CN103103318B - 一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法及设备，涉及钻杆钻铤接头的制造技术，克服现有钻杆钻铤接头抗扭性能差的问题，本方法包含：选没有淬火的钻杆钻铤接头基体作为毛坯；对毛坯表面擦拭清洁：对清洁后的毛坯进行激光相变强化处理，实施激光热处理，成为产品半成品：对产品半成品进行检验，符合要求的为高抗扭型钻杆钻铤接头产品；对产品进行包装打包。本方法制成的高抗扭型钻杆钻铤接头淬火后变形量极小，硬度高，其基体的柔韧性能不会遭到破坏，提高了抗扭力，比现有产品提高了55%，使用中出现粘扣问题的几率大大降低，大幅提高了产品的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及钻杆钻铤接头的制造技术，尤其是指一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法及设备。
背景技术
钻杆钻铤接头是石油钻探开采中广泛使用的部件，用于连接钻杆、钻铤用。钻杆或钻铤的两端分别通过摩擦焊接的工艺连接着钻杆钻铤接头中的公接头与母接头，作业时通过这些接头把钻杆或钻铤连接起来。
钻杆和钻铤作业过程中是处于高速、高强度转动的状态，因此对钻杆钻铤接头的抗扭力和接头螺纹的变形这两项指标要求很高。这两项指标不高的产品，作业过程很容易产生接头螺纹粘扣死的问题，因此为提高接头的使用寿命接头的防粘扣是广大商家一直以来寻求解决的技术难题。
由于钻杆钻铤接头在作业过程中承受巨大扭力，因此选择需柔韧性能良好的钢材作为其基体材料，目前商家大多选择4145h作为其基体材料。4145h是美国钢材牌号，中国钢材牌号42CrMo类似于此钢材。
为改善接头的抗扭力和接头螺纹的变形这两项指标性能，目前都采用对接头螺纹淬火强化的方法，但是传统的淬火手段（例如高频淬火、中频淬火、火焰淬火等）使接头的变形量都很大，远远达不到产品的要求。
不经过淬火强化的接头，其抗扭力很低。
目前，市场上有一种叫QPQ的工艺，QPQ是Quench－Polish－Quench的缩写，是指将黑色金属零件放入两种性质不同的盐浴中，通过多种元素渗入金属表面形成复合渗层，从而达到使零件表面改性的目的。它没有经过淬火，但达到了表面淬火的效果。
经过QPQ处理的接头，其抗扭力比原产品大致提高20%，但还是不能满足实际使用的要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种抗扭性能好，接头螺纹的变形量小，使用寿命高的高抗扭型石油钻杆钻铤接头的制造方法。
本发明的另一目的是提供一种高抗扭型石油钻杆钻铤接头的制造设备。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法，其包含以下步骤：
S1，选用产品毛坯：采用没有淬火的钻杆钻铤接头基体作为产品的毛坯；
S2，对毛坯表面擦拭清洁：
S3，对清洁后的毛坯进行激光相变强化处理，实施激光淬火，成为产品半成品：
S4，对产品半成品进行检验，符合要求的为高抗扭型钻杆钻铤接头产品；
S5，对高抗扭型钻杆钻铤接头产品进行包装打包。
所属毛坯采用4145H材料。
所述步骤S2中采用酒精和抹布将要进行激光淬火的螺纹部位擦净。
所述步骤S3包含：
S31，将清洁后的毛坯安装在激光热处理装置的机床工作台上，用卡盘夹紧；
S32，用毛刷在即将实施激光淬火的螺纹部位涂抹一层吸光剂；
S33，启动激光热处理装置的激光器及机床工作台，对清洁后的毛坯进行激光相变强化处理，实施激光淬火；
激光相变强化处理的工作条件如下：
激光器工作功率：1480-1500W；
激光淬火扫描光斑：公接头用2x15mm的宽光斑扫描；母接头直接采用Ф2-Ф2.5mm的圆光斑扫描；
机床工作台上的卡盘转速：公接头用的转速为500-550mm/分钟；母接头用的转速为800-850mm/分钟；
公接头与母接头淬火前都无需预热，淬火后都无需冷却介质，自然冷却；
S34，激光淬火至淬火所需的全部区域范围，停止激光相变强化处理，此时的钻杆钻铤为产品半成品。
所述步骤S4包含：
S41，缺陷检查：人工观察激光相变强化的部位是否存在缺陷，若有缺陷，当废品处理；
S42，硬度检查：对没有缺陷的产品半成品用硬度计检测其硬度是否符合要求，不符合要求的作废品处理；
