郭秉桓
广东省地质局第五地质大队
摘要：
关键词：实用技术的核心是由工法和实现工法的材料与设备组成，因此材料是核心技术的核心之一；材料的强弱也是一个国家强韧的重要表现。硬质合金材料是所有应用材料的重要组成部分，广泛应用于航空航天、机械加工、基础工程、汽车工业、合成材料等各领域。本文旨在对硬质合金截齿在旋挖钻机钻岩施工中存在的材料及工具非正常失效问题进行分析，并针对存在的缺陷提出技术解决方案。
关键词：硬质合金截齿、旋挖钻机、旋挖钻头、截齿体、截齿座、卡簧、破岩机理、激光焊接
一、引言
随着我国工程基础建设的发展和设备工艺的进步，旋挖钻机因其快速高效及泥浆排放少的特点，已被越来越广泛地应用于各种桩基础施工，旋挖钻机施工的难点就是入岩问题，尤其是在较坚硬的岩层中；截齿种类较多，本文讨论钻进较坚硬岩层时截齿存在的问题。
旋挖钻机钻岩主要是通过旋挖钻机输出较大的扭矩和压力到旋挖钻头并通过钻头上的硬质合金截齿破碎岩石，以达到入岩目的。旋挖钻头由钻头体、截齿座和截齿组成；截齿体按一定的角度和数量均布焊于钻头体底部，截齿则通过截齿体上的卡簧镶嵌固定在截齿座上；钻进时截齿一方面按钻头体旋转方向做顺时针公转，另一方面，由于岩石对截齿的反作用力，每个截齿又在截齿座中做反时针自传，以保证截齿的每个圆弧面在工作中都能均匀接触岩石，确保截齿的工作面能均匀磨损。
旋挖钻机钻桩口径较大，一般都在800mm~2500mm或更大，需钻取的岩石较多，钻头承受的压力和扭矩都非常大，同时由于施工过程中无循环水冷却，钻头截齿在孔低钻岩过程中会长期在较高的温度下工作，这些客观存在的不利因素不但对截齿提出了更高的要求，也事实上诱发了截齿在施工过程中的非正常损耗。
二、目前截齿在施工过程中非正常损耗（失效）的表现形式及原因分析
1、截齿硬质合金头脱焊、碎裂
截齿在孔低钻岩过程中要承受较大的压力、扭矩，而传统的中频钎焊工艺在焊接过程中需二次高温加热，这个过程会使硬质合金张应力增加，致使硬质合金在承受较大压力和冲击功的情况下容易产生碎裂脱落而失效；同时，传统的中频钎焊工艺由于残余应力的作用，焊接强度会有所降低，热稳定性也存在一定的缺陷，截齿在钻岩过程中因温度升高焊接强度降低，在某个瞬间受到较大冲击力后硬质合金也会整体脱落而失效。
2、截齿体偏磨
这个是比较普遍存在的现象。截齿在正常的工作状态下应该是：一方面截齿随钻头体顺时针公转，另一方面截齿体因受到地层的反作用力会在截齿座中逆时针自传，使截齿的各工作面都能均匀参与破碎岩石，均匀磨损、均匀消耗，充分发挥截齿的全部作用。但实际情况经常是：由于孔低岩屑泥沙较多，而且孔低高温使截齿体和截齿座的表面能增高使其吸附性更强，致使截齿座与截齿体的卡簧中充填大量岩屑泥沙而使截齿体自传不畅顺或直接卡死不转，从而造成截齿偏磨，即只有一个面长期受力、受热而快速损耗；当磨损到一定程度时，截齿体不能完全包裹硬质合金时就会造成硬质合金过早脱落而使截齿失效；同时，截齿体磨损到一定程度时也会因压力和扭矩较大而在孔底折断而使截齿失效。
3、其它因素
除以上主要原因外造成截齿过早失效外，还存在截齿体从截齿座脱落的情况。另外，硬质合金本身质量缺陷、硬质合金物理力学性能的选择不合理、截齿体材料的选择及热处理工艺不合理、卡簧的热处理工艺不合理及旋挖机手的操作不熟练等都会造成截齿在复杂工况条件下非正常损耗而失效。
三、提高截齿综合质量及稳定性的思路
根据截齿在工作状态下非正常磨损失效的表现形式及原因分析，要提高截齿的综合质量和稳定性需对截齿加工过程中的各环节进行针对性的改进，具体解决思路如下：
1、提高硬质合金的硬度、韧性及热稳定性，使其在后期加工过程及工作过程能保持更好的稳定性；
2、对硬质合金及截齿体的形状角度做优化设计，增大硬质合金和截齿体的触岩面积以增加截齿的整体受力面积从而降低单位面积的受力状况，以增强截齿整体的耐磨性，同时也增大了岩层对截齿的反作用力，使截齿能在截齿座正常自传并均匀磨损；
3、降低截齿体和卡簧的表面能以增强截齿的疏水性、疏油性即莲花效应，使岩屑泥沙不易吸附在截齿体和卡簧中，从而最大限度的保证截齿能良好自传；
