钎料层厚度对两种不同截齿工作过程接头应力的影响.pdf

第4 4 卷第9 期 2 0 1 9 年9 月 煤炭学报 J O U R N A LO F C H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 4N o ．9 S e p ． 2 0 1 9 移动阅读 何源福，夏毅敏，赵先琼，等．钎料层厚度对两种不同截齿工作过程接头应力的影响[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 9 ，4 4 9 2 9 1 4 2 9 2 2 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 8 ．1 4 2 6 H EY u a n f u ，X I AY i m i n ，Z H A OX i a n q i o n g ，e ta 1 ．I n f l u e n c eo fb r a z i n gf i l l e rt h i c k n e s so nj o i n ts t r e s so ft w od i f f e r e n t p i c ko p e r a t i o np r o c e s s e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 1 9 ，4 4 9 2 9 1 4 2 9 2 2 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ． 2 0 1 8 ．1 4 2 6 钎料层厚度对两种不同截齿工作过程接头应力的影响 何源福，夏毅敏，赵先琼，乔硕，宁波 中南大学机电工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要为了探究镐型截齿的硬质合金头脱落现象，针对普通截齿与耐磨截齿，研究镐型截齿工作 过程中的钎焊接头应力分布情况以及钎料层厚度对接头应力的影响特征。利用A N S Y S 软件，分别 建立普通截齿与耐磨截齿的弹塑性热力学模型，对两种镐型截齿进行热一结构顺序耦合分析，得到 其钎焊残余应力分布，用实验验证模型正确性。将截齿破岩时的工作温度及外部载荷施加到钎焊 残余应力模型上，仿真得到镐型截齿5 - 作时钎焊接头的应力分布规律。分析结果表明①未工作 状态下，两种镐型截齿的钎料层与硬质合金头交界面处均出现最大钎焊残余应力，容易发生因热应 力过大导致的钎缝开裂。②工作状态下，截齿的径向路径上，普通截齿与耐磨截齿的钎焊接头应 力最大值近乎相等，均达到2 1 0M P a 左右，但其最大应力出现的位置不同，分别位于钎料层与刀体 的交界面以及钎料层与硬质合金头的交界面处；轴向路径上，两种镐型截齿的应力最大值相差不 大，且均出现在钎焊接头外表面处。耐磨层对镐型截齿整体应力的分布影响不大，但却使得镐型截 齿最大应力出现的位置发生了偏移，使得镐型截齿硬质合金头脱落的危险位置发生变化。③普通 截齿与耐磨截齿均在钎料层厚度为0 ．1m m 时得到接头应力最小值，此时镐型截齿钎焊接头的连 接性能最好。 关键词钎料层厚度；截齿；钎焊接头应力；耐磨层；残余应力；工作过程 中图分类号T D 4 2 1文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 9 0 9 2 9 1 4 一0 9 I n f l u e n c eo fb r a z i n gf i l l e rt h i c k n e s so nj o i n ts t r e s so ft w o d i f f e r e n tp i c ko p e r a t i o np r o c e s s e s H EY u a n f u ，X I AY i m i n ，Z H A OX i a n q i o n g ，Q I A OS h u o ，N I N GB o S c h o o lo f M e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n K s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ec e m e n t e dc a r b i d eh e a ds h e d d i n gp h e n o m e n o no fp i c k s ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f b r a z e dj o i n t si np i c kw o r k i n gp r o c e s sa n dt h ei n f l u e n c eo fb r a z i n gf i l l e rt h i c k n e s so nt h eb r a z e dj o i n ts t r e s sw e r es t u d - i e d ．U s i n gt h eA N S Y Ss o f t w a r e ，t h ee l a s t i c p l a s t i ct h e r m o d y n a m i cm o d e l so fc o m m o np i c ka n dw e a r - r e s i s t a n tp i c kw e r e e s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y ．