CN103143901A - 高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法，包括以下步骤：1）焊前处理、2）主体整形、3）摩擦焊接、4）焊缝的再处理。本发明，通过摩擦焊接，保证了三棱钻杆的同心度和直线度，去除了手工电焊必须在焊缝中所填充的焊材，并且消除了焊缝处容易存在的气孔的现象，提高了三棱钻杆的强度，并使生产效率提升了15倍，节约了生产成本，减少了工人的劳动强度，而且消除了手工电焊带来的环境污染和对操作工人健康的伤害。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的制造工艺，特别涉及异型类三棱状材料与常规圆柱型圆环状材料的摩擦焊接方式。
背景技术
传统的三棱钻杆的制造方法是将钻杆接头的一部分在铣床上加工成端面为三角形的柱状结构，具体尺寸结合三棱型主体的内壁，将钻杆接头置于三棱型主体内，使用钻床在结合部打孔，孔中插入销子后进行手工电焊固定并焊接，最后利用铣床将接头处处理成与杆体一致的三棱状结构，这种加工方式必须使用到焊材，焊材的材质与杆体和接头的材质不同，影响钻杆整体结构的力学性能，在焊缝处还会产生气孔，最终对钻杆成品的强度造成很大影响，而且在生产过程中也造成极大的不便，费工费时费力，污染环境，影响操作工人的身体健康。由于焊接方式的落后，这种普通的三棱钻杆在矿井的打钻过程中，焊缝处非常容易出现漏风漏水现象，并在接下来的钻探过程中造成焊缝处断裂，从而引起掉钻，造成打捞作业非常困难，而且废孔率很高，对施工进度造成严重的影响。
发明内容
针对以上不足，本发明的目的在于提供一种高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法，是将三棱钻杆的主体采用摩擦焊接技术与二端钻杆接头连接，保证了三棱钻杆的强度要求，又保证了三棱钻杆的同心度和直线度，产品质量得到极大提高。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的：高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法，包括以下步骤：1）焊前处理、2）、主体整形、3）摩擦焊接、4）焊缝的再处理，其特征在于：
1）、焊前处理：高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆，由三棱状的钻杆主体、二端钻杆接头组成，钻杆体内设有送风孔，首先将钻杆主体和二端钻杆接头的端面车削，除去焊接端面的锈斑和油污,使钻杆主体与钻杆接头的焊接端面和钻杆中心轴线垂直，公差为≤0.5mm；并将钻杆接头进行调质处理后备用；
所述的调质处理是将材质为42CrMo的钻杆接头在调质炉内升温至830℃～850℃，恒温1.5小时，由介质油淬火至HRC55～60，待冷却后再将其升温至600℃～630℃，恒温3小时回火，调质至HRC32～36；
2）、主体整形：包括钻杆主体压孔、钻杆主体扩孔和钻杆主体整形三个阶段；
（1）、压孔阶段：使用V型工装将经过焊前处理的钻杆主体固定在液压压孔设备上，在接近钻杆主体端面30mm处使用高频加热器加热30秒，使其升温至750℃～800℃，用模具Ⅰ进行压孔作业，使钻杆主体一端形成直径为Φ65mm的圆柱，成型后取下自然冷却至常温备用；
（2）、扩孔阶段：使用V型工装将经过压孔处理的钻杆主体固定在液压扩孔设备上，在接近钻杆主体端面30mm处使用高频加热器加热30秒，使其升温至750℃～800℃，用模具Ⅱ进行扩孔，使钻杆主体一端孔径缩小至Φ48mm，成型后取下自然冷却至常温备用；
（3）、整形阶段：使用V型工装将经过扩孔处理的钻杆主体固定在液压整形设备上，在接近钻杆主体端面30mm处使用高频加热器加热30秒，使其升温至750℃～800℃，用模具Ⅲ进行整形，直至钻杆主体一端形成直径为Φ64mm，孔径为Φ49mm的圆柱型圆环状结构，最终达到摩擦焊接要求的精确尺寸；
同理，三棱钻杆主体的另一端也采用同样的方式进行压孔扩孔和整形；
