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【摘 要】PDC钻头下体与上接头环缝焊接采用手工电弧焊时，存在钻头下体与上接头压紧用力不均，焊接的同轴度差，焊接质量不稳定，以及成本高、效率低等问题；为了全面提高钻头焊接质量，针对以上问题，对上下体对焊中存在的诸多问题进行讨论研究，改进焊接工艺，并拟订开发研制钻头环缝焊接机，以解决焊接过程中出现的诸多问题，提高焊接的质量，减轻工人的工作强度。
【关键词】PDC钻头；焊接；药丝；环缝
PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，是石油钻井行业常用的一种钻井工具。最初，PDC钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化，目前PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了，PDC钻头正越来越多地为钻井施工队伍所选用。
1.PDC钻头现状
PDC钻头是破碎岩石的有效工具。它是由钻头胎体、切削齿、钢体和上接头组成，通常钻头焊接采用焊条电弧焊的方法将钢体与上接头连接起来时，焊接质量不稳定、劳动强度大、焊接效率低。而钻头在井下工作时，由于地质条件比较复杂，钻头在井底工作条件比较恶劣，不仅受到钻压和扭矩的作用，而且在破岩过程中不断承受冲击载荷，因此易发生脆性断裂。这就对PDC钻头焊缝的焊接质量提出了更高的要求和可靠性。
2.焊接工艺
PDC钻头胎体是通过炉中高温烧结与钢体结合在一起，再通过钢体（退火状态35CrMo钢）与上接头（调质状态40CrMnMo钢）的焊接连成一整体。影响钢材的焊接性的主要因素有：钢材的化学成分、焊接工艺、结构设计和使用条件。钻头钢体和上接头的含碳量高，焊接时淬硬倾向大，因而在焊接热影响区的过热区内很容易产生硬脆的高碳马氏体，冷却速度越大，生成的高碳马氏体越多，脆化也就越严重。大线能量将产生宽的、组织粗大的热影响区，增大脆化倾向，也增大焊缝及热影响区产生热裂纹的可能性，而采用小线能量减少了高温停留时间，避免了奥氏体晶粒的过热，增加了奥氏体成份的不均匀性，从而降低了奥氏体的稳定性；钢材的强度较高，因此焊接热影响区容易软化，而PDC钻头焊接之后不能进行调质处理；线能量越小，加热冷却速度越快，受热时间越短，软化程度越小，软化区的宽度越窄。目前钻头焊接采用的是焊条电弧焊的方法将钢体与上接头连接起来时，焊接质量不稳定、劳动强度大、焊接效率低。
3.焊接设备
PDC钻头下体与上接头环缝焊接采用手工电弧焊时，由于工件沉重，现有工装存在钻头下体与上接头压紧用力不均的问题，焊接的同轴度差，导致焊接质量的不稳定。
4.质量改进
4.1焊接工艺的改进
4.1.1焊接材料的选择
根据工况条件对焊缝性能的要求，以及参照相关标准的基础上决定采用药芯焊丝气体保护焊。药芯焊丝气体保护焊是在实芯焊丝高效自动焊的基础上发展一种高效焊接方法，它具有以下优点：（1）焊接工艺性能好；（2）熔敷速度快、生产效率高、可进行连续自动和半自动的焊接，为焊条电弧焊的3-4倍；（3）合金系统调整方便，优其对于低合金高强钢焊接的优势是实芯焊丝无法比拟的；（4）能耗低、可节省20-30%的综合焊接成本。
4.1.2焊接坡口的设计
从经济和实现半自动焊的角度考虑，拟采用CO2气体保护焊的焊接方法，根据国家标准GB/T985.1-2008《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口》设计的焊接坡口见图1，坡口采用机械加工方法加工，保证了装配精度，并避免由热切割引起坡口处产生淬火组织。
焊接坡口形式及尺寸
4.2环缝焊接机的研制
4.2.1环缝焊接机的组成
焊接机由焊接变位机、焊接操作机、压紧装置、预热装置和成套CO2装置等五部分组成。
4.2.2环缝焊接机的工作原理
a.把钻头上接头放在焊接变位机的卡盘上，钻头下体放在上接头上，焊接坡口对准，压紧装置将其压紧。
b.变位机将两焊件及压紧装置转至水平。
c.把加热焊炬放到压紧装置上的焊炬夹持器上，并移动焊炬夹持器使加热焊炬对准焊接坡口位置，点燃加热，焊炬对焊件进行预热，达到预热温度后，停止加热，移开加热焊件。
d.操作机将CO2焊枪移到焊接坡口位置进行焊接。
e.焊接完毕，变位机停止转动，操作机把CO2焊接移开，变位机向上翻转90°，使焊件和压紧装置处于垂直位置，松开压紧装置，将钻头取出。
5.改进效果
通过改进焊接工艺和设备，取得了良好的效果大大提高了PDC钻头的整体质量。
（1）整个焊接过程操作简单，焊接的劳动强度得到了改善。
（2）采用粗焊丝焊接，电弧的穿透力强，焊接速度快，溶深较大，溶池较小，热影响区窄，焊件焊后变形小，抗锈能力强，抗裂性能好。
（3）该环缝焊接机能满足钻头环缝直径为Ф60mm-Ф280mm，焊接坡口厚度为5-30mm的钻头焊接，能够满足钻头制造业环缝焊接的需要，同时也可用于同样尺寸的其他圆状物体的环缝自动焊接。
6.结论和建议
将钻头环缝焊接机全面投入生产，不断对其进行改进。继续对焊接工艺进行优化，提高焊接设备的自动化水平，对出现的问题全面分析，全面提高钻头焊接质量。
【参考文献】
[1]GB/T985.1-2008.气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口.中国标准出版社.
