專利名稱：高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的制造工藝，特別涉及異型類三棱狀材料與常規(guī)圓柱型圓環(huán)狀材料的摩擦焊接方式。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的三棱鉆桿的制造方法是將鉆桿接頭的一部分在銑床上加工成端面為三角形的柱狀結(jié)構(gòu)，具體尺寸結(jié)合三棱型主體的內(nèi)壁，將鉆桿接頭置于三棱型主體內(nèi)，使用鉆床在結(jié)合部打孔，孔中插入銷子后進行手工電焊固定并焊接，最后利用銑床將接頭處處理成與桿體一致的三棱狀結(jié)構(gòu)，這種加工方式必須使用到焊材，焊材的材質(zhì)與桿體和接頭的材質(zhì)不同，影響鉆桿整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在焊縫處還會產(chǎn)生氣孔，最終對鉆桿成品的強度造成很大影響，而且在生產(chǎn)過程中也造成極大的不便，費工費時費力，污染環(huán)境，影響操作工人的身體健康。由于焊接方式的落后，這種普通的三棱鉆桿在礦井的打鉆過程中，焊縫處非常容易出現(xiàn)漏風(fēng)漏水現(xiàn)象，并在接下來的鉆探過程中造成焊縫處斷裂，從而引起掉鉆，造成打撈作業(yè)非常困難，而且廢孔率很高，對施工進度造成嚴重的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的焊接方法，是將三棱鉆桿的主體采用摩擦焊接技術(shù)與二端鉆桿接頭連接，保證了三棱鉆桿的強度要求，又保證了三棱鉆桿的同心度和直線度，產(chǎn)品質(zhì)量得到極大提高。本發(fā)明的技術(shù)方案是通過以下方式實現(xiàn)的:高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的焊接方法，包括以下步驟:1)焊前處理、2)、主體整形、3)摩擦焊接、4)焊縫的再處理，其特征在于:
1)、焊前處理:高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿，由三棱狀的鉆桿主體、二端鉆桿接頭組成，鉆桿體內(nèi)設(shè)有送風(fēng)孔，首先將鉆桿主體和二端鉆桿接頭的端面車削，除去焊接端面的銹斑和油污，使鉆桿主體與鉆桿接頭的焊接端面和鉆桿中心軸線垂直,公差為< 0.5mm ；并將鉆桿接頭進行調(diào)質(zhì)處理后備用；
所述的調(diào)質(zhì)處理是將材質(zhì)為42CrMo的鉆桿接頭在調(diào)質(zhì)爐內(nèi)升溫至830°C 850°C，恒溫1.5小時，由介質(zhì)油淬火至HRC55 60，待冷卻后再將其升溫至600°C 630°C，恒溫3小時回火，調(diào)質(zhì)至HRC32 36 ；
2)、主體整形:包括鉆桿主體壓孔、鉆桿主體擴孔和鉆桿主體整形三個階段；
(I )、壓孔階段:使用V型工裝將經(jīng)過焊前處理的鉆桿主體固定在液壓壓孔設(shè)備上，在接近鉆桿主體端面30mm處使用高頻加熱器加熱30秒，使其升溫至750V 800°C，用模具I進行壓孔作業(yè)，使鉆桿主體一端形成直徑為065mm的圓柱，成型后取下自然冷卻至常溫備用;
(2)、擴孔階段:使用V型工裝將經(jīng)過壓孔處理的鉆桿主體固定在液壓擴孔設(shè)備上，在接近鉆桿主體端面30mm處使用高頻加熱器加熱30秒，使其升溫至750°C 800°C，用模具II進行擴孔，使鉆桿主體一端孔徑縮小至φ 48mm，成型后取下自然冷卻至常溫備用；
