井下工具PDC轴承的钎焊技术研究

井下工具PDC轴承的钎焊技术研究

叶中郎

（中石化江钻石油机械有限公司，湖北，武汉，430223）

摘要：通过对井下工具PDC轴承的钎焊技术研究，优选了钎料及工艺。试验结果表明，采用银基钎料及整体施压加热钎焊工艺制备的PDC轴承具有优秀的平面度及结合强度，且对复合片及钢基体性能影响较小。通过进一步的现场测试，PDC轴承使用寿命达到450h以上，未出现损坏、脱落等失效，且磨损量较小。

关键词：井下工具；PDC轴承；钎焊工艺

    目前井下工具通常采用串轴承来承受轴向的载荷，其摩擦副为轴承钢材料，耐磨性有限，工作寿命一般在200h以内。近年来，国外已在高端井下工具上采用高耐磨PDC轴承，使得轴承寿命大幅度提高[1]，如图1所示。PDC轴承中复合片与基体之间是通过钎焊连接，要求其具备较高的结合强度来承受冲击载荷，且具有非常高平面度——0.025mm以内，否则会导致复合片在相互滑动过程中磕碰而失效；此外，钎焊过程中应避免复合片及钢基体因温度过高而导致性能降低。因此，研究合适的钎焊技术来保证PDC轴承结合强度及平面度，并同时保证复合片和钢基体的性能非常重要。

1、钎料选择

对于PDC轴承，钎料的选择除了需要考虑结合强度，还需要确保所需焊接温度不能对复合片产生热损伤，也不能高于17-4钢基体时效温度，减少对基体力学性能的影响。此外，由于PDC硬质合金基体膨胀系数仅为钢材的一半，如钎料熔点过高，会在连接处产生很大的热应力，导致开裂；而硬质合金表面往往含有较多的游离碳，妨碍焊接材料的润湿，因此需要焊接材料具有较好的润湿性[2]。

选取了L312（Ag40CuZnCd）、BAg611（AgCuZnCdNi）种低熔点银基钎料，经差热分析测试，这两种钎料实际熔点分别为602.7℃和626.9℃。

2、钎焊工艺试验

2.1 钎焊方法

PDC轴承复合片的平面度要求在0.025mm以内，在钎焊工艺中如何控制轴承零件的变形量至关重要，必须保证动环或静环上所有复合片同时完成钎焊，即保证零件整体同时加热和冷却。

而采用传统的火焰钎焊及感应钎焊技术，必然会导致轴承的基体受热不均而引起变形。通过进一步对不同的钎焊方法的分析，采用真空炉对PDC轴承整体钎焊工艺是最佳的选择，能使轴承受热、加载均匀，保证轴承的变形得到控制。

2.2 整体钎焊工装结构

整体钎焊工装结构如下图1所示：

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作者简介：叶中郎，男，1985年12月生，硕士，现在中石化江钻石油机械有限公司从事PDC及轴承相关技术开发。

图1钎焊工装结构

考虑到螺钉等固定方式可能会在高温下产生应力释放，导致压板对轴承的受力不均而引起轴承的平面度超差，因此钎焊工装结构采用重力直接压载的方式，压载物应为匀质物体，且重量应在轴承重量的两倍以上，放置的位置应处于上压板的中间位置，保证上压板施压给所有复合片的力均匀一致。

2.3 钎焊准备

对齿穴、复合片进行喷砂处理，并采用有机溶剂清洗。钎料采用有机溶剂浸泡并用超声波清洗，最后用电吹风吹干备用。在所有齿穴中涂抹膏状助钎剂，并放入钎料，然后把复合片浸泡钎剂后放入所有齿穴。最后在复合片上压上石墨压板及压载物入炉。

2.4 钎焊工艺

PDC轴承装配入炉后，按以下工艺参数进行钎焊：

1）工件装炉后，抽真空至1Pa左右，再通入氩气至5000Pa进行分压；

2）加热升温，加热速度10℃/min，其中对L312钎料升温至620℃，对BAg611钎料升温至640℃，保温40~50min。

3）冷却，随炉降温至100℃以下出炉。

3、试验结果

3.1 外观及尺寸

经检测，PDC轴承平面度为0.02~0.025mm，均符合要求。

3.2 金相分析

为了检验钎焊缝内部的缺陷状况，选取三处PDC复合片进行检测，PDC复合片与钢基体之间焊缝融合良好，无明显漏焊、孔隙等缺陷。

3.3 结合强度

通过剪切强度测试来评价两种钎料焊接厚的结合强度，采用L312钎料的试样剪切强度分别为237.50Mpa、245.79MPa，采用BAg611钎料的试样剪切强度分别为289.44MPa、312.45MPa，均满足设计要求，其中BAg611钎料剪切强度明显更高。

3.4 基体力学性能分析

表1为采用相同钎焊工艺后钢基体试样的力学性能测试：

表2 钎焊后基体力学性能

    可以看出，采用BAg611-1钎料工艺相对于L312抗拉强度虽然略有降低，但差别并不大，但冲击性能更高，能更好地承受井下冲击载荷，且的屈服强度在890MPa以上，完全满足设计要求。

4、现场应用

综上所述，采用银基钎料及整体施压加热钎焊工艺制备的PDC轴承具有优秀的平面度及结合强度，且对复合片及钢基体性能影响较小。而考虑到采用BAg611钎料钎焊后的PDC轴承的结合强度及基体冲击性能更优，相对于L312钎料更能满足井下工况。

将采用BAg611钎料钎焊后的PDC轴承装配178涡轮钻具进行下井测试，涡轮钻具配PDC钻头使用，累计使用456h后将PDC轴承拆卸清洗后如图2所示，

图2PDC轴承使用后外观

从图中可以看出，所有复合片形貌完好，没有磕碰破损、脱落现象，说明轴承平面度及钎焊强度满足使用要求。另外，通过轴承高度检测，复合片磨损量仅为0.02~0.03mm，说明了该钎焊工艺不会影响复合片耐磨性能。

5、结论

1）炉中整体钎焊工艺能有效保证PDC轴承高精度平面度要求，达到了国外先进水平，满足现场应用要求。

2）采用L312及BAg611银基钎料均可满足PDC轴承的焊接性能需求，对复合片及钢基体性能影响较小，且具有良好的结合强度。其中BAg611钎料钎焊后的PDC轴承的结合强度及基体冲击性能更优，更能满足井下工况；

3）采用整体钎焊工艺及BAg611银基钎料经现场应用456h后，复合片无损坏、脱落，磨损量非常小，使用性能优秀。

参考文献：

[1]成海,郑卫建,夏彬,等.国内外涡轮钻具钻井技术及其发展趋势[J].石油矿场机械,2008,37(4):28-31.

[2]罗庆,徐道荣.硬质合金的焊接工艺现状与展望[J].现代焊接,2007,12:1-4.

[3] 徐小兵,程维平.银钎料对硬质合金钎焊的影响[J].电工材料,2016.3:8-10.