S43，变形量检查：对符合硬度要求的产品半成品用螺纹规检测其变形量是否在要求范围内，不符合要求的作废品处理，符合要求的产品为高抗扭型钻杆钻铤接头产品。
本发明的另一目的是通过以下技术方案实现的：
一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备，其包含：
清洁工具，采用对钻杆钻铤接头毛坯的表面清洁的酒精和抹布；
激光热处理装置，是对表面清洁后的毛坯进行激光相变强化处理的装置，其包含：
激光器，是CO2激光器，其激光波长为10.6μm，工作功率为1480-1500W；
数控加工机床，其机床工作台卡盘上置放车清洁后的毛坯，所述激光器发出的激光正对车削后的毛坯端部；
控制器，其是一个数控系统，分别与所述激光器，数控加工机床连接，使激光器产生的激光将清洁后的毛坯进行激光热处理，成为钻杆钻铤接头产品半成品；；
检测工具，包括对产品半成品进行硬度检测的硬度计以及对符合硬度要求的产品半成品检测变形量的螺纹规，检测合格的为高抗扭型钻杆钻铤接头产品；
打包装置，采用木箱打包机，对高抗扭型钻杆钻铤接头产品进行包装打包。
所述激光器发出激光的光路上，设有发出一束红光的同步指示系统，发出的这束红光的路线和激光的路线一致。
所述激光器发出激光的光路上，设有外光路系统，外光路系统由数个透射镜与数个反射镜组成。
所述激光器与外光路系统分别与一个冷水机组连接。
本发明的有益效果：
采用本发明的激光相变强化的方法制造的钻杆钻铤接头与现有方法制造的钻杆钻铤接头相比：一是激光相变强化的方法实施淬火后变形量极小，在产品允许的范围之内（这个指标传统淬火手段是达不到），二是激光淬火之后的钻杆钻铤接头基体的柔韧性能不会遭到破坏，硬度高，提高了接头螺纹表面的抗扭性能，提高了抗扭力，本发明的方法制造的钻杆钻铤接头的抗扭力，比现有产品提高了55%。因此，用本方法制造的钻杆钻铤接头比传统的钻杆钻铤接头相比，出现粘扣问题的几率大大降低，从而大幅提高了产品的使用寿命。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明高抗扭型钻杆钻铤接头制造方法的流程图;
图2为本发明高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备示意图。
具体实施方式
下面结合实施例的附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
为了表述方便，下文中将本发明的高抗扭型钻杆钻铤接头，命名为“LQAT钻杆钻铤接头”（LQAT：LaserQuenching&Anti-Torque，即，激光淬火+抗扭）。本发明是用激光技术手段对钻杆钻铤接头进行激光相变强化处理，对钻杆钻铤接头进行激光淬火，由于激光工艺对产品变形小的特点，解决了钻杆钻铤在传统淬火中使接头变形量大的问题。
参见图1，本发明的高抗扭型钻杆钻铤接头制造方法的流程包含如下步骤：
S1，选用产品毛坯：将现有钻杆钻铤接头（没有淬火的钻杆钻铤接头基体，市场有供应）作为本发明产品的毛坯（采用4145H或性能相近的材料）。
S2，对毛坯表面擦拭清洁：用酒精和抹布将要进行激光淬火的螺纹部位擦拭干净。
S3，对清洁后的毛坯进行激光相变强化处理，实施激光淬火，成为产品半成品，该步骤具体包含：
S31，将清洁后的毛坯安装在激光热处理装置的机床工作台上，用卡盘夹紧；
S32，用毛刷在即将实施激光淬火的螺纹部位涂抹一层调制好的吸光剂（有助于工件快速吸收激光的能量）；
S33，启动激光热处理装置的激光器及机床工作台，开始对清洁后的毛坯进行激光相变强化处理，实施激光淬火，激光器最大功率为5KW，将工作功率调到1480-1500W；
钻杆钻铤接头有公接头（螺纹在外）与母接头（螺纹在内）之分，两者在激光相变强化处理时的工作条件如下：
激光淬火扫描光斑：公接头用2x15mm的宽光斑扫描（用积分镜调整光斑）；母接头直接采用Ф2-Ф2.5mm的圆光斑扫描；
机床工作台上的卡盘转速：公接头用的转速500-550mm/分钟；母接头用的转速800-850mm/分钟；
公接头与母接头淬火前都无需预热，淬火后都无需冷却介质，靠自然冷却；
S34，激光淬火至淬火所需的全部区域范围，停止激光相变强化处理，此时的钻杆钻铤为产品半成品。
S4，对产品半成品进行检验，具体包含：
S41，缺陷检查：通过人工观察，看激光相变强化的部位是否存在开裂、凹坑等缺陷，若有缺陷，当废品处理（一旦工作参数调整好，出现缺陷的概率很小）；
