CN114278234A - 用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆及制备方法，包括外平式无磁钻杆，外平式无磁钻杆外表面固定有多条螺旋翼片，螺旋翼片之间形成槽；螺旋翼片的厚度为5～10mm。将外平式无磁钻杆安装在车床主轴上，将条状的螺旋翼片的一端焊接在外平式无磁钻杆上，螺旋翼片的另一端穿过翼片绕制工具，车床主轴旋转，螺旋翼片在翼片绕制工具的作用下，紧紧缠绕在外平式无磁钻杆上，绕制完成后将螺旋翼片点焊固定在外平式无磁钻杆上；螺旋翼片绕制完成后，采用焊接机器人和变位机系统完成螺旋翼片两侧的连续焊接。产生的煤粉与碎屑可以通过螺旋翼片搅起并快速排出孔内，不易发生钻头抱死、卡钻等孔内事故的发生，大大提高了钻进效率。

Description

用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆及制备方法

技术领域

本发明属于钻探机具技术领域，涉及高强不锈钢(无磁钢)材料，具体涉及一种用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆及制备方法。

背景技术

无磁钢钻杆主要用于煤矿井下定向孔钻进中测定孔的方位信息。其主要作用在于为磁性测量仪器提供一个无磁环境，确保磁性测量仪器能测量到真实、准确的大地磁场信息。无磁钢钻具需要为钻头传递扭矩，随着定向钻进技术的发展，煤矿井下瓦斯抽采孔孔深越来越大(2019年，中煤科工集团西安研究院有限公司创造了3353m的定向钻孔孔深世界纪录)，这就要求使用的钻机扭矩越来越大，进而钻具也需要承受更大的扭矩。

无磁钢钻杆前端的钻头钻削过程中产生的煤粉与碎屑会被挤压在钻头两侧，需要通过钻杆与孔之间的缝隙排出，随着钻进的不断深入，煤粉与碎屑大量产生，如果排屑不畅，煤粉与碎屑将会堆积在孔内并挤压钻杆，同时产生巨大摩擦力，极易出现钻头被卡死和抱钻的现象，甚至导致钻杆在巨大的扭矩作用下断裂，造成巨大的经济损失。

常规的无磁钢钻杆为外平式，由于其结构特点，其没有搅粉和排渣的功能，仅适用于地质条件较好的煤层钻孔施工，而对于松软煤层的钻孔施工，外平钻杆难以解决高效排粉问题。随着定向钻进技术的全面推广，无磁钢钻杆的使用范围越来越广，

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆及制备方法，解决现有技术中的外平式无磁钻杆排粉能力弱以及适应地层条件面窄的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆，包括外平式无磁钻杆，所述的外平式无磁钻杆外表面固定有多条螺旋翼片，螺旋翼片之间形成槽；

所述的螺旋翼片的厚度为5～10mm。

本发明还具有如下技术特征：

所述的螺旋翼片为1～3条。

所述的外平式无磁钻杆包括同轴依次设置的无磁公接头、无磁钻杆杆体和无磁母接头。

所述的外平式无磁钻杆为中空结构。

本发明还保护一种用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆的制备方法，该方法包括以下过程：

步骤一，通过摩擦焊接的方式将无磁公接头、无磁钻杆杆体和无磁母接头焊接在一起，形成外平式无磁钻杆；

步骤二，将外平式无磁钻杆安装在车床主轴上，将条状的螺旋翼片的一端焊接在外平式无磁钻杆上，螺旋翼片的另一端穿过翼片绕制工具，车床主轴旋转，螺旋翼片在翼片绕制工具的作用下，紧紧缠绕在外平式无磁钻杆上，绕制完成后将螺旋翼片点焊固定在外平式无磁钻杆上；

步骤三，螺旋翼片绕制完成后，采用焊接机器人和变位机系统完成螺旋翼片两侧的连续焊接。

优选的，步骤一中，所述的摩擦焊接采用连续驱动摩擦焊接与电场的复合的焊接方法，该方法中无磁公接头和无磁母接头与无磁钻杆杆体之间分别由摩擦焊接机床摩擦焊接完成；

在所述的无磁钻杆杆体上套装有环状电极，环状电极与高压恒压电源的负极电连接，无磁钻杆杆体与高压恒压电源的正极电连接，形成电场，无磁公接头或无磁母接头与无磁钻杆杆体的焊缝处移动至环状电极中，实现连续驱动摩擦焊接与电场的复合。

进一步的，所述的高压恒压电源的输出电压为可调直流电压或恒定直流电压。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的焊接螺旋式无磁钢钻杆，螺旋的无磁钢翼片连续，搅粉能力强，产生的煤粉与碎屑可以通过螺旋翼片搅起并快速排出孔内，不易发生钻头抱死、卡钻等孔内事故的发生，大大提高了钻进效率。

