pdc鉆頭45鋼接頭的釬焊殘余應(yīng)力分析

pdc鉆頭45鋼接頭的釬焊殘余應(yīng)力分析

聚晶鉆石填充片（pdc）是由人工鉆石晶體層和碳化鋯硬質(zhì)基材料在高溫高壓下合成的產(chǎn)品。由于PDC鉆頭優(yōu)良的抗沖擊性和耐磨性,因此應(yīng)用越來越廣泛。目前在煤礦井下的瓦斯抽放孔、勘探孔、錨桿孔、放水孔和注漿孔等各種鉆孔的施工中,大量使用PDC鉆頭,大幅度提高了鉆進(jìn)效率。然而,PDC熱敏性強(qiáng),其硬質(zhì)合金基底與釬料和45鋼體之間的力學(xué)性能、熱物理性能存在差別,特別是熱膨脹系數(shù)相差懸殊,硬質(zhì)合金基底的熱膨脹系數(shù)為4.5~7×10-6K,鋼的熱膨脹系數(shù)為11.65×10-6K,加熱時(shí)2種材料各自膨脹,焊后冷卻時(shí)由于釬料己將2種材料牢固連接而不能自由收縮,因此,在焊后冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生很大的殘余熱應(yīng)力。另外,礦用PDC鉆頭生產(chǎn)中人工火焰釬焊是應(yīng)用最廣泛的方法。釬焊過程中人為因素多,工藝參數(shù)執(zhí)行不穩(wěn)定,釬焊質(zhì)量與焊接工的經(jīng)驗(yàn)直接相關(guān)。因此,利用有限元數(shù)值計(jì)算,模擬釬焊殘余應(yīng)力,預(yù)報(bào)接頭應(yīng)力的大小和分布,對(duì)改進(jìn)釬縫形式和釬焊工藝參數(shù),延長(zhǎng)鉆頭壽命,以及煤礦高效、安全生產(chǎn)有重要意義。1熱、物理和等效應(yīng)力圖1表示接頭是實(shí)際鉆頭柱齒的物理裝配模型。由PDC、45鋼試樣以及銀基釬料組成PDC/銀基釬料/45鋼釬焊接頭,假定接頭在高溫下焊接狀況良好,所得焊縫無任何缺陷,冷卻到室溫時(shí)計(jì)算其釬焊殘余應(yīng)力?？茖W(xué)地選取計(jì)算參數(shù),對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算特別重要,計(jì)算參數(shù)選取的合理與否將直接影響到模擬結(jié)果是否正確。計(jì)算中考慮了溫度變化對(duì)彈性模量、熱膨脹系數(shù)和屈服強(qiáng)度的影響。焊接所用釬料以及基體材料的熱、力學(xué)性能參數(shù)隨溫度變化。在查閱大量資料的前提下,所采用的PDC硬質(zhì)合金基底、45鋼、銀基釬料的熱物理性能參數(shù)如表1所列。由于圖2為沿PDC直徑和柱齒母線的對(duì)稱模型,因此可以在ANSYS中設(shè)置對(duì)稱模型加載,這樣減小了模型,在同樣的網(wǎng)格尺寸下,單元數(shù)量和結(jié)點(diǎn)數(shù)目大幅度減少,節(jié)約了計(jì)算機(jī)資源。本次計(jì)算的有限元模型如圖3所示。圖4為PDC/45鋼接頭冷卻到室溫時(shí)的等效應(yīng)力分布。由圖4可知,在PDC的硬質(zhì)合金基底上,等效應(yīng)力從上部到焊縫逐漸增大,在PDC與釬縫一側(cè)達(dá)到最大,為1890MPa,接近硬質(zhì)合金的屈服強(qiáng)度,而且在硬質(zhì)合金基底內(nèi)的應(yīng)力變化梯度大。由圖5軸向應(yīng)力分布圖可以看出,釬縫與PDC一側(cè)接觸面上的殘余拉應(yīng)力最大,達(dá)到739MPa,該拉應(yīng)力容易產(chǎn)生垂直于釬縫界面的龜裂裂紋,導(dǎo)致接頭總是從靠PDC硬質(zhì)合金界面一側(cè)斷裂而掉片,分析結(jié)果與硬質(zhì)合金釬焊理論以及鉆頭掉片實(shí)際情況是吻合的。2焊接厚度對(duì)應(yīng)力的影響不同釬縫厚度對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖6所示。為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源,對(duì)二維平面模型進(jìn)行了分析。釬縫可以釋放部分應(yīng)力,同時(shí)由于其熱膨脹系數(shù)大,又會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。所產(chǎn)生的應(yīng)力是由相匹配的材料特性決定的,釬料合金的熱膨脹系數(shù)比所連接PDC的硬質(zhì)合金基底和45鋼體要高得多,彈性模量卻低的多,熱物理參數(shù)相差懸殊,冷卻過程中釬料的收縮量也大。釬料層過厚時(shí),釬料中應(yīng)力分布不均勻,中間受力很小,沒有完全發(fā)揮釋放應(yīng)力的作用,而此時(shí)釬料層冷卻時(shí)的收縮量也大,從而導(dǎo)致釬縫與PDC的硬質(zhì)合金基底和45鋼體兩側(cè)界面的應(yīng)力比較大。當(dāng)釬料層較薄時(shí),釬料層變形梯度較大,導(dǎo)致加工硬化嚴(yán)重,進(jìn)一步變形,且不能很好地釋放應(yīng)力,使焊后應(yīng)力增加。