CN102500966A - 用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法，其中，该方法包括：预热步骤：预先对钻杆管体(11)和外键(12)之间的焊接区(13)进行加热；焊接步骤：焊接钻杆管体(11)和外键(12)之间的焊接区(13)以形成焊缝；以及后热步骤：在焊接步骤之后再对钻杆管体(11)和外键(12)之间形成的焊缝进行加热。还公开了一种用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，该装置包括：预热单元(3)；焊接单元(2)；以及后热单元(4)。通过上述技术方案，能够有效地避免钻杆管体和外键在焊接过程中发生冷裂现象。此外，通过预热步骤和后热步骤还能够有效地消除焊接后钻杆管体和外键的焊接应力和焊接变形。

Description

用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种焊接方法及焊接装置，具体地，涉及一种用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法及装置。

背景技术

旋挖钻机的旋挖钻杆通常包括可伸缩的多节钻杆管体，多节钻杆管体周向通过键联接，以逐节传递旋转扭矩。更具体地说，钻杆管体的外周面上设置有沿轴向延伸的外键，钻杆管体的内周面上设置有与外键相啮合的内键。外键通常在钻杆管体的整个长度上延伸，而内键则可以仅在钻杆管体的部分长度上延伸。内键的长度较短，因此可以通过一体锻造、焊接等方式设置在钻杆管体的内周面上。对于长度较长的钻杆，钻杆管体的长度也较长，例如可以达到十几米或更长，因此鉴于成本和可操作性等原因，外键通常通过焊接的方式设置在钻杆管体的外周面上。由于钻杆管体的长度较长，因此钻杆管体与外键之间的焊缝长度也很长。在现有技术中，通常采用人工焊接的方式将外键焊接到钻杆管体的外周面上。

旋挖钻的钻杆管体和外键属于不同材质的高强钢。钻杆管体材料通常为中碳调质钢，例如27SiMn，外键材料通常为低碳调质钢，例如20CrMnTi。这两类钢都容易在焊接过程中因局部温度的剧烈变化而发生变形从而导致冷裂现象，严重影响了焊接质量，而且由不同材质构成的钻杆管体和外键的变形程度不同也会使得冷裂现象更加恶化。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够防止冷裂的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法及装置。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法，其中，该方法包括：预热步骤：预先对所述钻杆管体和外键之间的焊接区进行加热；焊接步骤：焊接所述钻杆管体和外键之间的焊接区以形成焊缝；以及后热步骤：在所述焊接步骤之后再对钻杆管体和外键之间形成的焊缝进行加热。

优选地，在所述预热步骤和/所述后热步骤中，采用中频感应加热器进行加热。

优选地，在所述预热步骤中，将所述焊接区加热至150℃至220℃。

优选地，在所述后热步骤中，将所述焊缝加热至200℃至280℃。

优选地，该方法包括打底焊阶段和填充焊阶段，该打底焊阶段和填充焊阶段均包括所述预热步骤、焊接步骤和后热步骤。

优选地，沿所述钻杆管体的周向布置有多条所述焊接区，每条焊接区沿所述钻杆管体的轴向延伸，在所述焊接步骤中，同步地对多条所述焊接区进行焊接。

优选地，在同步焊接的多条所述焊接区中，相邻两条焊接区之间沿所述钻杆管体的周向间隔30°至180°。

另一方面，本发明还提供了一种用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其中，该装置包括：预热单元，该预热单元用于预先对所述钻杆管体和外键之间的焊接区进行加热；焊接单元，该焊接单元用于焊接所述钻杆管体和外键之间的焊接区以形成焊缝；以及后热单元，该后热单元用于在焊接后再对所述钻杆管体和外键之间形成的焊缝进行加热。

优选地，所述预热单元和/或所述后热单元包括中频感应加热器。

优选地，该装置还包括保持单元，该保持单元包括用于保持所述钻杆管体的保持机构。

优选地，所述保持单元还包括驱动所述旋挖钻用钻杆管体围绕轴线转动的转动机构。

优选地，所述保持机构包括分别设置在所述钻杆管体的两端的两个卡盘，所述转动机构包括驱动所述卡盘转动的电机。

优选地，所述焊接单元包括能够平行于所述钻杆管体的轴向移动的焊接机械手。

优选地，所述焊接单元包括两个所述焊接机械手，该两个焊接机械手同步移动并且分别设置在所述钻杆管体的两侧。

优选地，所述两个焊接机械手分别固定在两个同步移动的传送履带上，该传送履带平行于所述钻杆管体的轴向延伸。

优选地，所述预热单元和所述后热单元分别设置在所述焊接机械手的上游和下游，并且能够平行于所述钻杆管体的轴向移动。

优选地，该装置还包括导轨，该导轨设置在所述钻杆管体上方并且平行于所述钻杆管体的轴向延伸，所述预热单元包括第一加热箱，所述后热单元包括第二加热箱，所述第一加热箱和第二加热箱可沿所述导轨滑动地悬挂在所述导轨上。

通过上述技术方案，通过在焊接之前的预热步骤和焊接之后的后热步骤，能够有效地降低钻杆管体和外键在焊接过程中的局部温度变化，从而能够有效地避免钻杆管体和外键在焊接过程中发生冷裂现象。此外，通过预热步骤和后热步骤还能够有效地消除焊接后钻杆管体和外键的焊接应力和焊接变形。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是待焊接的焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的截面示意图；

图2是根据本发明的一种优选实施方式的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置的结构示意图；

图3是如图2所示的装置的侧向示意图；

图4是根据本发明的一种优选实施方式的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法流程图；。

附图标记说明

11    钻杆管体；            12    外键；

13    焊接区；              2     焊接单元；

21    焊接机械手；          22    传送履带；

3     预热单元；            31    第一加热箱；

4     后热单元；            41    第二加热箱；

5     保持单元；            51    卡盘；

6     导轨；                7     支架；

8     焊接平台              9     悬架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示的是待焊接的焊接旋挖钻用钻杆管体11和外键12的截面示意图。如上文所述，外键12通常在钻杆管体11的整个长度上延伸。沿钻杆管体11的外周方向可以布置有一个或多个外键12，如图1所示为三个。每个外键12与钻杆管体11之间可以设置有两条焊接区13(如图1所示)，当然也可以仅设置有一条焊接区13。

根据本发明的一种实施方式提供了一种用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法，该方法包括：预热步骤：预先对所述钻杆管体11和外键12之间的焊接区13进行加热；焊接步骤：焊接所述钻杆管体11和外键12之间的焊接区13以形成焊缝；以及后热步骤：在所述焊接步骤之后再对钻杆管体11和外键12之间形成的焊缝进行加热。

通过上述技术方案，通过在焊接之前的预热步骤和焊接之后的后热步骤，能够有效地降低钻杆管体11和外键12在焊接过程中的局部温度变化，从而能够有效地避免钻杆管体11和外键12在焊接过程中发生冷裂现象。此外，通过预热步骤和后热步骤还能够有效地消除焊接后钻杆管体11和外键12的焊接应力和焊接变形，从而进一步提高焊接质量。

在上述预热步骤和/所述后热步骤中，可以采用各种适当的方式进行加热，例如电加热方式，优选地采用中频感应加热器进行加热，该加热方式加热方便且易于精确地控制加热温度。

预热步骤和后热步骤中的加热温度可以根据实际情况进行控制，例如根据钻杆管体11和外键12的实际材料进行选择，以能够最大程度低避免钻杆管体11和外键12发生冷裂为宜。例如，在预热步骤中，可以将焊接区13加热至150℃至220℃。在后热步骤中，可以将焊缝加热至200℃至280℃。

根据实际加工情况，可以以一个或多个阶段来完成焊接区13的焊接。由于钻杆管体11和外键12的焊缝高度较高，因此优选地上述焊接方法可以包括打底焊阶段和填充焊阶段，该打底焊阶段和填充焊阶段均包括上述预热步骤、焊接步骤和后热步骤。