S42，硬度检查：对没有缺陷的产品半成品用硬度计检测其硬度，检测其硬度值是否符合要求（例对于材质为4145H的接头，激光淬火后硬度能达到HV630度左右，一般定标准为HV600以上为符合要求，而传统的热处理方法是达不到此要求的），不符合要求的产品半成品作废品处理（一旦设备工作参数调整好，出现缺陷的概率很小）。硬度计采用的是型号为TH110硬度计。
S43，变形量检查：对符合硬度要求的产品半成品用螺纹规检测（螺纹规采用常规的螺纹规），看变形量是否在要求范围内（这个范围对不同规格的产品有不同的指标，同样规格大小的接头，公接头和母接头的表述数字也不一样。举一个例子如下，对NC50-G105的公接头，激光相变强化前的紧密距控制范围为15.85-16.00mm之间，要求强化之后紧密距控制范围在15.78-16.16之间；对NC50-G105的母接头，激光相变强化前的紧密距控制范围为0.05-0.20之间，要求强化之后紧密距控制范围在0.02-0.27之间，这样的变形范围要求本发明用激光手段达到了，而传统的热处理方法是远远达不到的），另外对产品半成品的垂直度、锥度、螺距、齿高等的变形量指标均应在控制范围内。不符合要求的产品半成品作废品处理，符合要求的产品为LQAT钻杆钻铤接头。
至此，LQAT钻杆钻铤接头完成制造。
S5，对合格的LQAT钻杆钻铤接头产品进行包装打包：主要用木箱包装，适合于汽车装卸和运输。
本发明采用了激光相变强化工艺技术，对钻杆钻铤接头实施激光淬火，激光淬火之后的钻杆钻铤接头基体的柔韧性能不会遭到破坏，同时提高了接头螺纹表面的抗扭性能，且变形量小，抗扭力大幅提升，抗扭力比现有接头提高了55%。
本发明提供的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备参见图2，其包含：
清洁工具2，采用对钻杆钻铤接头毛坯的表面清洁的酒精和抹布。
激光热处理装置1，是对表面清洁后的毛坯进行激光相变强化处理的装置，其包含：
激光器12，是CO2激光器，其激光波长为10.6μm；
同步指示系统15，置于激光器12发出激光的光路上，其是一种发出一束红光的装置，发出的这束红光的路线和激光的路线完全一致，在激光的光路上安装该装置的作用是用来“对光”的，即在正式打开光闸使激光器12的激光照射到钻杆钻铤接头工件的工作点之前，先要用这束红光来校准激光的照射位置，以便激光器12的激光对准钻杆钻铤接头工件的工作点位置。
外光路系统16，是置于激光器12发出激光的光路上的数个透射镜与数个反射镜，激光经过外光路系统16的几次透射、反射、折射、聚焦后到达钻杆钻铤接头工件的工作点。
冷水机组13，是水冷却器，分别与激光器12及与外光路系统15连接（冷水机组13的冷水管连到激光器腔体里的散热器上对激光器进行散热冷却；冷水管还连到每一个透射镜、反射镜的镜座上，对各镜座进行散热冷却。）
数控加工机床14，其机床工作台卡盘上置放清洁后的毛坯，所述激光器的激光正对清洁后后的毛坯端部（激光热处理扫描从一个端部开始到另一端部）；
控制器11，其是一个数控系统，分别与所述激光器12，数控加工机床14连接，其控制数控加工机床14的机床工作台卡盘转速及机床X轴移动速度，控制激光器12的输出功率，另外，通过控制器11来打开或关闭激光器光闸，使激光器12产生的激光对清洁后的毛坯进行激光热处理，成为钻杆钻铤接头产品半成品；由于钻杆钻铤接头有公接头（螺纹在外）与母接头（螺纹在内）之分，控制器11控制两者在激光相变强化处理时的工作条件如下：激光淬火扫描光斑：公接头用2x15mm的宽光斑扫描（用积分镜调整光斑）；母接头直接采用Ф2-Ф2.5mm的圆光斑扫描；机床工作台上的卡盘转速：公接头用的转速500-550mm/分钟；母接头用的转速800-850mm/分钟。
检测工具3，包括：对产品半成品进行硬度检测的硬度计，本实施例采用的是型号为TH110的硬度计；对符合硬度要求的产品半成品检测变形量的螺纹规，合格的为LQAT钻杆钻铤接头产品。
打包装置4，采用木箱打包机，对LQAT钻杆钻铤接头产品进行包装打包。
图2中虚线所示的是产品生产流程中设备所属各装置或工具的使用状态示意线。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (8)