當(dāng)然,不同的釬料和母材連接有著不同的最佳釬縫厚度是由其材料性質(zhì)決定的。當(dāng)釬縫厚度δ=100mm時(shí),應(yīng)力峰值為229MPa,隨著釬縫厚度的進(jìn)一步增加,應(yīng)力峰值反而升高。當(dāng)釬縫厚度δ=200μm時(shí),應(yīng)力峰值為249MPa,所以釬縫厚度為100~120μm時(shí)為最佳,如圖7所示。圖8為不同厚度釬縫沿徑向的應(yīng)力分布。3養(yǎng)成纖維殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭的影響目前,常見接頭形式簡(jiǎn)單,易加工,釬焊操作方便,釬料毛細(xì)作用好,焊縫飽滿。但是由于釬料、PDC鋼體的熱膨脹系數(shù)差別大,在焊縫處將產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力,尤其是在焊縫邊緣和形狀突變處,導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋,在鉆頭使用中出現(xiàn)掉片、崩齒等現(xiàn)象。2種不規(guī)則焊釬縫如圖9所示。它們?cè)诤艽蟪潭壬显黾恿蒜F縫接觸面積,若能正常焊接,則有利于增加釬縫的機(jī)械強(qiáng)度。然而這種增加只是由于剪切力與界面相交或者垂直,除了因剪切面積的增加使界面結(jié)合力大幅度增加外,結(jié)構(gòu)本身也承擔(dān)了大部分剪應(yīng)力。但在剪切試驗(yàn)臺(tái)上,這種純剪的測(cè)量結(jié)果與鉆頭在孔內(nèi)復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用工況有很大的不同。對(duì)不規(guī)則接頭形式的殘余應(yīng)力分析,在釬料層和PDC硬質(zhì)合金基底界面的形狀突變處產(chǎn)生高達(dá)809MPa的殘余應(yīng)力(見圖10),這些應(yīng)力集中部位在鉆頭使用過程中焊接處很容易產(chǎn)生裂紋,裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致掉片和鉆頭失效。再者,這些焊接鉆頭增加了加工難度,況且以這些接頭形式為基底的PDC市場(chǎng)上也沒有,所以想通過圖9所示這些不規(guī)則釬縫形式增加接頭的機(jī)械強(qiáng)度就不易實(shí)現(xiàn);其次,這些釬縫形狀復(fù)雜,釬料難以均勻和足量鋪展,增加了施焊難度,也極易出現(xiàn)焊縫缺陷。故圖9所示的2種不規(guī)則釬縫都會(huì)出現(xiàn)圖10所示的應(yīng)力集中,所以不可取。4接頭形式的改進(jìn)3種緩解熱殘余應(yīng)力的方法是選用合理的中間層及其疊放次序,控制冷卻速度,改變界面形狀。選擇緩沖層和控制冷卻速度都能從一定程度上緩解熱殘余應(yīng)力,但都有其局限性。而改變界面形狀不但能緩解殘余應(yīng)力,而且這種接頭方式也容易施焊,所以選擇改變PDC/45鋼接頭界面形狀為優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向。從以上不規(guī)則界面的釬縫設(shè)計(jì)來看,雖然在一定程度上通過增加PDC基底與鋼體的接觸面積提高了機(jī)械強(qiáng)度,卻忽略了界面中局部高應(yīng)力的存在,未能有效降低殘余應(yīng)力。綜上所述,設(shè)計(jì)了鋼體中部為平面、兩邊緣為圓弧的接頭形式(見圖11)。圖11所示的接頭形式具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)釬料容易鋪展,釬焊熔渣容易排出;(2)焊縫邊緣處釬料厚度的微量增加,可以緩沖不同材料熱膨脹系數(shù)的差異所造成的巨大殘余應(yīng)力,從而增加焊接強(qiáng)度。這種結(jié)構(gòu)不會(huì)過多地影響釬焊強(qiáng)度,鋼體加工也容易實(shí)現(xiàn)。圖12為改進(jìn)接頭形式的二維有限元計(jì)算模型,其釬縫中間厚度為100μm,邊緣圓弧半徑為6.5mm,釬縫和PDC硬質(zhì)合金基底與45鋼界面的殘余應(yīng)力峰值僅為203MPa,低于傳統(tǒng)接頭最佳釬縫的殘余應(yīng)力峰值(229MPa)。從數(shù)值計(jì)算角度來說,這種形式的釬縫確實(shí)緩解了比較多的殘余應(yīng)力,如果能按此釬縫形式制作試樣,做剪切試驗(yàn)會(huì)更有說服力。圓弧形界面接頭不僅可減小界面附近邊緣的應(yīng)力集中,而且可顯著降低接頭中的殘余應(yīng)力峰值。目前對(duì)PDC接頭形狀的殘余應(yīng)力分析較少,通過計(jì)算結(jié)果可以預(yù)見這種方法能顯著提高接頭性能。5鉆頭安全網(wǎng)分析結(jié)果(1)在PDC與釬縫一側(cè)的殘余應(yīng)力較大,其硬質(zhì)合金內(nèi)的應(yīng)力梯度大,PDC與釬縫一側(cè)界面為危險(xiǎn)區(qū)域,接頭總是從靠PDC界面一側(cè)斷裂而掉片