wobei geeignete Schleifmaterialien unter Berücksichtigung des Materials der Tragschicht 14, nämlich gesintertem Wolframkarbid, zum Einsatz gelangen.
Zweischichtige Schneideelemente der beschriebenen allgemeinen Art werden jedoch durch Heißpressen einer Schicht von polykristallinem Diamant und einer Schicht von pulverförmigem Wolframkarbid in einer Presse unter extrem hohem Druck und extrem hohen Temperaturen hergestellt. Dementsprechend ist es, als Alternative, auch möglich, die Tragschicht 14 bereits während des Formverfahrens mit der konkaven Fläche zu versehen, als es nachträglich zu schleifen.
Die Konkavität der Fläche 15 wird so gewählt, daß bei der höheren Temperatur, bei der das Bonden, entweder Diffusionsbonden oder Hartlöten, durchgeführt wird, die unterschiedliche Ausdehnung infolge der Differenz der Temperaturausdehnungskoeffizienten der Diamantschicht und der Tragschicht dazu führt, daß sich die Rückseite 15 abflacht, wie das in Figur 4 dargestellt ist, welche das Schneideelement 12 bei der Bondtemperatur zeigt. Es ist zu erkennen, daß als Ergebnis der unterschiedlichen Ausdehnung, die Diamantschicht 13 eine leichte Konkavität angenommen hat. (Es wird darauf hingewiesen, daß die Konkavitäten, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind, aus Gründen der Deutlichkeit übertrieben wurden, und die wirklichen Konkavitäten beträchtlich kleiner sind.)
Bei höherer Temperatur kann deshalb die abgeflachte Rückseite 15 der Tragschicht 14 schnell und genau auf die flache Fläche 11 am Zapfen oder Pfosten 10 gebondet werden. Wenn, wie vorstehend erwähnt, die so fertiggestellte Schneideeinheit abkühlen kann, wird die Bondstelle zwischen den Flächen 15 und 11 unter Spannung gesetzt, wobei auf die Bondung um die Peripherie des Schneideelementes Druck ausgeübt wird, und dies erhöht die Festigkeit der Bondung.
Obgleich die Rückseite 15 des Schneideelementes vorzugsweise im wesentlichen bei Bondtemperatur, wie dargestellt, im wesentlichen flach ist, liegen im Schutzumfang der Erfindung auch Anordnungen, bei denen die Rückseite bei der Bondtemperatur noch etwas konkav oder leicht konvex geworden ist, weil eine solche Deformation noch geringer ist als die konvexe Deformation, welche andererseits eintreten würde, wenn die Rückseite anfänglich flach wäre.
Figur 5 zeigt ein alternatives erfindungsgemäßes Verfahren.
Bei der Anordnung nach Figur 5 ist die Rückseite des Schneideelementes bei Umgebungstemperatur flach und die Fläche 11 des Zapfens 10 ist anfänglich konkav geformt, wie dies bei Bezugszeichen 18 dargestellt ist. Das Schneideelement 12 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet, d. h. als flachzylindrischer Körper von im wesentlichen konstanter Dicke. Die Zeichnung zeigt die deformierte Form des Schneideelementes 12 bei der höheren Bondtemperatur, und es ist erkennbar, daß, als Ergebnis der unterschiedlichen Ausdehnung, sich die Rückseite 15 der Tragschicht 14 konvex verformt hat. Die anfängliche Konkavität 18 der Fläche 11 des Zapfens 10 wird so gewählt, daß sie im wesentlichen die konvexe Deformation der Fläche 15 hat, so daß die beiden Flächen miteinander durch Diffusionsbonden, Hartlöten oder ein anderes Verfahren genau verbunden werden können.
Es wird darauf hingewiesen, daß die beiden beschriebenen Verfahren miteinander kombiniert werden können. In diesem Falle wird die anfängliche Konkavität der Rückseite 15 so gewählt, daß es die konvexe Deformation der Fläche, welche beim Erhitzen infolge des Bimetall-Effektes entsteht, verringert, jedoch nicht ausreicht, sie zu eliminieren. Die verbleibende Konvexität der Fläche wird durch eine entsprechende kleinere Konkavität 18 auf der Fläche des Zapfens 10 ausgeglichen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Schneideeinheit für einen Drehbohrmeissel, bei welchem an einem Träger (10), bei erhöhter Temperatur, ein Schneideeiement (12), welches aus einer dünnen, harten Vorderschicht (13), welche bereits mit einer weniger harten Tragschicht (14) verbunden ist, verbunden wird, wobei die Tragschicht einen höheren thermischen Expansionskoeffizienten als die harte Vorderschicht hat, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Bereitstellens der Tragschicht (14) mit einer Rückseite (15), zur Verbindung mit dem Träger, welche bei Umgebungstemperatur konkav ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangskonkavität der Rückseite (15) der Tragschicht (14) so gewählt wird, dass die Rückseite bei der erhöhten Temperatur, bei welcher sie mit dem Träger verbunden wird, im wesentlichen flach wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer Schneideeinheit für einen Drehbohrmeissel, bei welchem an einem Träger (10,Fig.5), bei erhöhter Temperatur, ein Schneideelement (12), welches aus einer dünnen, harten Vorderschicht (13), welche bereits mit einer weniger harten Tragschicht (14) verbunden ist, verbunden wird, wobei die Tragschicht einen höheren thermischen Expansionskoeffizienten hat als die harte Vorderschicht, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Bereitsstellens des Trägers (10) mit einer konkaven Fläche (18) und dem Verbinden der Rückseite (15) der Tragschicht (14) des Schneideelementes mit der konkaven Fläche (18) des Trägers, wobei die konkave Fläche sich wenigstens teilweise jeder konvexen Deformation der Rückseite (15) der Tragschicht bei der erhöhten Temperatur, bei welcher die Verbindung ausgeführt wird, anpasst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneideelement (12) anfangs eine im wesentlichen flache Rückseite hat, wobei die konvexe Deformation an der Rückseite bei der erhöhten Temperatur ganz oder teilweise durch die Konkavität der Fläche (18) des Trägers angepasst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangskonkavität der Fläche (18) des Trägers so gewählt wird, dass sie die Konvexität der Rückseite (15) der Tragschicht bei der erhöhten Temperatur, bei welcher sie mit dem Träger verbunden wird, im wesentlichen ausgleicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht (14) mit einer Rückseite (15) zur Verbindung mit dem Träger (10) versehen ist, welche bei Umgebungstemperatur konkav ist, und der Träger mit einer konkaven Fläche (18) versehen ist, wobei eine konvexe Verformung der Rückseite (15) der Tragschicht bei der Temperatur, bei welcher die Verbindung durchgeführt wird, zum Teil durch die Anfangskonkavität der Rückseite (15) ausgeglichen wird und zum Teil durch die Konkavität der konkaven Fläche (18) des Trägers angepasst wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Fläche (18) auf dem Träger (10) sich im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Rückseite (15) der Tragschicht erstreckt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Fläche (15,18) auf der Tragschicht und/oder dem Träger durch einen Schleifvorgang hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (15) der Tragschicht (14) durch ein Diffusions- Kontaktherstellungsverfahren mit dem Träger (10) verbunden wird.

10. Schneideeinheit, welche gemäss dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.