钛合金钻杆管端镦锻方法以及加工装置与流程

本发明属于钛合金管端加厚技术领域，更具体地说，是涉及一种钛合金钻杆管端镦锻方法以及加工装置。

背景技术：

钛合金钻杆是近年来发展的一种新材料钻杆，相比常规的钢制钻杆而言，钛合金钻杆具备以下优势：1、比重低；2、高屈服强度，强度质量比为钢的1.54倍；3、低弹性模量；4、高疲劳寿命；5、具有优异的抗腐蚀与抗冲刷特性，因此，钛合金钻杆很好的弥补了钢制钻杆在短半径水平井钻探时出现早期疲劳问题，使其成为了一种极具市场潜力的钻杆。

目前钛合金钻杆主要分为两种，一种是钢制接头钛合金钻杆，钢制接头与钛合金钻杆管体采用螺纹连接的形式；另一种是摩擦焊接式全钛合金钻杆，接头与钻杆管体均为钛合金材料，并通过摩擦焊接方式将接头与钻杆管体进行连接，无论哪种连接型式的钛合金钻杆的管端均需要进行镦锻加厚，以保证接头与钻杆管体连接处具有足够强度。

现有钢制钻杆管体镦锻工艺多采用液压式镦锻成型，但由于钛合金材料极易高温氧化，管端镦粗过程中加热温度范围狭窄，并且金属流动性差，因此钛合金钻杆管体镦锻加厚若采用现有液压式镦锻成型工艺，需要多次高温加热，多次镦锻成型，导致钛合金管端加厚容易出现褶皱、鼓包、金属流线紊乱等缺陷，机械性能大幅下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供钛合金钻杆管端镦锻方法，以解决现有技术中存在的钛合金钻杆镦锻过程中容易出现褶皱、鼓包等缺陷影响其机械性能的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供钛合金钻杆管端镦锻方法，包括钛合金钻杆管端镦锻方法，其特征在于，包括以下步骤：

加热前管端处理，在钻杆管体的管端表面均匀涂抹润滑层；

加热，将涂抹过润滑层的所述钻杆管体的管端顺次进行三次加热，三次加热的温度呈阶梯式递增；

镦锻，对加热后的所述钻杆管体的管端顺次进行两次机械式镦锻。

作为进一步的优化，三次加热包括第一次加热、第二次加热和第三次加热，所述第一次加热的温度范围为300℃-700℃；所述第二次加热的温度范围为600℃-1000℃；所述第三次加热的温度范围为850℃-1250℃。

作为进一步的优化，镦锻工步包括第一次镦锻和第二次镦锻；第一次镦锻的缩量为105mm-130mm，第二次镦锻的缩量为60mm-80mm；第一次镦锻的镦锻比为1.50-1.60；第二次镦锻的镦锻比为1.40-1.50。

作为进一步的优化，镦锻工步前还设有锻前齐头工步，锻前齐头量为100mm-160mm。

作为进一步的优化，润滑层采用玻璃粉材质；润滑层的厚度为0.2mm-0.3mm。

本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法，与现有技术相比，本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法，采用机械镦锻的形式，与液压式钛合金镦锻方法相比，机械式镦锻法实现了一次加热镦锻成型，有效降低了加热时间，确保了钻杆管体600加热段温度均匀，防止了钛合金材料在加热过程中产生高温氧化，提高了钻杆管体600性能；同时机械式镦锻法，镦锻缓冲力强于液压式镦锻，因此，镦锻时间短，镦锻过程中减少了钛合金材料的氧化与降温过程，并且加厚内过渡带过渡平滑，从而提高了钻杆管体600成型质量与机械性能，延长钛合金钻杆的使用寿命。避免了液压镦锻需要高温加热影响产品质量的问题，通过对钛合金钻杆管体600的端部涂抹润滑层，避免管端快速氧化，避免加热过程中在管端表面形成氧化层影响钻杆质量，分三次进行阶梯式加热的形式，能够缩短钻杆管体600高温加热的时间；机械镦锻采用的镦锻力较大，能够实现较低温度下加热后的二次成型，使管端内过渡带过渡平滑，大幅降低了钻杆管体600的过渡带应力集中的问题，延长了钛合金钻杆使用寿命。

作为进一步的优化，钛合金钻杆管端镦锻方法的加工装置，包括管端处理平台、加热炉组件、镦锻组件、加热搬运组件和镦锻搬运组件；管端处理平台，用于向钻杆管体的管端涂抹润滑层；加热炉组件用于将涂抹过润滑层的钻杆管体的管端顺次进行三次加热；镦锻组件设置于加热炉组件远离管端处理平台的一侧，用于对加热后的钻杆管体的管端顺次进行两次机械式镦锻；加热搬运组件设置于加热炉组件前侧且用于将管端处理平台上的钻杆管体传输至加热炉组件处；镦锻搬运组件设置于镦锻组件前侧且用于将钻杆管体搬运至镦锻组件处，加热搬运组件与镦锻搬运组件之间设有搬运车。

