粗大硬金屬顆粒內注射焊槍以及相關的組合、系統和方法
【專利摘要】在一個方案中，本發明提供一種內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴，其包括：耐熱噴嘴體；至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口；至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口；至少一個氣體端口；以及陰極。還公開了有關的系統、裝置、組合和方法。
【專利說明】粗大硬金屬顆粒內注射焊槍以及相關的組合、系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用硬金屬粉末對井下工具進行耐磨堆焊(hardfacing)，更具體地涉及內注射粗大硬金屬顆粒以對井下工具進行耐磨堆焊的等離子弧焊槍(plasma transferredarc torch)系統。
【背景技術】
[0002]本文使用的術語“耐磨堆焊”可大體定義為通過沉積技術將一層硬質耐磨材料(本文稱為“沉積物”)施加于較小抵抗表面或基底。耐磨堆焊被頻繁地用于延長油氣工業中使用的鉆頭和其它井下工具的使用壽命。碳化鎢和各種碳化鎢合金是廣泛地用于保護與鉆探和生產油和氣的井相關的鉆頭以及其它井下工具的耐磨堆焊材料的示例。事實上，碳化物顆粒懸浮在工具表面上形成層的金屬基體中。碳化物顆粒為耐磨堆焊材料提供硬度和耐磨性，同時基體金屬為耐磨堆焊提供斷裂韌度。在過去數年間，隨著工業上認識到較軟、較低成本的材料的基底能夠進行耐磨堆焊，從而具有與較硬材料的較昂貴基底相同的耐磨和耐腐蝕特性，該技術的應用明顯增長。
[0003]涂覆/耐磨堆焊程序包括在基底上形成相對厚的沉積物，以便使后者具有沉積材料的固有品質。耐磨堆焊包括通過焊接或熱噴射來沉積硬質層。傳統的焊接耐磨堆焊通過氧氣焊(“0FW”)、鎢電極惰性氣體保護焊(“TIG”)、氣體保護金屬極電弧焊(“GMAW”)、自動保護金屬極電弧焊(“SMAW”)、埋弧焊(“SAW”)以及管狀焊條電弧焊(“FCAW”)。還可使用等離子弧焊耐磨堆焊和激光束耐磨堆焊。典型地，耐磨堆焊材料例如通過電弧焊或氣焊施加到井下工具(例如鉆頭)的外表面，以保護鉆頭不被腐蝕和磨損。耐磨堆焊材料典型地包括一種或多種金屬碳化物，所述金屬碳化物通過金屬合金(“粘結合金”)粘接到鋼體。
[0004]許多因素影響具體應用中的耐磨堆焊組合物的耐久性。這些因素包括碳化物顆粒的化學組成和物理結構(尺寸、形狀和顆粒尺寸分布)、基體金屬或合金的化學組成和微觀結構以及碳化物材料相對于彼此和相對于基體金屬或合金的比例。最普遍的用于耐磨堆焊的金屬碳化物是碳化鎢。這種材料中也可存在少量碳化鉭和和碳化鈦，盡管這些其它碳化物可能被認為是有害的。
[0005]不管所使用的耐磨堆焊材料的類型如何，設計人員繼續尋求改進耐磨堆焊材料的屬性(例如提高耐磨性、熱阻等)。遺憾的是，增大耐磨性通常導致損失斷裂韌度，或反之亦然。例如，為獲得較高的耐磨性(主要耐磨損或耐腐蝕)，耐磨堆焊組合物可被設計為在金屬基體中具有最大量的碳化物含量或耐磨堆焊層的厚度可增大。然而，具有較高硬度和較高碳化物含量的耐磨堆焊更易于分裂和脫層，隨著耐磨堆焊厚度的增長將尤其如此。此外，在單層耐磨堆焊層的厚度增大的情況下，耐磨堆焊層的抗斷強度或斷裂韌度減小，從而限制耐磨堆焊的壽命。使耐磨損性或耐腐蝕性與韌度獲得平衡的一種方式是在耐磨堆焊組合物中包括較大的碳化物顆粒。較大顆粒在焊接沉積物中具有較大的表面積，其提供增強的機械性能。
[0006]當使用等離子弧焊(PTA)法時，轉移弧構成再充灌材料的發熱元件，部件的表面形成基底。參照圖1，其為PTA焊槍噴嘴116的截面圖，PTA焊槍噴嘴具有陰極保持裝置102、等離子氣體104、陰極106、冷卻水108、保護氣體110、來自碳化物粉末漏斗120的碳化物粉末的供給線路112、焊接沉積物114、基底118 (例如，井下工具的進行耐磨堆焊的那部分)以及電源122。
[0007]在例如圖1中所示的典型的PTA裝置中，與焊槍的陰極相比，基底升高到正電勢，然后焊槍與基底之間的電流完全橫穿等離子射流，向后者傳輸用于加熱與局部熔化待涂覆或耐磨堆焊的區域所需要的能量。碳化物粉末在部件的表面上熔化，以便形成液態的焊接沉積物，其在取代焊槍下方的部件期間連續地補充。基底的表面熔化允許類似焊接工藝中遇到的冶金鍵(metallurgical bond)。