(3)、整形階段:使用V型工裝將經(jīng)過擴孔處理的鉆桿主體固定在液壓整形設(shè)備上，在接近鉆桿主體端面30mm處使用高頻加熱器加熱30秒，使其升溫至750°C 800°C，用模具III進行整形，直至鉆桿主體一端形成直徑為Φ64πιπι，孔徑為Φ49πιπι的圓柱型圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，最終達到摩擦焊接要求的精確尺寸；
同理，三棱鉆桿主體的另一端也采用同樣的方式進行壓孔擴孔和整形；
所述的V型工裝是由兩組卡塊組成，每組卡塊由兩塊不同形狀的卡塊組成，一塊是平面，與鉆桿主體的接觸面壓緊，另一塊是V形凹槽，與鉆桿主體的另外二個面接觸，凹槽的底角為60°，凹槽走向與桿體方向一致，V型工裝固定在特制的液壓壓孔、擴孔和整形設(shè)備以及摩擦焊機上，并分別與各自機體的液壓系統(tǒng)相連，通過液壓作用力收緊夾具將鉆桿主體固定在移動拖板上，并在移動拖板尾部加上固定裝置，防止在各階段操作過程中因頂鍛力過大而造成鉆桿主體向后方滑移；
3)、摩擦焊接:將經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的鉆桿接頭固定在摩擦焊機主軸孔的旋轉(zhuǎn)液壓卡盤中，將經(jīng)過壓孔擴孔整形處理后的鉆桿主體用V型工裝固定在摩擦焊機的移動拖板上；啟動摩擦焊機，液壓卡盤收緊鉆桿接頭后將置于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，利用百分表調(diào)整V型工裝位置，校正鉆桿接頭與鉆桿主體的同心度和直線度，使同心度公差< 0.20mm，使直線度公差(0.50mm/m ;符合要求后啟動操作按鈕，進行自動摩擦焊接；同理,三棱鉆桿主體的另一端也采用相同的方式與對應(yīng)的鉆桿接頭進行摩擦焊接。4)、焊縫的再處理:待摩擦焊接完畢的成型鉆桿自然冷卻后，利用高頻加熱器在摩擦焊接焊縫處加熱18-20秒，使其升溫至650°C 700°C，進行去應(yīng)力退火，自然冷卻后再將焊接部位突出的部分進行車削加工，消除出現(xiàn)的臺肩或凹凸，使鉆桿整體光滑。本發(fā)明，通過摩擦焊接，保證了三棱鉆桿的同心度和直線度，在考慮排渣的情況下，鉆桿絲扣的直徑最大化，去除了手工電焊必須在焊縫中所填充的焊材，并且消除了焊縫處容易存在的氣孔的現(xiàn)象，提高了三棱鉆桿的強度，并使生產(chǎn)效率提升了 15倍，節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了工人的勞動強度，而且消除了手工電焊帶來的環(huán)境污染和對操作工人健康的傷害。


圖1是鉆桿整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1鉆桿主體的A-A截面圖。圖3是鉆桿公接頭示意圖。圖4是鉆桿母接頭示意圖。圖5是鉆桿主體裝夾V型工裝示意圖。圖6是鉆桿主體壓孔階段裝夾示意圖。圖7是鉆桿主體擴孔階段裝夾示意圖。圖8是鉆桿主體整形階段裝夾示意圖。
具體實施例方式由圖1、圖2、圖3、圖4知，高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿，由三棱狀的鉆桿主體2、二端鉆桿接頭組成，鉆桿體內(nèi)設(shè)有送風(fēng)孔，所述的二端鉆桿接頭分為公鉆桿接頭I和母鉆桿接頭3，鉆桿主體2的橫截面為三棱狀。鉆桿主體2和二端鉆桿接頭的焊接方法包括以下步驟:
1、焊前處理:車削鉆桿主體和二端鉆桿接頭的焊接端面，除去銹斑油污。鉆桿接頭焊前處理，車削鉆桿接頭焊接端面，在確定好長度的情況下除去端面的銹斑和油污，，使鉆桿接頭的中心軸線與焊接端面垂直，斜度公差為< 0.5mm ;鉆桿主體的材質(zhì)為R780，在焊前處理前車削鉆桿主體焊接端面，在確定好長度的情況下除去端面的銹斑和油污，使鉆桿主體的中心軸線與焊接端面垂直，斜度公差為< 0.5mm。將鉆桿接頭進行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理是將材質(zhì)為42CrMo的鉆桿接頭在調(diào)質(zhì)爐內(nèi)升溫至830°C 850°C，恒溫1.5小時，由介質(zhì)油淬火至HRC55 60，待冷卻后再將其升溫至600°C 630°C，恒溫3小時回火，調(diào)質(zhì)至HRC32 36。2、主體整形:鉆桿主體壓孔、擴孔和整形。將鉆桿主體2固定在液壓壓孔設(shè)備上，由圖5知，是鉆桿主體裝夾V型工裝示意圖。用V型工裝定位，所述的V型工裝是由兩組卡塊組成，每組卡塊由兩塊不同形狀的卡塊組成，一塊是平面5-1，與鉆桿主體2的接觸面壓緊，另一塊是V形凹槽5-2，與鉆桿主體的另外二個面接觸，凹槽的底角為60°，凹槽走向與桿體方向一致，V型工裝壓緊后在接近鉆桿主體2端面30_處使用高頻加熱器加熱約30秒，使其升溫至750°C 800°C，在液壓壓孔設(shè)備上用模具I 4_1 (由圖6知)進行壓孔作業(yè)，使粗加工后鉆桿主體一端形成直徑為065mm的圓柱型結(jié)構(gòu)，成型后取下自然冷卻至常溫備用；將經(jīng)過壓孔處理的鉆桿主體2固定在液壓擴孔設(shè)備上，再使用高頻加熱器加熱約30秒，使其升溫至750V 800°C，在液壓擴孔設(shè)備上用模具II 4-2 (由圖7知)進行擴孔作業(yè)，使鉆桿主體一端形成孔徑為Φ48πιπι的圓柱型圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，成型后可以達到粗加工所具備的尺寸，取下自然冷卻至常溫備用；將經(jīng)過擴孔處理的鉆桿主體2固定在液壓整形設(shè)備上再加熱至750V 800°C，在液壓整形設(shè)備上用模具III 4-3 (由圖8知)進行整形，使鉆桿主體一端形成直徑為Φ64πιπι，孔徑為Φ49πιπι的圓柱型圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，最終達到摩擦焊接要求的精確尺寸；三棱鉆桿主體的另一端也采用同樣的方式進行壓孔擴孔和整形；這三種針對鉆桿主體的設(shè)備均加裝一套V型工裝，分別與各自機體的液壓系統(tǒng)相連，通過液壓作用力收緊夾具將鉆桿主體固定在移動拖板上，并在移動拖板尾部加上固定裝置，防止在各階段操作過程中因頂鍛力過大而造成鉆桿主體向后方滑移。3、摩擦焊接:將經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的鉆桿接頭固定在摩擦焊機主軸孔的旋轉(zhuǎn)液壓卡盤中，鉆桿接頭材質(zhì)為42CrMo，鉆桿接頭在爐內(nèi)升溫至830°C 850°C，恒溫1.5小時，由介質(zhì)油淬火至HRC55 60，待冷卻后再將其升溫至600°C 630°C，恒溫3小時回火，調(diào)質(zhì)至HRC32 36 ;將經(jīng)過壓孔擴孔整形處理后的鉆桿主體用V型工裝固定在摩擦焊機的移動拖板上；啟動摩擦焊機，液壓卡盤收緊鉆桿接頭后將置于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，利用百分表調(diào)整V型工裝位置，校正鉆桿接頭與鉆桿主體的同心度和直線度，使同心度公差< 0.20mm，使直線度公差(0.50mm/m ;符合要求后啟動操作按鈕，進行自動摩擦焊接；同理,三棱鉆桿主體的另一端也采用相同的方式與對應(yīng)的鉆桿接頭進行摩擦焊接；鉆桿主體屬于異型三棱狀結(jié)構(gòu)，在進行摩擦焊接時，移動卡盤夾緊后不易自動定心，且在摩擦焊接的頂鍛過程中，極易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，出現(xiàn)這種情況，會造成接頭和桿體在對接過程中受到的頂鍛力不足，從而對焊縫的強度產(chǎn)生影響，造成相應(yīng)的質(zhì)量問題。V型工裝固定在摩擦焊機的移動拖板上，并與機體的液壓系統(tǒng)相連，通過液壓作用力收緊夾具將鉆桿主體固定在移動拖板上，并在移動拖板尾部加上固定裝置，防止因頂鍛力過大而造成鉆桿主體向后方滑移；
