牙轮钻头包括牙掌、牙轮、轴承、水眼和储油密封补偿系统等几部分,由三个装有牙轮的牙掌焊接而成。然而焊件由于电弧的作用温度分布不均匀,局部被加热至熔点温度以上,在焊缝和母材处形成很大的温度梯度,冷却过程中由于应力的作用导致牙掌产生收缩变形,这直接影响着钻头结构质量和性能。因此,开展牙掌焊接变形控制研究,具有重要的理论意义和工程应用前景。本文针对牙掌焊接所涉及的残余应力、牙掌变形和轴颈面偏移量等关键性问题进行了系统的研究,基于热、弹-塑性理论和有限元理论,以ABAQUS软件为平台,结合Python、Fortran语言编程,建立了牙轮钻头牙掌焊接有限元模型,分析了牙掌焊接的温度场、应力场和变形结果。并从焊接顺序和约束方式两方面对焊接产生的影响进行了优化,提出了合理的焊序和约束方式,这对钻头公司在钻头焊接过程中准确控制钻头几何参数特别是钻头直径采取的措施提供了理论依据,具有一定实用价值。结果如下:（1）建立了牙掌焊接有限元模型,并分析了现有工艺下牙轮钻头牙掌焊接残余应力分布和变形规律。具体为,外圆焊缝与水平焊缝处存在较大的残余应力,三个牙掌轴颈面中心节点处的偏移量分别为向内收缩1.44 mm,1.27 mm和1.52 mm。（2）合理的焊接顺序对牙轮钻头牙掌焊接有一定的优化作用。同焊道和原工艺有相反焊接顺序的方案二不论在焊后残余应力方案还是变形方面都优于原工艺。方案二在三个牙掌轴颈面中心节点处的偏移量分别为向内收缩1.42 mm,0.95 mm和1.24 mm,较原工艺分别降低了1.3%,25.2%和18.4%。（3）掌背处的约束对牙轮钻头牙掌焊接变形有较大的改善,但残余应力明显增大。对掌背两侧部分区域施加约束的方案一在三个牙掌轴颈面中心节点处的偏移量分别为向内收缩0.90 mm,0.79 mm和0.81 mm,较原工艺分别降低了37.5%,37.8%和46.7%。对掌背内外侧部分区域施加约束的方案二在三个牙掌轴颈面中心节点处的偏移量分别为向外扩张0.09 mm,0.24 mm和0.23 mm,较原工艺分别降低了93.8%,81.1%和84.9%。（4）尽管施加约束并未对焊接等效应力峰值产生影响,但各方向上的残余应力都不同程度的较原工艺增大了。然而,残余应力过大会缩短钻头使用寿命,降低钻头疲劳强度和应力腐蚀等力学性能,因此,综合变形调控并兼顾残余应力的影响,使用与原工艺在相同焊道相反的焊接顺序并在掌背两侧施加约束是最佳的调控方案。