[0008]盡管PTA法在耐磨堆焊技術中非常有用，但是能夠用在那些方法中的碳化物粉在PTA噴嘴內能夠使用的顆粒大小方面受限。標準焊槍供給微小的碳化物粉末，當放置在基底上時，微小的碳化物粉末既不耐磨、也不耐腐蝕。能被PTA噴嘴容置的典型的顆粒大小約是250微米到約38微米(60網孔或更微小)。這是因為如果使用較大顆粒的碳化物粉末，會導致供給線路和PTA的噴嘴發生阻塞問題。因此，迄今為止，為了利用較大粒度的碳化物顆粒，必須利用碳化物繩或碳化物桿的手工焊接技術將碳化物粉末施加到基底。
[0009]手工施加碳化物粉末會因為人工誤差和手工工藝的固有變化性而導致若干問題。就變化性而言，在手工施加時，焊接沉積物的厚度會發生極大地變化。這可導致附加的技術，例如用金剛石砂輪研磨涂層以提供期望的厚度。另外，在手工焊接工藝中，基底必須預加熱(例如，約700 °F，這要求附加的時間并使操作者暴露在高熱下。手工工藝還比自動/機器人工藝慢(例如至少三倍)，這會導致操作者疲勞和發生事故。
【發明內容】
[0010]本發明涉及用硬金屬粉末對井下工具進行耐磨堆焊，更具體地涉及內注射粗大硬金屬顆粒以對井下工具進行耐磨堆焊的等離子弧焊槍系統。
[0011]在一個實施例中，本發明提供一種內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴，包括:耐熱噴嘴體；至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口 ；至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口 ；至少一個氣體端口 ；以及陰極。
[0012]在一個實施例中，本發明提供一種對井下工具進行耐磨堆焊的系統，包括:等離子弧焊噴嘴，其包括:耐熱噴嘴體、至少一個粗大顆粒的內注射端口、至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口、至少一個氣體端口以及陰極；和粗大硬金屬顆粒漏斗；微小硬金屬顆粒和基體漏斗；機器人臂；可操縱的基底支撐工作臺；電源；以及計算機控制系統。
[0013]在一個實施例中，本發明提供一種井下工具，包括:井下工具的至少一個表面；由在井下工具的表面上的焊接沉積物形成的耐磨堆焊層，焊接沉積物通過內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴施加，焊接沉積物還具有散布在所述焊接沉積物內的大量的粗大硬金屬顆粒硬金屬和基體；其中至少一種粗大硬金屬顆粒具有約2000微米到約250微米(10網孔到60網孔)的尺寸范圍。
[0014]在一個實施例中，本發明提供一種對井下工具的表面進行耐磨堆焊的方法，該方法包括:用機器人耐磨堆焊系統在井下工具的表面上放置焊接沉積物，機器人耐磨堆焊系統包括內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴，其包括:耐熱噴嘴體；至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口 ；至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口 ；至少一個氣體端口 ；以及陰極；并且焊接沉積物包括均勻分布的大碳化物顆粒。
[0015]在一個實施例中，本發明提供一種方法，包括:提供包括具有了耐磨堆焊的表面的井下工具，耐磨堆焊通過內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴形成，內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴包括:耐熱噴嘴體；至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口 ；至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口 ；至少一個氣體端口 ；以及陰極；并且將井下工具放置在地層中。
[0016]在本領域技術人員閱讀隨后的優選實施例的描述時，本發明的特征和優點將容易顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]以下附圖被包括在內以示出本發明的某些方案，并且不應視為排他性的實施例。如本領域技術人員將想到的并具有本發明的益處，所公開的主題能夠在形式和功能方面進行相當大的修改、改變和等同替換。
[0018]圖1是PTA噴嘴組件的剖切示意圖。
[0019]圖2是根據本發明的內注射粗大硬金屬顆粒的等離子弧焊槍噴嘴的示意性剖視圖。