如上文所述，沿所述钻杆管体11的周向可以布置有多条所述焊接区13，每条焊接区13沿所述钻杆管体11的轴向延伸。在这种情况下，优选地，在所述焊接步骤中，同步地对多条所述焊接区13进行焊接。这可以提高焊接效率。此外，如果一次仅焊接一条焊接区13，即仅沿一条直线进行焊接，焊接应力沿一条直线分布，钻杆管体11和焊接的外键12容易在焊接过程中出现变形，导致焊接后的钻杆管体11和焊接的外键12弯曲，降低钻杆管体11的直线度。因此，通过同步地焊接沿钻杆管体11的周向分布的多条焊接区13，焊接过程中产生的焊接应力可以相互抵消，从而减少钻杆管体11和焊接的外键12的变形，提高钻杆管体11的直线度。优选地，在同步焊接的多条所述焊接区13中，相邻两条焊接区13之间沿所述钻杆管体11的周向间隔30°至180，从而可以进行对称焊接，能够更有效地抵消焊接应力。

另一方面，如图2和图3所示，本发明还提供了一种用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，该装置包括：预热单元3，该预热单元3用于预先对所述钻杆管体11和外键12之间的焊接区13进行加热；焊接单元2，该焊接单元用于焊接所述钻杆管体11和外键12之间的焊接区13以形成焊缝；以及后热单元4，该后热单元4用于在焊接后再对所述钻杆管体11和外键12之间形成的焊缝进行加热。

通过上述技术方案，通过在预热单元3和后热单元4进行预热和后加热处理，能够有效地降低钻杆管体11和外键12在焊接过程中的局部温度变化，从而能够有效地避免钻杆管体11和外键12在焊接过程中发生冷裂现象。此外，通过预热单元3和后热单元4进行预热和后加热处理，还能够有效地消除焊接后钻杆管体11和外键12的焊接应力和焊接变形，从而进一步提高焊接质量。

上述预热单元3和/所述后热单元可以采用各种适当的加热设备进行加热，例如电加热设备，优选地可以采用中频感应加热器，其加热方便且易于精确地控制加热温度。

在焊接过程中，需要将待焊接的钻杆管体11保持住，因此优选地，如图2所示，上述焊接装置还包括保持单元5，该保持单元5包括用于保持所述钻杆管体11的保持机构。更优选地，所述保持单元5还包括驱动所述旋挖钻用钻杆管体11围绕轴线转动的转动机构。从而当沿所述钻杆管体11的周向布置有多条所述焊接区13，需要分多次焊接时，可以通过转动机构使钻杆管体11转动至不同的位置，使得要焊接的焊接区13对准焊接单元2，以便进行焊接。上述保持机构和转动机构可以采用各种适当的具体结构形式，作为一种优选地实施方式，如图2所示，所述保持机构可以包括分别设置在所述钻杆管体11的两端的两个卡盘51，所述转动机构包括驱动所述卡盘51转动的电机(图中未显示)。通过卡盘51上设置的可抓持/松开的卡爪(图中未显示)抓持住钻杆管体11的两端来保持钻杆管体11处于适当的位置。通过电机直接或间接地驱动卡盘51转动，从而可以使得钻杆管体11转动至下一适当的位置。

如图2所示，所述卡盘51可以通过支架7固定在焊接平台8上。

焊接单元2可以采用各种适当的自动焊接装置来操作焊接过程。优选地，如图2所示，所述焊接单元2包括能够平行于所述钻杆管体11的轴向移动的焊接机械手21。从而通过平行于所述钻杆管体11的轴向移动的焊接机械手21可以连续地进行焊接操作。焊接机械手21为一种公知的自动焊接装置，能够自动追踪焊接区13，其具体结构在此不再赘述。

如上文的焊接方法所述，优选地，在焊接步骤中，同步地对多条焊接区13进行焊接。为了实现该目的，可以设置多个同步动作的焊接机械手21。例如优选地，如图3所示，所述焊接单元2包括两个所述焊接机械手21，该两个焊接机械手21同步移动并且分别设置在所述钻杆管体11的两侧。从而两个焊接机械手21可以同步地对称地焊接两条焊接区13。

两个焊接机械手21的同步移动可以通过各种适当的方式来实现，优选地，如图2和图3所示，所述两个焊接机械手21分别固定在两个同步移动的传送履带22上，该传送履带22平行于所述钻杆管体11的轴向延伸。从而可以通过传送履带22方便地带动两个焊接机械手21同步移动。

为了便于实现上述用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置的连续化操作，优选地，如图2所示，所述预热单元3和所述后热单元4分别设置在所述焊接机械手21的上游和下游，并且能够平行于所述钻杆管体11的轴向移动。从而，焊接区域通过预热单元3预热至所需温度后，连续地由焊接机械手21进行焊接，然后连续地由后热单元4进行后加热处理，以便实现连续化操作，提高了工作效率。

