用于顶冲式打炮眼钻机的钢钻杆的制作方法

本实用新型涉及钻机钻杆领域，尤其涉及一种用于顶冲式打炮眼钻机的钢钻杆。

背景技术：

钻机是在地质勘探中，带动钻具向地下钻进，获取实物地质资料的机械设备，常用于钻取岩心、矿心、岩屑、气态样、液态样等，以探明地下地质和矿产资源等情况。钻机主要分开挖钻机和非开挖钻机两大类。非开挖钻机中有一类为打炮眼钻机，用于在矿山开凿中钻取爆破孔。打炮眼钻机以钻取原理分类，又分为顶锤式和潜孔式两种。根据钻取原理，潜孔式钻机的主要受力点在钻头，而顶锤式钻机的主要受力点在钻杆，并且顶锤式钻机的钻杆细而长。顶锤式钻机的细长钻杆在使用时不仅需要承受高强度、高频次的冲击力和扭力，还要承受反弹的拉应力等，这就使得钻杆在钻探过程中，非常容易断裂。

现有的顶锤式打炮眼钻机钻杆一般采用中空钢钻杆，长度从950mm-6400mm不等，内径一般在8-30mm，其结构主要分为两种：一种是中空六棱钻杆，其中空孔为圆形，外周为正六边形；另一种是中空圆钻杆，其中空孔为圆形，外周也为圆形。无论哪种结构的钻杆，其杆体的两端都会进行螺纹处理，螺纹处理的方式一般包括两种：(1)如图1所示，杆体的两端处理成相同的外螺纹，螺纹部的外径略小于中部杆体的外径；(2)如图2所示，杆体的一端处理成外螺纹且外螺纹的外径按照国际标准略小于中部杆体的外径，另一端的通孔内壁处理成与外螺纹相匹配的内螺纹。具体处理方法为先轧制成型中空钢管，然后再在中空钢管的两端用机械加工成所需要的不同规格的螺纹，再整体热处理。这种生产方法生产的钻杆，往往不能兼顾螺纹的耐磨性和杆体的柔韧性，结果往往要么螺纹不耐磨，要么钻杆容易断。断裂后的钻杆一般只能当废钢处理，即使通过对钻杆进行截短后重新利用，其使用强度已大大降低，钻杆总长度也无法满足使用需求。

为了改善这种断裂的情况，人们考虑采用将杆体两端螺纹部的硬度加强的方式来避免螺纹部或螺纹根部的断裂和提高螺纹部的耐磨度，这就迫使必须将杆体的中部和两端的螺纹部分开成型后再通过焊接方式连接在一起，但由于钻杆的内径规格(8-30mm)和硬度(HRC30-45)的限制，使得常用的焊接方法根本无法实现。

随着焊接工艺的发展，摩擦焊接作为一种新兴的焊接工艺，以其优质、高效、节能和无污染的技术特色越来越受到人们的重视，钻杆领域也开始采用这种工艺，比如石油钻杆、非开挖钻杆等。摩擦焊接是一种实现焊接的固态焊接方法，其原理为：在压力作用下，是在恒定或递增压力以及扭矩的作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动在摩擦面及其附近区域产生摩擦热和塑形变形热，使及其附近区域温度上升到接近但一般低于熔点的温度区间，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎，在顶锻压力的作用下，伴随材料产生塑性变形及流动，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接。摩擦焊接虽然具有众多优点，但也存在会在焊接接触端面产生向内和向外的翻边(即内飞边和外飞边)的缺点。

在已采用摩擦焊接的钻杆领域，摩擦焊接的缺点并不会产生太大影响，例如石油钻杆，其钻杆本身的中空内径很大，焊接时产生的内飞边并不会造成对钻杆中空结构通透性能的影响，但当顶锤式打炮眼钻机的中空钢钻杆的中部杆体和两端螺纹部的连接方式采用这种焊接工艺时，这个缺点却会带来致命的影响，因为顶锤式打炮眼钻机的中空钢钻杆的内径通常很小，一般在8-30mm，如果采用摩擦焊接工艺，焊接时接触端面产生的内飞边会完全堵死钢钻杆的中空孔，而钢钻杆的中空孔具有两大功能：(1)通入冷却介质以传导钻探时产生的大量热能；(2)排出钻探打孔时产生的岩渣。如果中空孔完全堵死，则热能无法导出，直接影响钻头的使用寿命，而且也不能将打孔产生的岩渣排出，导致无法打成爆破孔和卡钻，这就导致摩擦焊接工艺在顶锤式打炮眼钻机的中空钢钻杆领域无法直接应用。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本实用新型提供一种利用摩擦焊接工艺加工的不易断裂且耐磨的用于顶冲式打炮眼钻机的钢钻杆。