[0020]圖3是根據本發明的內注射粗大硬金屬顆粒的等離子弧焊槍噴嘴的一面的示意圖。
[0021]圖4是包括根據本發明的內注射粗大硬金屬顆粒的等離子弧焊槍噴嘴的本發明的機器人耐磨堆焊系統的視圖。
[0022]圖5是根據本發明的雙漏斗系統和內注射粗大硬金屬顆粒的等離子弧焊槍噴嘴的視圖。
[0023]圖6A描繪了通過手工技術在井下工具的表面上形成的沉積物的剖視圖。
[0024]圖6B描繪了通過根據本發明的內注射粗大硬金屬顆粒的等離子弧焊槍噴嘴在井下工具的表面上形成的沉積物的剖視圖。
[0025]圖7描繪了外注射粗大硬金屬顆粒的等離子弧焊槍的系統。
[0026]圖8描繪了具有位于測量襯墊(gage pads)上的耐磨堆焊的表面的井下工具。
【具體實施方式】
[0027]本發明涉及用硬金屬粉末對井下工具進行耐磨堆焊，更具體地涉及內注射粗大硬金屬顆粒以對井下工具進行耐磨堆焊的等離子弧焊槍系統。
[0028]本發明提供:內注射粗大硬金屬顆粒的等離子焊槍噴嘴；對井下工具進行耐磨堆焊的系統，井下工具包括已經用本發明的內注射粗大硬金屬顆粒的等離子焊槍噴嘴和/或系統進行了耐磨堆焊的表面；對井下工具的表面進行耐磨堆焊的方法；以及使用井下工具的方法，該井下工具包括已經用本發明的內注射粗大硬金屬粒子的等離子焊槍噴嘴和/或系統進行了耐磨堆焊的表面。
[0029]本發明提供用具有較大顆粒的粉末提高井下工具的耐磨堆焊的內注射粗大硬金屬顆粒的系統和方法。因此，本發明提供的井下工具具有提高的耐腐蝕性、抗磨損性和耐磨性，從而導致更長的工具壽命。例如，如果根據本發明對鉆頭的切割表面進行耐磨堆焊，則改善井下切割結果。本發明的粉末成分提供更一致的焊接沉積物，這導致這些提高的特性。此外，焊接沉積物的質量至少等同于手工焊接技術的質量。因為焊接沉積物更均勻，所以可避免附加的研磨步驟。圖6A是示出使用包括焊接繩的手工技術在焊接沉積物中結合粗大硬金屬顆粒604的焊接沉積物的截面顯微圖。在圖中以602示出基體中的微小硬金屬顆粒。圖6B是示出使用本發明的內注射粗大硬金屬顆粒的等離子焊槍在焊接沉積物中結合粗大硬金屬顆粒604的焊接沉積物的截面顯微圖。基體內的硬金屬顆粒分布類似于用手工施加獲得的硬金屬顆粒分布。因此，能夠獲得相似的結果，且具有自動化的優點。
[0030]此外，本發明的PTA機器人耐磨堆焊系統容易自動化并且具有優良的系列生產性。本發明的自動工藝提供超過傳統的手工焊接技術的提高的人體工學和生產優點。
[0031]另外，基底不需要預熱，這在能源節約與減少危險方面提供附加的優點。這導致更短的循環時間，以及大規模生產的能力，這是當前用手工技術所沒有的。
[0032]總之，使用自動焊接系統將高耐磨和高耐腐蝕的粗大硬金屬顆粒有效注入硬金屬涂層的能力形成高質量生產，同時顯著地增大產品流。
[0033]本文使用的術語“內注射粗大硬金屬顆粒的等離子焊槍噴嘴”指的是包括內注射粗大硬金屬顆粒到噴嘴的端口的等離子焊槍噴嘴，意思是說粗大硬金屬顆粒可通過耐熱噴嘴體行進以沉積在焊接沉積物中，這與從供給線路和耐熱噴嘴體外部的注射端口外注射焊接沉積物相反。與外部供給相比，內注射是有利的，因為其實際上將粗大硬金屬顆粒直接放入火焰。在外注射系統中，粗大硬金屬注射端口未充分閉合成弧形，以產生這個效果。使粗大硬金屬顆粒直接位于火焰中將允許更均勻的施加，導致較少的后續步驟。
[0034]具有內注射端口導致的令人驚訝的結果在于，提供增強的機械性能的粗大硬金屬顆粒能夠均勻地結合在焊接沉積物內。傳統的噴嘴不允許使用粗大硬金屬顆粒，而且除了別的因素以外，這樣做會導致焊接沉積物不均勻和注射端口發生阻塞。
[0035]優選地，本發明的方法可用來將耐磨堆焊施加到井下工具。本文使用的術語“井下工具”用來描述任何金屬工具或工具的金屬部分，其可用在期望對工具的表面進行耐磨堆焊的地下應用中。耐磨堆焊的方法包括使用設備以產生電弧，該電弧在14，000 T以上的溫度加熱粉末混合物，例如耐磨堆焊粉末。粉末混合物熔化而形成沉積在例如工具表面的基底上的熔化合金，進而覆蓋。熔化合金在基底上形成焊接沉積物(也被稱為池或坑)，其充分高溫以冶金鍵合或焊接到基底金屬，此后凝固而形成耐磨堆焊覆蓋物。耐磨堆焊覆蓋物的厚度能夠通過控制供應到焊接機的耐磨堆焊粉末的數量和每沉積時間的體積而變化。可選地，面向的厚度能夠通過形成多層而增大，每層焊接到前一層。
[0036]應注意，當在計數單(numerical list)的開始設置“約”時,“約”改變計數單的每個數字。應注意在一些計數單范圍內，列出的一些下限可能大于列出的一些上限。本領域技術人員將認識到，所選擇的子集將要求選擇的上限超過所選擇的下限。
