专利名称：一种石油钻杆接头、钻杆及惯性摩擦焊接工艺和工装的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油钻杆制造技术领域，特别涉及一种石油钻杆接头、钻杆以及惯性摩擦焊接工艺和工装。
背景技术：
早期石油钻杆接头与管体之间的对焊为电弧焊、闪光对焊，这种焊接形式存在很多问题，如焊接质量差，焊接过程不稳定，效率低、劳动强度大。当今逐步发展到连续驱动摩擦焊接及惯性摩擦焊接，钻杆对焊的生产效率越来越高，焊缝的质量也越来越好。目前， 惯性摩擦焊接方法是最可靠的钻杆对焊方法，但是在摩擦焊接工艺中也存在一些问题，主要表现在①焊接完成后焊缝飞边处理上，内飞边采用车削，效率低；②加工外飞边后容易出现凹凸不平的台肩和凹坑；③焊接内外螺纹接头时要用不同的定位块，增加了更换工装的频率，效率低、劳动强度大等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于针对现有石油钻杆摩擦焊接工艺中所存在的加工外飞边后容易出现凹凸不平的台肩和凹坑的问题而提供一种石油钻杆接头，该石油钻杆接头与钻杆摩擦焊接加工外飞边后，其焊接处不会存在凹凸不平的台肩和凹坑。本发明所要解决的技术问题之二在于针对现有石油钻杆摩擦焊接工艺中所存在的加工外飞边后容易出现凹凸不平的台肩和凹坑的问题而提供一种石油钻杆，该石油钻杆与钻杆接头摩擦焊接加工外飞边后，其焊接处不会存在凹凸不平的台肩和凹坑。本发明所要解决的技术问题之三在于针对现有石油钻杆摩擦焊接工艺中所存在的问题而提供一种石油钻杆惯性摩擦焊接工艺。本发明所要解决的技术问题之四在于针对现有石油钻杆摩擦焊接工艺中所存在的问题而提供一种用以对钻杆接头进行轴向定位且冲切焊接内飞边的工装。作为本发明第一方面的钻杆接头，包括中空的接头本体，所述接头本体的一端为与钻杆摩擦焊接的焊接端，其特征在于，所述焊接端为由内、外两段组成，外段与钻杆焊接连接，所述内段的直径等于钻杆成品焊径直经，外段直径大于内段直径，且外段与内段之间通过倒角过渡。所述倒角为15°。所述外段的长度为15mm。作为本发明第一方面的石油钻杆，包括中空的钻杆本体，所述钻杆本体的两端为与钻杆摩擦焊接的焊接端，其特征在于，所述焊接端为由内、外两段组成，外段与钻杆接头焊接连接，所述内段的直径等于钻杆成品焊径直经，外段直径大于内段直径，且外段与内段之间通过倒角过渡。所述倒角为15°。所述外段的长度为15mm。
作为本发明第二方面的摩擦焊接工艺，包括如下步骤(1)接头焊前预处理用车床将要进行配焊的钻杆接头焊接端的端面进行车削，以去除端面上的锈迹和污染物；(2)钻杆焊前预处理用车床对钻杆焊接端的端面进行车削，以去除端面上的锈迹和污染物；(3)在惯性摩擦焊机上装夹钻杆接头和钻杆a、通过接头夹块在拉紧缸的作用下将钻杆接头紧紧地夹持在随主轴同步旋转的接头夹紧盘上，并采用安装在惯性摩擦焊机上且随主轴转动的导向套和定位块进行轴向定位，同时将滑动设置在导向套内的冲杆端部的冲头插入到钻杆接头的内孔中；b、采用钻杆夹块将钻杆紧紧地夹持在焊接小车上并在焊接小车的带动下到达预顶锻位置；(4)钻杆接头与钻杆摩擦焊接液压马达启动主轴，通过接头夹紧盘带动钻杆接头旋转，当主轴的转速达到预定值时，将液压马达与主轴脱开；之后，焊接小车在液压的驱动下，带动钻杆向钻杆接头方向直线移动，这时钻杆不转动；通过焊机液压系统产生的顶锻压力将钻杆焊接端的端面紧紧地压在钻杆接头焊接端的端面上，使之产生大量的摩擦热，所述摩擦热热