1.一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法，其特征在于包含以下步骤：
S1，选用产品毛坯：采用没有淬火的钻杆钻铤接头基体作为产品的毛坯；
S2，对毛坯表面擦拭清洁：
S3，对清洁后的毛坯进行激光相变强化处理，实施激光淬火，成为产品半成品，该步骤具体包含：
S31，将清洁后的毛坯安装在激光热处理装置的机床工作台上，用卡盘夹紧；
S32，用毛刷在即将实施激光淬火的螺纹部位涂抹一层吸光剂；
S33，启动激光热处理装置的激光器及机床工作台，对清洁后的毛坯进行激光相变强化处理，实施激光淬火；
激光相变强化处理的工作条件如下：
激光器工作功率：1480-1500W；
激光淬火扫描光斑：公接头用2x15mm的宽光斑扫描；母接头直接采用Ф2-Ф2.5mm的圆光斑扫描；
机床工作台上的卡盘转速：公接头用的转速为500-550mm/分钟；母接头用的转速为800-850mm/分钟；
公接头与母接头淬火前都无需预热，淬火后都无需冷却介质，自然冷却；
S34，激光淬火至淬火所需的全部区域范围，停止激光相变强化处理，此时的钻杆钻铤为产品半成品；
S4，对产品半成品进行检验，符合要求的为高抗扭型钻杆钻铤接头产品；
S5，对高抗扭型钻杆钻铤接头产品进行包装打包。
2.如权利要求1所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法，其特征在于：
所属毛坯采用4145H材料。
3.如权利要求1所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法，其特征在于：
所述步骤S2中采用酒精和抹布将要进行激光淬火的螺纹部位擦净。
4.如权利要求1所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法，其特征在于：
所述步骤S4包含：
S41，缺陷检查：人工观察激光相变强化的部位是否存在缺陷，若有缺陷，当废品处理；
S42，硬度检查：对没有缺陷的产品半成品用硬度计检测其硬度是否符合要求，不符合要求的作废品处理；
S43，变形量检查：对符合硬度要求的产品半成品用螺纹规检测其变形量是否在要求范围内，不符合要求的作废品处理，符合要求的产品为高抗扭型钻杆钻铤接头产品。
5.一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备，其特征在于包含：
清洁工具，采用对钻杆钻铤接头毛坯的表面清洁的酒精和抹布；
激光热处理装置，是对表面清洁后的毛坯进行激光相变强化处理的装置，其包含：
激光器，是CO2激光器，其激光波长为10.6μm，工作功率为1480-1500W；激光器工作功率：1480-1500W；激光淬火扫描光斑：公接头用2x15mm的宽光斑扫描，母接头直接采用Ф2-Ф2.5mm的圆光斑扫描；
数控加工机床，其机床工作台卡盘上置放车清洁后的毛坯，所述激光器发出的激光正对车削后的毛坯端部，机床工作台上的卡盘转速：公接头用的转速为500-550mm/分钟；母接头用的转速为800-850mm/分钟；
控制器，其是一个数控系统，分别与所述激光器，数控加工机床连接，使激光器产生的激光将清洁后的毛坯进行激光热处理，成为钻杆钻铤接头产品半成品；
检测工具，包括对产品半成品进行硬度检测的硬度计以及对符合硬度要求的产品半成品检测变形量的螺纹规，检测合格的为高抗扭型钻杆钻铤接头产品；
打包装置，采用木箱打包机，对高抗扭型钻杆钻铤接头产品进行包装打包。
6.如权利要求5所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备，其特征在于：
所述激光器发出激光的光路上，设有发出一束红光的同步指示系统，发出的这束红光的路线和激光的路线一致。
7.如权利要求5所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备，其特征在于：
所述激光器发出激光的光路上，设有外光路系统，外光路系统由数个透射镜与数个反射镜组成。
8.如权利要求7所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备，其特征在于：
所述激光器与外光路系统分别与一个冷水机组连接。
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