[2]GBT 26955-2011.金属材料焊缝破坏性试验、焊缝宏观和微观检验.中国标准出版社.
[3]GB/T 26952-2011.焊缝无损检测、焊缝磁粉检测、验收等级.中国标准出版社.
【关键词】PDC钻头；焊接；药丝；环缝
PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，是石油钻井行业常用的一种钻井工具。最初，PDC钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化，目前PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了，PDC钻头正越来越多地为钻井施工队伍所选用。
1.PDC钻头现状
PDC钻头是破碎岩石的有效工具。它是由钻头胎体、切削齿、钢体和上接头组成，通常钻头焊接采用焊条电弧焊的方法将钢体与上接头连接起来时，焊接质量不稳定、劳动强度大、焊接效率低。而钻头在井下工作时，由于地质条件比较复杂，钻头在井底工作条件比较恶劣，不仅受到钻压和扭矩的作用，而且在破岩过程中不断承受冲击载荷，因此易发生脆性断裂。这就对PDC钻头焊缝的焊接质量提出了更高的要求和可靠性。
2.焊接工艺
PDC钻头胎体是通过炉中高温烧结与钢体结合在一起，再通过钢体（退火状态35CrMo钢）与上接头（调质状态40CrMnMo钢）的焊接连成一整体。影响钢材的焊接性的主要因素有：钢材的化学成分、焊接工艺、结构设计和使用条件。钻头钢体和上接头的含碳量高，焊接时淬硬倾向大，因而在焊接热影响区的过热区内很容易产生硬脆的高碳马氏体，冷却速度越大，生成的高碳马氏体越多，脆化也就越严重。大线能量将产生宽的、组织粗大的热影响区，增大脆化倾向，也增大焊缝及热影响区产生热裂纹的可能性，而采用小线能量减少了高温停留时间，避免了奥氏体晶粒的过热，增加了奥氏体成份的不均匀性，从而降低了奥氏体的稳定性；钢材的强度较高，因此焊接热影响区容易软化，而PDC钻头焊接之后不能进行调质处理；线能量越小，加热冷却速度越快，受热时间越短，软化程度越小，软化区的宽度越窄。目前钻头焊接采用的是焊条电弧焊的方法将钢体与上接头连接起来时，焊接质量不稳定、劳动强度大、焊接效率低。
3.焊接设备
PDC钻头下体与上接头环缝焊接采用手工电弧焊时，由于工件沉重，现有工装存在钻头下体与上接头压紧用力不均的问题，焊接的同轴度差，导致焊接质量的不稳定。
4.质量改进
4.1焊接工艺的改进
4.1.1焊接材料的选择
根据工况条件对焊缝性能的要求，以及参照相关标准的基础上决定采用药芯焊丝气体保护焊。药芯焊丝气体保护焊是在实芯焊丝高效自动焊的基础上发展一种高效焊接方法，它具有以下优点：（1）焊接工艺性能好；（2）熔敷速度快、生产效率高、可进行连续自动和半自动的焊接，为焊条电弧焊的3-4倍；（3）合金系统调整方便，优其对于低合金高强钢焊接的优势是实芯焊丝无法比拟的；（4）能耗低、可节省20-30%的综合焊接成本。
4.1.2焊接坡口的设计
从经济和实现半自动焊的角度考虑，拟采用CO2气体保护焊的焊接方法，根据国家标准GB/T985.1-2008《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口》设计的焊接坡口见图1，坡口采用机械加工方法加工，保证了装配精度，并避免由热切割引起坡口处产生淬火组织。
焊接坡口形式及尺寸
4.2环缝焊接机的研制
4.2.1环缝焊接机的组成
焊接机由焊接变位机、焊接操作机、压紧装置、预热装置和成套CO2装置等五部分组成。
4.2.2环缝焊接机的工作原理
a.把钻头上接头放在焊接变位机的卡盘上，钻头下体放在上接头上，焊接坡口对准，压紧装置将其压紧。
b.变位机将两焊件及压紧装置转至水平。
c.把加热焊炬放到压紧装置上的焊炬夹持器上，并移动焊炬夹持器使加热焊炬对准焊接坡口位置，点燃加热，焊炬对焊件进行预热，达到预热温度后，停止加热，移开加热焊件。
d.操作机将CO2焊枪移到焊接坡口位置进行焊接。
e.焊接完毕，变位机停止转动，操作机把CO2焊接移开，变位机向上翻转90°，使焊件和压紧装置处于垂直位置，松开压紧装置，将钻头取出。
5.改进效果
通过改进焊接工艺和设备，取得了良好的效果大大提高了PDC钻头的整体质量。
（1）整个焊接过程操作简单，焊接的劳动强度得到了改善。
（2）采用粗焊丝焊接，电弧的穿透力强，焊接速度快，溶深较大，溶池较小，热影响区窄，焊件焊后变形小，抗锈能力强，抗裂性能好。
（3）该环缝焊接机能满足钻头环缝直径为Ф60mm-Ф280mm，焊接坡口厚度为5-30mm的钻头焊接，能够满足钻头制造业环缝焊接的需要，同时也可用于同样尺寸的其他圆状物体的环缝自动焊接。
6.结论和建议
将钻头环缝焊接机全面投入生产，不断对其进行改进。继续对焊接工艺进行优化，提高焊接设备的自动化水平，对出现的问题全面分析，全面提高钻头焊接质量。
【参考文献】
[1]GB/T985.1-2008.气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口.中国标准出版社.
[2]GBT 26955-2011.金属材料焊缝破坏性试验、焊缝宏观和微观检验.中国标准出版社.
[3]GB/T 26952-2011.焊缝无损检测、焊缝磁粉检测、验收等级.中国标准出版社.