激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法，采取的工藝流程為采用冷壓法制造多層結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭胚齒，采用熱壓燒結(jié)法制造成型的金剛石鉆頭齒，采用激光焊接方法把若干圓周等分均布的金剛石鉆頭齒同軸焊接在厚壁鋼管的一端，焊后回火處理，采用CO2填絲保護(hù)焊或高頻釬焊方法加強(qiáng)金剛石鉆頭齒與厚壁鋼管的焊接強(qiáng)度，焊后回火處理，對(duì)厚壁鋼管進(jìn)行相關(guān)尺寸的機(jī)械加工而制作出鉆頭成品。與現(xiàn)有的中頻熱壓燒結(jié)法、電阻熱壓燒結(jié)法、無壓浸漬法等燒結(jié)法相比，本發(fā)明燒結(jié)模具的成本可降低60%，能耗可降低58%，整體效率仍可提高50%；與現(xiàn)有的電鍍法相比，可以免除重金屬離子的環(huán)?；厥绽贸杀荆蛘邿o環(huán)境污染問題。
【專利說明】激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法
(-)【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及各類地質(zhì)勘探、工程勘探用金剛石鉆頭的制造方法，具體為一種激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法。
(二)【背景技術(shù)】:
[0002]厚壁金剛石鉆頭是金剛石工具的一種，其主要特征是在厚壁鋼管的一端連接有金剛石鉆頭齒，另一端加工有螺紋與巖心管連接，鉆頭與巖心管在鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)扭力和軸向壓力作用下刻取巖石而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。
[0003]現(xiàn)有金剛石鉆頭的制造方法以中頻熱壓燒結(jié)法、電阻熱壓燒結(jié)法、無壓浸潰法、電鍍法為主。
[0004]所述中頻熱壓燒結(jié)法的工藝流程為:鉆頭設(shè)計(jì)、計(jì)算粉料與金剛石的用量——粉料與金剛石的稱量混合——準(zhǔn)備整體石墨模具的芯子、底圈、水口塊——稱量混合的金剛石粉料組裝到整體石墨模具中一厚壁鋼管加工及粉料接觸面處理一中頻熱壓燒結(jié)一一保溫箱內(nèi)12小時(shí)慢慢冷卻——退出石墨外模、芯子、水口塊——厚壁金剛石鉆頭成品力口工。
[0005]可見，燒結(jié)法的石墨模具成本高、電能耗成本也很高。
[0006]而電鍍法存在的問題是重金屬離子的環(huán)?；厥绽贸杀具^高。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0007]針對(duì)現(xiàn)有制造技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出了一種激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法，以解決厚壁地質(zhì)鉆頭燒結(jié)法模具成本高、能耗大、工效低的問題，以及電鍍法重金屬離子的環(huán)?；厥绽贸杀具^高和環(huán)境污染問題。
[0008]能夠解決上述問題的激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法，采取的工藝流程為:
[0009]1、采用冷壓法制造多層結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭胚齒。
[0010]2、采用熱壓燒結(jié)法制造成型的金剛石鉆頭齒。
[0011]3、采用激光焊接方法把若干圓周等分均布的金剛石鉆頭齒同軸焊接在厚壁鋼管的一端。
[0012]4、焊后回火處理。
[0013]5、采用CO2填絲保護(hù)焊或高頻釬焊方法加強(qiáng)金剛石鉆頭齒與厚壁鋼管的焊接強(qiáng)度。
[0014]6、焊后回火處理。
[0015]7、對(duì)厚壁鋼管進(jìn)行相關(guān)尺寸的機(jī)械加工而制作出鉆頭成品。
[0016]厚壁金剛石鉆頭系列中，系列厚壁鋼管的內(nèi)外直徑在36mm?400mm之間，同一厚壁鋼管的厚壁在8mm?25mm之間。