作为进一步的优化，钛合金钻杆管端镦锻的加工装置还包括设置于加热炉组件侧部的加热管端齐头组件，加热炉组件的下部设有沿前后方向移动的台车。

作为进一步的优化，钛合金钻杆管端镦锻的加工装置还包括设置于镦锻搬运组件侧部的镦锻管端齐头组件。

作为进一步的优化，加热炉组件包括第一加热炉、第二加热炉和第三加热炉；加热搬运组件包括用于向第一加热炉搬运钻杆管体的第一搬运车、用于向第二加热炉搬运钻杆管体的第二搬运车以及用于向第三加热炉搬运钻杆管体的第三搬运车，第三搬运车上还设有若干个用于驱动钻杆管体旋转的旋转轮。

作为进一步的优化，镦锻组件包括第一镦锻机、第二镦锻机以及分别设置于第一镦锻机和第二镦锻机下部的行走轮，镦锻搬运组件包括用于向第一镦锻机搬运钻杆管体的第四搬运车和用于向第二镦锻机搬运钻杆管体的第五搬运车。

本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻的加工装置，与现有技术相比，在管端处理平台100上对钛合金钻杆管体600的端部涂抹润滑层，避免管端快速氧化，避免加热过程中在管端表面形成氧化层影响钻杆质量，利用加热炉组件200分三次对钻杆管体600的管端进行阶梯式加热的形式，能够缩短钻杆管体600高温加热的时间；镦锻组件300的两次镦锻，能够使管端内过渡带过渡平滑，大幅降低了钻杆管体600的过渡带应力集中的问题，延长了钛合金钻杆使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的钛合金钻杆管端镦锻的加工装置的俯视结构示意图；

图2为图1中的a向结构示意图；

图3为图1中第三搬运车的b向结构示意图；

图4为图1中钻杆管体管端一次镦锻后的变化示意图；

图5为图1中钻杆管体管端二次镦锻后的变化示意图。

图中：100、管端处理平台；200、加热炉组件；210、第一加热炉；220、第二加热炉；230、第三加热炉；250、加热管端齐头组件；300、镦锻组件；310、第一镦锻机；320、第二镦锻机；330、镦锻管端齐头组件；400、加热搬运组件；410、第一搬运车；420、第二搬运车；430、第三搬运车；431、旋转轮；500、镦锻搬运组件；510、第四搬运车；520、第五搬运车；600、钻杆管体；700、台车；l1、一次镦锻后钻杆管体长度变化值；l2、二次镦锻后钻杆管体长度变化值。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法以及加工装置进行说明。钛合金钻杆管端镦锻方法，包括以下步骤：加热前管端处理、加热和镦锻；加热前管端处理，在钻杆管体600的管端表面均匀涂抹润滑层；加热，将涂抹过润滑层的钻杆管体600的管端顺次进行三次加热，三次加热的温度呈阶梯式递增；镦锻，对加热后的钻杆管体600的管端顺次进行两次机械式镦锻。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

钛合金钻杆管体600在进行镦锻前需要进行管端加热，由于钛合金材料在高温加热时很容易与空气发生强烈的反应，如果采用直接加热钻杆管体600的方式，则会使其与空气中的氧气和氮气发生强烈的反应，从而导致钻杆管体600受热表面发生氧化形成氧化层，氧化层的产生会恶化合金的变形性能。因此在进行钻杆管体600的管端加热之前，应对钻杆管体600的表面进行预处理，涂抹润滑层。

传统的液压镦锻的过程中需要对工件进行多次高温加热结合多次镦锻才能成型，而钛合金材质的钻杆管体600由于极易高温氧化，在受到上述多次高温加热后很容易在后续的镦锻过程中出现褶皱、鼓包等现象，极大的影响了钻杆的机械性能，所以改用机械镦锻的形式，利用其较大的镦锻力，实现在较低温度加热的条件下经过两次成型即可完成钻杆管体600的管端加厚的过程，保证了内过渡带的平滑顺畅，大幅度降低了钛合金钻杆管体600过渡带应力集中，延长钛合金钻杆的使用寿命

