聚晶金刚石复合体_PDC_焊接工艺研究
金刚石钻头与PDC钻头
而对于硬和坚硬地层，由于钻头工作面大、金刚石颗粒细而密， 且出刃低，钻压大，水槽则应多、密、窄。
表镶式金刚石钻头通常采用的水槽结构大体上可分为：逼压式 水槽、辐射形水槽、辐射形逼压式水槽和螺旋形水槽四种。
是在表镶式钻头工作面上薄弱部分的胎体内，孕镶一层金刚石。 破碎效果好，寿命长。
金刚石在钻头工作面 上的排布方式
交错排列法 圆周排列法 脊圈排列法
软到中硬 硬地层 坚硬地层
(4) 金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。 水眼和水槽的布置原则： 是使金刚石钻头在钻进过程中，保证供给钻头工作面足够的水 力能量，既能清除岩屑，又能很好地冷却和润滑钻头上的金刚石。
金刚石钻头与PDC钻头
金刚石钻头与PDC钻头
(1) 钢体
钢体上部车有螺纹连接钻具，下部与胎体烧结在一起。刚体有一体式的，也有由 两部分构成的，即上部为合金钢车有螺纹，下部为低碳钢连接胎体。钢体上下两部分 以螺纹连接在一起然后焊死。
(2)
胎体是镶嵌金刚石颗粒的基体，是由一定粒度的硬质合金粉加上适当的易熔金 属作粘合剂，压制烧结而成。
刮刀片形
PDC钻头基体有四种基本冠部外形： 浅锥形 短抛物线形 抛物线形
刮刀片形
翼片很长，增加了复合片出刃高度，增加了钻头冠部与地层之间的间隙， 使岩屑易于排向环形空间不致于粘附于钻头体，有利于射流的清洗。
特点：能减少泥包和与泥包相关的钻井问题。
适用范围：转盘钻井的直井和定向钻井，钻进粘性极高的泥页岩层。
胎体形状即工作剖面，主要是指工作面的几何形状和工作面积的大小，是根据适用不 同岩性而设计的。
PDC钻头工作原理及相关特点
第二章 PDC 钻头工作原理及相关特点PDC 钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的，这些切削齿有复合片切削齿和齿柱式两种结构，它们的结构以及在钻头上的安装方式如图1-2所示。
复合片式切削齿是将复合片直接焊接在钻头体上预留的凹槽内而形成的。
它一般用于胎体钻头；齿柱式切削齿是将复合片焊接在碳化钨齿柱上而形成的，安装时将其齿柱镶嵌或焊接在钻头体上的齿空内，它一般用于钢体钻头，也有用于胎体钻头的。
复合片（即聚晶金刚石复合片）是切削齿的核心。
复合片一般为圆片状，其结构如图1-3所示，它是由人造聚晶金刚石薄层及碳化钨底层组成，具有高强度、高硬度及高耐磨性，可耐温度750℃。
人们早就从实验中发现，岩石的诸力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之，而抗压强度最高，抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。
显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。
PDC 钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性，采用高效的剪切方式来破碎岩石，从而达到了快速钻井的(a) 复合片式切削齿 (b)齿柱式切削齿图1-2 切削齿在钻头上的安装方式图1-3 复合片的结构图1-4 PDC 钻头的切削方式目的。
当PDC钻头在软到中等级硬度地层进时，复合片切削齿在钻压和扭矩作用下克服地层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩削呈大块片状，这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似（见图1-4）。