[0037]在本發明中有用的粉末成分包括粗大硬金屬顆粒、微小硬金屬顆粒和基體材料。在一些實施例中，用于本發明的粉末成分可包括粉末成分的重量的約55%到約80%的數量范圍中組合的粗大硬金屬顆粒和微小的硬金屬顆粒。在一些實施例中，數量可在約65%到約70%的范圍中。剩余部分的粉末成分可包括基體材料。
[0038]應理解，本發明中使用的術語“微粒”或“顆粒”包括所有己知形狀的材料，包括大體上球形的材料、纖維材料、高到低長徑比材料(high-to-low aspect ratio material)、多角形的材料(例如立方體材料)以及它們的混合物。在優選實施例中，粗大硬金屬顆粒是標準的球形，因為它們被認為通過焊槍供給較佳。微小硬金屬顆粒可自然有角。圖6A和6B示出球形的粗大硬金屬顆粒604和矩形微小硬金屬顆粒602。
[0039]本文使用的術語“粗大硬金屬顆粒”指的是平均直徑大于約250微米(包括但并不限于)的硬金屬顆粒，平均直徑尺寸從約250微米、500微米、750微米和1000微米的下限到約750微米、1000微米、1500微米和2000微米的上限范圍內的顆粒，以及其中平均直徑的范圍可從任一下限到任一上限并包含該上限與下限之間的任一子集。在一些實施例中，粗大硬金屬顆粒可具有約1700微米(12網孔)到約250微米(60網孔)的直徑。在一些實施例中，粗大硬金屬顆粒可具有約2000微米(10網孔)到約250微米(60網孔)的直徑。該專用語涉及使顆粒通過本領域技術人員已知的網孔篩。
[0040]本文使用的術語“微小硬金屬顆粒”指的是平均直徑小于約250微米(包括但并不限于)的硬金屬顆粒，平均直徑尺寸從約10微米、50微米、75微米和100微米的下限到約75微米、100微米、150微米200微米和250微米的上限范圍的顆粒，以及其中平均直徑的范圍可從任一下限到任一上限并包含該上限與下限之間的任一子集。在一些實施例中，微小的硬金屬顆粒可具有約250微米(60網孔)到約10微米(1250網孔)的直徑。
[0041]在一些實施例中,粗大硬金屬顆粒可具有從約14g/cc到約16g/cc范圍的比重。
[0042]在一些實施例中，粗大硬金屬顆粒可具有約1200到約2500努普Ikg載荷的硬度。在一些實施例中，微小硬金屬顆粒可具有約1200到約2500努普Ikg載荷的硬度。
[0043]在一些優選實施例中，粗大硬金屬顆粒具有約1300努普Ikg載荷的硬度、約1180/600微米的平均直徑和約14g/cc到約16g/cc的比重。
[0044]在一些優選實施例中，微小硬金屬顆粒具有約1200到2500努普Ikg載荷的硬度、約105/45微米的平均直徑和約14g/cc到約16g/cc的比重。
[0045]在優選實施例中，微小硬金屬顆粒具有約250微米(60網孔)的平均直徑。
[0046]粗大硬金屬顆粒和微小硬金屬顆粒可包括能夠用于耐磨堆焊應用的任一合適的硬金屬，包括但不限于，金屬硼化物、金屬碳化物、金屬氧化物、金屬氮化物和它們的組合。不例包括鶴、鑄造碳化鶴、滲碳碳化鶴、粗晶碳化鶴、燒結碳化鶴(也被稱為溶結碳化鶴)、氣化鎢、硅化鎢、硼化鎢、它們的組合以及它們的派生物。其它示例包括碳、鈮、釩、鑰、硅、鈦、鉭、釔、鋯、鉻、硼、硼化物、其碳化物、其氮化物、其硅化物、它們的混合物、它們的組合以及它們的混合物。碳化鎢可優選用于本發明。
[0047]本文使用的術語“碳化鎢”可包括碳化鎢(WC)、碳化二鎢(W2C)和/或粗晶碳化鎢。鑄造碳化物指的是WC和W2C化合物的共晶混合物，這樣的是亞化學計量；也就是，其具有的碳比WC形式的少。鑄造碳化物從熔融狀態凝固并粉碎到期望的顆粒大小。合適的碳化鎢顆粒可在這樣的碳化鎢顆粒中沒有膠著材料(膠著材料的重量為0%)或具有相對高重量百分比的膠著材料(5%或大于5%)。用來形成碳化鎢顆粒的膠合劑示例可包括但是不局限于鈷、鎳、硼、鑰、鈮、鉻、鐵和這些元素的合金。一種優選的適合用于本發明的粗大硬金屬顆粒的類型是包括約4%的鈷粘合劑的碳化鎢圓球。合適的粗大硬金屬顆粒在2010年4月29日公布的美國專利文獻N0.2010/0101866中描述，其全部公開內容以引用方式并入本文。
[0048]燒結碳化鎢也是合適的。燒結碳化鎢指的是通過混合碳化鎢顆粒(典型地碳化鎢)與鈷顆粒或其它鐵族金屬并燒結該混合物而形成。在制成燒結碳化鎢的典型工藝中，小的碳化鎢顆粒(例如約I微米到約15微米)和鈷顆粒一起與少量充當臨時粘合劑的有機蠟充分混合。有機溶劑可用來促進均勻混合。該混合物可準備以兩種技術中的任一種燒結:其可被按壓入常常被稱為生坯的固體；可選地，其例如通過壓過篩或翻滾形成為微粒或顆粒，然后經過篩選以獲得多多少少均勻的顆粒大小。
