[发明专利]用于在焊态牙轮钻头的滚珠塞销焊缝中减少残余应力的系统、方法和装置

说明书

技术领域

本发明大体上涉及牙轮钻头的应力减少，尤其涉及用于在焊态牙轮钻头的滚珠塞销焊缝中减少残余应力的系统、方法和装置。

背景技术

旋转型的钻头包括旋转刮刀钻头和牙轮钻头。在牙轮结构中，钻头一般具有三个牙轮，每一个牙轮可相对于通过轴承组件而支撑牙轮的钻头主体独立地旋转。牙轮上支撑着用于提供钻头切削作用的整体形成的齿或者单独形成的镶齿。

牙轮钻头一般使用滚珠保持系统以把牙轮固定到头部上。保持系统包括并入在每个牙轮和头部轴承中的径向滚珠轴承座圈。在头部滚珠轴承座圈和头部外径(OD)之间提供滚珠道，以便于组装。当牙轮配合到头部上时，各滚珠轴承座圈被对齐，并且它们一起限定了环形空间。滚珠轴承通过滚珠道引入到该空间中。接着，滚珠塞销被插入到滚珠道中，以阻断头部滚珠轴承座圈中的不连续(也就是孔)，并确保滚珠轴承被保持在座圈中。滚珠塞销通过焊接被固定到头部OD上。

在焊接后冷却时，残余应力会在焊接区域(例如熔化区域和热影响区域)累积。取决于残余应力的方向和大小，组件的使用载荷能力会被显著地减少。这种结构配置导致一种头部区域失效，这种失效包括裂纹，裂纹在滚珠塞销焊缝根部开始，然后向着头部OD扩散，然后转向并向着牙轮轴颈的基部扩散。想要有解决这个问题的方案。

发明内容

本发明的系统、方法和装置的一个实施例描述了用于在焊态的滚珠塞销焊缝区域减少残余应力的几种方案。在一个实施例中，材料选择性地从焊缝、热影响区域和/或周围区域除去，以促进残余应力的松弛。在替代的实施例中，施加变形和/或施加热或振动来促进应力松弛。通过利用本发明减少焊接区域的残余应力，增加了使用载荷能力和/或使用寿命。

通过下面对本发明的详细描述以及结合权利要求和附图，本领域技术人员将清楚本发明前述的以及其它目的和优点。

附图说明

以下将明白获得本发明特征和优点以及其它方面的方式，它们可以被更详细地理解，通过参照在附图中显示的实施例，可以对以上概括的本发明进行更特别的描述，附图构成了说明书的一部分。但是应当注意到，附图仅仅显示了本发明的实施例，因此不应当被认为对其范围的限制，本发明可以容许其它等同效果的实施例。

附图1是根据本发明的牙轮钻头的一个实施例的半截面视图；

附图2是附图1的牙轮钻头的头部和牙轮部分的放大截面视图，其根据本发明构造；

附图3是根据本发明的牙轮钻头的另一个实施例的放大截面视图；

附图4是根据本发明的方法的一个实施例的高级流程图。

具体实施方式

参见附图1和2，显示了根据本发明构造的牙轮钻头11的一个实施例。钻头11包括钻头主体13，其具有带有牙轮17的头部15(显示了一个)。每个头部15和牙轮17包括保持系统，该保持系统具有在头部15和牙轮17之间相交处的滚珠座圈19。滚珠道21从滚珠座圈19向头部15的外径(附图1和2的左边)延伸。外径形成了头部15周边区域23的一部分。周边区域23通常包括从滚珠道21径向向外和相对于滚珠道21轴向向里延伸的头部15的区域。

头部15和牙轮17的各滚珠座圈19a、19b被对齐以限定环形空间。滚珠25布置在滚珠座圈19内，以把牙轮17机械地保持在头部15上。滚珠塞销27被布置在滚珠道21内，以把滚珠25保持在滚珠座圈19内。阻碍29，例如焊缝，在头部15的外径附近形成，以把滚珠塞销27固定在滚珠道21内。

本发明还包括应力减少装置，用于减少在邻近外径的阻碍(例如焊缝)29处和头部15的周边区域23处的残余应力，以增加牙轮钻头11的使用载荷能力和使用寿命。在一个实施例中，应力减少装置包括邻近滚珠塞销27的由第一材料形成的内部焊缝31(附图2)。焊缝29由第二材料形成在内部焊缝31上，第二材料的强度比第一材料高。第一材料可包括许多不同的材料，包括镍、镍合金、不锈钢和Inconel合金。第二材料可包括钢等。

此外，包括一个或多个焊接道次的单个焊缝可以用作阻碍29。这些实施例也可采用单一材料来形成焊缝，例如镍。此外，整个焊缝可以由单一、较软的材料形成。在本发明的另一个实施例中，应力减少装置包括阻碍29中的空隙39(附图3)。空隙39可包括在滚珠道21的轴向延伸的钻孔。