量使得钻杆接头与钻杆之间的焊接面上的金属迅速升温并塑性化，然后在顶锻压力的作用下被挤出焊接面，使钻杆接头与钻杆并形成为内、外飞边；当主轴中贮存的能量消耗完后，主轴停止转动；(5)去除内飞边在主轴停止转动^后，冲杆带着冲头在剪切缸的作用下，由导向套导引，向前快速移动冲掉焊接形成的内飞边，然后冲杆带动冲头在剪切缸的作用下回到原位；(6)拆卸工件在内飞边被冲掉后，卸掉焊机液压系统产生的顶锻压力，松开接头夹紧盘上的接头夹块和钻杆夹块，取下焊接好的工件，完成一次焊接；再按上述步骤C3)、(4)、(5)、(6)完成二次焊接，二次焊接好以后上车床车去外飞边得石油钻杆成品。在所述步骤(1)中，在钻杆接头远离焊接端的端部进行压印，注明焊接日期及生产厂家的名称。作为本发明第四方面的一种用以对钻杆接头进行轴向定位且冲切焊接内飞边的工装，包括安装在惯性摩擦焊机上且随主轴转动的导向套和滑动穿过所述导向套内的导向孔的冲杆，所述导向套面向钻杆接头的那一面为对钻杆接头轴向定位的第一定位面；所述钻杆的一端设置有插入所述钻杆接头内孔中的冲头，钻杆的另一端与惯性摩擦焊机上的剪切缸连接并受剪切缸的驱动进行直线运动。所述导向套远离钻杆接头的那一面通过加长套与惯性摩擦焊机的主轴连接，所述导向套与所述加长套以及加长套与所述主轴之间均采用圆键定位连接。在所述导向套的导向孔内设置有防尘圈，以防止灰尘或杂物进入所述的拉紧缸内。所述导向套面向钻杆接头的那一面安装有一定位块，定位块和导向套一起通过紧固件安装在惯性摩擦焊机的主轴上；所述定位块的中心具有一个穿孔，以便于所述冲杆穿过所述定位块而插入到钻杆接头的内孔中，在所述穿孔靠近钻杆接头的那一端设置有倒角，该倒角构成对钻杆接头轴向定位的第二定位面。本发明与其他焊接方法相比，具有以下优点(1)焊接速度快，焊接热影响区窄，晶粒不容易长大；普通弧焊方式则容易产生宽大的热影响区及晶粒长大现象。(2)焊接过程中基本上不会产生焊接灰斑；闪光对焊方法较容易产生焊接灰斑而
严重影响焊缝质量。(3)焊接过程中由于基本上不用刹车，因此本发明要比连续驱动摩擦焊接方法更节约能量。(4)与连续驱动摩擦焊接方法相比，本发明的焊接时间大约是前者的一半，生产效率可大大提高。(5)焊机的参数监控系统使得焊接缩短量的检测更加准确，并判断其是否达到设定标准。如果未达到，系统则产生报警信号。通过这种方法可以大大提高焊缝焊合的可靠性。(6)对焊接过程的全面监视，由计算机系统实时记录下焊接过程的主轴转速-时间曲线、顶锻压力-时间曲线及焊接缩短量-时间曲线，并将这些数据保存在计算机硬盘上，随时备查询。(7)在焊接前可以在钻杆接头根部打成品印记，与加工完成品后再打印记相比有很多优点，首先接头比钻杆成品小巧轻便很多在打印记时比较容易操作，另外接头比钻杆成品更容易流转，避免生产现场的混乱，减小劳动强度。(7)焊径形式变成台肩以后，不但依然能保证焊接的质量，而且焊径已加工到尺寸所以在焊接完成后车削外圆飞边时，消除了焊径表面出现凹凸不平的缺陷，使加工表面更加平整，表面质量得到提高，同时也减少了劳动强度，大大提高生产效率。(8)通过对工装的设计能加工规格为23/8" 51/2"的钻杆，工装的系列化，使得在进行生产时，更换工装变的简单化，操作工很容易掌握，劳动强度小，工作效率高。(9)该工艺的实施使得焊接质量和稳定性大大提高，单台设备每年钻杆的产量可以达到1万吨以上。
图1为本发明石油钻杆成品示意图。
图2为本发明的钻杆公接头的结构示意图。
图3为本发明的钻杆母接头的结构示意图。
