一种硬质合金齿及固齿方法与流程

1.本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种硬质合金齿及固齿方法。


背景技术：

2.钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。牙轮钻头是钻井工程中常用的破岩工具。三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破碎岩石，即牙齿通过对岩石的冲击、挤压和伴有少量的滑移刮切来破碎岩石。目前钻井工程中所使用的三牙轮钻头包括钢齿钻头（又称铣齿钻头）和硬质合金齿钻头（又称镶齿钻头）。铣齿牙轮钻头是在牙轮坯体上直接铣出切削齿，切削齿材料与牙轮本体材料相同，一般为钢质材料，齿的强度较低、耐磨性较差，一般用于软地层。。由于牙齿的尺寸大（齿顶宽度和出露高度均较大），故铣齿钻头在软地层的钻进中破岩效率高；但由于切削齿材料的限制，钻头切削齿易发生强度失效和磨损失效。为提高切削齿的耐磨性，一般要在钢齿表面进行强化处理，或敷焊耐磨合金以提高其表面强度及耐磨性，但处理后的表面强化层或敷焊层厚度有限，表层强度及耐磨性仍不及硬质合金，处理后的钢齿与硬质合金牙齿相比仍有较大差距。铣齿牙轮钻头的切削齿寿命不高，限制了其使用寿命及其在较硬或研磨性强的地层中的应用。镶齿钻头在牙轮本体预留的齿孔内用过盈配合或焊接等方式镶固硬质合金牙齿（以下简称硬质合金齿或牙齿），硬质合金齿的硬度和耐磨性明显优于钢齿，一般用于较硬地层。镶齿牙轮钻头的牙齿尺寸较小（特别是齿顶宽度小），且其齿顶宽度均明显小于下部镶固部分的直径，所形成的较尖锐的牙齿头部能较好地适应较硬地层的破岩。但由于牙齿尺寸小，镶齿牙轮钻头在软地层的钻进效率明显不及铣齿牙轮钻头。而且，在实际工程中，地层复杂多变，并非单一的软地层或硬地层，而常见存在有硬夹层的地层、软硬交错地层及不均质地层，在这种情况下，现有钢齿钻头（又称铣齿钻头）和硬质合金齿钻头（又称镶齿钻头）使用效果都大打折扣。
3.现有硬质合金的固齿方式包括两类，一类是冷压固齿工艺制作，即将柱齿通过人工手动或简易扶正套预定位，之后通过外力骤然压入与其能构成设定过盈量的齿孔中；另一类是热装固齿工艺，通过加热齿孔，或者用液氮冷却硬质合金，通过齿孔与硬质合金齿之间的温度差，由于温度导致它们之间的变形来固定齿。现有这两类固齿方法均在实际工程中得到应用，特别是第一类冷压固齿，但在实际应用中，外力骤然压入孔内，极易造成柱齿、钻头齿孔孔口及孔壁受损，降低钢体对柱齿包容面积，导致固齿强度大大降低。从而造成钻头断齿、掉齿以及掉块的情况产生。