[0017]與此相對(duì)應(yīng)，系列金剛石鉆頭齒的內(nèi)外半徑在18mm?200mm之間、內(nèi)外弦長(zhǎng)在IOmm?40mm之間、高度在8mm?30mm之間，同一金剛石鉆頭齒的內(nèi)外半徑差在8mm?25mm之間、內(nèi)外弦長(zhǎng)差在3mm?15mm之間。
[0018]所述金剛石鉆頭齒采用沿徑向的三層料結(jié)構(gòu)，鉆頭齒中層料的金剛石用量> 鉆頭齒外層料的金剛石用量>鉆頭齒內(nèi)層料的金剛石用量。
[0019]所述激光焊接的工藝參數(shù):焊透深度=7mm，焊接功率選擇在IKW?2.3KW之間，入射角< 5° ,光斑直徑在C 0.15mm0.25mm之間，激光焦距在170mm?173mm之間，光斑偏移量中鉆頭齒與鋼體在5.5:4.5?6.5:3.5之間；焊接時(shí)厚壁鋼管回轉(zhuǎn)線速度在0.6米/分?2米/分之間。
[0020]所述CO2填絲保護(hù)焊的工藝參數(shù):焊絲直徑在C 0.8mm?<2 1.2mm之間,焊接電流選擇在50A?280A之間，焊接時(shí)厚壁鋼管的回轉(zhuǎn)線速度在6米/分?9米/分之間。
[0021]所述高頻釬焊的工藝參數(shù):銀焊片厚度在0.2mm?0.6mm之間，焊接溫度在650°C?750°C之間，單個(gè)金剛石鉆頭齒加熱的功率選擇在5KW?IOKW之間，保溫時(shí)間在5秒?10秒之間。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0023]1、本發(fā)明激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法與現(xiàn)有的中頻熱壓燒結(jié)法、電阻熱壓燒結(jié)法、無壓浸潰法等燒結(jié)法相比，燒結(jié)模具的成本可降低60%，能耗可降低58%，整體效率仍可提高50%;與現(xiàn)有的電鍍法相比，可以免除重金屬離子的環(huán)?；厥绽贸杀?，或者無環(huán)境污染問題。
[0024]2、本發(fā)明為地質(zhì)勘探、工程勘探用金剛石鉆頭提供了一種環(huán)保、高效、節(jié)能、低成本的制造方法。
(四)【專利附圖】

【附圖說明】:
[0025]圖1 (a)為用本發(fā)明制造方法制造的厚壁金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖1 (b)圖1 (a)中的A— A剖視圖。
[0027]圖2為本發(fā)明制造工藝流程中金剛石鉆頭胚齒冷壓示意圖。
[0028]圖3為本發(fā)明制造工藝流程中金剛石鉆頭齒熱壓燒結(jié)示意圖。
[0029]圖4為圖1中厚壁鋼管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖5 Ca)為本發(fā)明制造工藝流程中激光焊接用固定夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖5 (b)為圖5 Ca)中鉆齒等分定位模的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖6為本發(fā)明制造工藝流程中CO2填絲保護(hù)焊用固定夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖號(hào)標(biāo)識(shí):1、金剛石鉆頭齒；2、厚壁鋼管；3、側(cè)模；4、墊板；5、內(nèi)徑壓頭；6、鉆頭齒內(nèi)層料；7、鉆頭齒中層料；8、鉆頭齒外層料；9、外徑壓頭；10、凹隔板；11、斜隔板；12、中隔板；13、燒結(jié)壓板；14、強(qiáng)力磁鐵；15、焊接壓板；16、鉆齒等分定位模；17、鉆頭齒外出刃定位模；18、三爪卡盤；19、鉆齒焊接固定模；20、頂針。
(五)【具體實(shí)施方式】:
[0034]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
[0035]本發(fā)明激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法的工藝流程為:采用冷壓法制造多層結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭胚齒(之前的準(zhǔn)備工作為鉆頭設(shè)計(jì)、計(jì)算粉料與金剛石的用量、粉料與金剛石的稱量混合)一采用熱壓燒結(jié)法制造成型的金剛石鉆頭齒I—采用激光焊接方法把若干圓周等分均布的金剛石鉆頭齒I同軸焊接在厚壁鋼管2的一端——焊后回火處理——采用CO2填絲保護(hù)焊或高頻釬焊方法加強(qiáng)金剛石鉆頭齒I與厚壁鋼管2的焊接強(qiáng)度——焊后回火處理——對(duì)厚壁鋼管進(jìn)行相關(guān)尺寸的機(jī)械加工而制作出鉆頭成品。
