钎焊技术在石油工业中的应用与优势

钎焊在石油工业中的应用主要是钎焊各种硬质合金钻头和聚晶金刚石钻头，如硬质合金刮刀式钻头、聚晶金刚石取芯钻头、聚晶金刚石扩孔钻头，聚晶金刚石与硬质合金复合体钻头，以及聚晶金刚石复合片切削齿（PDC）钻头等。其中PDC钻头是一种新颖的钻井钻头。

1.硬质合金刮刀式钻头^[1]211

硬质合金刮刀式钻头其钻头体材料为35CrMo钢，切削齿材料为YG11C，选用81Cu-19Ni钎料，真空炉钎焊。热态真空度为5×10^-2Pa，钎焊温度为1150℃，钎焊保温时间为15min，获得的钻头接头抗拉强度>450MPa。用于大口径深孔钻井，钻头寿命比火焰钎焊或高频感应钎焊的提高约2～3倍。

2.聚晶金刚石取芯钻头^[1]223-226

油田深井取芯，要求钻头耐磨，取芯率高，一般都选用聚晶取芯钻头，它由聚晶金刚石切削齿和钻头体两部分组成。例如，φ215mm聚晶金刚石取芯钻头，它的钻头体材料为35CrMo或40CrNiMo钢，切削齿用φ4.0mm×4.5mm的柱状聚晶约350～400粒。选用镍基钎料BNi82CrSiBFe（熔化温度为970～1000℃）与纯铜作过渡层，装配时用黏结剂对柱状聚晶预定位。钎焊参数：真空度不低于5×10^-2Pa，钎焊温度为1020℃±5℃，钎焊保温时间为20min±2min。钎缝外观完整，抗剪强度τ_b>200MPa。

3.聚晶金刚石复合片切削齿（PDC）钻头^[1]226-227

PDC钻头与普通的金刚石钻头及牙轮钻头相比，具有钻速快、寿命长、成本低等特点。图22-57所示为一聚晶金刚石复合片焊接碳化钨斜面柱栓上组成的烟斗形切削齿柱。PDC石油钻头上大约装有几十个聚晶金刚石切削齿柱。

图22-57 切削齿外形尺寸图 Fig.22-57 Figure of a brazed drill-tip with polycrystal diamond composite(www.xing528.com)

聚晶金刚石复合片是人造金刚石细粒加黏结剂（如硅、硼、钛、镍、钴等）在高温高压下与硬质合金胎体聚合而成的。此复合片的聚晶金刚石部分与硬质合金（碳化钨）胎体部分具有不同的线胀系数，热导率、耐热性和石墨化倾向。因此若焊接时输入的热量过高，就会导致聚晶金刚石与碳化钨胎体开裂和分层，同时也会降低金刚石的耐磨性以及抗冲压强度的能力。因此对焊接工艺提出如下要求：

1）钎焊时金刚石复合片所承受的最高温度应低于750℃。

2）复合片与碳化钨柱栓钎焊后的焊缝抗剪强度τ_b应大于392MPa。

3）所焊切削齿应能大批量生产，并在相应钻井生产的实际条件进行井下试验时，掉片率应不大于5%。

钎焊PCD钻头的方法主要有火焰钎焊、感应钎焊、真空炉中钎焊和真空扩散钎焊等。火焰钎焊和感应钎焊采用BAg40CuZnCdNi（HL312）银钎料，其熔化温度为595～605℃，接头抗剪强度一般都低于250MPa。选用YG15硬质合金与厚度为1.0mm的聚晶金刚石进行真空炉中钎焊，钎料为Ag-Cu-Ti钎料箔，夹在两者中间，用夹具施加一定压力。钎焊参数：热态真空度不低于5×10^-2Pa，钎焊温度为930℃±10℃，钎焊保温时间为5min±1min。钎角完整均匀，抗剪强度τ_b>150MPa。采用Ag40CuZnSnMn钎料（熔化温度659～670℃）真空炉中钎焊复合片与硬质合金，钎焊温度为695℃，钎焊接头的抗剪强度可达到220～259MPa。

PDC钻头真空扩散钎焊采用厚度为10μm的纯镍片作为中间层，扩散钎焊温度为680℃，热态真空度为5×10^-2Pa，焊接压力为150MPa，保温时间为3h，聚晶金刚石复合片与碳化钨的接头强度可达到500～560MPa，装有该切削齿柱的PDC钻头在平均机械钻速为4.78m/h时，进尺达936.3m，切削齿柱完全满足PDC钻头实际使用要求，且很适宜在高温或腐蚀介质中使用。图22-58所示为一装有真空扩散钎焊切削齿柱的PDC钻头。

图22-58 PDC钻头 Fig.22-58 Brazed drill bit with polycrystal diamond composite