石工鉆頭結構設計對焊接殘余應力的影響

引言
　　由于硬質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合金刀頭與鋼基體鉆桿連接的最成功的方法之一。
　　硬質合金刀頭由于含碳量高，妨礙釬料的潤濕，特別是由于硬質合金刀頭與釬焊料和鋼基體的鉆桿之間的物理和力學性能有著較大的差異，硬質合金的線膨脹系數大約只有鋼材的1/3到1/2，所以在釬焊的冷卻過程中以及焊接后的冷卻過程中在刀頭與鉆桿之間的焊縫區域產生很大的殘余應力。在釬焊的加熱過程中，硬質合金刀頭與鋼材鉆桿都自由膨脹，但冷卻時鋼的收縮量卻比硬質合金大得多，而且此時焊縫是出于壓應力狀態，而在硬質合金表面則呈拉應力狀態。由于硬質合金刀頭的塑性和韌性都非常差，抗拉強度也很低，因此很容易在硬質合金刀頭的表面產生焊接裂紋。同時這個殘余應力的存在也會使焊縫內部產生裂紋從而降低焊接的強度，甚至引起焊縫開裂。
　　本文旨在說明石工鉆頭結構設計是如何影響焊縫殘余應力的分布區域及應變。
　　1. 焊縫間隙的設計
　　釬焊時，由于釬料的間隙很小如同毛細管，釬料是依靠毛細作用在焊縫間隙內流動的，因此釬料能否填滿焊縫取決于釬料在母材間隙中的毛細流動特征。
　　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，焊縫越小，焊料越容易充滿焊縫，焊接強度越高。但是焊縫作為一種軟性層，對釬焊時產生的殘余應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力增加。
　　大刀頭焊縫的殘余應力與應變的分布及小刀頭焊縫的殘余應力與應變的分布，可以看出焊縫越厚，最大殘余應力的分布區域相對較小，應變也較小。焊縫越薄，最大殘余應力的分布區域相對較大，應變也較大。而且焊縫厚度較薄時，最大應力的分布區域接近于中心區，此時中心區是最危險的區域。隨著焊縫厚度的增加，最大應力分布區域逐漸向邊緣移動，此時靠近邊緣區是最危險的區域。
　　2.鉆頭頭部結構設計
　　對于大面積硬質合金刀頭，由于釬焊面積大，冷卻收縮內應力更大，在釬焊過程中更容易出現裂紋或開裂。因此在設計時盡可能減少釬焊面積。另外，不均勻加熱是引起焊接殘余應力的另一個主要方面。因此在鉆頭結構設計時應盡量避免不對稱頭部設計，尤其對四刃鉆頭的設計，要避免由于大、小刀頭較大的釬焊面積的差異，而導致小刀頭焊接殘余應力過大而出現裂紋或開裂。大、小刀頭釬焊面積的差異越大，小刀頭焊縫的最大殘余應力的分布區域就越大，小刀頭在釬焊冷卻過程中更容易產生裂紋。
　　3.結論
　　3.1釬焊冷卻過程中或焊后冷卻過程中，硬質合金刀頭和鋼基體鉆桿的變形不均勻導致了焊縫中存在很大的殘余應力。
　　3.2焊縫間隙對焊接殘余應力的影響很大，特別是最大殘余應力的分布范圍影響很大。
　　3.3對于大直徑鉆頭，釬焊面積越大，刀頭越容易產生裂紋。
　　3.4對于四刃鉆頭，大小刀頭的釬焊面積差異越大，小刀頭越容易產生裂紋。