本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法，与现有技术相比，本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法，采用机械镦锻的形式，与液压式钛合金镦锻方法相比，机械式镦锻法实现了加热后两次连续镦锻成型的效果，有效降低了加热时间，确保了钻杆管体600加热段温度均匀，防止了钛合金材料在加热过程中产生高温氧化，提高了钻杆管体600性能；同时机械式镦锻法，镦锻缓冲力强于液压式镦锻，因此，镦锻时间短，镦锻过程中减少了钛合金材料的氧化与降温过程，并且加厚内过渡带过渡平滑，从而提高了钻杆管体600成型质量与机械性能，延长钛合金钻杆的使用寿命。避免了液压镦锻需要高温加热影响产品质量的问题，通过对钛合金钻杆管体600的端部涂抹润滑层，避免管端快速氧化，避免加热过程中在管端表面形成氧化层影响钻杆质量，分三次进行阶梯式加热的形式，能够缩短钻杆管体600高温加热的时间；机械镦锻采用的镦锻力较大，能够实现较低温度下加热后的二次成型，使管端内过渡带过渡平滑，大幅降低了钻杆管体600的过渡带应力集中的问题，延长了钛合金钻杆使用寿命。

请一并参阅图4至图5，作为本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法的一种具体实施方式，三次加热包括第一次加热、第二次加热和第三次加热，第一次加热的温度范围为300℃-700℃；第二次加热的温度范围为600℃-1000℃；第三次加热的温度范围为850℃-1250℃。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。本实施例中，以5″钛合金钻杆管体600镦锻变形的情况为例，此处的5″指的是规格是5英寸的钻杆杆体600，其管端加热长度设定为480mm-560mm，中频炉错位加热长度为130-170mm。加热长度决定钻杆管体600整体形变量以及内过渡带的长度，错位加热长度决定钻杆管体600管端直线段成型情况。管端加热温度采用中频炉进行三个工位阶梯式的加热，阶梯加热的前两个工位保证钛合金钻杆管体600升温到700-1000℃范围，中频炉加热时间为20-35s。管端加热后钻杆管体600通过搬送车迅速移至镦锻工位，快速搬送减少了钛合金钻杆管体600与空气的反应，减少了热量损耗。钻杆管体600至镦锻工位时管端温度应≥1100℃，从而保证机械式镦锻时钛合金材料具备良好流动性。

请一并参阅图4至图5，作为本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法的一种具体实施方式，镦锻工步包括第一次镦锻和第二次镦锻；第一次镦锻的缩量为105mm-130mm，第二次镦锻的缩量为60mm-80mm；第一次镦锻的镦锻比为1.50-1.60；第二次镦锻的镦锻比为1.40-1.50。本实施例中机械式镦锻采用两次形型的形式，其中第一次镦锻能够使管端初步成型，管端长度变化较大，完成管端的基本镦锻；第二次镦锻能够对管端不足的尺寸进行补充，使其达到镦锻的要求值，成型过程快速精准。l1表示的是钻杆管体600的管端经过第一次镦锻后钻杆管体长度变化值；l2表示的是钻杆管体600的管端经过第二次镦锻后钻杆管体长度变化值。上述缩量和镦锻比适用于2-7/8″、3-1/2″以及5″钻杆等规格型号的钛合金钻杆，具有良好实用性。

不同规格钛合金钻杆对应的镦锻缩量及镦锻比。具体如下表1所示：

表1：

请一并参阅图4至图5，作为本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法的一种具体实施方式，镦锻工步前还设有锻前齐头工步，锻前齐头量为100mm-160mm。锻前齐头工步能够对加热前的钻杆管体600的位置进行有效的限定，按钻杆管体600的规格对钻杆管体600的管端按设定的长度进行加热，该范围值的设定，既能保证管端加热的长度所需，又不会产生加热长度过量的问题，具有良好的可实施性。

作为本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法的一种具体实施方式，润滑层采用玻璃粉材质；润滑层的厚度为0.2mm-0.3mm。润滑层可以采用玻璃粉或者石墨材质，能够起到有效的隔绝作用，避免氧化层的产生，保证后续的镦锻成型质量。根据管端加热长度均匀涂抹润滑层，本实施例中采用玻璃粉作为润滑层，玻璃粉润滑层的厚度大约0.2mm-0.3mm。玻璃粉作为润滑层可效隔绝钛合金钻杆杆体与空气反应形成氧化层，进而保证后续镦锻成型质量。

请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻的加工装置的一种具体实施方式，钛合金钻杆管端镦锻方法的加工装置包括管端处理平台100、加热炉组件200、镦锻组件300、加热搬运组件400和镦锻搬运组件500；管端处理平台100用于向钻杆管体600的管端涂抹润滑层；加热炉组件200用于将涂抹过润滑层的钻杆管体600的管端顺次进行三次加热；镦锻组件设置于加热炉组件200远离管端处理平台的一侧，用于对加热后的钻杆管体600的管端顺次进行两次机械式镦锻；加热搬运组件400设置于加热炉组件200前侧且用于将管端处理平台100上的钻杆管体600传输至加热炉组件200处；镦锻搬运组件500设置于镦锻组件300前侧且用于将钻杆管体600搬运至镦锻组件300处，加热搬运组件400与镦锻搬运组件500之间设有搬运车。本实施例中的前侧指的是钻杆管体600远离加热炉组件200的一端所对应的方向，后侧指的是钻杆管体600靠近加热炉组件200的一端所对应的方向，

