PDC钻头自动感应焊接装置的研究

　收稿日期:2004-07-06
　作者简介:丁景祥(1952-),男(汉族),陕西人,煤炭科学研究总院西安分院钻探研究所高级工程师,自动控制专业,从事钻探工程自动化的
研究工作,陕西省西安市西影路102号,(029)83080249,dingjx@。
PDC钻头自动感应焊接装置的研究
丁景祥
(煤炭科学研究总院西安分院,陕西西安710054)
摘　要:根据目前PDC钻头生产存在的问题,研究了单工位、双工位及八工位PDC钻头自动感应焊接装置,介绍了
方案设计及试验情况。
关键词:钻探工程;PDC钻头;自动感应焊接;感应加热;焊接控制装置
中图分类号:P634.4+1;TG439.9 文献标识码:A 文章编号:1672-7428(2004)11-0041-03
Research on Automatically Inductive Welding Equipment for PDC Bits/DING Jing-xiang(Xian Branch of China Coal
Research Institute, Xi’an Shanxi 710054, China)
Abstract:The automatically inductive welding equipments for PDC bits, which have single, double, octuple working po-
sition, have been researched, in view of the current PDC bit manufacture problems. The alternative designs and applica-
tions are introduced.
Key words:drilling engineering; PDC bits; automatically inductive weld; inductive heating; weld control device
1　问题的提出
在钻探工程所用钻头的生产制造中,先进的生
产设备是决定钻头生产效率和质量的重要因素,对
保证钻头产品优质、高效、低耗起着决定性作用。目
前国内钻头产品生产制造所用设备基本上都是一些
老式设备,钻头生产所用的工艺方法也是手工作业
的工艺方法。使用的钻头生产设备和火焰焊接方
法,存在加热不均匀,焊缝易出现气孔、加渣,焊接质
量不稳定,工人劳动强度大等问题,这些设备和工艺
方法已不能满足当今市场大批量、大规模生产经营
的要求,已成为制约钻头生产的主要障碍。因此,钻
头生产设备和工艺方法的改造、更新换代,建设适应
现代化钻头批量、规模化生产的设备和工艺方法,就
成为提高钻头生产效率和质的首要任务。为此,我
们对钻头自动感应焊接装置进行了研究试验。
2　钻头感应焊接的原理
当感应电流流经感应线圈时,会在线圈的周围
产生感应磁场,此时钻头钢体金属材料置于该磁场
中,在金属中会产生涡流,利用涡流产生的焦耳热来
加热,称之感应加热。钻头感应自动焊接设备包括
感应加热电源、焊接时刀头加压和复合片扶正等设
备,电源控制、温度控制、焊接工作步骤控制、焊接加
压和刀头扶正数字控制等控制系统。采用集成、数
字电路控制、IGBT电源设备,具有较高的可靠性。
感应加热与燃烧加热相比,具有燃烧加热方式
无法实现的很多优点:频率自动跟踪;加热速度快,
热效率高;加热时间短,金属表面不易氧化;具有

较
小的热变形;在其频率范围内可自由选择加工范围;
计算机监控系统,易于实现自动化控制;易与各种配
置形成流水线或自动线;设备成套率高。
钻头感应焊接是钻头内侧钢体与复合片银焊,
是用圆环节能内磁场加热感应器,利用感应磁场的
圆环效应和集夫效应使钻头钢体与金刚石复合片加
热进行焊接。钻头的感应焊接生产设备都是一些专
用设备,市场没有直接购买回来便可使用的现成设
备,PDC钻头感应焊接设备也是如此。目前飞速发
展的电子控制技术为各行各业也为钻探行业和
PDC钻头感应焊接设备的研发提供了良好的条件。
3　方案设计研究
根据PDC钻头生产制造的具体情况,设计了3
套PDC钻头自动感应焊接方案。
3.1 27 mm PDC锚杆钻头感应单工位焊接
采用IGBT感应焊接电源,对锚杆钻头进行焊
接加热,用时间控制焊接过程,用单工位感应焊接气
动工装进行锚杆钻头的焊接。该方案通过简易感应
加热电源和单工位感应焊接工装来研究适应 27
41　2004年第11期 探矿工程(岩土钻掘工程)mm PDC锚杆钻头的感应焊接工艺,为实现PDC钻
头全自动感应焊接设备的研制积累经验,从而达到
稳定提高 27 mm PDC锚杆钻头生产质量的目的。
3.2　PDC锚杆钻头感应双工位焊接
加热锚杆钻头,考虑生产效率和设备的利用率,
采用多匝串联感应器,同时焊接5个钢体工件。为
合理使用感应电源,采用功率切换技术,配套PLC
控制的双工位焊机床实现两工位交替工作。
3.2.1　感应焊接设备参数的选择
(1)焊接感应频率的选择:因锚杆钻头为银焊,
频率不能太高,以保证有足够的热区深度。根据银
焊的经验,选择感应焊接频率为150 kHz左右。
(2)功率等级的选择:比功率是感应加热焊接的
一个重要参数,一般银焊的比功率P0=2 kW/cm2,
设钢体件被加热面积为SL,应获得总功率为PL,同
时加热钻头钢体数量为n,则有:PL=nP0SL=5×
2·0×π×2·8×1·5×0·5=66 kW,考虑到设备的效
率及焊接变压器的效率,取设备的效率η=0·7,设
备的总功率P=PL/η=66/0·7=94·29 kW,则选
定为100 kW。
(3)双工位感应焊接机床:为保证每个钻头钢体
件的时间≯8 s,选用双工位银焊机床。双工位银焊
机床上装有技术先进的功率切换器,将超音频设备
的能量交替地向A、B两工位输出。当A工位的钻
头钢体件被加热时,B工位的钻头钢体件可以处于
非加热状态的任一工序。钻头钢体件的加热时间与
另一工位的非加热时间重合,提高了设备输出能量
时间段的比例,从而提高了生产效率。双工位感应
焊接机床采用可编程序控制器(PLC)控制,自动管
理设备的运行,操作人员只装卸钻头钢体件,按启动
按钮,其余工作均由机

床完成。钻头工件在银焊时
必须有加压扶正装置,这一点对空气中银焊很重要。
为保证银焊质量,双工位焊接机床每个工位处的5
个钻头钢体件上都有定位和加压装置。为保证定位
准确和装卸工件方便,感应器上下移动。
3.2.2　双工位感应焊接机床工作过程
感应焊接设备输出汇流排与功率切换器P口
相接,当按下双工位焊接机床A工位的启动按钮
后,功率切换器的P与A相接感应器进入工件内,
加热加压焊接。在按下A工位的启动按钮后,操作
人员可去B工位装卸零件,装好后按下B工位启动
按钮,B工位的感应圈进入工件,等待加热。一旦A
工位加热结束,功率切换器自动切换,P与B相通,B
工位的工件被加热焊接。此时A工位可装卸零件,
进行下一个工艺循环。这样交替往复周而复始。如
不使用双工位,可单独使用A、B任一工位工作。金
刚石复合片和钻头钢体在焊接时用一气动夹具将二
者紧压在一起,以保证二者定位准确和焊接准确。
3.2.3　双工位焊接机床的优势
(1)加热时间与另一工位非加热时间重合,效率
高,一台设备顶两台设备用,且占地少、成本低、节电
省水。
(2)切换速度快,具有机、电两个方面的自锁、互
锁,无误动作。
(3)当一个工位被加热时,另一工位不可能被加
热;同一工位的启动按钮,在一个工艺循环中,第二
次被接通时次动作无效;同时按下A、B工位启动按
钮,两个工位都可以工作,但不可能同时加热。
(4)自动化控制程度高,PLC技术、功率切换技
术同时应用,机械、电气、微机、气动合理组合,使焊
接机床简单、维修方便。
3.2.4　控制过程
采用可编程PLC控制器使焊接机床具有了智
能化功能,可以方便地计时、记忆、自我诊断、程序控
制。加热时间和冷却时间都可以在0·01~99·99 s
之间任意调整,精度为0·01 s。当A工位启动后,工
件夹紧,感应器下降,做好了加热准备,若B工位没
有进入加热或者切换,A工位就立即切换进入加热
并保持到加热结束。此时间段内B工位不能进行
加热和切换。一旦A工位加热结束B工位立即进
入切换并加热。同理A工位也要等待B工位结束
加热,才能运行加热程序。同样地,某工位的感应器
下降不到位或工件未夹紧,即使切换器已切换,这个
工位的加热工作也不能进行。交替地向两个不同的
工位输送能量,从而实现高效节能。可编程PLC控
制器的功能在双工位感应焊接机床上得到充分发
挥。
3.2.5　气动系统
感应器升降和夹紧装置及功率切换器均采用压
缩空气为动力源。气源容量为0·4 L/min,压力0·4
~0·6 MPa。气动系统由调压阀、油雾器、过滤器、
节流阀、换向阀、气缸、消音器、霍尔开关、管路附件
组成,管

路均采用插接方式。
3.3　PDC钻头感应八工位焊接方案
PDC感应焊机为六工位回转式感应焊接PDC
钻头焊接设备,每一工位各有一套胎卡具,回转盘旋
转1周,可完成6个PDC钻头钢体与复合片的焊
接。由于PDC钻头类型不同,PDC焊接位置分度不
42探矿工程(岩土钻掘工程) 2004年第11期　等,既有180°,又有120°,规格变化范围大,被焊接
的数量不一,按不同分度归类,设计由两套感应焊接
设备完成钻头产品的焊接。
由于PDC钻头产品规格变化大,批量不一,因
此暂时不考虑自动送焊料、焊剂,由人工完成安放钻
头钢体、PDC、上焊料、涂抹焊剂,这些工序完全可以
在20 s以内完成。采用手工放置工件的方法,大大
降低了设备的复杂性,使设备具有成本低、易维护的
优点。
3.3.1　感应焊接设备的工作过程
八工位分别是:①钻头钢体安装工位;②复合片
刀头安装工位;③焊接及加压工位;④缓慢保温工
位;⑤冷却工位一;⑥冷却工位二;⑦冷却工位三;⑧
卸件工位。以一个工件为例,感应焊接设备的工作
过程为:手工将钻头钢体安放在工位①,胎卡具气动
夹紧,钻头钢体定位,手工安放焊料,涂抹焊剂;回转
工作台在设定时间(由控制器设定)转动,工件随胎
卡具转至工位②,此时手工安放PDC,胎卡具将刀
头定位在正确的焊接位置;回转工作台继续转动,钻
头钢体转至工位③,气动压头压下,给于PDC施加
所需压力,胎卡具刀头定位系统退位,高频感应焊接
头到位,开始焊接,焊接完成后,气动压头抬起,钻头
钢体随工件台转动,先后经工位④、工位⑤⑥⑦的缓
慢保温、冷却,到达工位⑧,将焊接好的钻头工件卸
下。
3.3.2　PDC钻头感应焊接机床组成
PDC感应焊接机床主要由回转步进驱动装置、
机架及立柱、焊接胎卡具高频焊机及组件运动系统、
气动压头及组件运动系统、旋转配气系统、冷却系统
及控制系统等组成。
3.3.2.1　回转步进驱动装置
该装置由伺服电机通过传动机构驱动分割器上
的转盘实现步进运动。在减速器输入轴设有电磁离
合器和制动器,在分割器的输入轴上设有无触点开
关,当分割器转动到分割角度时(270°),无触点开关
发出信号,离合器打开,制动器工作,分割器即停转,
停转时间由控制系统中PLC设定,该时间即为每一
工位停转时间,也就是钻头焊接时间。当停转时间
到,离合器合上,分割器即进行下一步驱动。该装置
位于设备最下方。
3.3.2.2　焊接胎卡具
在回转工作台上均匀设置了6套工件胎卡具,
每套胎卡具均可独立完成对钻头钢体及复合片刀头
的焊接定位,并在一定范围内针对不同规格的钻头
规格工件作出相应的调整。
3.3.2.3　感应焊机头及组

件运动系统
该系统安放在工位③的立柱悬臂机架上,主要
实现感应焊头的X、Y、Z三向微调,以确保焊头气
动达到最佳的焊接位置。
3.3.2.4　气动压头及组件运动系统
该系统同样安放在工位③的立柱悬臂机架上,
主要实现在焊接过程中,气动压头给焊接区施加一
个稳定、有效的压力,该系统还在X、Y、Z三向进行
微调,以在一定范围内,适应不同规格钻头的需要。
3.3.2.5　旋转配气系统
该系统安放在回转工作台的主轴上,主要为6
套胎卡具的气动夹紧、定位及退位等动作提供气源。
3.3.2.6　冷却系统
分为循环水冷却系统和空气冷却系统。循环水
冷系统主要为感应焊接电源提供循环水冷却,由水
箱、水泵、水压开关等组成;空气冷却系统安放在工
位④及工位⑤上,为焊接完毕的钻头工件提供缓慢
的保温、冷却,其强弱可调节。
3.3.2.7　控制系统
主要由控制箱、PLC控制器、传感器、操作盒、
触摸屏等组成。可根据不同的钻头规格,设定并储
存不同的焊接参数,配置的微电脑触摸屏具有人机
对话界面,可实现设定、存储、修改焊接参数、实时监
控、故障显示及预报警等功能。由PLC设定自动工
作程序及手动调整程序。在设备附近装有操作盒,
以方便操作。
3.3.2.8　感应焊接温度测控闭环控制系统
采用先进的非接触式温度传感器测量感应器间
隙钻头焊接温度,按照输入工艺进行分段智能补偿
闭环控制。
4　试验结果
双工位自动感应焊接装置每工位加热时间15
s,保温5 s,其余时间20 s,共计40 s,可焊接锚杆钻
头5件,单位时间为每个8 s,保证锚杆钻头生产质
量的一致性,提高生产工作效率10倍以上。
八工位自动感应焊接装置可焊接 20~200 mm
的全部规格的PDC钻头,保证钻头生产质量的一致
性,使PDC钻头生产工作效率提高5~10倍。
试验结果表明,钻头自动感应焊接装置可大幅
度降低成本,显著提高钻头生产效率和钻头产品质
量,成倍提高成品率,大大地减轻工人劳动强度,满
(下转第46页)
43　2004年第11期 探矿工程(岩土钻掘工程)表3　2550~2600 m井段纠斜结果表
井深
/m
方位
/(°)
井斜
/(°)
水平位移
计算值/m
2550 147·0 7·2 177·9
2560 146·0 7·1 178·9
2570 141·0 5·7 179·8
2580 141·0 4·6 180·5
2590 131·7 3·8 181·0
2600 113·0 2·4 181·3
2.2.3　用常规稳斜钻具组合转盘钻进2600~2647
m井段
(1)稳斜钻具组合(见图2):812in牙轮钻头+
转换接头+5 in普通钻杆2·72 m+转换接头+812
in上扶正器+转换接头+612in无磁钻铤+转换接
头+812in下扶正器+612in钻铤+转换接头+6
14in随钻震击器+5 in钻杆229·39 m+5 in加重
钻杆116·89 m+5 in钻杆(若干)+……
图2　纠偏后期改进的稳斜井底钻具

组合示意图
(2)钻进规程:T=100~150 kN;转数n=70~
78 r/min;Q=23 L/s;P=13 MPa。
(3)纠斜结果(见表4)。
表4　2600~2647 m井段纠斜结果表
井深
/m
方位
/(°)
井斜
/(°)
水平位移
计算值/m
2610 86·2 2·7 181·4
2620 90·4 2·8 181·4
2630 57·1 2·8 181·2
2640 23·6 2·5 180·9
2647 2·1 2·7 180·6
3　分析和结论
(1)在软硬互层、地层倾角大的易斜地层中,钻
进垂直井非常困难。即使采取类似于2·1·1中的防
斜钻具组合,防斜效果也往往不尽理想,而且纠斜过
程中钻压不能太大,必须多次测井,及时调整钻井参
数,致使钻井周期长,严重影响了经济效益。
(2)本文2.1.1中的降斜钻具组合未能保证井
眼以小的井斜角延伸,主要是地层原因。从钻杆柱
力学状态分析,它在地层变换频繁的条件下降斜效
果不佳。此时,降低下扶正器的位置效果更好,本文
2.2.3列举的双扶正器稳斜钻具组合就是例证。
(3)井深数据和水平位移随井深的关系曲线(见
图3)表明,通过采取以上改进井底钻具组合的措
施,使YX-1井自2250 m以后的水平位移增加趋
势完全得到了遏制。
图3　水平距离随井深的关系图
(4)从本文2.2.2和2.2.3列举的两种钻具组
合来看,对于高陡易斜地层,使用1·5°~2·0°的大造
斜率定向接头是合理的,其中2°弯接头所获得的综
合效果更佳。这两种组合纠偏钻具允许使用较高钻
压,从而提高了机械钻速,缩短了钻井周期。
参考文献:
[1]　高德利.井眼轨迹控制[M].北京:石油大学出版社,1994.
[2]　白家祉,苏义脑.井斜控制理论与实践[M].北京:石油工业出
版社,1990.
[3]　陈天成.定向纠斜技术[J].西部探矿工程,1999,(9).
[4]　В.В.库里奇茨基.定向斜井与水平井钻井的地质导向技术
[M].鄢泰宁,等译.北京:石油工业出版社,2003.
(上接第43页)
足市场的各种需求。通过试验,也确定了钻头感应
焊接的功率、加热频率、加热梯度、加热时间,加压、
扶正装置等的可靠技术参数。
5　市场前景和经济效益
PDC钻头自动感应焊接设备,是钻头感应焊接
的理想设备。自动化程度高,具有体积小、质量轻、
效率高、节电节水、故障率低、使用简单、维修方便的
特点。PDC钻头自动感应焊接设备的研究成功填
补了国内空白。投入生产使用后,可大幅度提高
PDC钻头的生产效率和产品质量,加快工程进度,
大大降低生产成本和工人劳动强度,必将获得很好
的经济效益和社会效益。
46探矿工程(岩土钻掘工程) 2004年第11期