一种摩擦焊接式全钛合金钻杆的制作方法

本发明属于钻杆技术领域，更具体地说，是涉及一种摩擦焊接式全钛合金钻杆。

背景技术：

随着现代石油工业的发展，油气钻井对钻井技术提出了越来越高的要求，特别是一些特殊工艺的钻井，一些常规的钻井工具、设备已无法满足钻井的要求。国内外为满足特殊工艺井的钻井要求，开发了一系列的钻井工具和设备，其中钛合金钻杆就是近年来发展起来的一个新品种。钛合金钻杆与常规的钢制钻杆相比具有更大的柔性，具有结构应力小、耐疲劳、耐腐蚀和质量轻的特点，在高腐蚀井，超短半径水平井，深井、超深井钻井应用中有良好的适应性。

国外钛合金钻杆采用常规钢制钻杆接头材料，钻杆本体与钻杆接头的连接是采用冷装配的方式连接。由于钻杆本体是钛合金，而钛合金钻杆接头采用的是合金钢，钛合金与合金钢的弹性模量的差异会引起钻杆接头与钻杆本体连接段产生相对位移，在这一点上会产生极大的弯曲应力，从而导致钻杆接头与钻杆本体连接处的疲劳寿命大幅降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种摩擦焊接式全钛合金钻杆，旨在降低钻杆整体重量，避免钻杆接头与钻杆本体连接段产生位移和弯曲应力，提高连接稳定性，减小应力集中，提升钻杆的疲劳寿命。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种摩擦焊接式全钛合金钻杆，包括采用钛合金制备的杆体，还包括采用钛合金制备的接头，所述杆体与接头之间采用摩擦焊接方法焊接。

作为优选，所述摩擦焊接方法为，1)、焊前处理；2)、初始摩擦；3)、二次摩擦；4)、顶段处理。

作为优选，所述焊前处理，包括对钻杆的杆体的连接端面和钻杆的接头的连接端面进行机械加工，并进行开坡口处理，然后将所述杆体的连接端面与所述接头的连接端面对接。

作为优选，所述坡口为带钝边的单边v形坡口，并开设在所述接头连接端面上，所述钝边为1～2mm，所述坡口的角度为30°～45°。

作为优选，所述初始摩擦，包括设定初始摩擦压力为45～50kn，初始摩擦时间为1.5～2s，初始摩擦转速为530～560rpm。

作为优选，所述二次摩擦，包括设定二次摩擦压力为100～110kn，二次摩擦时间设定为18～20s，二次摩擦转速530～560rpm。

作为优选，所述顶段处理，包括设定顶锻压力为430～450kn，顶锻时间为16～18s。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术的钢制接头与钛合金杆体通过冷加工方式生产的钻杆相比，本发明采用均为钛合金材质的杆体和接头，通过摩擦焊接方法进行焊接，依次经过焊前处理、初始摩擦、二次摩擦和顶段处理等步骤，本钛合金的钻杆是全钛合金的，相比以往钢制接头加钛合金杆体的钻杆，钛合金钻杆接头耐腐蚀性强、韧性好、无磁性、疲劳寿命长以及密度小，减轻钻杆整体重量；采用摩擦焊接工艺改变钻杆接头与杆体的连接方式，相比以往钢制接头和钛合金杆体只能采用冷装配方式，摩擦焊接能够提升杆体与接头连接稳定性，减小连接处应力集中，提升钛合金钻杆疲劳寿命，通过精确的参数控制，有效防止钛合金高温下快速氧化，大幅增加接头与杆体连接的强度和稳定性，保证摩擦焊接式全钛合金钻杆整体性能优异。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为图1中杆体与接头连接处的坡口的结构示意图；

各图号名称为：1—接头，2—杆体与接头的焊接部位，3—杆体，a—坡口角度，b—钝边。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“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。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。

此外，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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参照图1所示，本发明包括采用钛合金制备的杆体3，还包括采用钛合金制备的接头1，所述杆体3与接头1之间采用摩擦焊接方法焊接。

上述设计的钻杆，其接头1也采用相同钛合金材料，不仅能够降低钻杆的单根重量，而且能够避免钛合金与合金钢弹性模量的差异引起钻杆接头1与钻杆杆体3连接段产生相对位移，从而避免在这一点上会产生极大的弯曲应力，从而大幅提升钻杆接头1与钻杆杆体3连接处的疲劳寿命，钛合金钻杆接头耐腐蚀性强、韧性好、无磁性且密度小。