4、焊縫的再處理:待摩擦焊接完畢的成型鉆桿自然冷卻后，利用高頻加熱器在摩擦焊接焊縫處加熱18-20秒，使其升溫至650°C 700°C，進行去應(yīng)力退火，自然冷卻后再將焊接部位突出的部分進行車削加工，消除出現(xiàn)的臺肩或凹凸，使鉆桿整體流暢光滑。本發(fā)明與普通的手工焊接三棱鉆桿同時進行了拉力和扭矩的破壞性試驗，具體的數(shù)據(jù)對比，見下表:
權(quán)利要求
1.高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的焊接方法，包括以下步驟:1)焊前處理、2)、主體整形、3)摩擦焊接、4)焊縫的再處理，其特征在于: 1)、焊前處理:高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿，由三棱狀的鉆桿主體(2)、二端鉆桿接頭組成，鉆桿體內(nèi)設(shè)有送風(fēng)孔，所述的二端鉆桿接頭分為公鉆桿接頭(I)和母鉆桿接頭(3)，鉆桿主體(2)的橫截面為三棱狀首先將鉆桿主體和二端鉆桿接頭的端面車削，除去焊接端面的銹斑和油污，使鉆桿主體與鉆桿接頭的焊接端面和鉆桿中心軸線垂直，公差為≤0.5mm ;并將鉆桿接頭進行調(diào)質(zhì)處理后備用； 2)、主體整形:包括鉆桿主體壓孔、鉆桿主體擴孔和鉆桿主體整形三個階段； (1)、壓孔階段:使用V型工裝將經(jīng)過焊前處理的鉆桿主體固定在液壓壓孔設(shè)備上，在接近鉆桿主體端面30mm處使用高頻加熱器加熱30秒，使其升溫至750V 800°C，用模具I(4-1)進行壓孔作業(yè)，使鉆桿主體一端形成直徑為Φ65πιπι的圓柱，成型后取下自然冷卻至常溫備用； (2)、擴孔階段:使用V型工裝將經(jīng)過壓孔處理的鉆桿主體固定在液壓擴孔設(shè)備上，在接近鉆桿主體端面30mm處使用高頻加熱器加熱30秒，使其升溫至750°C 800°C，用模具II(4-2)進行擴孔，使鉆桿主體一端孔徑縮小至φ48mm，成型后取下自然冷卻至常溫備用； (3)、整形階段:使用V型工裝將經(jīng)過擴孔處理的鉆桿主體固定在液壓整形設(shè)備上，在接近鉆桿主體端面30mm處使用高頻加熱器加熱30秒，使其升溫至750°C 800°C，用模具111(4-3)進行整形，直至鉆桿主體一端形成直徑為Φ64πιπι，孔徑為Φ49πιπι的圓柱型圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，最終達到摩擦焊接要求的精確尺寸；同理，三棱鉆桿主體的另一端也采用同樣的方式進行壓孔擴孔和整形； 3)、摩擦焊接:將經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的鉆桿接頭固定在摩擦焊機主軸孔的旋轉(zhuǎn)液壓卡盤中，將經(jīng)過壓孔擴孔整形處理后的鉆桿主體用V型工裝固定在摩擦焊機的移動拖板上；啟動摩擦焊機，液壓卡盤收緊鉆桿接頭后將置于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，利用百分表調(diào)整V型工裝位置，校正鉆桿接頭與鉆桿主體的同心度和直線度，使同心度公差< 0.20mm，使直線度公差≤0.50mm/m ;符合要求后啟動操作按鈕，進行自動摩擦焊接；同理,三棱鉆桿主體的另一端也采用相同的方式與對應(yīng)的鉆桿接頭進行摩擦焊接； 4)、焊縫的再處理:待摩擦焊接完畢的成型鉆桿自然冷卻后，利用高頻加熱器在摩擦焊接焊縫處加熱18-20秒，使其升溫至650°C 700°C，進行去應(yīng)力退火，自然冷卻后再將焊接部位突出的部分進行車削加工，消除出現(xiàn)的臺肩或凹凸，使鉆桿整體光滑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的焊接方法，其特征在于:所述的步驟I)焊前處理中的所述的調(diào)質(zhì)處理是將材質(zhì)為42CrMo的鉆桿接頭在調(diào)質(zhì)爐內(nèi)升溫至830°C 850°C，恒溫1.5小時，由介質(zhì)油淬火至HRC55 60，待冷卻后再將其升溫至600°C 630°C，恒溫3小時回火，調(diào)質(zhì)至HRC32 36。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的焊接方法，其特征在于:所述的步驟2)、步驟3)中的V型工裝是由兩組卡塊組成，每組卡塊由兩塊不同形狀的卡塊組成，一塊是平面(5-1)，與鉆桿主體的接觸面壓緊，另一塊是V形凹槽(5-2)，與鉆桿主體的另外二個面接觸，凹槽的底角為60°，凹槽走向與桿體方向一致，V型工裝固定在特制的液壓壓孔、擴孔和整形設(shè)備以及摩擦焊機上，并分別與各自機體的液壓系統(tǒng)相連，通過液壓作用力收緊夾具將鉆桿主體固定在移動拖板上，并在移動拖板尾部加上固定裝置，防止在各階段操作過程中因頂鍛力過大而造成鉆桿主體向后方滑移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的焊接方法，其特征在于:所述的步驟2)中的工裝模具I (4-1)為一個類卡盤式結(jié)構(gòu)，端面中央有一個30mm深的圓柱型的孔，孔徑為Φ65ι πι。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的焊接方法，其特征在于:所述的步驟2)中的工裝模具II (4-2)是一個類卡盤式結(jié)構(gòu)，端面中央有一個30mm深的圓柱型圓環(huán)狀的孔，圓環(huán)狀的孔外徑為Φ75ι πι、內(nèi)徑為C>48mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的焊接方法，其特征在于:所述的步驟2)中的工裝模具111(4-3)是一個類卡盤式結(jié)構(gòu)，端面中央有一個30mm深的圓柱型圓環(huán)狀的孔，圓環(huán)狀的孔外徑為Φ64ι πι、內(nèi)徑為Φ49ι πι,與鉆桿主體圓環(huán)狀端面和接頭圓環(huán)狀端面一 致。
全文摘要
高強度煤層抽采瓦斯用三棱型鉆桿的焊接方法，包括以下步驟1)焊前處理、2)主體整形、3)摩擦焊接、4)焊縫的再處理。本發(fā)明，通過摩擦焊接，保證了三棱鉆桿的同心度和直線度，去除了手工電焊必須在焊縫中所填充的焊材，并且消除了焊縫處容易存在的氣孔的現(xiàn)象，提高了三棱鉆桿的強度，并使生產(chǎn)效率提升了15倍，節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了工人的勞動強度，而且消除了手工電焊帶來的環(huán)境污染和對操作工人健康的傷害。
文檔編號B23K20/24GK103143901SQ20131011429
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者王剛, 王輝, 許炳錫, 吳棟建 申請人:江蘇拓海煤礦鉆探機械有限公司