T h et h e r m a l s t r u c t u r a ls e q u e n t i a lc o u p l i n ga n a l y s i so ft h et w op i c k sw e r ec a r r i e do u tt oo b t a i n t h ed i s t r i b u t i o no fb r a z i n gr e s i d u a ls t r e s s ，a n dt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l sw e r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t s ．T h ew o r k i n g t e m p e r a t u r ea n dl o a do ft h ep i c kw e r ea p p l i e dt ot h eb r a z i n gr e s i d u a ls t r e s sm o d e l ，a n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h e b r a z e dj o i n tw a ss i m u l a t e d ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a t ①u n d e rn o r m a lc o n d i t i o n s ，t h em a x i m u mr e s i d u a lb r a z i n gs t r e s s e s a p p e a r e da tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nb r a z i n gf i l l e ra n dc e m e n t e dc a r b i d eh e a do ft h et w op i c k s ，w h i c ha r ep r o n et ot h e 收稿日期2 0 1 8 1 0 2 5修回日期2 0 1 9 0 2 2 8责任编辑毕永华 基金项目湖南省战略新兴产业科技攻关计划资助项目 2 0 1 5 G K l 0 0 9 作者简介何源福 1 9 9 5 一 ，男，福建莆田人，硕士研究生。E - m a i l 2 8 2 1 8 5 8 5 6 6 q q ．v o m 通讯作者夏毅敏 1 9 6 7 一 ，男，江西永新人，教授。T e l 0 7 3 1 8 8 8 7 6 9 2 6 ，E m a i l x i a y m j m a i l ．C S t l ．e d u ．c n 万方数据 第9 期何源福等钎料层厚度对两种不同截齿工作过程接头应力的影响 2 9 1 5 c r a c k i n go ft h eb r a z i n gs e a mc a u s e db ye x c e s s i v et h e r m a ls t r e s s ．②U n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h em a x i m u ms t r e s s e so f b r a z e dj o i n t so fc o m m o np i c ka n dw e a r - r e s i s t a n tp i c kw e r en e a r l ye q u a li nt h er a d i a lp a t h ，r e a c h i n ga b o u t2 1 0M P a ， b u tt h el o c a t i o n so ft h em a x i m u ms t r e s sw e r ed i f f e r e n t ．T h em a x i m u ms t r e s so fc o m m o np i c kw a sl o c a t e da tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nb r a z i n gf i l l e ra n dp i c kb o d y ，w h i l et h em a x i m u ms t r e s so fw e a r - r e s i s t a n tp i c kw a sl o c a t e da tt h ei n t e r f a c e b e t w e e nb r a z i n gf i l l e ra n dc e m e n t e dc a r b i d eh e a d ．O nt h ea x i a lp a t h ，t h em a x i m u ms t r e s s e so ft h et w op i c k sw e r en o t m u c hd i f f e r e n t ，a n db o t ho ft h e ma p p e a r e do nt h eo u t e rs u r f a c eo fb r a z e dj o i n t ．