[发明专利]石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法

说明书

本发明提供了一种石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，包括曲面聚晶金刚石复合片毛坯体的成型，对所述毛坯体进行激光加工为曲面聚晶金刚石复合片。本发明的石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法可实现简单或复杂曲面结构聚晶金刚石复合片成型且精度极高，加工成型后的曲面聚晶金刚石复合片在石油、天然气等钻探应用中具有极锋利的切削碎石作用，适用于各种岩质地层且可大幅度提高钻进效率、降低钻探成本，确保钻井平台的平稳操控性。

技术领域

本发明属于超硬复合材料技术领域，其主要涉及石油、天然气钻探等领域，尤其涉及一种石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法。

背景技术

聚晶金刚石复合片兼顾金刚石的高耐磨性及硬质合金基体的高抗冲击韧性，其被视为理想的钻进材料和切削加工材料。目前，聚晶金刚石复合片作为超耐磨切削元件已广泛应用于石油、天然气钻探等领域。然而，随着油气勘探面临的环境越来越苛刻，尤其是传统平面聚晶金刚石复合片钻头遇到高研磨性地层、极坚硬岩层、坚韧夹层等地质岩层时，钻头难吃进，同时亦发生平面聚晶金刚石复合片不出刃、崩齿等严重失效形式，更甚至发生泥包卡钻现象。

鉴于上述的疑难问题，中国专利文献CN204729011U、CN205259954U分别公开了一种低切削阻力曲面结构聚晶金刚石复合片及一种多刃异形结构聚晶金刚石复合片等曲面聚晶金刚石复合片，上述曲面聚晶金刚石复合片可解决上述高研磨性地层、极坚硬岩层、坚韧夹层等地层钻进问题。但是，上述曲面聚晶金刚石复合片成型方法面临考验。虽然一次烧结成型的方法可实现上述曲面聚晶金刚石复合片，但其精度难以控制，将会导致上述低精度曲面聚晶金刚石复合片的切削刃齿不锋利、工作层表面粗糙等现象的发生，进而产生致排屑困难等问题。

发明内容

鉴于上述曲面聚晶金刚石复合片成型问题，本申请提出石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，此加工方法可实现各种简单或复杂曲面聚晶金刚石复合片的成型，且可大大提高曲面聚晶金刚石复合片的各项控制精度，解决曲面聚晶金刚石复合片的切削刃齿不锋利及工作表面粗糙难排屑等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

石油钻头用曲面聚晶金刚石复合片的激光加工方法，包括曲面聚晶金刚石复合片毛坯体的成型、对所述曲面聚晶金刚石复合片毛坯体通过激光加工方法加工为曲面聚晶金刚石复合片；

所述激光加工方法为激光热加工成型方法。

作为本发明优选的技术方案，所述激光加工方法还可以为冷激光蚀除加工方法。

作为本发明优选的技术方案，所述激光热加工方法或冷激光蚀除加工方法均采用激光发生器发射激光束，经过扩束、聚焦，在曲面聚晶金刚石复合片毛坯体表面形成能量集中区域，进而被气化蚀除。

作为本发明优选的技术方案，所述激光热加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定激光波长193nm～10600nm，激光脉冲频率100kHz～1000kHz，脉冲宽度1ns～100ns，扩束比例为1:2～1:50，聚焦镜焦距为20mm～200mm，以工作台运动或振镜矩阵扫描的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。

作为本发明优选的技术方案，所述冷激光蚀除加工方法是将曲面聚晶金刚石复合片毛坯体夹在工作台上，设定激光波长193nm～10600nm，激光脉冲频率100kHz～1000kHz，脉冲宽度1fs～100ps，扩束比例为1:2～1:50，聚焦镜焦距为20mm～200mm，以工作台运动或振镜矩阵扫描的方式，同时Z轴进给，实现逐层蚀除，制得曲面聚晶金刚石复合片。

所述冷激光蚀除加工方法中被加工区域热效应不明显，对材料本身的性能影响较小。

作为本发明优选的技术方案，所述激光热加工成型方法或冷激光蚀除加工方法中激光发生器采用固体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的其中一种。