石工钻头结构设计对焊接残余应力的影响

摘要：

硬质合金刀头具有高硬度、耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优点，被广泛应用于石工钻头。同时硬质合金材料本身的塑性、韧性和抗冲击性都较差。由于硬质合金刀头与施工钻头的刀杆材料的性能参数的不匹配而导致在焊接的冷却过程中使得焊缝部分产生相当大的残余应力，这些残余应力对硬质合金刀头产生拉应力而导致硬质合金刀头产生裂纹或微裂纹，而导致生产的高报废率或降低产品的性能。本文结合工作中的实际改进案例，阐述了如何从石工钻头的结构设计方面减少由焊接产生的残余应力，从而减少焊接裂纹。

【关键词】结构设计 石工钻头 残余应力

中图分类号：TH12

Abstract： Tungsten carbide tip is widely used in masonry drill Bit， because it has the advantages of high hardness， high temperature resistance， corrosion resistance， and abrasion resistance. At the same time， tungsten carbide tip itself has the attributes of poor plasticity， poor toughness and poor impact resistance. The larger difference of linear expansion coefficient between tungsten carbide tip and steel blank caused much residual stress in carbide tip during the cooling process of brazing process. The tensile stress caused by this residual stress makes cracks or micro-crack happened in tungsten carbide tip， which will lead to the high scrap rate for production or poor performance of masonry drill. This paper states how to reduce the residual stress generated in brazing process by design with actual design improvement case， thereby reducing the brazing crack rate.

Keywords： structural design； masonry drill bit； residual stress； crack

引言

由于硬质合金刀头具有高硬度、耐磨损、抗腐蚀等性能，特别是在高温下仍能保持其高硬度，所以被广泛地用于石工钻头上。通常，石工钻头由硬质合金刀头及钢基体的钻杆这两部分组成，而钎焊是目前普遍使用的硬质合金刀头与钢基体钻杆连接的最成功的方法之一。

硬质合金刀头由于含碳量高，妨碍钎料的润湿，特别是由于硬质合金刀头与钎焊料和钢基体的钻杆之间的物理和力学性能有着较大的差异，硬质合金的线膨胀系数大约只有钢材的1/3到1/2，所以在钎焊的冷却过程中以及焊接后的冷却过程中在刀头与钻杆之间的焊缝区域产生很大的残余应力。在钎焊的加热过程中，硬质合金刀头与钢材钻杆都自由膨胀，但冷却时钢的收缩量却比硬质合金大得多，而且此时焊缝是出于压应力状态，而在硬质合金表面则呈拉应力状态。由于硬质合金刀头的塑性和韧性都非常差，抗拉强度也很低，因此很容易在硬质合金刀头的表面产生焊接裂纹。同时这个残余应力的存在也会使焊缝内部产生裂纹从而降低焊接的强度，甚至引起焊缝开裂。

本文旨在说明石工钻头结构设计是如何影响焊缝残余应力的分布区域及应变。

1. 焊缝间隙的设计

钎焊时，由于钎料的间隙很小如同毛细管，钎料是依靠毛细作用在焊缝间隙内流动的，因此钎料能否填满焊缝取决于钎料在母材间隙中的毛细流动特征。

焊料液体沿间隙上升的高度H与焊缝间隙大小成反比。钎焊时，焊缝越小，焊料越容易充满焊缝，焊接强度越高。但是焊缝作为一种软性层，对钎焊时产生的残余应力能起到一定的缓冲作用，所以焊缝越小，其塑性变形能力就越弱从而使焊接应力增加。

大刀头焊缝的残余应力与应变的分布及小刀头焊缝的残余应力与应变的分布，可以看出焊缝越厚，最大残余应力的分布区域相对较小，应变也较小。焊缝越薄，最大残余应力的分布区域相对较大，应变也较大。而且焊缝厚度较薄时，最大应力的分布区域接近于中心区，此时中心区是最危险的区域。随着焊缝厚度的增加，最大应力分布区域逐渐向边缘移动，此时靠近边缘区是最危险的区域。

2.钻头头部结构设计

对于大面积硬质合金刀头，由于钎焊面积大，冷却收缩内应力更大，在钎焊过程中更容易出现裂纹或开裂。因此在设计时尽可能减少钎焊面积。另外，不均匀加热是引起焊接残余应力的另一个主要方面。因此在钻头结构设计时应尽量避免不对称头部设计，尤其对四刃钻头的设计，要避免由于大、小刀头较大的钎焊面积的差异，而导致小刀头焊接残余应力过大而出现裂纹或开裂。大、小刀头钎焊面积的差异越大，小刀头焊缝的最大残余应力的分布区域就越大，小刀头在钎焊冷却过程中更容易产生裂纹。

3.结论

3.1钎焊冷却过程中或焊后冷却过程中，硬质合金刀头和钢基体钻杆的变形不均匀导致了焊缝中存在很大的残余应力。

3.2焊缝间隙对焊接残余应力的影响很大，特别是最大残余应力的分布范围影响很大。

3.3对于大直径钻头，钎焊面积越大，刀头越容易产生裂纹。

3.4对于四刃钻头，大小刀头的钎焊面积差异越大，小刀头越容易产生裂纹。

参考文献：

[1] 张启运，庄鸿寿. 钎焊手册（M）. 机械工业出版社.2008.6

[2] 史耀武. 焊接技术手册. 福建科学技术出版社. 2005.4

作者简介：

张铁燕（1975-），女，博世电动工具（中国）有限公司，工程师， 杭州市， 主要从事石工钻头的研发。