[0049]在一個實施例中，粗大硬金屬顆粒包括如2010年4月29日公布的美國專利文獻N0.2010/0101866 (其全部公開內容以引用方式并入本文)描述的與多個涂層金剛石顆粒混雜的碳化鎢圓球。
[0050]在一個實施例中，粗大硬金屬顆粒包括約3.5%到約5%的鈷、約5.65%到約5.85%的碳、約0.5%的鐵、約0.3%的鈦、約0.3%的鉭，剩余部分包括鎢。在一個實施例中，微小硬金屬顆粒可包括約6%的碳、約0.5%的鐵、約0.3%的鈦、約0.3%的鉭，剩余部分為鎢。
[0051]本發明使用的組合物中的基體材料可包括用于耐磨堆焊應用的任一合適的基體材料。基體的合適的成分的示例包括但是不局限于，鉻、鐵、硅、硼、碳、鈷、鎳以及它們的組合和混合物。
[0052]在實施例的示例中，基體可包括約7%到約8%的鉻、約1.5%到約3.5%的鐵、約3.2%到約3.8%的硅、約1.5%到約1.8%的硼、約0.2%到約0.3%的碳、0.1%的鈷，剩余部分為鎳。
[0053]在一些實施例中，基體材料可設置為顆粒形式，其中基體微粒(不包括微小硬金屬微粒)可具有約350HV30到約420HV30的硬度。注意這些單位指的是不同的硬度測試技術。在一些實施例中，基體中的這些粒子的尺寸范圍大約為125微米或更少。比重大約為8g/cc，熔點大約為1888 T到約1940 T。這些是混合粉末成分之前或之時的測量結果。
[0054]在一些實施例中，本發明提供一種內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴，其包括:耐熱噴嘴體；至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口 ；至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口 ；至少一個氣體端口 ；以及陰極。
[0055]現在參照圖2，本發明的內注射粗大硬金屬顆粒的PTA噴嘴的非限制性示意性實施例可具有耐熱噴嘴體218，其可由任一合適的耐熱材料制成，包括但不限于，銅、鈦等。第一漏斗504容置準備通過粗大硬金屬顆粒的內注射端口 208供給的碳化物粉末成分的大碳化物顆粒。第二漏斗502容置準備通過微小硬金屬和基體的內注射端口 206供給的微小硬金屬顆粒和基體。粗大硬金屬顆粒、微小顆粒和基體材料的組合流210在基底212上形成焊接沉積物214。氣體可在粗大硬金屬顆粒的內注射端口 208、微小硬金屬和基體的內注射端口 206和/或圍繞陰極216的通道220中混合。在一些實施例中，粗大硬金屬顆粒的內注射端口 208以及微小硬金屬和基體的內注射端口 206可與圖2中所示的構造互換。合適的氣體可以是惰性氣體，可包括但是不局限于，氬、氦、氮、氙、二氧化碳等，以及它們的組合。氣體端口不必與這些注射端口分開，而是可允許氣體與噴嘴中所需的任一成分混合。然而，氣體優選地用來將顆粒從漏斗供給到注射端口。
[0056]現在參照圖3 (非限制性實施例的截面示意圖)，內注射粗大硬金屬顆粒的PTA噴嘴的面可具有耐熱噴嘴體218。粗大硬金屬顆粒的內注射端口 302通過包括粗大硬金屬顆粒的漏斗供給。其對應于圖2的208。本文被稱為“內注射端口”，與從耐熱噴嘴體外部的注射端口和供給線路外部注射焊接沉積物相反，粗大硬金屬顆粒行進通過耐熱噴嘴體，以沉積在焊接沉積物中。根據焊接沉積物中期望的粗大硬金屬顆粒的體積，附加的粗大硬金屬顆粒的內注射端口可被包括在PTA噴嘴的面的設計中。優選地，這些注射端口的供給線路從單個粗大硬金屬顆粒漏斗和單個微小硬金屬顆粒和基體漏斗供給。微小硬金屬和基體的內注射端口 306類似地位于耐熱噴嘴體的內部。其對應于圖2的206。根據焊接沉積物中期望的微小硬金屬顆粒的數量，可包括比圖3中所示的或多或少的微小硬金屬和基體的內注射端口 306。電弧端口 308是電弧端口。
[0057]與圖3的內注射端口比較，圖7示出具有粗大硬金屬顆粒的注射端口 702、微小硬金屬和基體的注射端口 710、漏斗708、噴嘴體704和基底706的外部機構的現有技術的PTA裝置的示例。
[0058]在一個實施例中，本發明提供一種內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴，包括:耐熱噴嘴體；至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口 ；至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口 ；至少一個氣體端口 ；以及陰極。
