本發(fā)明屬于超硬復合材料技術(shù)領(lǐng)域，其主要涉及石油、天然氣鉆探等領(lǐng)域，尤其涉及一種石油鉆頭用曲面聚晶金剛石復合片的激光加工方法。

背景技術(shù)：

聚晶金剛石復合片兼顧金剛石的高耐磨性及硬質(zhì)合金基體的高抗沖擊韌性，其被視為理想的鉆進材料和切削加工材料。目前，聚晶金剛石復合片作為超耐磨切削元件已廣泛應(yīng)用于石油、天然氣鉆探等領(lǐng)域。然而，隨著油氣勘探面臨的環(huán)境越來越苛刻，尤其是傳統(tǒng)平面聚晶金剛石復合片鉆頭遇到高研磨性地層、極堅硬巖層、堅韌夾層等地質(zhì)巖層時，鉆頭難吃進，同時亦發(fā)生平面聚晶金剛石復合片不出刃、崩齒等嚴重失效形式，更甚至發(fā)生泥包卡鉆現(xiàn)象。

鑒于上述的疑難問題，中國專利文獻cn204729011u、cn205259954u分別公開了一種低切削阻力曲面結(jié)構(gòu)聚晶金剛石復合片及一種多刃異形結(jié)構(gòu)聚晶金剛石復合片等曲面聚晶金剛石復合片，上述曲面聚晶金剛石復合片可解決上述高研磨性地層、極堅硬巖層、堅韌夾層等地層鉆進問題。但是，上述曲面聚晶金剛石復合片成型方法面臨考驗。雖然一次燒結(jié)成型的方法可實現(xiàn)上述曲面聚晶金剛石復合片，但其精度難以控制，將會導致上述低精度曲面聚晶金剛石復合片的切削刃齒不鋒利、工作層表面粗糙等現(xiàn)象的發(fā)生，進而產(chǎn)生致排屑困難等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述曲面聚晶金剛石復合片成型問題，本申請?zhí)岢鍪豌@頭用曲面聚晶金剛石復合片的激光加工方法，此加工方法可實現(xiàn)各種簡單或復雜曲面聚晶金剛石復合片的成型，且可大大提高曲面聚晶金剛石復合片的各項控制精度，解決曲面聚晶金剛石復合片的切削刃齒不鋒利及工作表面粗糙難排屑等技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

石油鉆頭用曲面聚晶金剛石復合片的激光加工方法，包括曲面聚晶金剛石復合片毛坯體的成型、對所述曲面聚晶金剛石復合片毛坯體通過激光加工方法加工為曲面聚晶金剛石復合片；

所述激光加工方法為激光熱加工成型方法。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述激光加工方法還可以為冷激光蝕除加工方法。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述激光熱加工方法或冷激光蝕除加工方法均采用激光發(fā)生器發(fā)射激光束，經(jīng)過擴束、聚焦，在曲面聚晶金剛石復合片毛坯體表面形成能量集中區(qū)域，進而被氣化蝕除。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述激光熱加工方法是將曲面聚晶金剛石復合片毛坯體夾在工作臺上，設(shè)定激光波長193nm～10600nm，激光脈沖頻率100khz～1000khz，脈沖寬度1ns～100ns，擴束比例為1:2～1:50，聚焦鏡焦距為20mm～200mm，以工作臺運動或振鏡矩陣掃描的方式，同時z軸進給，實現(xiàn)逐層蝕除，制得曲面聚晶金剛石復合片。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述冷激光蝕除加工方法是將曲面聚晶金剛石復合片毛坯體夾在工作臺上，設(shè)定激光波長193nm～10600nm，激光脈沖頻率100khz～1000khz，脈沖寬度1fs～100ps，擴束比例為1:2～1:50，聚焦鏡焦距為20mm～200mm，以工作臺運動或振鏡矩陣掃描的方式，同時z軸進給，實現(xiàn)逐層蝕除，制得曲面聚晶金剛石復合片。