技术实现要素：

4.为了克服现有固齿工艺的缺点，本发明提供一种硬质合金齿及固齿方法，该方法能够有效的避免由于传统固齿方法不当使得钻头早期出现断齿、掉齿以及掉块等质量不稳定情况发生。
5.本发明为达到上述目的所采用的技术方案为：
一种硬质合金齿，其特征在于：硬质合金齿上设置一个台阶面，齿圆周面上至少设置有3个均匀分布的贯通槽，在硬质合金齿底面设置有至少1条凸棱，且硬质合金齿台阶面直径尺寸的取值范围为：0.01mm≤d1
‑
d2≤10mm，其中d2为台阶小面的直径，d1为台阶大面的直径。
6.上述方案中，台阶面的设置包括两种情况，一种是台阶面在齿的上部，如图1所示，这样钎料加热后可以直接流入齿孔与硬质合金齿之江的缝隙中，另一种是台阶面靠近齿的底部，如图2所示，钎料需要通过槽进入齿孔与硬质合金之间的缝隙，这样硬质合金焊接区域为齿的底部和台阶面小的圆周面，增加硬质合金齿的焊接强度，提升齿的使用寿命，这样的硬质合金齿可应用牙轮钻头、冲击钎头上，如图6、7所示。
7.作为选择，硬质合金齿的直径d1与齿孔d1的取值范围为：0.01mm≤d1
‑
d1≤0.2mm。
8.上述方案中，硬质合金齿的直径d1大于齿孔直径d1,这样才能保证硬质合金齿的定位准确，齿依靠过盈压入，齿的部分区域为过盈配合，增加齿的固紧力，减小齿掉落井底的风险。
9.作为选择，硬质合金齿为锥形齿、锲形齿、球形齿、弹头齿、pdc齿、斧型齿。
10.上述方案中，硬质合金为不同形状的齿型，为拓宽钻头的使用地层，提高硬质合金齿的适用范围。
11.作为选择，在硬质合金齿底面设置有至少1条凸棱，凸棱高度k的取值范围：1mm≥k≥0.1mm。
12.上述方案中，凸棱的设置是为钎料提供空间，增加硬质合金齿底面和齿孔的接触区域，增加焊缝体积，延长硬质合金齿使用寿命，限制凸棱高度是为了节约成本，保证焊接强度。
13.作为选择，硬质合金齿圆周面上至少设置有3个均匀分布的贯通槽，槽的宽度h的取值范围为：0<h≤3mm。
14.上述方案中，不同钎料的流动性不一样，限制贯通槽的宽，是为了适用不同材料的钎料，提高硬质合金齿对钎料材料的适用性。
15.一种硬质合金固齿方法，采用以上所述硬质合金齿，其步骤在于：在打磨机上磨去硬质合金齿的氧化膜；先用酒精清洗齿孔，再用钎料溶剂清洗齿孔；在压机上将硬质合金齿压入齿孔中；将钻头体和硬质合金齿加热到500
‑
600摄氏度；加热钎料，加热后的钎料流入齿空与硬质合金台阶小面的缝隙中，且钎料通过贯通的槽流入齿孔底部与硬质合金底部之间的缝隙中。
16.上述方案中，先依靠过盈压入齿孔，再用钎料填满齿空与齿之见的空隙，通过多种方式来固定硬质合金齿，增加硬质合金齿钎焊接触区域，增加齿的固齿强度，降低硬质合金齿掉落井底的风险。
17.有益效果依靠过盈压入和钎焊2种种方式来固定硬质合金齿，增加硬质合金齿钎焊接触区域，增加齿的固齿强度，降低硬质合金齿掉落井底的风险。
附图说明
18.图1为本发明硬质合金齿的示意图；图2为台阶面靠近硬质合金齿底部示意图；图3为图1的正视图；图4为图1的俯视图；图5为硬质合金与钻头的固齿示意图；图6为使用硬质合金齿的钎头；图7为使用硬质合金齿的牙轮钻头；1
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硬质合金齿，12
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台阶面，13
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贯通槽，14
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凸棱，2
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钻头，21
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钎头，22
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牙轮，3
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焊缝。
具体实施方式
19.下列非限制性实施例用于说明本发明。
20.一种硬质合金齿1，其特征在于：硬质合金齿上设置一个台阶面12，齿圆周面上至少设置有3个均匀分布的贯通槽13，在硬质合金齿底面设置有至少1条凸棱14，且硬质合金齿台阶面直径尺寸的取值范围为：0.01mm≤d1
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d2≤10mm，其中d2为台阶小面的直径，d1为台阶大面的直径，如图1、2、3、4所示。
21.作为优选，硬质合金齿的直径d1与齿孔d1的取值范围为：0.01mm≤d1
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d1≤0.2mm，如图3、5所示。
22.作为优选，硬质合金齿为锥形齿、锲形齿、球形齿、弹头齿、pdc齿、斧型齿。
23.作为优选，在硬质合金齿底面设置有至少1条凸棱，凸棱高度k的取值范围：1mm≥k≥0.1mm，如图3所示。
24.作为优选，硬质合金齿圆周面上至少设置有3个均匀分布的贯通槽，槽的宽度h的取值范围为：0<h≤3mm，如图4所示。
25.一种硬质合金固齿方法，采用以上所述硬质合金齿，其步骤在于：在打磨机上磨去硬质合金齿的氧化膜；先用酒精清洗齿孔，再用钎料溶剂清洗齿孔；在压机上将硬质合金齿压入齿孔中；将钻头体和硬质合金齿加热到500
‑
600摄氏度；加热钎料，加热后的钎料流入齿空与硬质合金台阶小面的缝隙中，且钎料通过贯通的槽流入齿孔底部与硬质合金底部之间的缝隙中。
26.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。