所述的V型工装是由两组卡块组成，每组卡块由两块不同形状的卡块组成，一块是平面，与钻杆主体的接触面压紧，另一块是V形凹槽，与钻杆主体的另外二个面接触，凹槽的底角为60°，凹槽走向与杆体方向一致，V型工装固定在特制的液压压孔、扩孔和整形设备以及摩擦焊机上，并分别与各自机体的液压系统相连，通过液压作用力收紧夹具将钻杆主体固定在移动拖板上，并在移动拖板尾部加上固定装置，防止在各阶段操作过程中因顶锻力过大而造成钻杆主体向后方滑移；
3）、摩擦焊接：将经过调质处理后的钻杆接头固定在摩擦焊机主轴孔的旋转液压卡盘中，将经过压孔扩孔整形处理后的钻杆主体用V型工装固定在摩擦焊机的移动拖板上；启动摩擦焊机，液压卡盘收紧钻杆接头后将置于空转状态，利用百分表调整V型工装位置，校正钻杆接头与钻杆主体的同心度和直线度，使同心度公差≤0.20mm，使直线度公差≤0.50mm/m；符合要求后启动操作按钮，进行自动摩擦焊接；同理，三棱钻杆主体的另一端也采用相同的方式与对应的钻杆接头进行摩擦焊接。
4）、焊缝的再处理：待摩擦焊接完毕的成型钻杆自然冷却后，利用高频加热器在摩擦焊接焊缝处加热18-20秒，使其升温至650℃～700℃，进行去应力退火，自然冷却后再将焊接部位突出的部分进行车削加工，消除出现的台肩或凹凸，使钻杆整体光滑。
本发明，通过摩擦焊接，保证了三棱钻杆的同心度和直线度，在考虑排渣的情况下，钻杆丝扣的直径最大化，去除了手工电焊必须在焊缝中所填充的焊材，并且消除了焊缝处容易存在的气孔的现象，提高了三棱钻杆的强度，并使生产效率提升了15倍，节约了生产成本，减少了工人的劳动强度，而且消除了手工电焊带来的环境污染和对操作工人健康的伤害。
附图说明
图1是钻杆整体结构示意图。
图2是图1钻杆主体的A-A截面图。
图3是钻杆公接头示意图。
图4是钻杆母接头示意图。
图5是钻杆主体装夹V型工装示意图。
图6是钻杆主体压孔阶段装夹示意图。
图7是钻杆主体扩孔阶段装夹示意图。
图8是钻杆主体整形阶段装夹示意图。
具体实施方式
由图1、图2、图3、图4知，高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆，由三棱状的钻杆主体2、二端钻杆接头组成，钻杆体内设有送风孔，所述的二端钻杆接头分为公钻杆接头1和母钻杆接头3，钻杆主体2的横截面为三棱状。
钻杆主体2和二端钻杆接头的焊接方法包括以下步骤：
1、焊前处理：车削钻杆主体和二端钻杆接头的焊接端面，除去锈斑油污。钻杆接头焊前处理，车削钻杆接头焊接端面，在确定好长度的情况下除去端面的锈斑和油污，，使钻杆接头的中心轴线与焊接端面垂直，斜度公差为≤0.5mm；钻杆主体的材质为R780，在焊前处理前车削钻杆主体焊接端面，在确定好长度的情况下除去端面的锈斑和油污，使钻杆主体的中心轴线与焊接端面垂直，斜度公差为≤0.5mm 。将钻杆接头进行调质处理，调质处理是将材质为42CrMo的钻杆接头在调质炉内升温至830℃～850℃，恒温1.5小时，由介质油淬火至HRC55～60，待冷却后再将其升温至600℃～630℃，恒温3小时回火，调质至HRC32～36。
2、主体整形：钻杆主体压孔、扩孔和整形。将钻杆主体2固定在液压压孔设备上，由图5知，是钻杆主体装夹V型工装示意图。用V型工装定位，所述的V型工装是由两组卡块组成，每组卡块由两块不同形状的卡块组成，一块是平面5-1，与钻杆主体2的接触面压紧，另一块是V形凹槽5-2，与钻杆主体的另外二个面接触，凹槽的底角为60°，凹槽走向与杆体方向一致，V型工装压紧后在接近钻杆主体2端面30mm处使用高频加热器加热约30秒，使其升温至750℃～800℃，在液压压孔设备上用模具Ⅰ4-1（由图6知）进行压孔作业，使粗加工后钻杆主体一端形成直径为Φ65mm的圆柱型结构，成型后取下自然冷却至常温备用；将经过压孔处理的钻杆主体2固定在液压扩孔设备上，再使用高频加热器加热约30秒，使其升温至750℃～800℃，在液压扩孔设备上用模具Ⅱ4-2（由图7知）进行扩孔作业，使钻杆主体一端形成孔径为Φ48mm的圆柱型圆环状结构，成型后可以达到粗加工所具备的尺寸，取下自然冷却至常温备用；将经过扩孔处理的钻杆主体2固定在液压整形设备上再加热至750℃～800℃，在液压整形设备上用模具Ⅲ4-3（由图8知）进行整形，使钻杆主体一端形成直径为Φ64mm，孔径为Φ49mm的圆柱型圆环状结构，最终达到摩擦焊接要求的精确尺寸；三棱钻杆主体的另一端也采用同样的方式进行压孔扩孔和整形；这三种针对钻杆主体的设备均加装一套V型工装，分别与各自机体的液压系统相连，通过液压作用力收紧夹具将钻杆主体固定在移动拖板上，并在移动拖板尾部加上固定装置，防止在各阶段操作过程中因顶锻力过大而造成钻杆主体向后方滑移。
3、摩擦焊接：将经过调质处理后的钻杆接头固定在摩擦焊机主轴孔的旋转液压卡盘中，钻杆接头材质为42CrMo，钻杆接头在炉内升温至830℃～850℃，恒温1.5小时，由介质油淬火至HRC55～60，待冷却后再将其升温至600℃～630℃，恒温3小时回火，调质至HRC32～36；将经过压孔扩孔整形处理后的钻杆主体用V型工装固定在摩擦焊机的移动拖板上；启动摩擦焊机，液压卡盘收紧钻杆接头后将置于空转状态，利用百分表调整V型工装位置，校正钻杆接头与钻杆主体的同心度和直线度，使同心度公差≤0.20mm，使直线度公差≤0.50mm/m；符合要求后启动操作按钮，进行自动摩擦焊接；同理，三棱钻杆主体的另一端也采用相同的方式与对应的钻杆接头进行摩擦焊接；钻杆主体属于异型三棱状结构，在进行摩擦焊接时，移动卡盘夹紧后不易自动定心，且在摩擦焊接的顶锻过程中，极易产生滑移现象，出现这种情况，会造成接头和杆体在对接过程中受到的顶锻力不足，从而对焊缝的强度产生影响，造成相应的质量问题。V型工装固定在摩擦焊机的移动拖板上，并与机体的液压系统相连，通过液压作用力收紧夹具将钻杆主体固定在移动拖板上，并在移动拖板尾部加上固定装置，防止因顶锻力过大而造成钻杆主体向后方滑移；
4、焊缝的再处理：待摩擦焊接完毕的成型钻杆自然冷却后，利用高频加热器在摩擦焊接焊缝处加热18-20秒，使其升温至650℃～700℃，进行去应力退火，自然冷却后再将焊接部位突出的部分进行车削加工，消除出现的台肩或凹凸，使钻杆整体流畅光滑。
本发明与普通的手工焊接三棱钻杆同时进行了拉力和扭矩的破坏性试验，具体的数据对比，见下表：
| 产品 | 扭矩 Nm | 拉力KN | 备注 |
| 普通三棱钻杆 | 5500 | 450 | 63.5丝扣 |
| 高强三棱钻杆 | 7200 | 610 | 63.5丝扣 |
综上所述，本发明涉及的高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法，与普通三棱钻杆只能通过手工电焊进行焊接的传统方式对比，焊接方式更加合理，增加了钻杆焊缝的强度，提升的产品的质量，使其能广泛地使用在各种地质条件恶劣的工作面上，提升了钻进效率，同时本发明减轻了生产企业工人的劳动强度，提高了生产制造的效率并降低了生产成本，提升了生产企业的经济效益。另外，本发明改良的焊接模式对比传统的焊接模式对环境的影响大大降低。
Claims (6)
1.高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法，包括以下步骤：1）焊前处理、2）、主体整形、3）摩擦焊接、4）焊缝的再处理，其特征在于：
1）、焊前处理：高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆，由三棱状的钻杆主体（2）、二端钻杆接头组成，钻杆体内设有送风孔，所述的二端钻杆接头分为公钻杆接头（1）和母钻杆接头（3），钻杆主体（2）的横截面为三棱状首先将钻杆主体和二端钻杆接头的端面车削，除去焊接端面的锈斑和油污,使钻杆主体与钻杆接头的焊接端面和钻杆中心轴线垂直，公差为≤0.5mm；并将钻杆接头进行调质处理后备用；
2）、主体整形：包括钻杆主体压孔、钻杆主体扩孔和钻杆主体整形三个阶段；