所述冷激光蝕除加工方法中被加工區(qū)域熱效應(yīng)不明顯，對材料本身的性能影響較小。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述激光熱加工成型方法或冷激光蝕除加工方法中激光發(fā)生器采用固體激光器、半導體激光器、光纖激光器中的其中一種。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述曲面聚晶金剛石復合片毛坯體為曲面毛坯體或平面毛坯體，將原料在1400-2000℃，5.0-11.0gpa壓力下一次燒結(jié)而成，所述原料包括金剛石微粉，硬質(zhì)合金基體。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述激光加工方法加工成型的石油鉆頭用曲面聚晶金剛石復合片的尺寸精度為0.01mm-0.1mm、切削刃齒夾角精度為0.1°-0.5°、上表面粗糙度為ra0.01-0.5μm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

（1）本發(fā)明有利地利用非接觸式激光加工方法，依靠激光聚焦在物體表面，形成高能量集中區(qū)域，從而將物質(zhì)氣化蝕除；與傳統(tǒng)加工方式相比，加工時沒有外部施加的作用力，設(shè)備和待加工物體不會產(chǎn)生形變；與電加工方式相比，對被加工物體的導電性沒有要求，和被加工物體的硬度、強度等參數(shù)沒有關(guān)系。

（2）本發(fā)明采用激光加工方法加工成型的石油鉆頭用曲面聚晶金剛石復合片具有極高的精度，可以實現(xiàn)對各種簡單或復雜的曲面聚晶金剛石復合片進行高精度加工，提高曲面聚晶金剛石復合片的應(yīng)用價值，大幅度降低鉆探成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明曲面聚晶金剛石復合片毛坯體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例1加工成型的屋脊狀曲面聚晶金剛石復合片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例2加工成型的四刃齒曲面聚晶金剛石復合片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例3加工成型的多刃齒曲面聚晶金剛石復合片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：100-聚晶金剛石層，101-聚晶金剛石上表面，200-硬質(zhì)合金基體，102-倒角，103-切削刃齒。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

本發(fā)明采用萬能工具顯微鏡測試制得的曲面聚晶金剛石復合片的切削刃齒夾角精度以及倒角精度等尺寸精度，采用便攜式表面粗糙度測試儀測試制得的的曲面聚晶金剛石復合片的上表面粗糙度。

本發(fā)明曲面聚晶金剛石復合片毛坯體包括聚晶金剛石層及與其相粘結(jié)的硬質(zhì)合金基體，采用高溫高壓工藝一次燒結(jié)成型的平面毛坯體。

將金剛石微粉、硬質(zhì)合金基體等原料在1500℃，9.0gpa壓力下一次燒結(jié)而成曲面聚晶金剛石復合片毛坯體。所述毛坯體如圖1所示，曲面聚晶金剛石復合片毛坯體包括聚晶金剛石層100，及與其粘接的硬質(zhì)合金基體200，聚晶金剛石層上表面101。圖2-4所示是以下三個實施例中分別制得的曲面聚晶金剛石復合片的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中102代表倒角，103代表切削刃齒。

以下三個實施例均采用如圖1所示的曲面聚晶金剛石復合片毛坯體進行激光加工成型。

實施例1

本實施例采用所述激光熱加工方法是將曲面聚晶金剛石復合片毛坯體夾在工作臺上，設(shè)定固體激光器激光波長1100nm，激光脈沖頻率200khz，脈沖寬度80ns，擴束比例為1:30，聚焦鏡焦距為30mm，以振鏡矩陣掃描的方式，同時z軸進給，實現(xiàn)逐層蝕除，制得曲面聚晶金剛石復合片。

如圖2所示，采用上述激光熱加工方法制得的屋脊狀曲面聚晶金剛石復合片的切削刃齒夾角精度0.4°、倒角精度0.025mm、上表面粗糙度ra0.12μm。

本實施例采用所述冷激光蝕除加工方法是將曲面聚晶金剛石復合片毛坯體夾在工作臺上，設(shè)定半導體激光器激光波長363nm，激光脈沖頻率100khz，脈沖寬度100ps，擴束比例為1:20，聚焦鏡焦距為20mm，以振鏡矩陣掃描的方式，同時z軸進給，實現(xiàn)逐層蝕除，制得曲面聚晶金剛石復合片。

采用上述冷激光蝕除加工方法制得的屋脊狀曲面聚晶金剛石復合片的切削刃齒夾角精度0.3°、倒角精度0.015mm、上表面粗糙度ra0.16μm。

上述高精度屋脊狀曲面聚晶金剛石復合片適用于極硬巖層、堅韌夾層等復雜地層的鉆探，尤其極硬巖層。

實施例2

本實施例采用所述激光熱加工方法是將曲面聚晶金剛石復合片毛坯體夾在工作臺上，設(shè)定固體激光器激光波長1100nm，激光脈沖頻率200khz，脈沖寬度80ns，擴束比例為1:30，聚焦鏡焦距為30mm，以工作臺運動的方式，同時z軸進給，實現(xiàn)逐層蝕除，制得曲面聚晶金剛石復合片。

如圖3所示，采用上述激光熱加工方法制得的四刃齒曲面聚晶金剛石復合片的切削刃齒夾角精度0.3°、倒角精度0.03mm、上表面粗糙度ra0.22μm。

本實施例采用所述冷激光蝕除加工方法是將曲面聚晶金剛石復合片毛坯體夾在工作臺上，設(shè)定半導體激光器激光波長363nm，激光脈沖頻率100khz，脈沖寬度100ps，擴束比例為1:20，聚焦鏡焦距為20mm，以工作臺運動的方式，同時z軸進給，實現(xiàn)逐層蝕除，制得曲面聚晶金剛石復合片。

采用上述冷激光蝕除加工方法制得的四刃齒曲面聚晶金剛石復合片的切削刃齒夾角精度0.2°、倒角精度0.028mm、上表面粗糙度ra0.21μm。

上述高精度四刃齒曲面聚晶金剛石復合片適用于極硬巖層、堅韌夾層等復雜地層的鉆探，可實現(xiàn)高效利用率，更進一步大幅度降低鉆探成本。

實施例3

本實施例采用所述激光熱加工方法是將曲面聚晶金剛石復合片毛坯體夾在工作臺上，設(shè)定固體激光器激光波長1060nm，激光脈沖頻率190khz，脈沖寬度90ns，擴束比例為1:30，聚焦鏡焦距為40mm，以振鏡矩陣掃描的方式，同時z軸進給，實現(xiàn)逐層蝕除，制得曲面聚晶金剛石復合片。

如圖4所示，采用上述激光熱加工方法制得的多刃齒曲面聚晶金剛石復合片的切削刃齒夾角精度0.4°、倒角精度0.045mm、上表面粗糙度ra0.15μm。

本實施例采用所述冷激光蝕除加工方法是將曲面聚晶金剛石復合片毛坯體夾在工作臺上，設(shè)定半導體激光器激光波長363nm，激光脈沖頻率100khz，脈沖寬度100ps，擴束比例為1:20，聚焦鏡焦距為20mm，以振鏡矩陣掃描的方式，同時z軸進給，實現(xiàn)逐層蝕除，制得曲面聚晶金剛石復合片。

采用上述冷激光蝕除加工方法制得的多刃齒曲面聚晶金剛石復合片，切削刃齒夾角精度0.4°、倒角精度0.042mm、上表面粗糙度ra0.18μm。

上述高精度多刃齒曲面聚晶金剛石復合片適用于極硬巖層、堅韌夾層等復雜地層的鉆探，尤其堅韌夾層及較深的復雜地層。同時，此多刃齒曲面聚晶金剛石復合片可實現(xiàn)無方向使用，且抗崩齒、避免泥包等問題。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。