预热单元3和后热单元4的移动可以采用各种适当的方式来实现，优选地，如图2所示，所述用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置还包括导轨6，该导轨6设置在所述钻杆管体11上方并且平行于所述钻杆管体11的轴向延伸，所述预热单元3包括第一加热箱31，所述后热单元4包括第二加热箱41，所述第一加热箱31和第二加热箱41可沿所述导轨6滑动地悬挂在所述导轨6上。工作时，待焊接的钻杆管体11以及长槽12穿过第一加热箱31和第二加热箱41的加热空间，焊接机械手21设置在第一加热箱31和第二加热箱41之间，从而进行连续化的焊接操作，更具体的操作过程将在下文进行说明。第一加热箱31和第二加热箱41内形成加热空间，通过内置的加热设备(例如上文所述的中频感应加热器)进行加热，其具体形状可以根据实际情况进行设置。如图2所示，第一加热箱31和第二加热箱41可以分别通过悬架9悬挂在导轨6上，悬架9的一端可以固定在第一加热箱31或第二加热箱41上，另一端则例如可以通过导轮设置在导轨6上，从而便于第一加热箱31和第二加热箱41的移动。

下面将以如图4所示的一种具体的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法为例，并更详细地说明如上文所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置的其中一种具体的操作过程。该操作过程仅是一种具体示例，本发明保护的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置和方法并不限于该示例。

步骤1、在钻杆管体11上三等分摆搭外键12并点焊固定。点焊规范：二氧化碳气体保护焊，保护气体：Ar80％+CO₂20％；焊丝直径：φ1.2；焊接电流：I＝130-140A；焊接电压：U＝26-27V；焊接气体流量：Q＝20-25L/min。每个点焊点之后可以用小锤敲击外键12，使外键12与钻杆管体11之间的间隙趋近最小。点焊之后对焊点进行打磨、去渣处理，以防止随后的焊接过程中夹渣。

步骤2、将点焊固定后的钻杆管体11和外键12的焊合件(下面简称焊合件)吊装到焊接平台8上，并用保持单元5的卡盘51保持牢固。

步骤3、通过电机使卡盘51周向旋转，使焊合件上的如图1所示的①号焊接区13旋转到对准焊接机械手21的位置。卡盘51周向锁紧。使预热单元3的第一加热箱31自焊合件的A端向B端对焊接区13预热。具体地，第一加热箱31的移动速度为50cm/min；并使得第一加热箱31的C端出口处的温度为150℃-220℃。

步骤4、约20分钟后，A端外键12处焊接区自第一加热箱31的C端(如图2所示)露出。调整两个同步焊接机械手21的焊枪口的位置，使其处于如图3所示的平焊位置。对如图1所示的①号焊接区13进行3mm打底焊。打底焊规范：二氧化碳气体保护焊，保护气体：Ar80％+CO₂20％；焊丝直径：φ1.2；焊接电流：I＝130-140A；焊接电压：U＝26-27V；焊接气体流量：Q＝20-25L/min；焊接机械手移动速度：V＝50cm/min。

步骤5、操作后热单元的4的第二加热箱41，使其对完成的①号焊接区13形成的焊缝进行后加热处理。具体地，第二加热箱41的移动速度为50cm/min；并使得第二加热箱41的E端出口处(如图2所示)的温度为200-280℃。

步骤6、同步骤3、4、5，依次完成如图1所示的②、③号焊接区的3mm打底焊。对①、②、③号焊接区形成的焊缝清理焊渣，以防止后续填充焊的过程中夹渣。

步骤7、同步骤3完成焊合件和预热单元3的调试。具体地：第一加热箱31的移动速度为30cm/min；并使得第一加热箱31的C端出口处的温度为170-230℃。参照步骤4对如图1所示的①号焊接区13进行填充焊。填充焊规范：二氧化碳气体保护焊，保护气体：Ar80％+CO₂20％；焊丝直径：φ1.2；焊接电流：I＝280-300A；焊接电压：U＝30-33V；焊接气体流量：Q＝20-25L/min；焊接机械手移动速度：V＝30cm/min。参照步骤5对如图1所示的①号焊接区形成的焊缝进行后加热处理，第二加热箱41的移动速度为30cm/min。

