pdc钻头45钢接头的钎焊残余应力分析.docxVIP

pdc钻头45钢接头的钎焊残余应力分析 聚晶钻石填充片（pdc）是由人工钻石晶体层和碳化锆硬质基材料在高温高压下合成的产品。由于PDC钻头优良的抗冲击性和耐磨性,因此应用越来越广泛。目前在煤矿井下的瓦斯抽放孔、勘探孔、锚杆孔、放水孔和注浆孔等各种钻孔的施工中,大量使用PDC钻头,大幅度提高了钻进效率。 然而,PDC热敏性强,其硬质合金基底与钎料和45钢体之间的力学性能、热物理性能存在差别,特别是热膨胀系数相差悬殊,硬质合金基底的热膨胀系数为4.5~7×10-6K,钢的热膨胀系数为11.65×10-6K,加热时2种材料各自膨胀,焊后冷却时由于钎料己将2种材料牢固连接而不能自由收缩,因此,在焊后冷却过程中会产生很大的残余热应力。另外,矿用PDC钻头生产中人工火焰钎焊是应用最广泛的方法。钎焊过程中人为因素多,工艺参数执行不稳定,钎焊质量与焊接工的经验直接相关。因此,利用有限元数值计算,模拟钎焊残余应力,预报接头应力的大小和分布,对改进钎缝形式和钎焊工艺参数,延长钻头寿命,以及煤矿高效、安全生产有重要意义。 1 热、物理和等效应力 图1表示接头是实际钻头柱齿的物理装配模型。由PDC、45钢试样以及银基钎料组成PDC/银基钎料/45钢钎焊接头,假定接头在高温下焊接状况良好,所得焊缝无任何缺陷,冷却到室温时计算其钎焊残余应力。 科学地选取计算参数,对数值模拟计算特别重要,计算参数选取的合理与否将直接影响到模拟结果是否正确。计算中考虑了温度变化对弹性模量、热膨胀系数和屈服强度的影响。 焊接所用钎料以及基体材料的热、力学性能参数随温度变化。在查阅大量资料的前提下,所采用的PDC硬质合金基底、45钢、银基钎料的热物理性能参数如表1所列。 由于图2为沿PDC直径和柱齿母线的对称模型,因此可以在ANSYS中设置对称模型加载,这样减小了模型,在同样的网格尺寸下,单元数量和结点数目大幅度减少,节约了计算机资源。本次计算的有限元模型如图3所示。 图4为PDC/45钢接头冷却到室温时的等效应力分布。由图4可知,在PDC的硬质合金基底上,等效应力从上部到焊缝逐渐增大,在PDC与钎缝一侧达到最大,为1 890 MPa,接近硬质合金的屈服强度,而且在硬质合金基底内的应力变化梯度大。 由图5轴向应力分布图可以看出,钎缝与PDC一侧接触面上的残余拉应力最大,达到739 MPa,该拉应力容易产生垂直于钎缝界面的龟裂裂纹,导致接头总是从靠PDC硬质合金界面一侧断裂而掉片,分析结果与硬质合金钎焊理论以及钻头掉片实际情况是吻合的。 2 焊接厚度对应力的影响 不同钎缝厚度对残余应力的影响如图6所示。为了节省计算机资源,对二维平面模型进行了分析。 钎缝可以释放部分应力,同时由于其热膨胀系数大,又会产生应力。所产生的应力是由相匹配的材料特性决定的,钎料合金的热膨胀系数比所连接PDC的硬质合金基底和45钢体要高得多,弹性模量却低的多,热物理参数相差悬殊,冷却过程中钎料的收缩量也大。钎料层过厚时,钎料中应力分布不均匀,中间受力很小,没有完全发挥释放应力的作用,而此时钎料层冷却时的收缩量也大,从而导致钎缝与PDC的硬质合金基底和45钢体两侧界面的应力比较大。当钎料层较薄时,钎料层变形梯度较大,导致加工硬化严重,进一步变形,且不能很好地释放应力,使焊后应力增加。当然,不同的钎料和母材连接有着不同的最佳钎缝厚度是由其材料性质决定的。 当钎缝厚度δ=100 mm时,应力峰值为229MPa,随着钎缝厚度的进一步增加,应力峰值反而升高。当钎缝厚度δ=200μm时,应力峰值为249 MPa,所以钎缝厚度为100~120μm时为最佳,如图7所示。图8为不同厚度钎缝沿径向的应力分布。 3 养成纤维残余应力对焊接接头的影响 目前,常见接头形式简单,易加工,钎焊操作方便,钎料毛细作用好,焊缝饱满。但是由于钎料、PDC钢体的热膨胀系数差别大,在焊缝处将产生很大的残余应力,尤其是在焊缝边缘和形状突变处,导致焊缝出现裂纹,在钻头使用中出现掉片、崩齿等现象。 2种不规则焊钎缝如图9所示。它们在很大程度上增加了钎缝接触面积,若能正常焊接,则有利于增加钎缝的机械强度。然而这种增加只是由于剪切力与界面相交或者垂直,除了因剪切面积的增加使界面结合力大幅度增加外,结构本身也承担了大部分剪应力。但在剪切试验台上,这种纯剪的测量结果与钻头在孔内复杂的实际应用工况有很大的不同。对不规则接头形式的残余应力分析,在钎料层和PDC硬质合金基底界面的形状突变处产生高达809 MPa的残余应力(见图10),这些应力集中部位在钻头使用过程中焊接处很容易产生裂纹,裂纹扩展导致掉片和钻头失效。再者,这些焊接钻头增加了加工难度,况且以这些接头形式为基底的PDC市场上也没有,所以想通过图9所示这些不规则钎缝形式增加接头的机械强度就不易实现;其次,