石工鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響

引言
　　由于硬質(zhì)合金刀頭具有高硬度、耐磨損、抗腐蝕等性能，特別是在高溫下仍能保持其高硬度，所以被廣泛地用于石工鉆頭上。通常，石工鉆頭由硬質(zhì)合金刀頭及鋼基體的鉆桿這兩部分組成，而釬焊是目前普遍使用的硬質(zhì)合金刀頭與鋼基體鉆桿連接的最成功的方法之一。
　　硬質(zhì)合金刀頭由于含碳量高，妨礙釬料的潤(rùn)濕，特別是由于硬質(zhì)合金刀頭與釬焊料和鋼基體的鉆桿之間的物理和力學(xué)性能有著較大的差異，硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)大約只有鋼材的1/3到1/2，所以在釬焊的冷卻過(guò)程中以及焊接后的冷卻過(guò)程中在刀頭與鉆桿之間的焊縫區(qū)域產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。在釬焊的加熱過(guò)程中，硬質(zhì)合金刀頭與鋼材鉆桿都自由膨脹，但冷卻時(shí)鋼的收縮量卻比硬質(zhì)合金大得多，而且此時(shí)焊縫是出于壓應(yīng)力狀態(tài)，而在硬質(zhì)合金表面則呈拉應(yīng)力狀態(tài)。由于硬質(zhì)合金刀頭的塑性和韌性都非常差，抗拉強(qiáng)度也很低，因此很容易在硬質(zhì)合金刀頭的表面產(chǎn)生焊接裂紋。同時(shí)這個(gè)殘余應(yīng)力的存在也會(huì)使焊縫內(nèi)部產(chǎn)生裂紋從而降低焊接的強(qiáng)度，甚至引起焊縫開(kāi)裂。
　　本文旨在說(shuō)明石工鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是如何影響焊縫殘余應(yīng)力的分布區(qū)域及應(yīng)變。
　　1. 焊縫間隙的設(shè)計(jì)
　　釬焊時(shí)，由于釬料的間隙很小如同毛細(xì)管，釬料是依靠毛細(xì)作用在焊縫間隙內(nèi)流動(dòng)的，因此釬料能否填滿焊縫取決于釬料在母材間隙中的毛細(xì)流動(dòng)特征。
　　焊料液體沿間隙上升的高度H與焊縫間隙大小成反比。釬焊時(shí)，焊縫越小，焊料越容易充滿焊縫，焊接強(qiáng)度越高。但是焊縫作為一種軟性層，對(duì)釬焊時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力能起到一定的緩沖作用，所以焊縫越小，其塑性變形能力就越弱從而使焊接應(yīng)力增加。
　　大刀頭焊縫的殘余應(yīng)力與應(yīng)變的分布及小刀頭焊縫的殘余應(yīng)力與應(yīng)變的分布，可以看出焊縫越厚，最大殘余應(yīng)力的分布區(qū)域相對(duì)較小，應(yīng)變也較小。焊縫越薄，最大殘余應(yīng)力的分布區(qū)域相對(duì)較大，應(yīng)變也較大。而且焊縫厚度較薄時(shí)，最大應(yīng)力的分布區(qū)域接近于中心區(qū)，此時(shí)中心區(qū)是最危險(xiǎn)的區(qū)域。隨著焊縫厚度的增加，最大應(yīng)力分布區(qū)域逐漸向邊緣移動(dòng)，此時(shí)靠近邊緣區(qū)是最危險(xiǎn)的區(qū)域。
　　2.鉆頭頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　對(duì)于大面積硬質(zhì)合金刀頭，由于釬焊面積大，冷卻收縮內(nèi)應(yīng)力更大，在釬焊過(guò)程中更容易出現(xiàn)裂紋或開(kāi)裂。因此在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能減少釬焊面積。另外，不均勻加熱是引起焊接殘余應(yīng)力的另一個(gè)主要方面。因此在鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免不對(duì)稱(chēng)頭部設(shè)計(jì)，尤其對(duì)四刃鉆頭的設(shè)計(jì)，要避免由于大、小刀頭較大的釬焊面積的差異，而導(dǎo)致小刀頭焊接殘余應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)裂紋或開(kāi)裂。大、小刀頭釬焊面積的差異越大，小刀頭焊縫的最大殘余應(yīng)力的分布區(qū)域就越大，小刀頭在釬焊冷卻過(guò)程中更容易產(chǎn)生裂紋。
　　3.結(jié)論
　　3.1釬焊冷卻過(guò)程中或焊后冷卻過(guò)程中，硬質(zhì)合金刀頭和鋼基體鉆桿的變形不均勻?qū)е铝撕缚p中存在很大的殘余應(yīng)力。
　　3.2焊縫間隙對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響很大，特別是最大殘余應(yīng)力的分布范圍影響很大。
　　3.3對(duì)于大直徑鉆頭，釬焊面積越大，刀頭越容易產(chǎn)生裂紋。
　　3.4對(duì)于四刃鉆頭，大小刀頭的釬焊面積差異越大，小刀頭越容易產(chǎn)生裂紋。