步骤8、同步骤7依次完成如图1所示的②、③号焊接区的填充焊。

步骤9、检查焊接接头质量，对有裂纹、未焊透、未融合或者夹渣缺陷者，进行清除重焊。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (17)

1.一种用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法，其特征在于，该方法包括：

预热步骤：预先对所述钻杆管体(11)和外键(12)之间的焊接区(13)进行加热；

焊接步骤：焊接所述钻杆管体(11)和外键(12)之间的焊接区(13)以形成焊缝；以及

后热步骤：在所述焊接步骤之后再对钻杆管体(11)和外键(12)之间形成的焊缝进行加热。

2.根据权利要求1所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法，其特征在于，在所述预热步骤和/所述后热步骤中，采用中频感应加热器进行加热。

3.根据权利要求1或2所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法，其特征在于，在所述预热步骤中，将所述焊接区(13)加热至150℃至220℃。

4.根据权利要求1或2所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法，其特征在于，在所述后热步骤中，将所述焊缝加热至200℃至280℃。

5.根据权利要求1所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法，其特征在于，该方法包括打底焊阶段和填充焊阶段，该打底焊阶段和填充焊阶段均包括所述预热步骤、焊接步骤和后热步骤。

6.根据权利要求1所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法，其特征在于，沿所述钻杆管体(11)的周向布置有多条所述焊接区(13)，每条焊接区(13)沿所述钻杆管体(11)的轴向延伸，在所述焊接步骤中，同步地对多条所述焊接区(13)进行焊接。

7.根据权利要求6所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的方法，其特征在于，在同步焊接的多条所述焊接区(13)中，相邻两条焊接区(13)之间沿所述钻杆管体(11)的周向间隔30°至180°。

8.一种用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其特征在于，该装置包括：

预热单元(3)，该预热单元(3)用于预先对所述钻杆管体(11)和外键(12)之间的焊接区(13)进行加热；

焊接单元(2)，该焊接单元(2)用于焊接所述钻杆管体(11)和外键(12)之间的焊接区(13)以形成焊缝；以及

后热单元(4)，该后热单元(4)用于在焊接后再对所述钻杆管体(11)和外键(12)之间形成的焊缝进行加热。

9.根据权利要求8所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其特征在于，所述预热单元(3)和/或所述后热单元(4)包括中频感应加热器。

10.根据权利要求8所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其特征在于，该装置还包括保持单元(5)，该保持单元(5)包括用于保持所述钻杆管体(11)的保持机构。

11.根据权利要求10所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其特征在于，所述保持单元(5)还包括驱动所述旋挖钻用钻杆管体(11)围绕轴线转动的转动机构。

12.根据权利要求11所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其特征在于，所述保持机构包括分别设置在所述钻杆管体(11)的两端的两个卡盘(51)，所述转动机构包括驱动所述卡盘(51)转动的电机。

13.根据权利要求11所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其特征在于，所述焊接单元(2)包括能够平行于所述钻杆管体(11)的轴向移动的焊接机械手(21)。

14.根据权利要求13所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其特征在于，所述焊接单元(2)包括两个所述焊接机械手(21)，该两个焊接机械手(21)同步移动并且分别设置在所述钻杆管体(11)的两侧。

15.根据权利要求14所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其特征在于，所述两个焊接机械手(21)分别固定在两个同步移动的传送履带(22)上，该传送履带(22)平行于所述钻杆管体(11)的轴向延伸。

16.根据权利要求13至15中任意一项所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其特征在于，所述预热单元(3)和所述后热单元(4)分别设置在所述焊接机械手(21)的上游和下游，并且能够平行于所述钻杆管体(11)的轴向移动。

17.根据权利要求16所述的用于焊接旋挖钻用钻杆管体和外键的装置，其特征在于，该装置还包括导轨(6)，该导轨(6)设置在所述钻杆管体(11)上方并且平行于所述钻杆管体(11)的轴向延伸，所述预热单元(3)包括第一加热箱(31)，所述后热单元(4)包括第二加热箱(41)，所述第一加热箱(31)和第二加热箱(41)可沿所述导轨(6)滑动地悬挂在所述导轨(6)上。

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