采用银钎焊料焊接金刚石复合片与碳化钨胎体的焊接方法

摘要

本发明公开了一种采用银钎焊料焊接金刚石复合片与碳化钨胎体的焊接方法，包括a：先在碳化钨胎体上形成内径尺寸大于金刚石复合片外径尺寸的孔；b：在焊接前，对金刚石复合片和碳化钨胎体的焊接面用体积浓度为99.7%的无水乙醇清洗；c：在碳化钨胎体焊接面上涂抹银钎焊熔剂，将碳化钨胎体加热到640-680℃；将金刚石复合片置于坩埚内并加入银钎焊熔剂，加热至640-680℃；d：将银钎焊料和银钎焊熔剂加在已处理的金刚石复合片的基底与碳化钨胎体焊接面之间，并采用氧气-乙炔火焰加热银焊。本方法工艺简单，提高了焊接质量，解决了由于焊接不牢易“脱片”的现象，提高了PDC钻头的寿命以及整体性能。

说明书

 

技术领域

本发明用于聚晶金刚石复合片钻头的焊接，涉及一种聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact,简称PDC片）与碳化钨胎体之间的银钎焊焊接工艺方法，属于PDC钻头制造工艺技术领域。

背景技术

在地质勘探、石油钻井行业普遍采用PDC（聚晶金刚石复合片）钻头破碎地层岩石。目前金刚石复合片与碳化钨胎体之间的焊接大多都是采用氧气-乙炔钎焊或高频感应钎焊，直接将焊料和焊剂放在硬质合金和碳化钨胎体焊接面之间，然后采用火焰或高频感应加热使焊料熔化进行焊接。

同时，发表日期为2003年10月31日，刊名为《西南石油学院学报》，第25卷第5期，作者为黄本生、李西萍和刘清友发表了一篇题名为“金刚石与碳化钨的复合堆焊”的期刊文章，该文中公开了为了实现碳化钨与金刚石的复合焊，采用氧气-乙炔气焊，并采用金刚石的金属包熔技术来解决金刚石容易被烧损的技术问题，通过堆焊试验，证明效果很好。

但以上述期刊文献为代表的现有技术，仍然存在以下未解决的技术问题：

由于金刚石复合片为人造聚晶金刚石，其失效温度为700℃，金刚石复合片基座材料为硬质合金，与碳化钨胎体之间的性能差异很大，采取目前的氧气-乙炔钎焊、堆焊工艺和方法，前期表面处理或预热保温效果不好容易导致焊接不牢，在正常使用过程中发生金刚石复合片“脱片”现象。同时，焊接温度的控制对焊接质量影响也很大，如焊接温度过高，容易造成PDC片失效；如温度偏低不利于焊料溶解，造成浸润效果不好，焊接不牢，也会造成PDC片脱落。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的技术问题，本发明提出了一种采用银钎焊料焊接金刚石复合片与碳化钨胎体的焊接方法，本方法工艺简单，增强了PDC钻头切削齿与胎体之间的焊接强度，提高了焊接质量，解决了由于焊接不牢易“脱片”的现象，提高了PDC钻头的寿命以及整体性能。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种采用银钎焊料焊接金刚石复合片与碳化钨胎体的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：在制作PDC钻头时，先在碳化钨胎体上形成内径尺寸大于金刚石复合片外径尺寸0.32mm-0.40mm的孔；

第二步：在焊接前，对金刚石复合片和碳化钨胎体的焊接面用体积浓度为99.7%的无水乙醇清洗；

第三步：在碳化钨胎体焊接面上涂抹银钎焊熔剂，将碳化钨胎体加热到640-680℃，保温1小时；将金刚石复合片置于坩埚内并加入银钎焊熔剂，加热至640-680℃，保温30分钟；

第四步：在高频感应加热炉炉内保持PDC钻头温度在640-680℃，将银钎焊料和银钎焊熔剂加在已处理的金刚石复合片的基底与碳化钨胎体焊接面之间，并采用氧气-乙炔火焰加热银焊，焊接温度为640-680℃。

在所述第四步之后还有第五步：焊接完成后放入保温桶内缓慢冷却。

所述第五步骤中，缓慢冷却的时间大于12小时。

所述第三步中，碳化钨胎体和坩埚内的加热温度均为650-670℃。

所述的银钎焊料的熔点为635-660℃。

所述银钎焊料为银焊条BAg50CuZnCd。是现有技术唐山市大唐焊接材料有限公司所销售的产品。

所述的银钎焊溶剂是一种基于铜焊接用的银焊溶剂，本溶剂颗粒均匀细微，在温度为450-850℃，可作钎焊钢及不绣钢、硬质合金的助熔剂专用焊粉，也可钎焊紫铜及黄铜合金气焊或钎焊时作助熔剂用，是高温焊接中理想的焊接溶剂，可采用河北宏腾特种耐磨焊条厂公司所生产的各类银钎焊溶剂。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：

1、本发明中，在碳化钨胎体上形成内径尺寸大于金刚石复合片外径尺寸0.32mm-0.40mm的孔，以便在焊接时利用毛吸效应使银钎焊料更容易侵入金刚石复合片与胎体之间的接触面，提高金刚石复合片与碳化钨胎体之间的焊接质量。经过现场试验,胎体上形成的齿孔内径尺寸大于金刚石复合片外径尺寸0.32mm-0.40mm时，焊接质量最好。