为实现以上技术目的，本实用新型的技术方案是：一种用于顶冲式打炮眼钻机的钢钻杆，包括中空杆体、中空螺纹接头一和中空螺纹接头二，所述中空螺纹接头一和中空螺纹接头二的硬度均高于中空杆体的硬度，所述中空螺纹接头一和中空螺纹接头二分别摩擦焊接于中空杆体的两端，所述中空杆体的两端端面、所述中空螺纹接头一与中空杆体焊接的一端端面和所述中空螺纹接头二与中空杆体焊接的一端端面均具有用于容纳摩擦焊接产生的内飞边的凹陷结构。

从以上描述可以看出，本实用新型具备以下优点：本实用新型将原有的整体成型的钻杆改为由三部分组成，分别是中部杆体和两个中空螺纹接头，并且两个中空螺纹接头的硬度高于中部杆体的硬度，然后利用摩擦焊接的方法将三者连接，中空螺纹接头的硬度高于中部杆体的硬度使得中空螺纹接头不易断裂且耐磨，利用摩擦焊接的方法将中空螺纹接头与中部杆体连接，使得中空螺纹接头与中部杆体的连接处不易断裂，同时中空杆体和两个中空螺纹接头用于焊接的端面均设有用于容纳摩擦焊接产生的内飞边的凹陷结构，使得中空杆体和两个中空螺纹接头的中空结构不受内飞边的影响，保证了钻杆整体的通透性能。

作为优选，所述凹陷结构为环状凹槽。

作为优选，所述环状凹槽的宽度为8-10mm。

作为优选，所述凹陷结构为向内的倒角。

作为优选，所述中空螺纹接头一的螺纹结构和中空螺纹接头二的螺纹结构均为外螺纹且螺纹结构相同。

作为优选，所述中空螺纹接头一的螺纹结构为外螺纹或内螺纹，相应地所述中空螺纹接头二的螺纹结构为与中空螺纹接头一的螺纹结构相匹配的内螺纹或外螺纹。

作为优选，所述中空杆体为圆杆且中空孔的横截面为圆形。

作文优选，所述中空杆体的外径为39mm、46mm、52mm、60mm或87mm。

作为优选，所述中空杆体为六棱杆且中空孔的横截面为圆形。

作为优选，所述中空杆体的外径为28mm、32mm或35mm。

附图说明

图1是本实用新型的现有技术结构示意图；

图2是本实用新型的现有技术结构示意图；

图3是本实用新型的剖面示意图；

图4是本实用新型实施例一的剖面示意图；

图5是本实用新型实施例二的剖面示意图；

图6是本实用新型的结构示意图；

附图标记：1.中空杆体、2.中空螺纹接头一、3.中空螺纹接头二、4.凹陷结构、5.环状凹槽、6.倒角。

具体实施方式

结合图4，详细说明本实用新型的一个具体实施例，但不对本实用新型的权利要求做任何限定。

如图4所示，一种用于顶冲式打炮眼钻机的钢钻杆，包括中空杆体1、中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3，中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3的硬度均高于中空杆体1的硬度，中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3分别摩擦焊接于中空杆体1的两端，中空杆体1的两端端面、中空螺纹接头一2与中空杆体1焊接的一端端面和中空螺纹接头二3与中空杆体1焊接的一端端面均具有用于容纳摩擦焊接产生的内飞边的环状凹槽5。