被剪切下来的岩屑，再由喷嘴射出泥浆带走至钻头与井壁间的环空运至井外。
PDC钻头因使用了聚晶金刚石复合片作切削元件而使得切削齿有很高的硬度和耐磨性。
PDC齿的缺点是热稳定性差，当温度超过700℃时，金刚石层内的粘结金属将失效而导致切削齿破坏，因此PDC齿不能直接烧结在胎体上而只能采用低温钎焊方式将其固定在钻头体上。
在工作中，切削齿底部磨损面在压力作用下一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热，当切削齿清洗冷却条件不好，局部温度较高时，就有可能导致切削齿的热摩损（350-700℃时，切削齿的磨损速度很快，这一现象称为切削齿的热磨损）而影响钻头正常工作，所以钻头要避免热磨损出现就必须有很好的水力清洗冷却，润滑作用配合工作，这就是要求泥浆从喷嘴流出后水力分布要合理，能有效地保护切削齿，这即是对钻头水力计的基本要求之一。
pdc钻头分析
PDC钻头英文：Polycrystalline Diamond Compact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。
PDC产品性能不断改进。
在过去的几年间，PDC切削齿的质量和类型都发生了巨大的变化。
如果将２０世纪８０年代的齿与当今的齿进行比较的话，差异是相当大的。
由于混合工艺与制造工艺的变化，当今的切削齿的质量性能要好得多，使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高。
工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化，以提高切削齿的韧性。
层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。
除了材料和制造工艺方面的发展以外，PDC产品在齿的设计技术和布齿方面也实现了重大的突破。
现在，PDC产品已可被用于以前所不能应用的地区，如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。
这种向新领域中的扩展，对金刚石（固定切削齿）钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响。
8-1/2TD164A 4刀翼PDC钻头2TD194B 4刀翼PDC钻头8-1/2TD165A 5刀翼PDC钻头8-1/2TD196A 6刀翼PDC钻头9TD195A5刀翼PDC钻头9-1/2TD166A 6刀翼PDC钻头最初，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人们所选用，特别是随着PDC 齿质量的不断提高，这种情况越发凸显。
由于钻头设计和齿的改进，PDC 钻头的可定向性也随之提高，这进一步削弱了过去在马达钻井中牙轮钻头的优势。
目前，PDC 钻头每天都在许多地层的钻井应用中排挤掉牙轮钻头的市场。
PDC 钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践:为了降低海上钻井作业成本、提高作业效率,开发了PDC 钻头厚层砾岩钻进技术.在保持普通PDC 钻头快速切削性能的基础上,通过优选新型高强度PDC 切削 齿、改进钻头切削结构提高钻头的整体强度,通过采用后倾角渐变、力平衡设计、加强切削齿保护等方法提高钻头的稳定性,并且在使用中通过优化钻具组合、采用 合理的钻井参数和"中低排量-中低转速-中高钻压"的平稳钻进模式预防PDC 钻头在砾岩段的先期破坏,有效延长了钻头在砾岩钻进中的寿命.应用该技术实现 了用PDC 钻头在辽东湾一次性钻穿馆陶组和东营组上部疏松地层中垂厚近80 m 的砾岩段,有的井钻穿砾岩段后又直接钻下部中硬地层至完钻井深.采用PDC 钻头厚层砾岩钻进技术,可以大量节省海上钻井作业时间,显著降低钻井费用.PDC 钻头工程技术措施石油钻井装备:1）、首先做好PDC 钻头的选型工作，钻头水眼、流道设计应利于排屑；2）、下入PDC 钻头之前，应充分循环泥浆，清洗井眼，防止起钻后滞留在井眼内的钻屑继续水化分散；3)、下钻时钻头不断刮削井壁，井壁上的泥饼或滞留于井内的钻屑会在钻头下堆积，到一定程度便会压实在钻头上，那么下钻中途进行循环，将钻头 冲洗干净也是有其必要的；4）、下钻过程中还应适当控制速度，防止钻头突然冲入砂桥，钻进一堆烂泥中；另外如果速度恰当，PDC 钻头会顺着上一只钻头所钻的螺旋形井眼轨道行 进，而不是在井壁上划拉下大量泥饼。
PDC使用注意
PDC钻头使用技术探索一.PDC钻头的主要特点1.PDC钻头所采用的聚晶金刚石复合片是由薄层人造金刚石和碳化钨片基体组成的，该复合片经高温高压粘合为不可分割的整体，金刚石层由许多小晶粒组成，晶粒以不规则的方式组合在一起，使复合片的强度和耐磨性达到最佳。
与牙轮钻头靠牙齿对岩石的冲击、压碎作用破碎岩石不同，PDC钻头主要依靠切削齿对岩石的剪切作用破碎岩石，利用剪切作用破碎岩石比压裂作用破碎岩石所需能量小得多，所以PDC钻头能以很小的钻压实现更有效的钻进，这一点对井斜的控制尤为重要。
2.PDC钻头在钻进中磨损缓慢而且具有自锐性，所以钻头在使用寿命期内，可保持切削齿锐利，可一直保持较高的机械钻速。
3. PDC钻头没有活动部件，所以钻头使用寿命长，没有金属物落井的危险。
4. PDC钻头依靠剪切作用破碎岩石，井底压差对钻头破碎岩石影响小，因而有利于在深井、高密度钻井液条件下获得较高的机械钻速。
5. PDC钻头对提高钻速、降低成本是十分有利的，但也有一些缺点：一是使用范围有局限性，对地层的选择性太强，一般只适宜在砂、泥岩地层使用；二是价格较高，有时使用PDC钻头在经济上不一定合算。
二. 根据地层特性选型地层硬度表1．地层级别为1—2的软地层，选用排屑空间大，清洗条件好，复合片直径不小于19毫米的大复合片钻头。
2．地层级别为3的软地层，选用低密度布齿，排屑空间大的常规复合片金刚石钻头或相当的大复合片金刚石钻头。
3．地层级别为4的软地层和5的中硬地层，选用中密度布齿或高密度布齿，排屑空间适中的常规复合片金刚石钻头。
4．对于含硬夹层的软--中硬地层，选用混合齿（热稳定聚晶金刚石和常规复合片金刚石）钻头和抗回旋钻头等。
5．对于易缩径地层，选用双心或偏心钻头；6．含砾或高研磨性岩石地层，不宜选用PDC钻头。
三.PDC钻头使用中易出现的问题及对策1.泥包问题。
产生钻头泥包现象的原因一般是泥浆性能差和操作不当所至，表现为泥浆高粘切、送钻切菜式，建议所用钻井液流变性要好，粘切一定要低，送钻力求均匀。
聚晶金刚石复合片缺陷分析、分类及表征方法的研究
财
许
２０年增刊 （８ 卷 ０７ ３）
聚 晶金 刚石 复合 片缺 陷分析 、分类及 表征方法 的研 究幸
刘 芳 ， 范文捷 ２ ，周传 勋 ３
（ ． 工学院 材料与化工 学 院，河 南 郑州 ４ ０ ０ ；２中原工 学院 信 息商务学 院，河 南 郑州 ４ ０ ０ ； １中原 ５０ ７ ． ５０ ７
维普资讯
的缺 陷进行 了分析 ．认 为 Ｐ Ｃ 中的缺 陷可分 为宏 观 的 Ｄ
括 ：残余 内应 力 、硬质合金 中金属扩散带 来微观组织变 化【。缺 陷的类型不 同，表 征的方法也不 同 ，对 宏观 的 ２ Ｊ 不均匀缺 陷（ 明显的 、 隐含 的） 以采 用显微镜 、 可 Ａ扫描 、 ｃ 扫描 方法进行 表征 ：对 于微 观 的不均 匀缺陷（ 内应力）
气孔 、分层 、残余应 力等 。根 据 Ｐ Ｃ 的生产 过程 ，分 Ｄ 析缺 陷的类型 、产 生原 因，我 们将 Ｐ ＤＣ 的缺 陷分 为两 类 ，宏观 的组织 不均 匀性缺 陷：表面可直接观察 到的明
图 ｌ 聚晶金刚石一 质合金 复合片 硬
Ｆ ｇ ｌＰｏ ｙ ｒ ｓａｌｎ ｉｍ ｏ ｄ－ ａ ｄ ａｌ ｙ ｃ ｍｐａ ｔ ｉ ｌ ｃ ｙ ｔｌ ｅｄ ａ ｎ ｈ ｒ ｌｏ ｏ ｉ ｃ
３郑州 白鸽集 团 技术处 ，河 南 郑 州 ４ ０ ０ ） ． ５ ０ ６
摘
要 ： 聚 晶金 刚石 复合 片 （ Ｄ Ｐ Ｃ）是 在 高温 高压 下
层 、裂 纹等 ，如 图 ２所示 。微 观的组织不 均匀性缺 陷包
制备 而成的。理论 上希望聚 晶金 刚石层 完全致 密化 ，但 实际生 产过程 中总 不可避免 的在金 刚石 层存在缺 陷。 结 合生产 实际和 实验对聚 晶金 刚石 复合 片 （ Ｄ Ｐ Ｃ）中存 在
聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的开发
持 比较好的圆弧底唇 ， 使复合片得到充分 的利用 ， 从 而使钻 头 获得较 长 的寿命 。
２ ．３ 复合 片的空 间定位
衄 Ｓｈ ， ａｒｏ盯 ｉｕｌ ｔ ． ｃ ａ ｅＰ－ Ｗ ，
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强 了金刚石薄层 ， 使它耐冲击 ， 钻进时金刚石复合
片在磨损 过程 中 能保 持 锐 利 的棱 边 ， 种 自锐作 这
用使钻头钻速高 、 使用寿命长。
由于复合片 的优 异 性 能 ， ２ 纪 ７ 自 ０世 ０年 代 末８ ０年代初 以来， 国外在油井钻探 、 田钻探和 煤
部分岩心钻探 中逐步开始使用聚晶金刚石复合片 钻头 ， 从而大大提高了机械钻速和钻头寿命 ， 降低 了钻进的综合成本和成孔周期 ， 取得了明显的经 济效益 。我国从 ２ 世纪 ８ 年代末开始生产复合 ０ ０ 片钻头 ， 现已在油 田钻进 中广泛使用。随着复合 片生产技术的提高和复合片钻头设计制造技术的
复合片如图 ２所示， 它是 由常规 的复合 片按 照钻头底唇厚度采用线切 割而成 ， 而不是通 常复 合片钻头常用的圆片装。 其优点在于： １ 复合片 （） 的大小根据钻 头的需要切割 ， 能够保证孔底 的全 覆盖 。（ ） ２ 有利于保径。（ ） ３ 由于地勘钻头的环 状尺寸较小 ， 如果采用圆片状的复合片 ， 其弧度太 小， 在钻进 的初期速度较高 ， 但磨损也快 ， 机械钻 度很快下降并使钻头报废 。采用切割片 ， 可选用 较大尺寸的复合 片， 使钻头底唇在钻进过程 中保
图 ２ 复合 片形 状 示 意 图
复合 片 的空 间定位 是指 复合 片在钻 头底 唇 上 安放 的空 间位 置 。复合 片 的空间定 位 是复合 片钻 头 设 计 的重点 ， 对钻 头钻 进 的性能 有很 大 的影 响。
PDC钻头泥包现象的研究与分析
PDC钻头泥包现象的研究与分析随着钻井提速的需求，钻井现场更多地使用PDC钻头，显著提高钻井效率，减少起下钻，避免掉钻头等事故，降低成本。
但在应用中经常有PDC钻头泥包的现象，泥包是制约PDC钻头使用和提高机械钻速的主要问题。
本文在分析泥包原因的基础上，从泥浆性能、钻井参数、现场操作等方面结合施工井钻头泥包现象，对PDC钻头泥包进行了分析，提出预防PDC钻头泥包的技术措施，有助于解决PDC钻头泥包的问题。
标签：PDC钻头;泥包;粘度;切力;劣质固相1PDC钻头结构及布齿方式1.1 PDC钻头结构PDC钻头是以聚晶金刚石复合片（PDC）作为切削刃的钻头，主要由钻头体、聚晶金刚石复合片切削齿、水力结构等部分组成。
其中钻头冠部是其工作面，其工作面的几何形状影响钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损及钻头各部位载荷分布。
钻头工作面形状一般包括内锥、顶部、侧面、肩部及保径五个基本要素。
1.2 布齿方式PDC钻头布齿方式有三种：刮刀式布齿，单齿式布齿，组合式切削齿。
刮刀式布齿方式的特点是将切削齿沿着从钻头中心附近到保径部位的直线（或接近于直线的曲线）布置在胎体刮刀上，在适当的位置布置喷嘴（或水眼），每个喷嘴或水眼起到冷却或清洗一个或两个刮刀片上的切削齿的作用。
采用这种方式布齿的PDC钻头具有整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强的特点，在黏性或软地层中应使用这种布齿方式的PDC钻头。
单齿式布齿方式是将切削齿一个一个地单独布置在钻头工作面上，在适当的地方布置喷嘴或水眼，钻井液从喷嘴流出后，切削齿收到清洗及冷却，当同时也起到阻流与分配液流的作用。
这种结构的布齿区域大、布齿密度高，可以提供钻头的使用寿命，但水力控制能力低，容易在黏性地层泥包。
组合式切削齒的布置采用直线刮刀和单齿式相结合的方式，在适当的地方布置水眼或喷嘴，这种布齿方式具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。
这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地层。
PDC钻头执行标准
PDC钻头执行标准PDC钻头是一种广泛应用于石油钻井、煤矿开采和地质勘探等领域的钻井工具，其执行标准的制定对于保障钻头质量、提高钻井效率具有重要意义。
本文将从PDC钻头的材料要求、制造工艺、性能测试等方面，对PDC钻头执行标准进行详细阐述。
一、材料要求。
PDC钻头的刀片通常采用聚晶金刚石复合片作为切削元件，刀体则采用优质的合金钢材料。
PDC钻头的执行标准应明确规定刀片和刀体材料的选用标准、化学成分要求、热处理工艺等，以保证PDC钻头具有良好的耐磨性、抗冲击性和热稳定性。
二、制造工艺。
PDC钻头的制造工艺对其质量和性能具有重要影响。
执行标准应规定PDC钻头的整体设计要求、刀片与刀体的结合工艺、焊接工艺、表面涂层工艺等，确保PDC钻头具有良好的耐磨性和抗冲击性，同时提高钻头的使用寿命和钻井效率。
三、性能测试。
PDC钻头的性能测试是保证其质量的重要手段。
执行标准应明确规定PDC钻头的性能测试项目和测试方法，包括静态性能测试、动态性能测试、耐磨性测试、抗冲击性测试等，以确保PDC钻头符合设计要求，并能在实际工程中发挥良好的钻井效果。
四、质量控制。
PDC钻头的质量控制是执行标准的核心内容。
标准应规定PDC钻头的质量控制要求，包括原材料的采购检验、生产过程中的质量控制、成品的检测验收等，以确保PDC钻头的质量稳定可靠。
五、使用与维护。
执行标准还应包括PDC钻头的使用与维护要求，包括钻头的安装与拆卸、使用过程中的注意事项、钻头的修复与保养等，以延长PDC钻头的使用寿命，降低钻井成本。
六、结语。
PDC钻头执行标准的制定对于规范PDC钻头的生产与使用具有重要意义。
本文从材料要求、制造工艺、性能测试、质量控制、使用与维护等方面对PDC钻头执行标准进行了全面的阐述，希望能为相关行业的从业人员提供参考，推动PDC 钻头行业的健康发展。
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第5期(总第156期)2009年10月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATIONNo.5Oct.