[0059]本發明的粗大硬金屬顆粒的內注射機器人系統包括PTA噴嘴，其具有至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口和至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口、基底支撐工作臺以及機器人臂。
[0060]在一些實施例中，本發明提供對井下工具進行耐磨堆焊的系統，包括:等離子弧焊噴嘴，包括:耐熱噴嘴體；至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口 ；至少一個微小硬金屬顆粒和基體內注射的端口 ；至少一個氣體端口 ；以及陰極；用于粗大硬金屬顆粒的第一漏斗；用于微小硬金屬顆粒和基體粉末的第二漏斗；機器人臂；可操縱的基底支撐工作臺；電源；以及計算機控制系統。在一些實施例中，計算機控制系統是CAM (計算機輔助制造)系統。
[0061]現在參照圖4 (系統的非限制性實施例的示圖)，機器人臂402能夠由計算機系統(圖中未示)來控制，以操作本發明的粗大硬金屬顆粒的內注射PTA噴嘴。在一些實施例中，計算機控制系統是CAM系統。機器人臂402應構造為使得其能夠操縱粗大硬金屬顆粒的內注射PTA噴嘴。計算機系統可包括容納焊接程序的計算機輔助系統(“CAD”)系統(例如，3D模型)。基底支撐工作臺404支撐基底到施加焊接沉積物的位置。任選地，基底支撐工作臺404可包括轉臺408。基底支撐工作臺404優選地可操縱，意思是其能夠沿任一期望的方向傾斜或移動，以將基底放置在耐磨堆焊的期望位置。優選地，基底支撐工作臺404是可編程的，從而與任一計算機控制系統結合使用。在一些實施例中，基底支撐工作臺404能夠擺動以按照需要移動基底。在一些實施例中，基底是固定的，粗大硬金屬顆粒的內注射PTA噴嘴與正在耐磨堆焊的基底大致垂直。進一步，該系統可包括電源406。
[0062]現在參照圖5 (實施例的非限制性示圖)，漏斗系統500可與本發明的粗大硬金屬顆粒的內注射PTA噴嘴結合使用。粗大硬金屬顆粒漏斗502容置包括粗大硬金屬顆粒的顆粒混合物。漏斗504是微小顆粒漏斗。粗大硬金屬顆粒漏斗502和微小顆粒漏斗504分別通過供給線路506和508連接到噴嘴。
[0063]通過本發明的益處，本領域技術人員應理解，使用本發明的粗大硬金屬顆粒的內注射噴嘴的對井下工具進行耐磨堆焊的系統可被構造為包括其它部件和/或性能。這些其它部件和/或性能的示例包括但不局限于，陰極保持裝置、等離子氣體、保護氣體、粗大顆粒和微小顆粒供給氣體、冷卻系統、噴嘴冷卻系統以及它們的組合。
[0064]在一個實施例中，本發明提供一種用于對井下工具進行耐磨堆焊的系統，包括:等離子弧焊噴嘴，包括:耐熱噴嘴體、至少一個粗大顆粒的內注射端口、至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口、至少一個氣體端口以及陰極；以及粗大硬金屬顆粒漏斗；微小硬金屬顆粒和基體漏斗；機器人臂；可操縱的基底支撐工作臺；電源；以及計算機控制系統。
[0065]在一些實施例中，焊接沉積物的厚度可以是0.125"的公差。必要時，焊接沉積物能夠通過本領域技術人員已知的任何方法進行打磨。然而，這不是必須的。
[0066]在本發明中，優選地在基底與焊接沉積物之間產生冶金鍵。
[0067]需要進行耐磨堆焊或從耐磨堆焊受益的任何井下工具或其部件可根據本發明的方法進行耐磨堆焊，其包括但不限于，鉆頭、定向的井下工具、修井工具(work over tool)、完井和生產設備(completions and production equipment)等，以及可用于或不可用于鉆探井眼的其它井下工具。本文使用的術語“井下工具”廣義地用于描述放置在地層以鉆探井眼進入地層的工具。具體示例包括但是不局限于以下這些工具或其部件:旋轉的圓錐鉆頭、旋轉的可轉向工具、磨機(例如，用于再進入或多側向井的窗口切割磨機、套管切割機、平整磨機等)、固定式切割器鉆頭、取芯鉆頭、防旋轉裝置、擴孔器、近鉆頭擴大器、擴眼器、驅動電機(井下動力鉆具)(例如，這些電機上的地層接觸點，例如彎接頭和穩定器等)、驅動代用品(drive subs)、井下工作筒、穩定器、工具接頭和定心夾具。其它示例包括井下流體分隔器、向下孔泵、修井設備等。
[0068]圖8描繪了具有耐磨堆焊802的井下工具。其它示例包括但不局限于，轉子上的涂層、徑向軸承、限流器和萬向聯軸節。