2、本发明中，对金刚石复合片和碳化钨胎体的焊接面用体积浓度为99.7%的无水乙醇清洗，清除焊接面上的氧化层，提高焊接质量。

3、本发明中，通过预先在碳化钨胎体焊接面上涂抹上银钎焊熔剂，并加热到640-680℃进行热处理，预先将通过银钎焊熔剂对金刚石复合片进行640-680℃的加热处理，能有效溶解金属表面的氧化物，助长银钎焊料的流布，从而提高了金刚石复合片与碳化钨胎体之间的焊接质量。

4、本发明中，通过预先的热处理，将碳化钨胎体和金刚石复合片加热到640-680℃，在PDC片的焊接过程中，使银焊料在焊缝间充分分布，使焊层均匀，焊接完成后，将钻头置于保温箱内使之缓慢冷却，特别是缓慢冷却的时间大于12小时，从而更大限度地提高金刚石复合片基底与碳化钨胎体之间的银钎焊层的抗剪强度，提高了产品的焊接质量，解决了现有钎焊法容易产生的焊接缺陷而导致产品质量不稳定这一难题。

5、本发明中，采用的银钎焊料的熔点为635-660℃，当温度过低时，导致焊接不牢，出现掉齿现象；当温度过高时，导致PDC复合片热损伤，因为PDC复合片在大于700℃时，开始碳化。经过现场试验优选银钎焊料的熔点范围在635-660℃时，焊接质量好。

6、本发明中，银钎焊法采用氧气-乙炔火焰加热，所选用的焊接温度在640-680℃，不会对PDC片的人造金刚石层产生影响，操作简单，焊接效果好。

7、综上所述，采用本发明特定步骤关系形成的焊接方法，工艺步骤简单，增强了PDC钻头切削齿与胎体之间的焊接强度，提高了焊接质量，解决了由于焊接不牢易 “脱片”的现象，提高了PDC钻头的寿命以及整体性能。

具体实施方式

实施例1

作为本发明一较佳实施方式，本发明公开了一种采用银钎焊料焊接金刚石复合片与碳化钨胎体的焊接方法，包括如下步骤：

第一步：在制作PDC钻头时，先在碳化钨胎体上形成内径尺寸大于金刚石复合片外径尺寸0.32mm-0.40mm的孔；

第二步：在焊接前，对金刚石复合片和碳化钨胎体的焊接面用体积浓度为99.7%的无水乙醇清洗；

第三步：在碳化钨胎体焊接面上涂抹银钎焊熔剂，将碳化钨胎体加热到640-680℃，保温1小时；将金刚石复合片置于坩埚内并加入银钎焊熔剂，加热至640-680℃，保温30分钟；

第四步：在高频感应加热炉炉内保持PDC钻头温度在640-680℃，将银钎焊料和银钎焊熔剂加在已处理的金刚石复合片的基底与碳化钨胎体焊接面之间，并采用氧气-乙炔火焰加热银焊，焊接温度为640-680℃。

实施例2

作为本发明的另一较佳实施方式，在所述第四步之后还有第五步：焊接完成后放入保温桶内缓慢冷却。所述第三步中，碳化钨胎体和坩埚内的加热温度均为650-670℃。其余同实施例1。

实施例3

作为本发明的最佳实施方式，其步骤如下：

第一步：在制作PDC钻头时，在碳化钨胎体形成内径尺寸大于金刚石复合片外径0.32mm-0.40mm的孔；

第二步：焊接前对金刚石复合片、碳化钨胎体的焊接面用99.7%的无水乙醇清洗；

第三步：在碳化钨胎体焊接面上涂抹银钎焊熔剂进行热处理，有效溶解金属表面的氧化物，助长银钎焊料的流布，将碳化钨胎体加热到640-680℃，保温1小时；将金刚石复合片置于坩埚内并加上银钎焊熔剂，加热至640-680℃，保温30分钟，有效的溶解金刚石复合片基底的硬质合金表面的氧化物；

第四步：在高频感应加热炉炉内保持钻头体保温在640-680℃，将银钎焊料和银钎焊熔剂加在已处理的金刚石复合片基底与碳化钨胎体焊接面之间，采用氧气-乙炔火焰加热银焊；

第五步：焊接完成后放入保温桶内缓慢冷却。缓慢冷却的时间大于12小时。

所述第三步中，碳化钨胎体和坩埚内的加热温度均为660℃。

所述的银钎焊料的熔点为660℃。

银钎焊料为银焊条BAg50CuZnCd。其重量百分比组成为：BAg:50±0.9,Cu:15.5±1,Cd:18±0.8,余量为Zn。是现有技术唐山市大唐焊接材料有限公司所销售的产品。

银钎焊溶剂是一种基于铜焊接用的银焊溶剂，本溶剂颗粒均匀细微，在温度为450-850℃，可作钎焊钢及不绣钢、硬质合金的助熔剂专用焊粉，也可钎焊紫铜及黄铜合金气焊或钎焊时作助熔剂用，是高温焊接中理想的焊接溶剂，可采用河北宏腾特种耐磨焊条厂公司所生产的各类银钎焊溶剂。