(Ⅱ)本发明的焊接螺旋式无磁钢钻杆，具有施工噪音低、成本低、成孔率高、孔壁稳定的特点。

(Ⅲ)本发明的焊接螺旋式无磁钢钻杆的杆体采用摩擦焊接工艺焊接而成，钻杆整体力学性能好，使用寿命长；

(Ⅳ)本发明的焊接螺旋式无磁钢钻杆制造工艺简单，自动化程度高，螺旋翼片螺距稳定，焊接质量高，可以大批量加工。

(Ⅴ)本发明的电场复合摩擦焊接方法突破传统连续驱动摩擦焊接工艺参数调控、前后热处理等工艺研究方法，在无磁钢连续驱动摩擦焊剪切带调控中，首次提出无磁钢电场复合连续驱动摩擦焊的新设计，以实现接头强度的提高。

(Ⅵ)本发明的电场复合摩擦焊接方法能够改善无磁钢连续驱动摩擦焊缝组织容易出现剪切带等缺陷的问题，从而提高无磁公接头和无磁母接头力学性能。

(Ⅶ)本发明的电场复合摩擦焊接方法能够打破制约煤矿井下超长定向钻孔、大直径定向长钻孔施工能力的瓶颈，增强煤矿安全高效生产。

(Ⅷ)本发明的电场复合摩擦焊接方法，与现有的连续驱动摩擦焊无磁钻杆制备方法相比，在附加电场后，对缺陷控制，存在以下几方面的优势：

(A)高密度电流促进位错运动、存储和位错湮灭，有利于其越过其滑移面上的短程障碍，促进位错参与塑性变形的全部过程，并转化为变形孪晶，提高硬化率降低剪切带的形成。

(B)本发明的摩擦焊方法中，电流密度增加了滑移的活跃程度，相邻晶粒内位移协调变得相对容易，使得剪切的过程由一种比较“刚性”的失稳剪切变为了有位错运动参与的相对柔性的剪切。这种转变很大程度上减少了局部应力集中和应变集中。

(C)本发明的摩擦焊方法中，降低焊缝温度，改变剪切带形成的宏观要素，降低致使累积应变值，降低发生的临界应变。

附图说明

图1是外平式无磁钻杆整体结构示意图。

图2是外平式无磁钻杆轴截面结构示意图。

图3是本发明的焊接螺旋式无磁钻杆的整体结构示意图。

图4是本发明的焊接螺旋式无磁钻杆的轴截面结构示意图。

图5是本发明的摩擦焊接完成后的无磁钻杆结构示意图。

图6是焊接螺旋式无磁钻杆的螺旋翼片绕制工艺示意图。

图7是焊接螺旋式无磁钻杆的螺旋翼片焊接工艺示意图。

图8是无磁钢连续驱动摩擦焊无磁钻杆制备方法示意图。

图9是无磁钢连续驱动摩擦焊缝组织示意图。

图10是无磁钢电场复合连续驱动摩擦焊无磁钻杆制备方法示意图。

图11是无磁钢电场复合连续驱动摩擦焊无磁钻杆制备原理示意图。

图中各个标号的含义为：1-外平式无磁钻杆，2-螺旋翼片，3-槽，4-车床，5-翼片绕制工具，6-焊接机器人，7-变位机系统，8-剪切带，9-摩擦焊接机床，10-环状电极，11-高压恒压电源；

101-无磁公接头，102-无磁钻杆杆体，103-无磁母接头。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

需要说明的是，本发明中的所有部件和设备，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的部件和设备。例如车床、翼片绕制工具、焊接机器人、变位机系统和摩擦焊接机床均为现有技术中已知的设备。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆，如图3至图4所示，包括外平式无磁钻杆1，外平式无磁钻杆1外表面固定有多条螺旋翼片2，螺旋翼片2之间形成槽3；

螺旋翼片2的厚度H为5～10mm。

作为本实施例的一种优选方案，螺旋翼片2为1～3条。

作为本实施例的一种优选方案，外平式无磁钻杆1包括同轴依次设置的无磁公接头101、无磁钻杆杆体102和无磁母接头103。

作为本实施例的一种优选方案，外平式无磁钻杆1为中空结构。

本实施例中，如图1和图2可见外平式无磁钻杆1表面光滑，无螺旋翼片2。

本实施例中，焊接螺旋式无磁钻杆的例如螺距等其他参数则根据不同规格型号钻杆或使用要求而定。

当焊接螺旋式无磁钢钻杆转动时，螺旋翼片2可以搅起钻头钻削时产生的煤粉与碎屑，使其不易堆积在底部，同时，由于煤粉与碎屑自身的重力及其与槽壁所产生的摩擦力，煤粉与碎屑会在螺旋翼片2的推送下沿着焊接螺旋式无磁钢钻杆的槽3底向前移动被排出。