优选地，环状凹槽5为设在端面内圆周表面的环状台阶，环状台阶的外径大于端面的内径且小于端面的外径。

本实施例将原有的整体成型的钻杆改为由三部分组成，分别是中空杆体和两个中空螺纹接头，并且两个中空螺纹接头的硬度高于中空杆体的硬度，然后利用摩擦焊接的方法将三者连接，中空螺纹接头的硬度高于中空杆体的硬度使得中空螺纹接头不易断裂且耐磨，利用摩擦焊接的方法将中空螺纹接头与中部杆体连接，使得中空螺纹接头与中部杆体的连接处不易断裂，同时中空杆体和两个中空螺纹接头用于焊接的端面均设有用于容纳摩擦焊接产生的内飞边的环状凹槽，使得中空杆体和两个中空螺纹接头的中空结构不受内飞边的影响，保证了钻杆整体的通透性能。

环状凹槽5的宽度优选为8-10mm，既不影响端部的钢结构性能，又有充分的空间容纳内飞边。

结合图5，详细说明本实用新型的一个具体实施例，但不对本实用新型的权利要求做任何限定。

如图5所示，一种用于顶冲式打炮眼钻机的钢钻杆，包括中空杆体1、中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3，中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3的硬度均高于中空杆体1的硬度，中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3分别摩擦焊接于中空杆体1的两端，中空杆体1的两端端面、中空螺纹接头一2与中空杆体1焊接的一端端面和中空螺纹接头二3与中空杆体1焊接的一端端面均具有用于容纳摩擦焊接产生的内飞边的向内倒角6。

将原有的整体成型的钻杆改为由三部分组成，分别是中空杆体和两个中空螺纹接头，并且两个中空螺纹接头的硬度高于中空杆体的硬度，然后利用摩擦焊接的方法将三者连接，中空螺纹接头的硬度高于中空杆体的硬度使得中空螺纹接头不易断裂且耐磨，利用摩擦焊接的方法将中空螺纹接头与中部杆体连接，使得中空螺纹接头与中部杆体的连接处不易断裂，同时中空杆体和两个中空螺纹接头用于焊接的端面均设有用于容纳摩擦焊接产生的内飞边的向内倒角，使得中空杆体和两个中空螺纹接头的中空结构不受内飞边的影响，保证了钻杆整体的通透性能。

上述两个实施例中，需要注意的有：

(1)中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3的螺纹结构可以为结构相同的外螺纹，即均为公接头。公接头与中空杆体焊接的一端，其外径和中空结构均与中空杆体相同(图3至图5中均属于这种情况)。

(2)中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3的螺纹结构也可以一个为外螺纹，一个为内螺纹，且外螺纹与内螺纹相匹配，即一个为公接头，一个为母接头。当为公接头时，公接头与中空杆体焊接的一端，其外径和中空结构均与中空杆体相同；当为母接头时，母接头与中空杆体焊接的一端，其外径和中空结构均与中空杆体相同(如图6所示)。

(3)中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3的长度优选为180mm—250mm。太长或太短均不利于中空螺纹接头与中空杆体1的焊接。

(4)中空杆体1的硬度优选为HRC30-45，最佳硬度为HRC40，既保证刚性又具有一定的韧性。

(5)中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3的硬度优选为HRC40-60，最佳硬度为HRC50，既保证刚性又具有一定的韧性。

(6)中空杆体1的材质可以为22SiMnNiCrMo或其他类似材质，中空螺纹接头一2和中空螺纹接头二3的材质可以为20CrMnTi或其他类似材质。

(7)中空杆体可以为圆杆也可以为六棱杆。如果是圆杆，杆体外径优选为39mm、46mm、52mm、60mm或87mm；如果是六棱杆，杆体外径优选为28mm、32mm或35mm。

(8)中空杆体和中空螺纹接头的中空孔的横截面最好为圆形。中空孔的孔径范围为8-30mm。

综上所述，本实用新型具有以下优点：

本实用新型将原有的整体成型的钻杆改为由三部分组成，分别是中部杆体和两端的中空螺纹接头，并且两端的中空螺纹接头硬度高于中部杆体硬度，然后利用摩擦焊的方法将三者连接，中空螺纹接头硬度高于中部杆体硬度使得中空螺纹接头不易断裂且耐磨，利用摩擦焊的方法将中空螺纹接头与中部杆体连接，使得中空螺纹接头与中部杆体的连接处不易断裂，同时中空杆体和两个中空螺纹接头用于焊接的端面均设有用于容纳摩擦焊接产生的内飞边的凹陷结构，使得中空杆体和两个中空螺纹接头的中空结构不受内飞边的影响，保证了钻杆整体的通透性能。

可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。