具体的，上述杆体3中部的外径尺寸为73mm，壁厚为9.17mm，杆体3的与接头对接的两端处，杆体3的外径过渡至76.2mm，壁厚增至19.05mm；对应的，接头1的连接端的外径尺寸为76.2mm，内径尺寸为38.1mm。

进一步的，作为本发明提供的一种摩擦焊接式全钛合金钻杆的一种具体实施方式，所述摩擦焊接方法为，1)、焊前处理；2)、初始摩擦；3)、二次摩擦；4)、顶段处理。

具体的，作为本发明提供的一种摩擦焊接式全钛合金钻杆的一种具体实施方式，所述焊前处理，包括对钻杆的杆体3的连接端面和钻杆的接头1的连接端面进行机械加工，并进行开坡口处理，然后将所述杆体3的连接端面与所述接头1的连接端面对接；所述坡口为带钝边的单边v形坡口，并开设在所述接头1连接端面上，所述钝边b为1～2mm，所述坡口的角度a为30°～45°。

为保证钛合金的钻杆摩擦焊接质量，焊接之前需将杆体3端部和接头1焊径部位进行机械加工，保证焊接面内外径尺寸相同，焊接时能够完全接触，杆体3的焊接面呈平面状态，接头1的焊接端面呈斜面状态（如图2所示），上述坡口设计，能够在摩擦焊接过程中实现杆体3的端面与接头1的焊接面逐渐接触，实现逐步升温熔合，保证焊接部位金属流线分布均匀，提升钻杆的接头1与钻杆的杆体3连接处的焊接强度。

具体的，作为本发明提供的一种摩擦焊接式全钛合金钻杆的一种具体实施方式，所述初始摩擦，包括设定初始摩擦压力为45～50kn，初始摩擦时间为1.5～2s，初始摩擦转速为530～560rpm；

初始摩擦阶段，随着摩擦压力增大至初始摩擦压力值，焊接接触的钛合金表面被摩擦破坏，杆体3和接头1纯净金属相互接触，摩擦变形量逐渐增加，摩擦接触面表面温度也随着升高，钛合金强度略有下降，而塑性和韧性逐步提高，这些因素促使摩擦系数增大，摩擦加热功迅速提高，随着接触面温度身高至1100～1200℃，主轴转速和加热功率达到稳定值，这个阶段钛合金表面在高温塑性状态下既相互结合，又被主轴的旋转扭力矩剪断，并相互渗透，接触良好的塑性钛合金充满摩擦面，使之与空气完全隔离，防止钛合金摩擦面快速氧化。

具体的，作为本发明提供的一种摩擦焊接式全钛合金钻杆的一种具体实施方式，所述二次摩擦，包括设定二次摩擦压力为100～110kn，二次摩擦时间设定为18～20s，二次摩擦转速530～560rpm。

二次摩擦阶段是钛合金摩擦加热过程的主要阶段，此阶段摩擦面温度保持1200℃左右，钛合金材料的粘结现象减少，分子作用现象增强，摩擦面开始变形，在摩擦扭矩的轴向压力作用下，变形钛合金层从摩擦表面挤出形成飞边并不断增大。

具体的，作为本发明提供的一种摩擦焊接式全钛合金钻杆的一种具体实施方式，所述顶段处理，包括设定顶锻压力为430～450kn，顶锻时间为16～18s。

顶锻处理阶段主轴快速停止旋转，顶锻力上升至顶锻压力值，同时高温变形的钛合金被大量挤出，飞边快速增大，通过精确控制时间和顶锻力获得预定的变形量，使接触面的氧化组织、杂质被完全挤出，以保证获得良好的焊接质量。

上述方法，采用摩擦焊接工艺改变钻杆接头1与杆体3的连接方式，通过精确的参数控制，有效防止钛合金高温下快速氧化，大幅增加接头1与杆体3连接的强度和稳定性，保证摩擦焊接式全钛合金钻杆整体性能优异，摩擦焊接能够提升杆体3与接头1连接的稳定性，减小连接处应力集中，提升钛合金钻杆疲劳寿命。

进一步的，作为本发明提供的一种摩擦焊接式全钛合金钻杆的一种具体实施方式，控制摩擦收缩量为6～7mm。

上述设计，能够有效控制在钛合金磨焊接过程中焊区热影响区宽度，有效提升焊区机械性能。。

进一步的，作为本发明提供的一种摩擦焊接式全钛合金钻杆一种具体实施方式，控制焊接收缩量为8～16mm。

上述设计，控制整个摩擦焊接过程的焊接总收缩量，能够使接触面的氧化组织、油污、灰尘被完全挤出，以保证获得良好的焊接质量。。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。