实施例2：

本实施例给出一种用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆的制备方法，该方法包括以下过程：

步骤一，如图5所示，通过摩擦焊接的方式将无磁公接头101、无磁钻杆杆体102和无磁母接头103焊接在一起，形成外平式无磁钻杆1；

步骤二，如图6所示，将外平式无磁钻杆1安装在车床4主轴上，将条状的螺旋翼片2的一端焊接在外平式无磁钻杆1上，螺旋翼片2的另一端穿过翼片绕制工具5，车床4主轴旋转，螺旋翼片2在翼片绕制工具5的作用下，紧紧缠绕在外平式无磁钻杆1上，绕制完成后将螺旋翼片2点焊固定在外平式无磁钻杆1上；

步骤三，如图7所示，螺旋翼片2绕制完成后，采用焊接机器人6和变位机系统7完成螺旋翼片2两侧的连续焊接，制得如图3所示的用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆。

实施例3：

本实施例给出一种用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆的制备方法，该方法与实施例2基本相同，区别仅仅在于，步骤一中，本实施例中摩擦焊接采用连续驱动摩擦焊接与电场的复合的焊接方法，即如图10所示的方法。而实施例2中摩擦焊接采用单独的连续驱动摩擦焊接方法，即如图8所示的方法。

具体的，如图10和图11所示，摩擦焊接采用连续驱动摩擦焊接与电场的复合的焊接方法的具体过程为：该方法中无磁公接头101和无磁母接头103与无磁钻杆杆体102之间分别由摩擦焊接机床9摩擦焊接完成；

在无磁钻杆杆体102上套装有环状电极10，环状电极10与高压恒压电源11的负极电连接，无磁钻杆杆体102与高压恒压电源11的正极电连接，形成电场，无磁公接头101或无磁母接头103与无磁钻杆杆体102的焊缝处移动至环状电极10中，实现连续驱动摩擦焊接与电场的复合。

作为本实施例的一种优选方案，高压恒压电源11的输出电压为可调直流电压或恒定直流电压。

作为本实施例的一种优选方案，无磁钻杆杆体102与环状电极10之间是同轴套装设置。

本实施例中，如图9和图10所示，实施例2中，单独的连续驱动摩擦焊接方法，制得的外平式无磁钻杆1的焊缝内部有剪切带8等缺陷组织，会导致无磁钻杆焊缝强度的损伤。

Claims (7)

1.一种用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆，包括外平式无磁钻杆(1)，其特征在于，所述的外平式无磁钻杆(1)外表面固定有多条螺旋翼片(2)，螺旋翼片(2)之间形成槽(3)；

所述的螺旋翼片(2)的厚度(H)为5～10mm。

2.如权利要求1所述的用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆，其特征在于，所述的螺旋翼片(2)为1～3条。

3.如权利要求1所述的用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆，其特征在于，所述的外平式无磁钻杆(1)包括同轴依次设置的无磁公接头(101)、无磁钻杆杆体(102)和无磁母接头(103)。

4.如权利要求1所述的用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆，其特征在于，所述的外平式无磁钻杆(1)为中空结构。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆的制备方法，其特征在于，该方法包括以下过程：

步骤一，通过摩擦焊接的方式将无磁公接头(101)、无磁钻杆杆体(102)和无磁母接头(103)焊接在一起，形成外平式无磁钻杆(1)；

步骤二，将外平式无磁钻杆(1)安装在车床(4)主轴上，将条状的螺旋翼片(2)的一端焊接在外平式无磁钻杆(1)上，螺旋翼片(2)的另一端穿过翼片绕制工具(5)，车床(4)主轴旋转，螺旋翼片(2)在翼片绕制工具(5)的作用下，紧紧缠绕在外平式无磁钻杆(1)上，绕制完成后将螺旋翼片(2)点焊固定在外平式无磁钻杆(1)上；

步骤三，螺旋翼片(2)绕制完成后，采用焊接机器人(6)和变位机系统(7)完成螺旋翼片(2)两侧的连续焊接。

6.如权利要求5所述的用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆，其特征在于，步骤一中，所述的摩擦焊接采用连续驱动摩擦焊接与电场的复合的焊接方法，该方法中无磁公接头(101)和无磁母接头(103)与无磁钻杆杆体(102)之间分别由摩擦焊接机床(9)摩擦焊接完成；

在所述的无磁钻杆杆体(102)上套装有环状电极(10)，环状电极(10)与高压恒压电源(11)的负极电连接，无磁钻杆杆体(102)与高压恒压电源(11)的正极电连接，形成电场，无磁公接头(101)或无磁母接头(103)与无磁钻杆杆体(102)的焊缝处移动至环状电极(10)中，实现连续驱动摩擦焊接与电场的复合。

7.如权利要求6所述的用于煤矿坑道定向钻进用焊接螺旋式无磁钻杆的制备方法，其特征在于，所述的高压恒压电源(11)的输出电压为可调直流电压或恒定直流电压。

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