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1、(10)申请公布号 CN 103103318 A (43)申请公布日 2013.05.15 CN 103103318 A *CN103103318A* (21)申请号 201310047312.3 (22)申请日 2013.02.06 C21D 1/09(2006.01) C21D 9/00(2006.01) (71)申请人 上海高斯雷洁激光技术有限公司 地址 201800 上海市嘉定区南翔镇嘉前路 928 号 1 幢 A 区 (72)发明人 王绥义 (74)专利代理机构 上海集信知识产权代理有限 公司 31254 代理人 王月珍 (54) 发明名称 一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法及设 备。
2、 (57) 摘要 本发明为一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造 方法及设备， 涉及钻杆钻铤接头的制造技术， 克服 现有钻杆钻铤接头抗扭性能差的问题， 本方法包 含 ： 选没有淬火的钻杆钻铤接头基体作为毛坯 ； 对毛坯表面擦拭清洁 ： 对清洁后的毛坯进行激光 相变强化处理， 实施激光热处理， 成为产品半成 品 ： 对产品半成品进行检验， 符合要求的为高抗 扭型钻杆钻铤接头产品 ； 对产品进行包装打包。 本方法制成的高抗扭型钻杆钻铤接头淬火后变形 量极小， 硬度高， 其基体的柔韧性能不会遭到破 坏， 提高了抗扭力， 比现有产品提高了 55%， 使用 中出现粘扣问题的几率大大降低， 大幅提高了产 品的使用。
3、寿命。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103103318 A CN 103103318 A *CN103103318A* 1/2 页 2 1. 一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法， 其特征在于包含以下步骤 ： S1， 选用产品毛坯 ： 采用没有淬火的钻杆钻铤接头基体作为产品的毛坯 ； S2， 对毛坯表面擦拭清洁 ： S3， 对清洁后的毛坯进行激光相变强化处理， 实施激光淬火， 成为产品半成品 ： S4， 对产品半成品进行检验， 。
4、符合要求的为高抗扭型钻杆钻铤接头产品 ； S5， 对高抗扭型钻杆钻铤接头产品进行包装打包。 2. 如权利要求 1 所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法， 其特征在于 ： 所属毛坯采用 4145H 材料。 3. 如权利要求 1 所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法， 其特征在于 ： 所述步骤 S2 中采用酒精和抹布将要进行激光淬火的螺纹部位擦净。 4. 如权利要求 1 所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法， 其特征在于 ： 所述步骤 S3 包含 ： S31， 将清洁后的毛坯安装在激光热处理装置的机床工作台上， 用卡盘夹紧 ； S32， 用毛刷在即将实施激光淬火的螺纹部位涂抹一层吸光剂 ； S33。
5、， 启动激光热处理装置的激光器及机床工作台， 对清洁后的毛坯进行激光相变强化 处理， 实施激光淬火 ； 激光相变强化处理的工作条件如下 ： 激光器工作功率 ： 1480-1500W ； 激光淬火扫描光斑 ： 公接头用 2x15mm 的宽光斑扫描 ； 母接头直接采用 2-2.5mm 的 圆光斑扫描 ； 机床工作台上的卡盘转速 ： 公接头用的转速为 500-550mm/ 分钟 ； 母接头用的转速为 800-850mm/ 分钟 ； 公接头与母接头淬火前都无需预热， 淬火后都无需冷却介质， 自然冷却 ； S34， 激光淬火至淬火所需的全部区域范围， 停止激光相变强化处理， 此时的钻杆钻铤 为产品半成品。
6、。 5. 如权利要求 1 所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法， 其特征在于 ： 所述步骤 S4 包含 ： S41， 缺陷检查 ： 人工观察激光相变强化的部位是否存在缺陷， 若有缺陷， 当废品处理 ； S42， 硬度检查 ： 对没有缺陷的产品半成品用硬度计检测其硬度是否符合要求， 不符合 要求的作废品处理 ； S43， 变形量检查 ： 对符合硬度要求的产品半成品用螺纹规检测其变形量是否在要求范 围内， 不符合要求的作废品处理， 符合要求的产品为高抗扭型钻杆钻铤接头产品。 6. 一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备， 其特征在于包含 ： 清洁工具， 采用对钻杆钻铤接头毛坯的表面清洁的酒精和抹布 ；。
7、 激光热处理装置， 是对表面清洁后的毛坯进行激光相变强化处理的装置， 其包含 ： 激光器， 是 CO2激光器， 其激光波长为 10.6m， 工作功率为 1480-1500W ； 数控加工机床， 其机床工作台卡盘上置放车清洁后的毛坯， 所述激光器发出的激光正 对车削后的毛坯端部 ； 控制器， 其是一个数控系统， 分别与所述激光器， 数控加工机床连接， 使激光器产生的 权 利 要 求 书 CN 103103318 A 2 2/2 页 3 激光将清洁后的毛坯进行激光热处理， 成为钻杆钻铤接头产品半成品 ； 检测工具， 包括对产品半成品进行硬度检测的硬度计以及对符合硬度要求的产品半成 品检测变形量的螺。
8、纹规， 检测合格的为高抗扭型钻杆钻铤接头产品 ； 打包装置， 采用木箱打包机， 对高抗扭型钻杆钻铤接头产品进行包装打包。 7. 如权利要求 6 所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备， 其特征在于 ： 所述激光器发出激光的光路上， 设有发出一束红光的同步指示系统， 发出的这束红光 的路线和激光的路线一致。 8. 如权利要求 6 所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备， 其特征在于 ： 所述激光器发出激光的光路上， 设有外光路系统， 外光路系统由数个透射镜与数个反 射镜组成。 9. 如权利要求 8 所述的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备， 其特征在于 ： 所述激光器与外光路系统分别与一个冷水机组连接。。
9、 权 利 要 求 书 CN 103103318 A 3 1/5 页 4 一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法及设备 技术领域 0001 本发明涉及钻杆钻铤接头的制造技术， 尤其是指一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制 造方法及设备。 背景技术 0002 钻杆钻铤接头是石油钻探开采中广泛使用的部件， 用于连接钻杆、 钻铤用。 钻杆或 钻铤的两端分别通过摩擦焊接的工艺连接着钻杆钻铤接头中的公接头与母接头， 作业时通 过这些接头把钻杆或钻铤连接起来。 0003 钻杆和钻铤作业过程中是处于高速、 高强度转动的状态， 因此对钻杆钻铤接头的 抗扭力和接头螺纹的变形这两项指标要求很高。这两项指标不高的产品， 作业过程。
10、很容易 产生接头螺纹粘扣死的问题， 因此为提高接头的使用寿命接头的防粘扣是广大商家一直以 来寻求解决的技术难题。 0004 由于钻杆钻铤接头在作业过程中承受巨大扭力， 因此选择需柔韧性能良好的钢材 作为其基体材料， 目前商家大多选择 4145h 作为其基体材料。4145h 是美国钢材牌号， 中国 钢材牌号 42CrMo 类似于此钢材。 0005 为改善接头的抗扭力和接头螺纹的变形这两项指标性能， 目前都采用对接头螺纹 淬火强化的方法， 但是传统的淬火手段 （例如高频淬火、 中频淬火、 火焰淬火等） 使接头的变 形量都很大， 远远达不到产品的要求。 0006 不经过淬火强化的接头， 其抗扭力很低。
11、。 0007 目前， 市场上有一种叫 QPQ 的工艺， QPQ 是 Quench Polish Quench 的缩写， 是指将黑色金属零件放入两种性质不同的盐浴中， 通过多种元素渗入金属表面形成复合渗 层， 从而达到使零件表面改性的目的。它没有经过淬火， 但达到了表面淬火的效果。 0008 经过 QPQ 处理的接头， 其抗扭力比原产品大致提高 20%， 但还是不能满足实际使用 的要求。 发明内容 0009 本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题， 提供一种抗扭性能好， 接头螺纹 的变形量小， 使用寿命高的高抗扭型石油钻杆钻铤接头的制造方法。 0010 本发明的另一目的是提供一种高抗扭型石油钻。
12、杆钻铤接头的制造设备。 0011 本发明的目的是通过以下技术方案实现的 ： 0012 一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造方法， 其包含以下步骤 ： 0013 S1， 选用产品毛坯 ： 采用没有淬火的钻杆钻铤接头基体作为产品的毛坯 ； 0014 S2， 对毛坯表面擦拭清洁 ： 0015 S3， 对清洁后的毛坯进行激光相变强化处理， 实施激光淬火， 成为产品半成品 ： 0016 S4， 对产品半成品进行检验， 符合要求的为高抗扭型钻杆钻铤接头产品 ； 0017 S5， 对高抗扭型钻杆钻铤接头产品进行包装打包。 说 明 书 CN 103103318 A 4 2/5 页 5 0018 所属毛坯采用 414。
13、5H 材料。 0019 所述步骤 S2 中采用酒精和抹布将要进行激光淬火的螺纹部位擦净。 0020 所述步骤 S3 包含 ： 0021 S31， 将清洁后的毛坯安装在激光热处理装置的机床工作台上， 用卡盘夹紧 ； 0022 S32， 用毛刷在即将实施激光淬火的螺纹部位涂抹一层吸光剂 ； 0023 S33， 启动激光热处理装置的激光器及机床工作台， 对清洁后的毛坯进行激光相变 强化处理， 实施激光淬火 ； 0024 激光相变强化处理的工作条件如下 ： 0025 激光器工作功率 ： 1480-1500W ； 0026 激 光 淬 火 扫 描 光 斑 ： 公 接 头 用 2x15mm 的 宽 光 斑。
14、 扫 描 ； 母 接 头 直 接 采 用 2-2.5mm 的圆光斑扫描 ； 0027 机床工作台上的卡盘转速 ： 公接头用的转速为 500-550mm/ 分钟 ； 母接头用的转速 为 800-850mm/ 分钟 ； 0028 公接头与母接头淬火前都无需预热， 淬火后都无需冷却介质， 自然冷却 ； 0029 S34， 激光淬火至淬火所需的全部区域范围， 停止激光相变强化处理， 此时的钻杆 钻铤为产品半成品。 0030 所述步骤 S4 包含 ： 0031 S41， 缺陷检查 ： 人工观察激光相变强化的部位是否存在缺陷， 若有缺陷， 当废品处 理 ； 0032 S42， 硬度检查 ： 对没有缺陷的产。
15、品半成品用硬度计检测其硬度是否符合要求， 不 符合要求的作废品处理 ； 0033 S43， 变形量检查 ： 对符合硬度要求的产品半成品用螺纹规检测其变形量是否在要 求范围内， 不符合要求的作废品处理， 符合要求的产品为高抗扭型钻杆钻铤接头产品。 0034 本发明的另一目的是通过以下技术方案实现的 ： 0035 一种高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备， 其包含 ： 0036 清洁工具， 采用对钻杆钻铤接头毛坯的表面清洁的酒精和抹布 ； 0037 激光热处理装置， 是对表面清洁后的毛坯进行激光相变强化处理的装置， 其包 含 ： 0038 激光器， 是 CO2激光器， 其激光波长为 10.6m， 工作功。
16、率为 1480-1500W ； 0039 数控加工机床， 其机床工作台卡盘上置放车清洁后的毛坯， 所述激光器发出的激 光正对车削后的毛坯端部 ； 0040 控制器， 其是一个数控系统， 分别与所述激光器， 数控加工机床连接， 使激光器产 生的激光将清洁后的毛坯进行激光热处理， 成为钻杆钻铤接头产品半成品 ； 0041 检测工具， 包括对产品半成品进行硬度检测的硬度计以及对符合硬度要求的产品 半成品检测变形量的螺纹规， 检测合格的为高抗扭型钻杆钻铤接头产品 ； 0042 打包装置， 采用木箱打包机， 对高抗扭型钻杆钻铤接头产品进行包装打包。 0043 所述激光器发出激光的光路上， 设有发出一束红。
17、光的同步指示系统， 发出的这束 红光的路线和激光的路线一致。 0044 所述激光器发出激光的光路上， 设有外光路系统， 外光路系统由数个透射镜与数 说 明 书 CN 103103318 A 5 3/5 页 6 个反射镜组成。 0045 所述激光器与外光路系统分别与一个冷水机组连接。 0046 本发明的有益效果 ： 0047 采用本发明的激光相变强化的方法制造的钻杆钻铤接头与现有方法制造的钻杆 钻铤接头相比 ： 一是激光相变强化的方法实施淬火后变形量极小， 在产品允许的范围之内 （这个指标传统淬火手段是达不到） ， 二是激光淬火之后的钻杆钻铤接头基体的柔韧性能不 会遭到破坏， 硬度高， 提高了接。
18、头螺纹表面的抗扭性能， 提高了抗扭力， 本发明的方法制造 的钻杆钻铤接头的抗扭力， 比现有产品提高了 55%。因此， 用本方法制造的钻杆钻铤接头比 传统的钻杆钻铤接头相比， 出现粘扣问题的几率大大降低， 从而大幅提高了产品的使用寿 命。 0048 为进一步说明本发明的上述目的、 结构特点和效果， 以下将结合附图对本发明进 行详细说明。 附图说明 0049 图 1 为本发明高抗扭型钻杆钻铤接头制造方法的流程图 ; 0050 图 2 为本发明高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备示意图。 具体实施方式 0051 下面结合实施例的附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。 0052 为了表述方便， 下文中将本。
19、发明的高抗扭型钻杆钻铤接头， 命名为 “LQAT 钻杆钻 铤接头” （LQAT ： Laser Quenching&Anti-Torque， 即， 激光淬火 + 抗扭） 。本发明是用激光技 术手段对钻杆钻铤接头进行激光相变强化处理， 对钻杆钻铤接头进行激光淬火， 由于激光 工艺对产品变形小的特点， 解决了钻杆钻铤在传统淬火中使接头变形量大的问题。 0053 参见图 1， 本发明的高抗扭型钻杆钻铤接头制造方法的流程包含如下步骤 ： 0054 S1， 选用产品毛坯 ： 将现有钻杆钻铤接头 （没有淬火的钻杆钻铤接头基体， 市场有 供应） 作为本发明产品的毛坯 （采用 4145H 或性能相近的材料） 。
20、。 0055 S2， 对毛坯表面擦拭清洁 ： 用酒精和抹布将要进行激光淬火的螺纹部位擦拭干净。 0056 S3， 对清洁后的毛坯进行激光相变强化处理， 实施激光淬火， 成为产品半成品， 该 步骤具体包含 ： 0057 S31， 将清洁后的毛坯安装在激光热处理装置的机床工作台上， 用卡盘夹紧 ； 0058 S32， 用毛刷在即将实施激光淬火的螺纹部位涂抹一层调制好的吸光剂 （有助于工 件快速吸收激光的能量） ； 0059 S33， 启动激光热处理装置的激光器及机床工作台， 开始对清洁后的毛坯进行激光 相变强化处理， 实施激光淬火， 激光器最大功率为 5KW， 将工作功率调到 1480-1500W。
21、 ； 0060 钻杆钻铤接头有公接头 （螺纹在外） 与母接头 （螺纹在内） 之分， 两者在激光相变强 化处理时的工作条件如下 ： 0061 激光淬火扫描光斑 ： 公接头用 2x15mm 的宽光斑扫描 （用积分镜调整光斑） ； 母接头 直接采用 2-2.5mm 的圆光斑扫描 ； 0062 机床工作台上的卡盘转速 ： 公接头用的转速 500-550mm/ 分钟 ； 母接头用的转速 说 明 书 CN 103103318 A 6 4/5 页 7 800-850mm/ 分钟 ； 0063 公接头与母接头淬火前都无需预热， 淬火后都无需冷却介质， 靠自然冷却 ； 0064 S34， 激光淬火至淬火所需的全。
22、部区域范围， 停止激光相变强化处理， 此时的钻杆 钻铤为产品半成品。 0065 S4， 对产品半成品进行检验， 具体包含 ： 0066 S41， 缺陷检查 ： 通过人工观察， 看激光相变强化的部位是否存在开裂、 凹坑等缺 陷， 若有缺陷， 当废品处理 （一旦工作参数调整好， 出现缺陷的概率很小） ； 0067 S42， 硬度检查 ： 对没有缺陷的产品半成品用硬度计检测其硬度， 检测其硬度值是 否符合要求 （例对于材质为 4145H 的接头， 激光淬火后硬度能达到 HV630 度左右， 一般定标 准为 HV600 以上为符合要求， 而传统的热处理方法是达不到此要求的） ， 不符合要求的产品 半成。
23、品作废品处理 （一旦设备工作参数调整好， 出现缺陷的概率很小） 。硬度计采用的是型 号为 TH110 硬度计。 0068 S43， 变形量检查 ： 对符合硬度要求的产品半成品用螺纹规检测 （螺纹规采用常规 的螺纹规） ， 看变形量是否在要求范围内 （这个范围对不同规格的产品有不同的指标， 同样 规格大小的接头， 公接头和母接头的表述数字也不一样。举一个例子如下， 对 NC50-G105 的 公接头， 激光相变强化前的紧密距控制范围为 15.85-16.00mm 之间， 要求强化之后紧密距 控制范围在15.78-16.16之间 ； 对NC50-G105的母接头， 激光相变强化前的紧密距控制范围 。
24、为0.05-0.20之间， 要求强化之后紧密距控制范围在0.02-0.27之间， 这样的变形范围要求 本发明用激光手段达到了， 而传统的热处理方法是远远达不到的） ， 另外对产品半成品的垂 直度、 锥度、 螺距、 齿高等的变形量指标均应在控制范围内。不符合要求的产品半成品作废 品处理， 符合要求的产品为 LQAT 钻杆钻铤接头。 0069 至此， LQAT 钻杆钻铤接头完成制造。 0070 S5， 对合格的 LQAT 钻杆钻铤接头产品进行包装打包 ： 主要用木箱包装， 适合于汽 车装卸和运输。 0071 本发明采用了激光相变强化工艺技术， 对钻杆钻铤接头实施激光淬火， 激光淬火 之后的钻杆钻铤。
25、接头基体的柔韧性能不会遭到破坏， 同时提高了接头螺纹表面的抗扭性 能， 且变形量小， 抗扭力大幅提升， 抗扭力比现有接头提高了 55%。 0072 本发明提供的高抗扭型钻杆钻铤接头的制造设备参见图 2， 其包含 ： 0073 清洁工具 2， 采用对钻杆钻铤接头毛坯的表面清洁的酒精和抹布。 0074 激光热处理装置 1， 是对表面清洁后的毛坯进行激光相变强化处理的装置， 其包 含 ： 0075 激光器 12， 是 CO2 激光器， 其激光波长为 10.6m ； 0076 同步指示系统 15， 置于激光器 12 发出激光的光路上， 其是一种发出一束红光的装 置， 发出的这束红光的路线和激光的路线完。
26、全一致， 在激光的光路上安装该装置的作用是 用来 “对光” 的， 即在正式打开光闸使激光器 12 的激光照射到钻杆钻铤接头工件的工作点 之前， 先要用这束红光来校准激光的照射位置， 以便激光器 12 的激光对准钻杆钻铤接头工 件的工作点位置。 0077 外光路系统 16， 是置于激光器 12 发出激光的光路上的数个透射镜与数个反射镜， 激光经过外光路系统 16 的几次透射、 反射、 折射、 聚焦后到达钻杆钻铤接头工件的工作点。 说 明 书 CN 103103318 A 7 5/5 页 8 0078 冷水机组 13， 是水冷却器， 分别与激光器 12 及与外光路系统 15 连接 （冷水机组 13。
27、 的冷水管连到激光器腔体里的散热器上对激光器进行散热冷却 ； 冷水管还连到每一个透射 镜、 反射镜的镜座上， 对各镜座进行散热冷却。 ） 0079 数控加工机床 14， 其机床工作台卡盘上置放清洁后的毛坯， 所述激光器的激光正 对清洁后后的毛坯端部 （激光热处理扫描从一个端部开始到另一端部） ； 0080 控制器 11， 其是一个数控系统， 分别与所述激光器 12， 数控加工机床 14 连接， 其 控制数控加工机床 14 的机床工作台卡盘转速及机床 X 轴移动速度， 控制激光器 12 的输出 功率， 另外， 通过控制器 11 来打开或关闭激光器光闸， 使激光器 12 产生的激光对清洁后的 毛坯。
28、进行激光热处理， 成为钻杆钻铤接头产品半成品 ； 由于钻杆钻铤接头有公接头 （螺纹在 外） 与母接头 （螺纹在内） 之分， 控制器 11 控制两者在激光相变强化处理时的工作条件如下 ： 激光淬火扫描光斑 ： 公接头用 2x15mm 的宽光斑扫描 （用积分镜调整光斑） ； 母接头直接采用 2-2.5mm的圆光斑扫描 ； 机床工作台上的卡盘转速 ： 公接头用的转速500-550mm/分钟 ； 母接头用的转速 800-850mm/ 分钟。 0081 检测工具 3， 包括 ： 对产品半成品进行硬度检测的硬度计， 本实施例采用的是型号 为 TH110 的硬度计 ； 对符合硬度要求的产品半成品检测变形量的。
29、螺纹规， 合格的为 LQAT 钻 杆钻铤接头产品。 0082 打包装置 4， 采用木箱打包机， 对 LQAT 钻杆钻铤接头产品进行包装打包。 0083 图 2 中虚线所示的是产品生产流程中设备所属各装置或工具的使用状态示意线。 0084 本技术领域中的普通技术人员应当认识到， 以上的实施例仅是用来说明本发明的 目的， 而并非用作对本发明的限定， 只要在本发明的实质范围内， 对以上所述实施例的变 化、 变型都将落在本发明的权利要求的范围内。 说 明 书 CN 103103318 A 8 1/2 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103103318 A 9 2/2 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103103318 A 10 。