[0069]本發明耐磨堆焊的井下工具可用于各種地下操作，包括但不限于鉆探操作、鉆入操作(drill-1n operation)、完井操作(completion operation)和維修操作。在優選實施例中，耐磨堆焊的井下工具可在鉆探操作中用于穿透地層的井眼中。
[0070]在一個實施例中，本發明提供一種井下工具，包括:井下工具的至少一個表面；耐磨堆焊層，由井下工具的表面上的焊接沉積物形成，焊接沉積物通過內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴施加，焊接沉積物還具有散布在焊接沉積物內的多個粗大硬金屬顆粒硬金屬和基體；其中至少一種粗大硬金屬顆粒具有約2000微米到約250微米(10網孔到60網孔)的尺寸范圍。在另外的實施例中，焊接沉積物具有多個微小硬金屬顆粒，微小硬金屬顆粒具有約250微米到約10微米(60網孔到1250網孔)的尺寸范圍。
[0071]在一個實施例中，本發明提供一種方法，包括:提供包括具有了耐磨堆焊的表面的井下工具，耐磨堆焊通過內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴形成，該等離子弧焊槍噴嘴包括:耐熱噴嘴體；至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口 ；至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口 ；至少一個氣體端口 ；以及陰極；并且將井下工具放置在地層中。
[0072]在一些實施例中，本發明的粗大硬金屬顆粒的內注射噴嘴可用于耐磨堆焊工具，該耐磨堆焊工具在油氣勘探和生產以外的工業中也有用。本發明的粗大硬金屬顆粒的內注射噴嘴適用的應用在本文被稱為“磨損應用(abrasive applications)”。
[0073]這種磨損應用可包括挖溝機、前懸式裝載機、推土機以及接觸土地并需要耐磨堆焊以延長設備的磨損保護的其它設備。
[0074]其它磨損應用包括礦業中的從耐磨堆焊受益的設備。礦業中使用的設備經受腐蝕、摩擦和磨損。因此，本發明的裝置、方法和組合對用于這種采礦應用的耐磨堆焊設備有用。[0075]其它磨損應用包括在采石場到預拌混凝土攪拌機的水泥廠中的從耐磨堆焊受益的設備。示例包括但不限于，滾壓機、窯輪胎、錘碎機、風扇葉片、風扇罩、鏟斗、牽引鏈臺、熟料破碎機盤、原廠風扇等。
[0076]其它磨損應用包括垃圾和回收工業中的從耐磨堆焊受益的設備。這樣的設備包括涉及垃圾焚燒、輪胎切碎機、玻璃回收，以及建筑垃圾消除、粉碎機等的設備，例如進料斗、破碎機、螺釘、錘、傳送帶臺、輸送帶、刀等。
[0077]其它磨損應用包括發電工業中的從耐磨堆焊受益的設備。這樣的設備包括涉及發電的設備，包括象螺釘、鍋爐噴嘴、涂覆預熱機管、傳送帶臺、磨煤機、水板、點火傘等。
[0078]其它磨損應用包括鋼工業中的從耐磨堆焊受益的設備。這樣的設備包括涉及從鼓風爐通過最終產品的鋼生產的設備。這種設備的示例包括冷卻輥火車、泵、輸出道輥、軋機、滾壓錐、機械手卡爪、熱剪切刀片、工作筒軸、導輪、熔渣破碎機等。
[0079]為了幫助更好地理解本發明，給出了以下代表優選實施例的示例。以下示例絕不應理解為限制或限定本發明的范圍。
[0080]示例
[0081]進行測試來比較手工工藝制成的耐磨堆焊與外部注射的自動方法制成的耐磨堆焊，以示出自動系統比人工系統快。表1描述了所用的工藝。
[0082]表1
[0083]
【權利要求】
1.一種內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴，包括: 耐熱噴嘴體； 至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口； 至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口； 至少一個氣體端口 ；以及 陰極。
2.如權利要求1所述的內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴，還包括從以下組成的組中選擇的元件:陰極保持裝置，等離子氣體，保護氣體，粗大顆粒和微小顆粒供給氣體，冷卻系統，噴嘴冷卻系統以及它們的結合。
3.如權利要求1所述的內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴，其中所述耐熱噴嘴體包括從以下組成的組中選擇的成分:銅，鈦和它們的任意組合。