图4为本发明钻杆的结构示意图。
图5为本发明的钻杆公接头焊接端平端面的示意图。
图6为本发明的钻杆母接头焊接端平端面的示意图。
图7为现有钻杆母接头的结构示意图。
图8为本发明焊接端重新进行设计后的钻杆母接头的结构示意图。
图9为本发明的钻杆焊接端平端面的示意图。
图10为本发明钻杆母接头装夹示意图。图11为本发明钻杆公接头装夹示意图。图12为本发明定位块的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
来详细说明本发明。下面的具体实施方式
仅以5" 石油钻杆为例予以说明，但是本发明还可以用来制造加工2 3/8" 5 1/2"规格的标准钻杆。参看图1，整个石油钻杆由钻杆100和焊接在钻杆100两端的钻杆公接头200、钻杆母接头300焊接而成，图中400为钻杆公接头200与钻杆100之间的焊缝，500为钻杆母接头300与钻杆100之间的焊缝。整个石油钻杆的长度为8000-10000mm。参见图2，钻杆公接头200包括一个中空的接头本体210，接头本体210的一端设置有外锥螺纹220，另一端为与钻杆100焊接的焊接端230。参见图3，钻杆母接头300包括一个中空的接头本体310，接头本体310的一端设置有内锥螺纹320，另一端为与钻杆100焊接的焊接端330。参见图4，钻杆100为一管件，其两端分别为与钻杆公接头200和钻杆母接头300 焊接的焊接端110、120。本发明的钻杆公接头200、钻杆母接头300和钻杆100的结构与现有的钻杆公接头、钻杆母接头和钻杆结构有所不同，其改进之处在于焊接端230、330、110、120，下面就钻杆母接头300的焊接端330来说明本发明对钻杆公接头200、钻杆母接头300和钻杆100的焊接端230、330、110、120的改进。参见图5，现有的钻杆母接头300’，其焊接端330’为一直径为132mm的圆柱结构， 长度为40mm。参见图6，本发明的钻杆母接头300的焊接端330改为由内、外两段331、332 组成，内、外两段331、332均为圆柱形，但是外段32直径为132mm，长度为15mm，内段331直径等于钻杆成品焊径直经，为130mm，这样焊接段330就形成一台阶轴状，且外段332与内段 331之间通过15°倒角333过渡，以防止产生应力集中。焊接端330的外段332与钻杆焊接连接。钻杆公接头200的焊接段230和钻杆100两端的焊接端110、120的改进同钻杆母接头300的焊接端330的改进，在此不再作详细描述。通过对焊接端的改进，不但依然能保证焊接的质量，而且焊径已加工到尺寸，所以在焊接完成后车削外圆飞边时，消除了焊径表面出现凹凸不平的缺陷，使加工表面更加平整，表面质量得到提高，同时也减少了劳动强度，大大提高生产效率。本发明的摩擦焊接工艺是在美国MTI公司的320BX惯性摩擦焊机上实现的，当然也不局限于该惯性摩擦焊机。该摩擦焊接工艺的具体步骤如下(1)接头焊前预处理为了保证焊缝的纯净，钻杆接头必须经过预处理后才可以与预处理后的钻杆进行配焊。预处理的内容包括参见图7和图8，用车床将要进行配焊的钻杆公接头200的焊接端230的端面234 和钻杆母接头300的焊接端330的端面334进行车削，以去除端面上的锈迹和污染物；同时必须在钻杆公接头300的外锥螺纹220的根部进行压印，注明焊接的年份、月份、钢级及生产厂家的名称。(2)钻杆焊前预处理参见图9，用车床对钻杆100的焊接端110、120的端面112、122进行车削，以去除端面上的氧化铁皮，确保对焊表面干净，外段111、121外径与钻杆公接头、钻杆母接头的焊接端的外段焊径一致；(3)在惯性摩擦焊机上装夹钻杆母接头和钻杆a、参见图10，首先在惯性摩擦焊机装配用以对钻杆母接头300进行轴向定位且冲切焊接内飞边的工装，具体安装方式是将工装中的导向套710的台阶面与主轴620的定位面621压紧，再将定位块720与导向套710 —起用螺栓730安装在主轴620上，同时在主轴 620的定位面622与导向套710之间加装一加长套730，加长套730主要起填塞压紧的作用， 它一端与主轴620的定位面622压紧用圆键定位，另一端与导向套710压紧用圆键定位，不需要螺栓连接。在导向套710内设置有导向孔712，主要对冲杆740起导向作用，在导向孔712内镶有防尘圈712a，防止灰尘或杂物进入拉紧缸。参见图12，定位块720的中心具有一个穿孔721，以便于冲杆740穿过定位块720， 在穿孔721靠近钻杆母接头300的那一端设置有45°倒角721a，该倒角721a构成对钻杆母接头300轴向定位的定位面，该定位面对钻杆母接头300定位后，可以防止钻杆母接头300
轴向窜动。最后将冲杆740穿过加长套730、导向套710的导向孔712、定位块720的穿孔 721，冲杆740带螺纹741的一端与惯性摩擦焊机上的剪切缸(图中未示出)连接，另一端通过螺栓743连接有冲头742。冲头742的直径比钻杆母接头300和钻杆100的内孔直径小0. 5mm，这样能很容易冲切掉内飞边，不再需要车削，只需进行简单的修磨。在装配好上述工装后，钻杆母接头300放置在随主轴620同步旋转的接头夹紧盘 630上的六瓣结构的接头夹块610之间，同时使钻杆母接头300具有内锥螺纹320那一端的端部顶在定位块720的倒角721a构成的定位面上，并使冲杆740上的冲头742插入到钻杆母接头300的内孔中。装夹钻杆母接头300时，要保证钻杆母接头300的焊接端330的端面334伸出接头夹紧盘630的长度在90 105mm范围内。启动拉紧缸，在拉紧缸的作用下，六瓣结构的接头夹块610之间的间隙由3mm逐渐变小，接头夹块610内径逐渐减小，从而紧紧夹住钻杆母接头300。b、采用钻杆夹块将钻杆紧紧地夹持在焊接小车上并在焊接小车的带动下到达预顶锻位置(图中未示出，与现有技术一样)；(4)钻杆母接头与钻杆摩擦焊接液压马达启动主轴620，通过接头夹紧盘610带动钻杆母接头300旋转，当主轴的转速达到预定值时，将液压马达与主轴脱开；之后，焊接小车在液压的驱动下，带动钻杆向钻杆母接头300方向直线移动，这时钻杆不转动；通过焊机液压系统产生的顶锻压力将钻杆焊接端的端面紧紧地压在钻杆母接头300的焊接端330的端面上，使之产生大量的摩擦热，摩擦热热量使得钻杆母接头300与钻杆之间的焊接面上的金属迅速升温并塑性化，然后在顶锻压力的作用下被挤出焊接面，使钻杆母接头300与钻杆并形成为内、外飞边；当主轴中贮存的能量消耗完后，主轴停止转动；(5)去除内飞边在主轴620停止转动k后，冲杆740带着冲头742在剪切缸的作用下，由导向套 710导引，向前快速移动冲掉焊接形成的内飞边，然后冲杆740带动冲头742在剪切缸的作用下回到原位；(6)拆卸工件在内飞边被冲掉后，主轴620停止转动1 后，卸掉焊机液压系统产生的顶锻压力，松开接头夹紧盘630上的接头夹块610和钻杆夹块，取下焊接有钻杆母接头300的钻杆 100，完成一次焊接。(7)在惯性摩擦焊机上装夹钻杆公接头和钻杆a、参见图11，将钻杆公接头200放置在随主轴620同步旋转的接头夹紧盘630上的六瓣结构的接头夹块610之间，同时使钻杆公接头200具有外锥螺纹220那一端的端部顶在导向套710与定位块720接触的那一面713上，并使冲杆740上的冲头742插入到钻杆公接头200的内孔中。装夹钻杆公接头200时，要保证钻杆公接头200的焊接端230的端面234伸出接头夹紧盘630的长度在90 105mm范围内。启动拉紧缸，在拉紧缸的作用下，六瓣结构的接头夹块610之间的间隙由3mm逐渐变小，接头夹块610内径逐渐减小，从而紧紧夹住钻杆公接头200。b、将焊接有钻杆母接头300的钻杆100掉头，采用钻杆夹块将钻杆紧紧地夹持在焊接小车上并在焊接小车的带动下到达预顶锻位置(图中未示出，与现有技术一样)；(4)钻杆公接头与钻杆摩擦焊接液压马达启动主轴620，通过接头夹紧盘610带动钻杆公接头200旋转，当主轴的转速达到预定值时，将液压马达与主轴脱开；之后，焊接小车在液压的驱动下，带动钻杆向钻杆公接头200方向直线移动，这时钻杆不转动；通过焊机液压系统产生的顶锻压力将钻杆焊接端的端面紧紧地压在钻杆公接头200的焊接端230的端面上，使之产生大量的摩擦热，摩擦热热量使得钻杆公接头200与钻杆之间的焊接面上的金属迅速升温并塑性化，然后在顶锻压力的作用下被挤出焊接面，使钻杆公接头200与钻杆并形成为内、外飞边；当主轴中贮存的能量消耗完后，主轴停止转动；(5)去除内飞边在主轴620停止转动k后，冲杆740带着冲头742在剪切缸的作用下，由导向套 710导引，向前快速移动冲掉焊接形成的内飞边，然后冲杆740带动冲头742在剪切缸的作用下回到原位；(6)拆卸工件在内飞边被冲掉后，主轴620停止转动1 后，卸掉焊机液压系统产生的顶锻压力，松开接头夹紧盘630上的接头夹块610和钻杆夹块，取下焊接有钻杆母接头300和钻杆母接头300的钻杆100，完成二次焊接。二次焊接后，上车床车去外飞边的石油钻杆成品。上述焊接过程中所采用的焊接参数如下表所示
权利要求
1.钻杆接头，包括中空的接头本体，所述接头本体的一端为与钻杆摩擦焊接的焊接端， 其特征在于，所述焊接端为由内、外两段组成，外段与钻杆焊接连接，所述内段的直径等于钻杆成品焊径直经，外段直径大于内段直径，且外段与内段之间通过倒角过渡。
2.如权利要求1所述的钻杆接头，其特征在于，所述倒角为15°。
3.如权利要求1所述的钻杆接头，其特征在于，所述外段的长度为15mm。
4.石油钻杆，包括中空的钻杆本体，所述钻杆本体的两端为与钻杆摩擦焊接的焊接端， 其特征在于，所述焊接端为由内、外两段组成，外段与钻杆接头焊接连接，所述内段的直径等于钻杆成品焊径直经，外段直径大于内段直径，且外段与内段之间通过倒角过渡。
5.如权利要求4所述的石油钻杆，其特征在于，所述倒角为15°。
6.如权利要求4所述的石油钻杆，其特征在于，所述外段的长度为15mm。
7.石油钻杆惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，包括如下步骤(1)接头焊前预处理用车床将要进行配焊的钻杆接头焊接端的端面进行车削，以去除端面上的锈迹和污染物；(2)钻杆焊前预处理用车床对钻杆焊接端的端面进行车削，以去除端面上的锈迹和污染物；(3)在惯性摩擦焊机上装夹钻杆接头和钻杆a、通过接头夹块在拉紧缸的作用下将钻杆接头紧紧地夹持在随主轴同步旋转的接头夹紧盘上，并采用安装在惯性摩擦焊机上且随主轴转动的导向套和定位块进行轴向定位， 