文章编号:1672-6413(2009)05-0192-02聚晶金刚石复合体(PDC)焊接工艺研究X
姚小飞,刘 洁,葛东生(太原科技大学材料科学与工程学院,山西 太原 030024)
摘要:PDC既具有金刚石的高硬度、高耐磨性,同时具有硬质合金良好的抗冲击韧性,被广泛应用于钻头、切削刀具等。对PCD的焊接工艺进行了研究,将PDC焊接温度控制在700℃以下,能保证复合片上的聚晶金刚石层不失效,使其在长期作业过程中具有良好的使用性能。关键词:PDC;焊接;失效温度;接头强度;性能中图分类号:TG44 文献标识码:A
X山西省高等学校新技术开发项目(200451)
收稿日期:2009-01-04;修回日期:2009-04-25作者简介:姚小飞(1978-),男,甘肃宁县人,在读硕士研究生。
0 引言PDC既具有金刚石的高硬度、高耐磨性,同时具有硬质合金良好的抗冲击韧性[1],已被广泛应用于地质钻探、石油天然气钻采以及切削刀具等方面。PDC钻头与金刚石钻头相比较,具有时效高、寿命长、综合成本低的优势,PDC已经开始逐步取代天然金刚石,是超硬材料发展的一个里程碑。PDC的合成方法有两种:一是直接合成,即人造金刚石与硬质合金基体一次性合成,该工艺耐热性低;另一种为间接合成,即金刚石层焊接在硬质合金基体上,该工艺耐热性高。PDC属于非金属材料,它与金属或者合金材料之间的强度、硬度、弹性模量等方面都存在着很大的差异,特别是两者之间的界面能很高,界面结合弱,在应用过程中发生异常断裂或者金刚石脱落,因此研究PDC与硬质合金的焊接工艺是非常必要的。1 PDC焊接工艺特点PDC钻头在工作过程中既要保持高强度、高硬度,又要保持高抗冲击韧性;既要保持较好的热震性,又要保持较好的耐腐蚀性。PDC上的聚晶金刚石层的失效温度是700℃[2],因此在焊接过程中PDC复合片上的金刚石层的温度必须控制在700℃以下,并要求焊后PDC与硬质合金结合面有足够的抗剪强度。PDC钎焊过程中加热方式起着决定性作用,因此其钎焊方法可依据加热方式来划分,主要有火焰钎焊、真空钎焊、真空扩散焊、高频感应钎焊、激光焊接等。1.1 PDC火焰钎焊火焰钎焊(FlameBrazing)是采用气体燃烧产生的火焰进行加热的一种焊接方法。基于PDC的特性,钎焊一般是先加热钢体,当钎剂开始熔化后再将火焰移到PDC上加热。火焰钎焊的主要工艺过程有焊前处理、加热、保温、冷却、焊后处理等[3]。(1)加热:选用氧乙炔的中性焰或外焰加热,这样可以防止PDC的金刚石层热损伤和钎料及硬质合金的过分氧化,也可以避免钎缝区金属晶粒长大,从而提高接头性能。(2)保温:由于是异种材料焊接,其膨胀系数存在着很大区别,因此钎焊接头处存在内应力。为了消除其内应力,应采取一定的保温时间和保温温度。(3)冷却:当焊件温度达到200℃时,可从保温箱中取出焊件,然后空冷。1.2 PDC真空钎焊真空钎焊(VacuumBrazing)是在真空状态下对工件进行加热的一种焊接方法。由于这种焊接方法是在无氧化气体的气氛中进行的,所以能获得强度、韧性、均匀性都较好的接头。真空钎焊是利用工件本身的电阻热作为热源,对聚晶金刚石层进行局部的冷却,实施高温钎焊。钎焊过程中连续通水冷却,以保证金刚石层的温度控制在700℃以下;钎焊冷态真空度要求低于6.65×10-3Pa,热态真空度低于1.33×10-2Pa;焊后将试件放入保温箱进行保温,以消除钎焊过程中产生的热应力。真空钎缝的抗剪强度比较稳定,接头强度高,平均抗剪强度可达451.9MPa[4]。1.2.1 真空钎焊的主要工艺参数(1)加热速度:加热速度是通过输入电压来控制的,输入的电压高,加热速度就快,反之则加热速度慢。加热速度过慢,PDC在高温区停留时间过长,易使PDC的耐磨性下降;加热速度过快,会造成局部温度过高,易使局部区域发生过热现象。(2)钎焊压力和钎缝间隙:施加一定的钎焊压力,挤出多余的钎料,以便获得较小的钎缝宽度,增加钎缝的机械强度,同时也增加了PDC的散热效果。通常情况下,钎焊接头的强度随钎缝间隙的减小而增加。1.2.2 真空钎焊的过程控制在PDC钎焊过程中,除了对工艺参数要严格控制外,同时要对PDC聚晶金刚石层的表面温度进行实时监测控制,金刚石层的最高温度应控制在700℃以下,以保证PDC金刚石层不失效。1.3 PDC真空扩散焊真空扩散焊(VacuumDiffusionBonding)是在较高的温度和较大的压力下,使处于真空中的清洁工件表面相互靠近,在相当小的距离内原子相互扩散,从而将两部分连接在一起的焊接方法。扩散焊最根本的特征[5]是在钎焊加热过程中钎缝内形成的液态合金,在高于钎料的固相线温度的条件下长时间保温,使之等温凝固而形成钎缝。对于PDC的硬质合金基底与金刚石这两种膨胀系数差异很大的材料,此种方法显得非常有效。真空扩散焊能获得耐磨性好、热稳定性好、抗震性好的接头。真空扩散焊接工艺可以克服其他钎焊工艺制造的PDC钻头在钻进过程中由于钻头温度升高钎料强度急剧下降而导致PDC易脱落的问题。1.3.1 真空扩散焊主要工艺参数真空扩散焊机一般由真空室、真空系统、加热系统、加压系统、温度测控系统、操作控制系统、水冷系统、电源等构成。真空扩散焊的主要参数是钎缝的间隙宽度、压紧力、过程的温度和时间,应尽可能地保持最小的钎缝间隙,为此需经常施加适当的压紧力。1.3.2 焊前焊后的工艺处理母材表面氧化膜使液态钎料润湿母材产生困难,要获得良好的钎焊接头,母材和钎料表面氧化膜的彻底清除是十分重要的。1.3.3 中间夹层材料对焊缝质量的影响中间夹层材料对焊缝强度的影响十分明显。若采用冷轧态Cu箔或Ni箔作为中间夹层,焊缝剪切强度分别是不加中间夹层时的6.3倍和8.7倍[6]。其主要原因:¹Cu、Ni有良好的塑性,加热后更易产生塑性变形,从而增加了焊接面的有效接触面积,焊合率较高;ºCu、Ni与Co能形成无限固溶,加速了原子扩散和活化扩散过程;»Cu、Ni被合金元素固溶强化,在相同条件下采用Ni中间夹层的焊缝强度明显高于采用Cu中间夹层的。1.3.4 中间夹层厚度对焊缝质量的影响中间夹层厚度对焊缝强度有明显的影响,并存在一个中间夹层的临界值厚度,当中间夹层厚度为临界值厚度时焊缝强度达到最大值;当中间夹层厚度小于临界值厚度时,焊缝强度随中间夹层厚度的减小而降低;当中间夹层厚度大于临界值厚度时,焊缝强度随中间夹层厚度的增加而下降。这种现象可通过接触强化程度和形成物理接触条件[7]来解释。由此可见,在一定焊接条件下中间夹层厚度存在一个最佳值。1.4 PDC高频感应钎焊高频感应钎焊(Hi-frequencyInductionBrazing)是利用电磁感应原理,使电磁能在钎料和工件中转化为热能,将钎料加热到熔融状态,从而将工件焊接在一起的方法。PDC高频感应钎焊的优点是加热速度快,从而可减小PDC聚晶金刚石层烧损和硬质合金氧化程度,并能保证零件的尺寸精度,几乎无环境污染,易于实现生产自动化。PDC高频感应钎焊工艺是制造PDC刀具的关键技术。1.4.1 PDC高频感应钎焊部分不等间隙接头结构在PDC高频感应加热时,硬质合金钎缝的边缘温度高于内部温度,边缘钎料首先融化,使钎缝内部残留的气体、钎剂等很难从狭窄的间隙中排出,因此容易在钎缝中形成气孔、夹渣等缺陷。由于硬质合金基底与PDC金刚石层的热膨胀系数相差较大,从而在材料中引起残余应力使焊接质量下降。可采用部分不等间隙接头结构[8]来减少钎焊缺陷和残余应力。1.4.2 PDC高频感应钎焊的影响因素(1)钎焊温度对接头强度的影响:钎焊温度对剪切强度影响最大,随着焊接温度的升高剪切强度增大。(2)恒温保持时间对接头强度的影响:接头剪切强度随恒温保持时间的延长而增加,但是恒温保持时间过长则PDC层受损严重,影响焊后PDC的使用性能。(3)钎焊金属表面粗糙度对接头强度的影响:PDC硬质合金基底表面粗糙度在钎焊过程中主要影响钎料对其本身的润湿性,随表面粗糙度的增大其润湿性增强,但与此同时钎焊缺陷也随之增多。1.5 PDC激光焊接激光焊(LaserBeamWelding)是利用高能密度的激光束作为热源,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件达到一定的熔池深度,而表面又没有明显的汽化,这样即可进行焊接。激光束的功率密度可达109W/cm2,由于功率密度大,焊接过程中在金属材料上生成小孔,激光能量通过小孔往工件的深部传输,减小横向扩散,材料的熔合深度大,焊接速度快,单位时间焊合的面积大,此外,激光焊接形成的焊缝深而窄,热影响区小,焊接变形小。使用激光进行PDC的焊接,获得的焊接接头强度高,可达1800MPa,且不会损伤金刚石层,是一种理想的PDC焊接方法,此方法多用于金刚石圆锯片的焊接。2 结论(1)PDC的研究和推广大大提高了钻头和刀具的切削能力,与天然金刚石相比,具有良好的性价比。综合考虑PDC使用性能要求和成本,可以选择适当的焊接工艺。(下转第196页)
・193・ 2009年第5期 姚小飞,等:聚晶金刚石复合体(PDC)焊接工艺研究3 机器人路径规划的发展趋势3.1 性能指标上不断提高许多路径规划方法在完全已知环境中能得到令人满意的结果,但在未知环境特别是存在各种不规则障碍的复杂环境中,由于环境信息的时刻变化,对移动机器人的实时性提出了更高的要求,所以如何快速有效地完成移动机器人在复杂环境中的导航任务仍将是今后研究的主要方向之一。3.2 多移动机器人系统的路径规划随着机器人系统应用的不断扩大,工作环境复杂度和任务的加重,对其要求不再局限于单个机器人,多移动机器人路径规划已成为新的研究热点。在动态环境中单个机器人的路径规划与多机器人的合作需要很好统一。此领域的难点在于多机器人之间的协调和避碰前进,因此,在协调多机器人更好实现实时规划方面,还有很大的研究空间。3.3 多传感器信息融合用于路径规划单传感器难以保证输入信息准确与可靠,多传感器所获得的信息具有冗余性、互补性、实时性和低代价性,且可以快速并行分析现场环境。3.4 更加智能化的仿生算法智能仿生算法的应用,赋予了机器人一定的智能,但对于含有动态障碍物的复杂环境仍显得不够,特别是在有效地避免机器人陷入局部最优路径方面。如何使机器人及时地知道自己已经陷入局部最优,甚至提前预知将陷入局部最优而采取措施加以避免,需要赋予机器人更多智能。参考文献:[1] 李士勇.蚁群算法及其应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.[2] 邢军,王杰.神经网络在移动机器人路径规划中的应用研究[J].微计算机信息,2005(22):110-111,153.[3] 樊晓平,李双艳,陈特放.基于新人工势场函数的机器人动态避障规划[J].控制理论与应用,2005,22(5):703-707.