4.一種用于對井下工具進行耐磨堆焊的系統，包括: 等離子弧焊噴嘴，所述等離子弧焊噴嘴包括: 耐熱噴嘴體， 至少一個粗大顆粒的內注射端口， 至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口， 至少一個氣體端口，和 陰極；以及` 粗大硬金屬顆粒漏斗； 微小硬金屬顆粒和基體漏斗； 機器人臂； 可操縱的基底支撐工作臺； 電源；以及 計算機控制系統。
5.如權利要求4所述的用于對井下工具進行耐磨堆焊的系統，還包括從以下組成的組中選擇的元件:陰極保持裝置，等離子氣體，保護氣體，粗大顆粒和微小顆粒供給氣體，冷卻系統，噴嘴冷卻系統以及它們的結合。
6.如權利要求4所述的用于對井下工具進行耐磨堆焊的系統，其中所述計算機控制系統是CAM系統。
7.一種井下工具，包括: 所述井下工具的至少一個表面； 耐磨堆焊層，由所述井下工具的表面上的焊接沉積物形成，所述焊接沉積物通過內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴施加， 所述焊接沉積物還具有散布在所述焊接沉積物內的多個粗大硬金屬顆粒和基體； 其中至少一種粗大硬金屬顆粒具有約2000微米到約250微米(10網孔到60網孔)的尺寸范圍。
8.如權利要求7所述的井下工具，其中所述焊接沉積物具有多個微小硬金屬顆粒，所述微小硬金屬顆粒具有約250微米到約10微米(60網孔到1250網孔)的尺寸范圍。
9.如權利要求8所述的井下工具，其中至少一種粗大硬金屬顆粒和/或至少一種微小硬金屬顆粒包括從以下組成的組中選擇的成分:金屬硼化物，金屬碳化物，金屬氧化物，金屬氮化物和它們的組合。
10.如權利要求8所述的井下工具，其中至少一種粗大硬金屬顆粒和/或至少一種微小硬金屬顆粒包括從以下組成的組中選擇的成分:鎢，鑄造碳化鎢，滲碳碳化鎢，粗晶碳化鎢，燒結碳化鎢，氮化鎢，硅化鎢，硼化鎢以及它們的組合。
11.如權利要求8所述的井下工具，其中至少一種粗大硬金屬顆粒和/或至少一種微小硬金屬顆粒包括從以下組成的組中選擇的成分:碳，鈮，釩，鑰，硅，鈦，鉭，釔，鋯，鉻，硼，其硼化物，其碳化物，其氮化物，其硅化物和它們的組合。
12.如權利要求7所述的井下工具，其中至少一種粗大硬金屬顆粒通過處于每個大的硬金屬顆粒的總重量的約百分之三(3%)與約百分之五(5%)之間的范圍內的粘合材料部分地形成。
13.如權利要求7所述的井下工具，其中所述基體包括從以下組成的組中選擇的一個:鉻，鐵，娃，硼，碳，鈷，鎳和它們的組合。
14.一種對井下工具的表面進行耐磨堆焊的方法，包括: 用機器人耐磨堆焊系統在所述井下工具的表面上放置焊接沉積物，所述機器人耐磨堆焊系統包括內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴，所述等離子弧焊槍噴嘴包括: 耐熱噴嘴體； 至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口； 至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口； 至少一個氣體端口 ；和 陰極；以及 焊接沉積物包括均勻分布的大碳化物顆粒。
15.如權利要求14所述的方法，還包括經由穿透地層的井眼在地層中放置井下工具。
16.如權利要求14所述的方法，其中內注射粗大顆粒的所述等離子弧焊槍噴嘴還包括從以下組成的組中選擇的元件:陰極保持裝置，等離子氣體，保護氣體，粗大顆粒和微小顆粒供給氣體，冷卻系統，噴嘴冷卻系統以及它們的結合。
17.權利要求如14所述的方法，其中所述機器人耐磨堆焊系統包括計算機控制系統。
18.—種方法,包括: 提供包括具有了耐磨堆焊的表面的工具，所述耐磨堆焊通過內注射粗大顆粒的等離子弧焊槍噴嘴形成，所述等離子弧焊槍噴嘴包括: 耐熱噴嘴體； 至少一個粗大硬金屬顆粒的內注射端口； 至少一個微小硬金屬顆粒和基體的內注射端口； 至少一個氣體端口 ；和 陰極；以及 在磨損應用中使用所述工具。
19.如權利要求18所述的方法方法，其中所述磨損應用包括鉆探操作、鉆入操作、完井操作或維修操作。
20.如權利要求18所述的方法，其中所述磨損應用是采礦應用、水泥應用、采石場應用、垃圾應用、回 收應用、發電應用或鋼應用。
【文檔編號】H05H1/26GK103621188SQ201180071646
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2011年6月15日 優先權日:2011年6月15日
【發明者】杰伊·S·伯德 申請人:哈利伯頓能源服務公司