（1）、压孔阶段：使用V型工装将经过焊前处理的钻杆主体固定在液压压孔设备上，在接近钻杆主体端面30mm处使用高频加热器加热30秒，使其升温至750℃～800℃，用模具Ⅰ（4-1）进行压孔作业，使钻杆主体一端形成直径为Φ65mm的圆柱，成型后取下自然冷却至常温备用；
（2）、扩孔阶段：使用V型工装将经过压孔处理的钻杆主体固定在液压扩孔设备上，在接近钻杆主体端面30mm处使用高频加热器加热30秒，使其升温至750℃～800℃，用模具Ⅱ（4-2）进行扩孔，使钻杆主体一端孔径缩小至Φ48mm，成型后取下自然冷却至常温备用；
（3）、整形阶段：使用V型工装将经过扩孔处理的钻杆主体固定在液压整形设备上，在接近钻杆主体端面30mm处使用高频加热器加热30秒，使其升温至750℃～800℃，用模具Ⅲ（4-3）进行整形，直至钻杆主体一端形成直径为Φ64mm，孔径为Φ49mm的圆柱型圆环状结构，最终达到摩擦焊接要求的精确尺寸；同理，三棱钻杆主体的另一端也采用同样的方式进行压孔扩孔和整形；
3）、摩擦焊接：将经过调质处理后的钻杆接头固定在摩擦焊机主轴孔的旋转液压卡盘中，将经过压孔扩孔整形处理后的钻杆主体用V型工装固定在摩擦焊机的移动拖板上；启动摩擦焊机，液压卡盘收紧钻杆接头后将置于空转状态，利用百分表调整V型工装位置，校正钻杆接头与钻杆主体的同心度和直线度，使同心度公差≤0.20mm，使直线度公差≤0.50mm/m；符合要求后启动操作按钮，进行自动摩擦焊接；同理，三棱钻杆主体的另一端也采用相同的方式与对应的钻杆接头进行摩擦焊接；
4）、焊缝的再处理：待摩擦焊接完毕的成型钻杆自然冷却后，利用高频加热器在摩擦焊接焊缝处加热18-20秒，使其升温至650℃～700℃，进行去应力退火，自然冷却后再将焊接部位突出的部分进行车削加工，消除出现的台肩或凹凸，使钻杆整体光滑。
2.根据权利要求1所述的高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法，其特征在于：所述的步骤1）焊前处理中的所述的调质处理是将材质为42CrMo的钻杆接头在调质炉内升温至830℃～850℃，恒温1.5小时，由介质油淬火至HRC55～60，待冷却后再将其升温至600℃～630℃，恒温3小时回火，调质至HRC32～36。
3.根据权利要求1所述的高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法，其特征在于：所述的步骤2）、步骤3）中的V型工装是由两组卡块组成，每组卡块由两块不同形状的卡块组成，一块是平面（5-1），与钻杆主体的接触面压紧，另一块是V形凹槽（5-2），与钻杆主体的另外二个面接触，凹槽的底角为60°，凹槽走向与杆体方向一致，V型工装固定在特制的液压压孔、扩孔和整形设备以及摩擦焊机上，并分别与各自机体的液压系统相连，通过液压作用力收紧夹具将钻杆主体固定在移动拖板上，并在移动拖板尾部加上固定装置，防止在各阶段操作过程中因顶锻力过大而造成钻杆主体向后方滑移。
4.根据权利要求1所述的高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法，其特征在于：所述的步骤2）中的工装模具Ⅰ（4-1）为一个类卡盘式结构，端面中央有一个30mm深的圆柱型的孔，孔径为Φ65mm。
5.根据权利要求1所述的高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法，其特征在于：所述的步骤2）中的工装模具Ⅱ（4-2）是一个类卡盘式结构，端面中央有一个30mm深的圆柱型圆环状的孔，圆环状的孔外径为Φ75mm、内径为Φ48mm。
6.根据权利要求1所述的高强度煤层抽采瓦斯用三棱型钻杆的焊接方法，其特征在于：所述的步骤2）中的工装模具Ⅲ（4-3）是一个类卡盘式结构，端面中央有一个30mm深的圆柱型圆环状的孔，圆环状的孔外径为Φ64mm、内径为Φ49mm，与钻杆主体圆环状端面和接头圆环状端面一致。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |