專利名稱：圍繞用于鉆地鉆頭的滾珠裝填孔的表面耐磨堆焊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及牙輪鉆地鉆頭，尤其涉及圍繞用于鉆頭滾珠塞銷 的焊接點(diǎn)的表面耐磨堆焊圖案。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)牙輪鉆頭具有典型地由焊接在一起的三個(gè)頭部制造而成的主 體。每個(gè)頭部具有鉆頭牙掌，所述鉆頭牙掌具有用于支撐旋轉(zhuǎn)牙輪的 懸垂牙輪軸(bearing pin )。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪旋轉(zhuǎn)以崩解地層。
許多鉆頭通過將鎖定滾珠放置到位于牙輪和牙輪軸上的配合凹槽 中而將牙輪固定在牙輪軸上。滾珠通道從凹槽穿過鉆頭牙掌延伸到外 表面。滾珠插入滾珠通道的入口中，隨后定位塞銷放入所述通道中。 定位塞銷被焊接到鉆頭牙掌的外表面上。
多年來，人們將表面耐磨堆焊施加到鉆頭的一部分上以防止磨損。 在現(xiàn)有技術(shù)中，表面耐磨堆焊通常施加到牙輪的齒和保徑面上。同樣， 表面耐磨堆焊通常施加到每個(gè)鉆頭牙掌的裙部上。裙部是位于滾珠塞 銷入口下方的每個(gè)鉆頭牙掌的彎曲下端。表面耐磨堆焊還沿著前緣之 一從裙部向上延伸一定的距離。通常，表面耐磨堆焊不施加到滾珠塞 銷上的焊接點(diǎn)上。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，表面耐磨堆焊施加在至少部分地圍繞滾珠塞銷孔入 口的鉆頭牙掌的外表面上。下部表面耐磨堆焊焊道在鄰近鉆頭牙掌裙 部的滾珠塞銷入口下方彎曲。上部表面耐磨堆焊焊道至少部分地圍繞 滾珠塞銷并在其上方彎曲。在優(yōu)選實(shí)施例中，上部焊道的前端和后端 連接下部焊道，形成圍繞滾珠塞銷入口的通常橢圓形表面耐磨堆焊周 邊。
另外， 一個(gè)或多個(gè)橫向表面耐磨堆焊焊道在滾珠塞銷上方從前緣 向后緣延伸。橫向焊道相對(duì)于鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線傾斜。橫向焊道的前端 在比后端連接鉆頭牙掌后緣位置低的位置處連接鉆頭牙掌前緣。
位于上部彎曲焊道和主體與鉆頭牙掌接合處之間的鉆頭牙掌外表 面的中心部沒有與鉆頭軸線垂直的任何表面耐磨堆焊焊道。所述鉆頭 牙掌的中心部更易受到由于鉆壓造成的應(yīng)力。在表面耐磨堆焊焊道邊 緣處會(huì)發(fā)生應(yīng)力裂縫。如果這個(gè)區(qū)域內(nèi)的表面耐磨堆焊焊道沿與旋轉(zhuǎn) 軸線垂直的方向筆直地延伸，任何裂縫都會(huì)導(dǎo)致鉆頭牙掌斷裂。


圖l是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的鉆地鉆頭的前視圖。
圖2是圖1所示鉆地鉆頭的鉆頭牙掌之一的一部分的剖視圖。 圖3是圖l所示鉆頭的頭部之一在與另一頭部裝配之前的前視圖。 圖4是圖3所示頭部前側(cè)的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，鉆地鉆頭11具有由焊接在一起的三個(gè)頭部13組成的 主體。每個(gè)頭部13的上部延伸段形成大體上圓錐形桿。在所述桿部上 切削出用于連接到鉆柱上的螺紋15。
參考圖4，顯示了在焊接到其它頭部上之前的一個(gè)頭部13。每個(gè) 頭部13具有上主體部16 (如圖4所示)，其焊接到其它頭部13的上主體部上。鉆頭牙掌17形成頭部13的外部并且具有從主體部分16 向下懸垂的下部。鉆頭牙掌17的下部(如圖4所示)的厚度沿向下方 向減小。牙輪軸或軸19與每個(gè)鉆頭牙掌17整體形成并且向內(nèi)、向下 延伸。
參考圖2，牙輪21旋轉(zhuǎn)安裝到每個(gè)牙輪軸19上。牙輪21具有位 于其外部上的多個(gè)切削元件23，所述切削元件可以是在牙輪21的支 撐金屬上銑削出的齒，如圖所示?？蛇x地，切削元件23可以包括安裝 在牙輪21上的配合孔中的硬質(zhì)鑲嵌件，例如碳化鎢。
在本實(shí)例中，牙輪21具有支承套筒25，所述支承套筒位于牙輪 21的中心腔中并且與牙輪軸19旋轉(zhuǎn)接合以形成軸頸軸承。軸頸軸承 充滿潤(rùn)滑劑。牙輪腔開口處的密封件27密封位于牙輪軸19和牙輪21 之間間隙內(nèi)的潤(rùn)滑劑并且還防止來自井孔的碎屑和流體進(jìn)入牙輪腔。 潤(rùn)滑劑從儲(chǔ)存器(未顯示)通過延伸到每個(gè)鉆頭牙掌17中的潤(rùn)滑劑通 道29進(jìn)行供應(yīng)。壓力補(bǔ)償器(未顯示)使通道29內(nèi)的潤(rùn)滑劑壓力和 外部井孔的流體壓力平衡。圖1顯示了補(bǔ)償器帽31，所述補(bǔ)償器帽組 成壓力補(bǔ)償器的一部分并且定位在位于鉆頭牙掌17上端處的過渡區(qū) 域32上。
再次參考圖2，在頭部13彼此焊接之前，每個(gè)牙輪21安裝在牙 輪軸19上。在本實(shí)施例中，每個(gè)牙輪21通過多個(gè)鎖定滾珠或定位滾 珠固定在其牙輪軸19上。滾珠33位于由牙輪21的腔室中的凹槽34 和牙輪軸19的外部上的配合凹槽36界定的環(huán)形空間內(nèi)。凹槽34、 36 具有半圓形橫截面以在牙輪21插到牙輪軸19上并且凹槽34、36對(duì)準(zhǔn) 時(shí)界定圓形橫截面。
當(dāng)凹槽34、 36對(duì)準(zhǔn)時(shí)，滾珠37以與配合凹槽34、 36對(duì)準(zhǔn)的方式 插入從鉆頭牙掌17的外側(cè)向內(nèi)延伸到牙輪軸19的上側(cè)的滾珠通道35 中。在所有滾珠33已經(jīng)放入凹槽34、 36中之后，技術(shù)人員將滾珠塞 銷37安裝在通道35中。滾珠塞銷37包括具有內(nèi)端38的桿，所述內(nèi) 端部分地為圓柱形以封閉通道35與配合凹槽34、 36的連通。滾珠塞 銷37防止?jié)L珠33從配合凹槽34、 36滾回到滾珠通道35中。滾珠塞
7銷37具有外端40，其在本實(shí)施例中凹入到滾珠通道35的進(jìn)口中很短 距離。焊接點(diǎn)39形成在凹陷區(qū)域內(nèi)，從而將滾珠塞銷40焊接到鉆頭 牙掌17的主體上。
圖3顯示了在頭部13之一在焊接到其它頭部上之前并且在安裝其 牙輪21 (圖2)之前的另一視圖。通常，在鉆頭牙掌17和牙輪軸19 內(nèi)已鉆出滾珠通道35。在這一點(diǎn)上，優(yōu)選地，表面耐磨堆焊施加到鉆 頭牙掌17的外表面上的各種位置上。優(yōu)選地，每個(gè)鉆頭牙掌17上的 表面耐磨堆焊包括下部弓形或彎曲焊道41，所述焊道沿著鉆頭牙掌17 的外側(cè)的彎曲下邊緣或裙部延伸。焊道41優(yōu)選地從鉆頭牙掌17的前 緣43延伸到后緣45。如果希望的話，為了增大下部弓形焊道41的寬 度，可以使用一個(gè)以上的焊道，每個(gè)焊道是端部向上的弓形。下部弓 形焊道41位于滾珠通道35入口下方的選定范圍內(nèi)并且部分地圍繞所 述滾珠通道35的入口彎曲。
一個(gè)或多個(gè)上部弓形或彎曲焊道47同樣布置在鉆頭牙掌17的位 于滾珠通道35入口上方的外表面上并且部分地圍繞所述滾珠通道35 的入口延伸。每個(gè)上部弓形焊道47從前緣43延伸到后緣45并且連接 下部弓形焊道41。上部弓形焊道47是端部向下的彎曲形狀，在所示 實(shí)施例中，具有與下部弓形焊道41大致相同的曲率半徑。下部焊道和 上部焊道41、 47完全圍繞無表面耐磨堆焊的區(qū)域49。在本實(shí)施例中， 區(qū)域49通常為橢圓形，但是如果希望的話，也可以為圓形。滾珠通道 35的入口大體上位于區(qū)域49的中心。區(qū)域49形成圍繞滾珠通道35 的入口的邊界，所述邊界沒有表面耐磨堆焊。
還可以在鉆頭牙掌17的外表面上施加各種圖案的附加表面耐磨 堆焊，包括將表面耐磨堆焊布置在鉆頭牙掌17的大體上全部外表面 上，但不包括區(qū)域49和用于與夾具接合以在頭部13彼此焊接時(shí)將其 固定在適當(dāng)位置的凹窩的另一可能區(qū)域(未顯示)。在所示實(shí)例中，沿 著鉆頭牙掌17的前緣布置向上延伸的前緣焊道51。
同樣， 一個(gè)或多個(gè)橫向焊道53定位在僅位于上部弓形焊道47上 方的鉆頭牙掌17的外表面上。橫向焊道53從位于上部弓形焊道47處的前緣焊道51通常向上延伸到后緣45。優(yōu)選地，橫向表面耐磨堆 焊焊道53至少在鉆頭牙掌17的下部連接頭部13的上主體部16(圖4 ) 的位置附近不沿著與鉆頭牙掌17的縱向軸線55垂直的方向延伸。相 反，每個(gè)橫向表面耐磨堆焊焊道53相對(duì)于縱向軸線55以銳角傾斜。 圖4中以虛線表示在鉆頭牙掌17的下部與上主體部16相接處垂直于 軸線55的橫截面57。當(dāng)承受壓縮載荷時(shí)，橫截面57的附近承受相當(dāng) 大的應(yīng)力，如果鉆頭牙掌17斷裂時(shí)，有可能在平面57的附近折斷。 人們不希望通常平行且靠近橫截面57延伸的任何表面耐磨堆焊焊道， 因?yàn)橛锌赡茉诤傅肋吘壧幃a(chǎn)生應(yīng)力裂縫，所述裂縫會(huì)開裂并且導(dǎo)致鉆 頭牙掌17從頭部13的剩佘上主體部16上折斷。限定區(qū)域49的光滑 彎曲焊道41、 47避免了在橫截面57的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力裂縫，因?yàn)閮?者都不是與軸線55垂直的直線。
優(yōu)選地，通過自動(dòng)裝置施加表面耐磨堆焊，所述自動(dòng)裝置使粉末 狀表面耐磨堆焊材料通過通道流入電弧。自動(dòng)裝置以及表面耐磨堆焊 的成分可以是傳統(tǒng)的。典型地，表面耐磨堆焊將包括位于鋼、鎳、鈷 或其合金基體內(nèi)的碳化鎢團(tuán)粒。碳化鎢可以是各種類型和尺寸，例如， 燒結(jié)碳化鵠、鑄造碳化鵠或粗晶碳化鴒。
這里描述的表面耐磨堆焊圖案尤其適用于自動(dòng)表面耐磨堆焊。位 于滾珠入口上方和下方的平滑曲線允許提供無表面耐磨堆焊區(qū)域，用 于隨后插入鎖定滾珠和焊接滾珠塞銷。在位于滾珠塞銷上方和位于鉆 頭牙掌與鉆頭體接合部下方區(qū)域內(nèi)避免直線形表面耐磨堆焊降低了牙 掌破裂的可能。
盡管只顯示了本發(fā)明的一種形式，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的 是，本發(fā)明不限于此，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下可以進(jìn)行各種改 變。
權(quán)利要求
1.一種具有至少一個(gè)鉆頭牙掌的旋轉(zhuǎn)牙輪鉆地鉆頭，所述鉆頭牙掌具有橫穿鉆頭牙掌外表面并且由滾珠塞銷封閉的牙輪定位滾珠通道，改進(jìn)包括位于至少部分地處于滾珠塞銷下方的鉆頭牙掌外表面上的向上彎曲的下部表面耐磨堆焊焊道；和位于至少部分地處于滾珠塞銷上方的鉆頭牙掌外表面上的向下彎曲的上部表面耐磨堆焊焊道。
2. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述上部表面耐磨堆焊焊道 至少部分地圍繞滾珠塞銷。
3. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述下部表面耐磨堆焊焊道 至少部分地圍繞滾珠塞銷。
4. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述上部表面耐磨堆焊焊道 具有連接所述下部表面耐磨堆焊焊道的前端和后端。
5. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述上部表面耐磨堆焊焊道 和下部表面耐磨堆焊焊道界定了圍繞滾珠塞銷的閉合周邊。
6. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述滾珠塞銷沒有任何表面 耐磨堆焊。
7. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述上部表面耐磨堆焊焊道 和下部表面耐磨堆焊焊道界定了圍繞滾珠塞銷的大體上橢圓形周邊。
8. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，還包括位于所述上部表面耐磨堆焊 焊道上方的至少一個(gè)橫向焊道，該至少一個(gè)橫向焊道大體上沿從鉆頭 牙掌前緣向鉆頭牙掌后緣的方向向上和周向延伸。
9. 如權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中所述鉆頭牙掌外表面具有位于所述滾珠塞銷上方和所述鉆頭牙掌 與鉆頭體接合部下方的中心區(qū)域，所述中心區(qū)域從鉆頭牙掌的前緣向后緣延伸；并且所述中心區(qū)域沒有任何具有沿與鉆頭牙掌的縱向軸線垂直的方向延伸的直線部分的表面耐磨堆焊焊道。
10. —種鉆地鉆頭，包括 具有螺紋頂端的鉆頭體；從所述鉆頭體向下懸垂的多個(gè)鉆頭牙掌，每個(gè)鉆頭牙掌具有牙輪軸；旋轉(zhuǎn)安裝在每個(gè)牙輪軸上的牙輪，每個(gè)牙輪具有位于其外部的切 削元件；從位于所述牙輪軸和牙輪上的配合凹槽向每個(gè)鉆頭牙掌外表面延 伸的定位滾珠通道；對(duì)位于每個(gè)鉆頭牙掌上的定位滾珠通道進(jìn)行封閉的滾珠塞銷，所 述滾珠塞銷具有由焊接點(diǎn)覆蓋的外表面，所述焊接點(diǎn)將所述滾珠塞銷 焊接到每個(gè)鉆頭牙掌的外表面上；在每個(gè)滾珠塞銷下方、上面和周圍彎曲的表面耐磨堆焊的至少一個(gè)焊道，并且位于所述滾珠塞銷上的焊接點(diǎn)沒有表面耐磨堆焊。
11. 如權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其中，所述至少一個(gè)焊道限定了 圍繞每個(gè)滾珠塞銷上的焊接點(diǎn)的大體上橢圓形周邊。
12. 如權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其中，所述至少一個(gè)焊道包括弓 形下部焊道和弓形上部焊道，所述弓形上部焊道具有連接所述下部焊 道的前端和后端。
13. 如權(quán)利要求10所述的鉆頭，還包括位于每個(gè)鉆頭牙掌上的至 少一個(gè)橫向焊道，所述橫向焊道從每個(gè)鉆頭牙掌的前緣向后緣延伸， 所述橫向焊道在鉆頭牙掌上比所述后緣低的位置處與所述前緣相交。
14. 如權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其中，所述至少一個(gè)焊道的下部 沿著每個(gè)鉆頭牙掌的裙部延伸。
15. 如權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其中，所述至少一個(gè)焊道的一部 分沿著每個(gè)鉆頭牙掌的前緣延伸，所述至少一個(gè)焊道的一部分沿著每 個(gè)鉆頭牙掌的后緣延伸。
16. —種制造鉆地鉆頭的方法，包括提供三個(gè)頭部，每個(gè)頭部具有鉆頭牙掌、從所述鉆頭牙掌伸出的牙輪軸、以及從位于所述鉆頭牙掌上的凹槽向位于所述鉆頭牙掌外表面上的滾珠入口延伸的定位滾珠通道；在每個(gè)頭部上施加位于所述滾珠入口下方且部分地圍繞所述滾珠入口的彎曲下部表面耐磨堆焊焊道和位于所述滾珠入口上面且部分地 圍繞所述滾珠入口的彎曲上部表面耐磨堆焊焊道；隨后將牙輪放置在每個(gè)頭部的牙輪軸上，將滾珠插入每個(gè)滾珠通 道中以進(jìn)入所述凹槽并將所述牙輪鎖定在所述牙輪軸上；隨后將滾珠定位裝置和滾珠塞銷插入每個(gè)滾珠通道中，并且將每 個(gè)滾珠塞銷焊接到位于鉆頭牙掌之一上的外表面上；隨后將所述頭部彼此焊接到一起。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中，施加彎曲上部表面耐磨堆 焊焊道的步驟包括將上部表面耐磨堆焊焊道的前端和后端連接到下部 表面耐磨堆焊焊道上。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，還包括在放置每個(gè)頭部的牙輪軸 的牙輪之前，從每個(gè)鉆頭牙掌前緣上的位置向每個(gè)鉆頭牙掌后緣上的 更高位置施加橫向表面耐磨堆焊焊道。
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中，施加上部表面耐磨堆焊焊 道和下部表面耐磨堆焊焊道的步驟限定了圍繞每個(gè)頭部上的滾珠入口 的大體橢圓形的、封閉的無表面耐磨堆焊區(qū)域。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)牙輪鉆地鉆頭具有至少一個(gè)鉆頭牙掌(17)，所述鉆頭牙掌具有橫穿鉆頭牙掌外表面并且由滾珠塞銷(37)封閉的牙輪定位滾珠通道(35)。向上彎曲的下部表面耐磨堆焊焊道(41)位于至少部分地處于滾珠塞銷下方的鉆頭牙掌外表面上。向下彎曲的上部表面耐磨堆焊焊道(47)位于至少部分地處于滾珠塞銷上方的鉆頭牙掌外表面上。上部表面耐磨堆焊焊道具有連接下部表面耐磨堆焊焊道的前端和后端。上部表面耐磨堆焊焊道和下部表面耐磨堆焊焊道界定了圍繞滾珠塞銷的大體上橢圓形周邊(49)。至少一個(gè)橫向焊道(53)位于上部表面耐磨堆焊焊道上方，通常沿從鉆頭牙掌前緣向鉆頭牙掌后緣的方向向上和周向延伸。
文檔編號(hào)E21B10/22GK101657600SQ200880012195
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月22日
發(fā)明者A·J·馬西, D·K·盧斯, K·L·內(nèi)林 申請(qǐng)人:貝克休斯公司