[0036]加工完成后的金剛石鉆頭成品如圖1所示。
[0037]各工藝流程詳解:
[0038]1、冷壓金剛石鉆頭胚齒的制作。
[0039]用圖2所示的鉆頭齒冷壓模具(工具鋼)制造:用左、右側(cè)模3和前、后隔板圍成模腔，用墊板4墊起側(cè)模3和隔板，讓底部的內(nèi)徑壓頭5露出；在內(nèi)徑壓頭5端的模腔內(nèi)倒入稱好重量的鉆頭齒內(nèi)層料6并攤平，再倒入稱好重量的鉆頭齒中層料7并攤平，最后倒入稱好重量的鉆頭齒外層料8并攤平，鉆頭齒中層料7的金剛石用量>鉆頭齒外層料8的金剛石用量>鉆頭齒內(nèi)層料6的金剛石用量，頂部的外徑壓頭9放入模腔內(nèi)對(duì)應(yīng)于鉆頭齒外層料8 ;用螺桿擰緊側(cè)模3和隔板，將模具拿到壓力機(jī)上壓平內(nèi)徑壓頭5和外徑壓頭9并保壓5秒鐘，拿出模具，擰開螺桿，松開側(cè)模3和隔板，取出冷壓成型的單個(gè)金剛石鉆頭胚齒。
[0040]重復(fù)上述過程，直到冷壓完需要的若干個(gè)金剛石鉆頭胚齒。
[0041]2、燒結(jié)金剛石鉆頭齒I的制作。
[0042]用圖3所示的鉆頭齒熱壓燒結(jié)模具(分離式高強(qiáng)度石墨)制造:由凹隔板10和兩塊斜隔板11及中隔板12圍成模腔(共8個(gè)模腔，)，用墊塊墊起凹隔板10、斜隔板11、中隔板12，讓下壓頭露出頭，在8個(gè)腔體中依次放入金剛石鉆頭胚齒，再依次放入中壓頭，再一次依次放入金剛石鉆頭胚齒，最后依次放入上壓頭，最后螺桿擰緊燒結(jié)壓板13鎖緊模腔，拿到真空電阻爐內(nèi)，按升溫到870°C保溫5分鐘、保壓壓力220 kg /CM2、真空度-0.08MPa的工藝燒結(jié)出金剛石鉆頭齒I的成品。
[0043]3、厚壁鋼管2的制作。
[0044]按常規(guī)機(jī)械加工方法加工出圖4所示的厚壁鋼管2 (優(yōu)選45#鋼)。
[0045]4、在厚壁鋼管2上用激光焊接金剛石鉆頭齒I。用圖5 (a)、圖5 (b)所示的激光焊接用固定夾具(全為45#鋼)固定焊接鉆頭齒。首先把強(qiáng)力磁鐵14水平放置，強(qiáng)力磁鐵14上面放置焊接壓板15，焊接壓板15上面放置鉆齒等分定位模16，在鉆齒等分定位模16的型腔(圓周均布8等分)中放入金剛石鉆頭齒I成品(把處理好的焊接面朝上)，把鉆頭齒外出刃定位模17的內(nèi)孔端朝下套住8個(gè)金剛石鉆頭齒I組成的外圓，把厚壁鋼管2的焊接面朝下垂直放入鉆頭齒外出刃定位模17中，最后把固定好的整套夾具水平拿到激光焊接機(jī)的三爪卡盤18上張緊，再把鉆頭齒外出刃定位模17軸向滑開露出厚壁鋼管2和金剛石鉆頭齒I的結(jié)合面，按如下的焊接工藝參數(shù)把金剛石鉆頭齒I和厚壁鋼管2焊接在一起:焊接功率為1.5KW，入射角為3.5°，光斑直徑為C 0.2mm，激光焦距為172mm，光斑偏移量中鉆頭齒與鋼體為6:4，厚壁鋼管2回轉(zhuǎn)線速度為0.8米/分。
[0046]焊接好的鉆頭半成品在烘箱中保溫240°C，保溫3小時(shí)后隨爐冷卻。
[0047]5、CO2填絲保護(hù)焊加強(qiáng)焊接強(qiáng)度
[0048]用圖6所示的CO2填絲保護(hù)焊用固定夾具(45#鋼)把鉆頭半成品的厚壁鋼管2固定在車床的三爪卡盤18上，把鉆齒焊接固定模19套在焊接好的金剛石鉆頭齒I的內(nèi)外徑上，再用車床的頂針20頂住鉆齒焊接固定模19 ;把CO2填絲保護(hù)焊的焊接頭對(duì)準(zhǔn)厚壁鋼管2和金剛石鉆頭齒I之間的焊接縫(厚壁鋼管2的制作中已加工好)，按如下CO2填絲保護(hù)焊接參數(shù)，把金剛石鉆頭齒I和厚壁鋼管2焊接起來:焊絲直徑選用C 0.8_，焊接電流選擇為65A，焊接時(shí)厚壁鋼管2的回轉(zhuǎn)線速度為8米/分。
[0049]焊接好的鉆頭半成品放到烘箱中保溫270°C，保溫3小時(shí)后隨爐冷卻。
[0050]6、成品加工。
[0051]把冷卻好的鉆頭半成品按常規(guī)機(jī)械加工方法加工出圖1 (a)、圖1 (b)所示的厚壁鉆頭成品(包括厚壁鋼管2另一端與巖心管連接的螺紋加工)，制造出一個(gè)完整的厚壁金剛石鉆頭。
[0052]本發(fā)明中所述金剛石鉆頭尺寸可根據(jù)加工對(duì)象要求不同，或工具工作條件不同而采用不同的尺寸設(shè)計(jì)。