同时将滑动设置在导向套内的冲杆端部的冲头插入到钻杆接头的内孔中；b、采用钻杆夹块将钻杆紧紧地夹持在焊接小车上并在焊接小车的带动下到达预顶锻位置；(4)钻杆接头与钻杆摩擦焊接液压马达启动主轴，通过接头夹紧盘带动钻杆接头旋转，当主轴的转速达到预定值时， 将液压马达与主轴脱开；之后，焊接小车在液压的驱动下，带动钻杆向钻杆接头方向直线移动，这时钻杆不转动；通过焊机液压系统产生的顶锻压力将钻杆焊接端的端面紧紧地压在钻杆接头焊接端的端面上，使之产生大量的摩擦热，所述摩擦热热量使得钻杆接头与钻杆之间的焊接面上的金属迅速升温并塑性化，然后在顶锻压力的作用下被挤出焊接面，使钻杆接头与钻杆并形成为内、外飞边；当主轴中贮存的能量消耗完后，主轴停止转动；(5)去除内飞边在主轴停止转动^后，冲杆带着冲头在剪切缸的作用下，由导向套导弓丨，向前快速移动冲掉焊接形成的内飞边，然后冲杆带动冲头在剪切缸的作用下回到原位；(6)拆卸工件在内飞边被冲掉后，卸掉焊机液压系统产生的顶锻压力，松开接头夹紧盘上的接头夹块和钻杆夹块，取下焊接好的工件，完成一次焊接；再按上述步骤C3)、(4)、(5)、(6)完成二次焊接，二次焊接好以后上车床车去外飞边得石油钻杆成品。
8.如权利要求7所述的石油钻杆惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，在所述步骤(1)中， 在钻杆接头远离焊接端的端部进行压印，注明焊接日期及生产厂家的名称。
9.一种用以对钻杆接头进行轴向定位且冲切焊接内飞边的工装，其特征在于，包括安装在惯性摩擦焊机上且随主轴转动的导向套和滑动穿过所述导向套内的导向孔的冲杆，所述导向套面向钻杆接头的那一面为对钻杆接头轴向定位的第一定位面；所述钻杆的一端设置有插入所述钻杆接头内孔中的冲头，钻杆的另一端与惯性摩擦焊机上的剪切缸连接并受剪切缸的驱动进行直线运动。
10.如权利要求9所述的工装，其特征在于，所述导向套远离钻杆接头的那一面通过加长套与惯性摩擦焊机的主轴连接，所述导向套与所述加长套以及加长套与所述主轴之间均采用圆键定位连接。
11.如权利要求9所述的工装，其特征在于，在所述导向套的导向孔内设置有防尘圈。
12.如权利要求9所述的工装，其特征在于，所述导向套面向钻杆接头的那一面安装有一定位块，定位块和导向套一起通过紧固件安装在惯性摩擦焊机的主轴上；所述定位块的中心具有一个穿孔，以便于所述冲杆穿过所述定位块而插入到钻杆接头的内孔中，在所述穿孔靠近钻杆接头的那一端设置有倒角，该倒角构成对钻杆接头轴向定位的第二定位面。
全文摘要
本发明涉及一种石油钻杆接头、钻杆以及惯性摩擦焊接工艺和工装，其石油钻杆接头和钻杆焊接端分为内、外两段组成，内段的直径等于钻杆成品焊径直经，外段直径大于内段直径，且外段与内段之间通过倒角过渡。采用这样的结构，不但依然能保证焊接的质量，而且焊径已加工到尺寸所以在焊接完成后车削外圆飞边时，消除了焊径表面出现凹凸不平的缺陷，使加工表面更加平整，表面质量得到提高，同时也减少了劳动强度，大大提高生产效率。本发明还公开了石油钻杆接头与钻杆之间的惯性摩擦焊接工艺和工装。其焊接工艺与连续驱动摩擦焊接方法相比，焊接时间大约是前者的一半，生产效率可大大提高。
文档编号B23K20/12GK102211248SQ201110115908
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者杜清海, 马欣华 申请人:衡阳鸿锦石油钻具有限公司