4、优化截齿在钻头体上的分布和数量，让每个截齿在工作过程中受力合理且破岩效果最佳；
5、采用新的焊接工艺，提高焊接强度降低有害残余应力，使截齿在二次加工后各部分的材料性能参数还能保持在较高的水平；
四、具体实施的技术措施
1、对硬质合金胎体材料进行改良，经过多次对比试验，在YG8中颗粒合金粉末的基础上加入少量细颗粒TIC和MO所压制成的硬质合金在保证硬度的同时，耐磨性和红硬性均有较大提高，同时钎焊后残余应力较小；具体表现在截齿在钻进坚硬花岗岩时硬质合金再未出现龟裂现象，同时钻岩效率也有所提高。
下图是在湖北浠水县一工地钻取坚硬花岗岩的岩芯图片和钻后截齿的图片
该工地花岗岩单轴抗压强度大于80Mpa，用改进工艺后的截齿进行施工，钻进时效达0.3~0.4米/小时，且截齿表现良好，未见龟裂和脱齿现象。
2、从钻探工艺学关于岩石破碎理论我们知道，岩石最优破碎角是135?~160?，根据这个理论，我们优化设计了硬质合金和截齿体的形状和角度，如下图：
硬质合金和截齿体均采用60?顶角的梯形结构设计；一方面保证硬质合金和截齿体触岩面积增大整体受力均匀，因此降低了不均匀磨损的诱发因素；另一方面也保证钻头截齿入岩角度在135?~160?范围内从而保证了最佳破岩效果。具体表现在施工时，钻岩效率更高，截齿体非正常磨损失效的概率降低。
3、改进焊接工艺，采用双光源激光钎焊工艺对硬质合金进行焊接。该工艺的优点是：只对截齿的焊接部位进行局部加热，且速度快、热熔均匀，避免了传统中频钎焊的整体加热及二次回火处理，残余应力小，焊缝均匀，焊接强度高，截齿的整体硬度、耐磨性及热稳定性得到保障。具体表现为在大口径入岩桩钻进时硬质合金脱齿率显著降低。下图是激光钎焊硬质合金的显微图片，从中可以清晰地看出，焊缝均匀焊接紧密。
4、根据岩石的硬度和钻头的直径优化截齿在钻头体上的分部，岩石越硬布齿越多，让每个单齿受力更均匀；通过试验证明1.2米钻头布18~22个截齿较为合理，无论钻进效率还是截齿耐磨性都有较好的保障。下图为河源万绿湖某工地钻取坚硬角砾岩时的取芯图片
5、为提高截齿提高截齿的自转效果，我们对截齿体和卡簧进行了降低表面能的处理；具体方法是对卡簧和截齿体喷涂一层具双微结构的纳米陶瓷材料，该材料主要成分为：SiO、Fe和AI，该材料具疏水性和疏油性，热稳定性在450~500?C左右，试验结果表明，在采用该措施后，截齿在钻进过程中自转性能有一定提高，截齿被卡死的情况有所降低，这方面还需做进一步研究。下图是在珠海横琴工地钻取强研磨性花岗岩时的图片
部分边齿还存在偏磨情况
五、结后语
1、在对硬质合金材料选型、几何尺寸优化设计、焊接工艺及截齿体和卡簧表面处理工艺进行不同程度的改进后，通过现场试验和显微分析，截齿的综合性能及稳定性都有了较大的提高，说明我们的分析和思路是正确的。
2、旋挖截齿在现代桩基础施工中扮演者越来越重要的角色，提高截齿的综合质量和稳定性以及开发快速入岩截齿是今后的主要发展方向，需做更深入的研究。
3、本文仅在硬质合金选型、焊接技术改良、几何尺寸设计及降低表面能方面做了一些简单的技术更新尝试，由于水平有限文中难免有错误的观点和论述，实际工程实践中也尚存在许多问题，比如稳定性和广谱性都有待进一步提高。
4、今后要提高截齿的综合性能还是要在材料和工艺方面做广泛的研究，并寻求较完整的数理理论作为支撑，尽力避免瞎子摸象的研究方式。
主要参考文献：
1、徐祖耀，材料热力学 高等教育出版社 2009
2、汤风林，岩芯钻探学 武汉：中国地质大学出版社
3、王志， 激光焊接技的研究现状及发展趋势
4、王达、何远信 ， 地质钻探手册 中南大学出版社 2014
论文作者:郭秉桓
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：硬质合金论文; 钻头论文; 卡簧论文; 均匀论文; 磨损论文; 材料论文; 钻机论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;