[0053]本發(fā)明厚壁金剛石鉆頭系列中:
[0054]系列厚壁鋼管2的內(nèi)外直徑為36mm?400mm,同一厚壁鋼管2的厚壁為8mm?25mm0
[0055]與此相對(duì)應(yīng)，系列金剛石鉆頭齒I的內(nèi)外半徑為18mm?200mm、內(nèi)外弦長(zhǎng)為IOmm?40mm、高度為8mm?30mm，同一金剛石鉆頭齒I的內(nèi)外半徑差為8mm?25mm、內(nèi)外弦長(zhǎng)差為3_?15mm0
【權(quán)利要求】
1.激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法，其特征在于采取的工藝流程為: ①、采用冷壓法制造多層結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭胚齒； ②、采用熱壓燒結(jié)法制造成型的金剛石鉆頭齒(I); ③、采用激光焊接方法把若干圓周等分均布的金剛石鉆頭齒(I)同軸焊接在厚壁鋼管(2)的一端； ④、焊后回火處理； ⑤、采用CO2填絲保護(hù)焊或高頻釬焊方法加強(qiáng)金剛石鉆頭齒(I)與厚壁鋼管(2)的焊接強(qiáng)度； ⑥、焊后回火處理； ⑦、對(duì)厚壁鋼管(2)進(jìn)行相關(guān)尺寸的機(jī)械加工而制作出鉆頭成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法，其特征在于:系列厚壁鋼管(2)的內(nèi)外直徑為36mm?400mm,同一厚壁鋼管(2)的厚壁為8mm?25mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法，其特征在于:系列金剛石鉆頭齒(I)的內(nèi)外半徑為18mm?200mm、內(nèi)外弦長(zhǎng)為IOmm?40mm、高度為8mm?30mm,同一金剛石鉆頭齒(I)的內(nèi)外半徑差為8mm?25mm、內(nèi)外弦長(zhǎng)差為3mm?15mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任意一項(xiàng)所述的激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法，其特征在于:所述金剛石鉆頭齒(I)為沿徑向的內(nèi)、中、外三層料結(jié)構(gòu)，鉆頭齒中層料(7)的金剛石用量>鉆頭齒外層料(8)的金剛石用量>鉆頭齒內(nèi)層料(6)的金剛石用量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任意一項(xiàng)所述的激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法，其特征在于:所述激光焊接的焊透深度=7mm，焊接功率為IKW?2.3KW，入射角< 5°，光斑直徑為0 0.15mm0.25mm，激光焦距為170mm?173mm，光斑偏移量中鉆頭齒與鋼體為5.5:4.5?6.5:3.5 ;焊接時(shí)厚壁鋼管(2)回轉(zhuǎn)線速度為0.6米/分?2米/分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任意一項(xiàng)所述的激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法，其特征在于:所述CO2填絲保護(hù)焊的焊絲直徑為0 0.8mm1.2mm,焊接電流為50A?280A,焊接時(shí)厚壁鋼管(2)的回轉(zhuǎn)線速度為每分鐘6米/分?9米/分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任意一項(xiàng)所述的激光組合焊接厚壁金剛石鉆頭制造方法，其特征在于:所述高頻釬焊的銀焊片厚度為0.2mm?0.6mm，焊接溫度為650°C?750°C，單個(gè)金剛石鉆頭齒(I)加熱的功率為5KW?10KW，保溫時(shí)間為5秒?10秒。
【文檔編號(hào)】B23K28/02GK103522014SQ201310481126
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】羅文來, 王進(jìn)保, 劉志環(huán), 莫斌, 潘曉毅, 謝德龍, 粟光明, 李運(yùn)海, 張延軍, 馮躍, 何鋒 申請(qǐng)人:桂林特邦新材料有限公司