管端处理平台100用于为管端涂抹润滑层，处理后的钻杆管体600利用其它搬运装置，如搬运车或天车转移至加热搬运组件400上，利用加热搬运组件400的轮体的转动带动钻杆管体600沿轴向向后侧的加热炉组件200出运送，完成三次加热后利用搬运车将钻杆管体600搬运到镦锻搬运组件500上，继续进行后续的镦锻工序。

本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻的加工装置，与现有技术相比，在管端处理平台100上对钛合金钻杆管体600的端部涂抹润滑层，避免管端快速氧化，避免加热过程中在管端表面形成氧化层影响钻杆质量，利用加热炉组件200分三次对钻杆管体600的管端进行阶梯式加热的形式，能够缩短钻杆管体600高温加热的时间；镦锻组件300的两次镦锻，能够使管端内过渡带过渡平滑，大幅降低了钻杆管体600的过渡带应力集中的问题，延长了钛合金钻杆使用寿命。

请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法的一种具体实施方式，钛合金钻杆管端镦锻的加工装置还包括设置于加热炉组件200侧部的加热管端齐头组件250，加热炉组件200的下部设有沿前后方向移动的台车700。加热管端齐头组件250可以设置为挡板的形式，位于加热炉组件200的前侧，加热搬运组件400将钻杆管体600传输至加热管端齐头组件250处，利用挡板将钻杆管体600挡住，并稳定的位于该处，然后将加热管端齐头组件250挪开，此时操作台车700带动加热炉组件200向钻杆管体600一侧移动，实现管端进入加热炉组件200内部进行加热的效果。

请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法的一种具体实施方式，钛合金钻杆管端镦锻的加工装置还包括设置于镦锻搬运组件500侧部的镦锻管端齐头组件330。镦锻管端齐头组件330也可以设置为挡板的形式，位于镦锻组件300的前侧，镦锻搬运组件500将钻杆管体600传输至镦锻管端齐头组件330处，利用挡板将钻杆管体600挡住，并稳定的位于该处，然后将镦锻管端齐头组件330挪开，此时操作镦锻组件300利用其下方设置的移动件带动镦锻组件300向钻杆管体600一侧移动，实现管端进入镦锻组件300内部进行镦锻的效果。

请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法的一种具体实施方式，加热炉组件200包括第一加热炉210、第二加热炉220和第三加热炉230；加热搬运组件400包括用于向第一加热炉210搬运钻杆管体600的第一搬运车410、用于向第二加热炉220搬运钻杆管体600的第二搬运车420以及用于向第三加热炉230搬运钻杆管体600的第三搬运车430，第三搬运车430上还设有若干个用于驱动钻杆管体600旋转的旋转轮431。在本发明的描述中，“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在第三加热炉230处使管端迅速高温加热至所需的锻打温度，并进行一定时间保温，由于第三加热炉230处的加热温度较高，因此第三搬运车430通过采用旋转轮431实现带动钻杆管体600旋转加热的作用，既保证了加热速度，又保证了钻杆管体600的管端加热的均匀性，避免局部加热量过大造成的管端损毁。

请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的钛合金钻杆管端镦锻方法的一种具体实施方式，镦锻组件300包括第一镦锻机310、第二镦锻机320以及分别设置于第一镦锻机310和第二镦锻机320下部的行走轮，镦锻搬运组件500包括用于向第一镦锻机310搬运钻杆管体600的第四搬运车510和用于向第二镦锻机320搬运钻杆管体600的第五搬运车520。镦锻管端齐头组件330将钻杆管体600限位在第一镦锻机310或第二镦锻机320前侧，然后将镦锻管端齐头组件330挪开，此时利用行走轮实现第一镦锻机310或第二镦锻机320向钻杆管体600一侧进行移动，实现管端进入第一镦锻机310或第二镦锻机320中进行镦锻的效果。

采用本实施例中的镦锻方法，对于各种型号的钻杆管体600，均能实现使过渡圆角的半径满足大于等于300mm的要求，使管端加厚内过渡带的长度满足大于等于110mm的要求，保证了管端加厚部位的金属流线分布合理的效果，且过渡带能够做到平滑过渡，经后续的热处理后，钻杆管体600的屈服强度能够达到724mpa及以上的水平。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。