W e a rr e s i s t a n tl a y e rh a sl i t t l ee f f e c to n t h eo v e r a l ls t r e s sd i s t r i b u t i o no fp i c k ，b u ti tm a d et h ep o s i t i o no ft h em a x i m u ms t r e s so fp i c ks h i f ta n dc h a n g e st h ed a n - g e r o u sp o s i t i o no fc e m e n t e dc a r b i d eh e a ds h e d d i n g ．③B o t hc o m m o np i c ka n dw e a r r e s i s t a n tp i c kh a v et h em i n i m u m j o i n ts t r e s sw h e nt h eb r a z i n gf i l l e rt h i c k n e s si s0 ．1m m ，w h i c hm a k e st h ec o n n e c t i o np e r f o r m a n c eo fb r a z e dj o i n t st h e b e s t ． K e yw o r d s b r a z i n gf i l l e rt h i c k n e s s ；p i c k ；b r a z e dj o i n ts t r e s s ；w e a rr e s i s t a n tl a y e r ；r e s i d u a ls t r e s s ；w o r k i n gp r o c e s s 随着采煤装备的不断发展，开采的地层越来越复 杂，开采速度越来越快，对镐型截齿的质量提出了更 高的要求。硬质合金头脱落作为镐型截齿一种常见 的失效形式⋯，会大大降低镐型截齿的寿命，增加煤 矿开挖成本，降低施工效率。在截齿工作过程中，钎 焊接头处的工作温度、破岩载荷以及钎焊残余应力等 因素均会导致硬质合金头的松动，直至脱落。截齿合 金头脱落的主要原因是焊缝质量差、强度低，钎料层 厚度的合理选择能有效增强截齿的钎焊强度旧J 。根 据不同的施工地层，镐型截齿可分为两种，不加耐磨 层的普通截齿与加耐磨层的耐磨截齿。耐磨层在增 强截齿耐磨性的同时，对其钎焊接头处的连接性能也 有一定的影响，有必要对两种截齿的钎焊接头分别进 行钎焊性能分析与最优钎料层厚度的选择。 近年来，国内外大量学者对截齿展开了研究。王 立平等旧叫1 基于E v a n s 截割模型，通过理论推导的方 式，提出了镐齿截割力的修正模型。B A K A RMZ A 1 5J ，J E O N GHY 等∞o 通过实验的方式，研究了如截 线间距、截割深度、岩石饱和度等参数对截齿截割力 及比能耗的影响。张倩倩等一1 通过实验和数值模拟 方法，研究了镐型截齿的耐磨性能及其磨损特征对截 割力的影响。现有的对于截齿的研究主要集中在其 截割力与磨损方面旧‘12 | ，解决的是关于截齿截割性能 与截齿磨损方面的问题，缺乏有关镐型截齿合金头脱 落失效的研究。探究镐型截齿的合金头脱落现象，需 要研究截齿工作过程中钎焊接头处的应力分布情况。 目前国内外对于焊缝应力方面的研究，主要体现在简 单模型的焊接残余应力分布规律上卜bJ 。但是，镐 型截齿硬质合金头脱落现象均出现在其工作过程中， 仅研究残余应力，无法体现破岩载荷与工作温度对硬 质合金头脱落的影响。而且考虑到镐型截齿刀体结 构、钎料成分及焊接工艺的特殊性，已有研究并不能 很好地解释镐型截齿硬质合金头脱落的现象。 本文基于A N S Y S 软件，以u 8 5 截齿为例，分别针 对普通截齿与耐磨截齿，建立有限元模型，设置其材 料热物性参数随温度而变化，仿真得到两种镐型截齿 钎焊接头的残余应力场。将镐型截齿的工作温度与 破岩载荷加载到钎焊接头残余应力场上，求解得到镐 型截齿钎焊接头的工作应力分布规律。分析研究堆 焊耐磨层对镐型截齿工作过程接头应力的影响，并提 出两种镐型截齿钎料层厚度的优化决策方法。 1 数值模型的建立 1 ．1 截齿钎焊的热传导模型 截齿钎焊冷却过程中，产生的应变包含了弹性应 变、塑性应变以及热应变6 | 。其中，热应变是截齿高 温冷却时产生的收缩以及弹性模量和线膨胀系数随 温度变化而引起的。其表达式可以写成 峙a d T r T o 等 等盯 1 式中，8 ，为截齿热应变；O l 为截齿的热膨胀系数；V o 为截齿的钎焊温度；D 。为弹性模量矩阵；o r 为截齿弹 性应力；T 为瞬时温度。 截齿钎焊过程主要通过热对流、热传导和热辐射 等方式进行热能传递，热对流主要发生在截齿外表面 与空气之间。截齿的焊后冷却过程是一个非稳态导 热过程，导热方程可表示为 p q 警 熹 入期 杀卜朝 去卜为 p Q 2 式中，． L 为截齿的导热系数；C 。为定压比热容；P 为 密度；戈，y , z 为系统内每个位置的坐标；Q 为热量。 截齿钎焊之后的冷却过程中存在潜热的释放问 题，采用热焓法处理，热焓日的表达式可以写成 r r 仃 乩 IC d T 1 一Z L ， 3 万方数据 2 9 1 6 煤炭学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 式中，凰为钎焊温度兀时钎料的比焓；C 为等压热 容i f 为钎料熔化状态下固体的含量；L ，为熔融钎料 的比热系数。 1 ．2 仿真模型的建立 镐型截齿是由4 2 C r M o 刀体、H S C u Z n N i 铜基钎 料及Y G l 5 硬质合金头组成，为了增强截齿的耐磨 性，部分镐型截齿在刀体前端堆焊了F e - C r - N b - C 系 耐磨层，如图1 所示。硬质合金头直径为1 1 ．8 5m m ， 底部定心锥面的锥角为5 5 。，合金头侧面上下两处圆 角分别为1m m 与2m m 。截齿前端的耐磨堆焊层厚 度最大，达到1 ．7 5m m ，最薄位置厚度为0 ．5m m 。在 钎焊过程中，由于铜钎料的溢出，会在硬质合金头与 刀体表面覆盖一层很薄的铜钎料。考虑到表面钎料 对工作应力的影响，建立镐型截齿仿真模型时采用自 由边界钎料形状。 耐縻崖 ／J f 图1 截齿钎焊连接示意 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fb r a z i n gc o n n e c t i o no fp i c k 镐型截齿齿柄部分结构对焊缝应力的影响不大， 只取镐型截齿齿尖部分进行仿真模型建立，如图2 所 示。为了研究镐型截齿钎料层厚度对工作应力的影 响规律，考虑实际焊接工艺的影响，硬质合金头与耐 磨层结构保持不变，改变刀体孔的内径，取0 ．0 5 0 ～ 0 ．2 2 5m m 的钎料层厚度，分别对普通截齿与耐磨截 齿进行模型建立。采用S o l i d 2 7 9 单元，对模型进行网 格划分，钎焊接头区域选用更细密网格。 图2 截齿模型 F i g ．2 P i c km o d e l 1 ．3 材料参数 引人以下假设 1 考虑钎料层弹塑性变形对接头应力的影响， 忽略熔池内部化学反应； 2 与温度有关的物理和力学性能、应力应变在 微小的时间增量内线性变化； 3 材料的物理、力学性能各向同性。 H S C u Z n N i 作为钎焊硬质合金最常用的钎料之 一，在室温下，其硬质合金钎焊接头的抗剪强度达到 3 2 0M P a ，抗拉强度达到4 5 0M P a ；当温度达到3 0 0 ℃ 时，钎焊接头的抗剪强度为2 5 0M P a ，抗拉强度为 3 8 0M P a 。 截齿采用理想弹塑性线性强化模型，在镐型截齿 高温钎焊后的冷却过程中，材料的物理和力学性能参 数随温度变化而改变，考虑各材料的屈服强度对热应 力的影响，具体材料参数见表1 。 表1 截齿材料的性能参数 T a b l e1P e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fp i c km a t e r i a l 材料繁7 ⋯兰鬻一，量弹／性G 黜P a 膨1 0 脲6o C 缈- 1 度刷／M 腿P a 1 ．4 边界条件 温度达到8 0 0 ℃以上时，截齿上钎料层与耐磨层 均呈软化状态，所承受应力很小，对截齿残余应力影 响较小，不做考虑。本文研究截齿从8 0 0 ℃冷却到 2 0 ℃室温过程的钎焊残余应力。 利用生死单元法，模拟耐磨截齿先堆焊耐磨层后 钎焊硬质合金头的工艺。设置镐型截齿的初始温度 为钎焊温度10 0 0 ℃，通过与空气对流换热的方式， 将截齿冷却到8 0 0 ℃后，激活钎料层的单元，模拟钎 料层的凝固成形，再空冷至室温，钎焊完成。通过改 变对流换热系数的方式进行截齿的焊后热处理，模拟 截齿8 6 0 ℃加热保温、淬火以及3 6 0 ℃回火，最后空 冷至室温的工艺过程，得到镐型截齿的温度场。采用 间接法顺序耦合分析，将温度场作为体载荷施加到镐 型截齿上，得到截齿的钎焊残余应力。在截齿残余应 力场的基础上，施加外部载荷与工作温度，得到镐型 截齿工作过程中钎焊接头的应力分布情况。 万方数据 第9 期何源福等钎料层厚度对两种不同截齿工作过程接头应力的影响 2 9 1 7 2 钎焊残余应力仿真与实验验证 2 ．1 钎焊残余应力模拟结果 根据工程上的截齿实际结构参数，选择钎料层厚 度为0 ．0 7 5m m 的镐型截齿模型，进行钎焊残余应力 仿真。将笛卡尔坐标系转化成圆柱坐标系，查看仿真 结果中的径向残余应力盯。、周向残余应力o - ，与轴向 残余应力盯。。 路径1 位于截齿钎焊接头外表面，自刀体沿径向 过渡到硬质合金头，如图3 所示。 a 截尚模犁 b 接火洲m 女人H 图3 路径1 示意 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fp a t h1 提取普通截齿与耐磨截齿路径1 上的钎焊残余 应力数据进行分析，得到其残余应力分布曲线，如图 4 所示。 4 0 0 蛊3 0 0 蒌 b 式2 0 0 箧 ≮1 0 0 嫠 0 ＼ 刀体．钎料层硬质合金头 ＼，j ／八＼ 一一巧、＼／ ，厂＼≤■ 仃、＼／ - 7 z ／ _ ％。／ ＼ ．．．．．’＼／ ’丫 ＼ 151 ．0 0 ．500 ．51 ．O1 ．5 距离焊缝中心距离s ／m m a 普通截齿 距离焊缝I h 山距离s ／m m b 耐磨截齿 图4 钎焊接头残余应力分布 F i g ．4 D i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s s e si nb r a z i n gj o i n t s 可以看出普通截齿与耐磨截齿沿路径1 的钎焊 残余应力变化趋势大致相同，两者的等效残余应力 盯。Q 最大值均出现在钎料层与硬质合金头交界面附 近，说明该处为截齿钎焊接头的危险位置，容易发生 因热应力过大导致的钎缝开裂。这是因为钎料与硬 质合金的热膨胀系数差异较大，在冷却过程中产生较 大应力集中[ 1 73 。在该位置，普通截齿的径向残余应 力盯。达到2 1 4M P a ，周向残余应力盯，达到2 3 0M P a ； 耐磨截齿的径向残余应力盯。达到2 5 3M P a ，周向残 余应力盯，达到2 3 8M P a 。堆焊耐磨层使得截齿钎焊 接头的径向残余应力盯，，增大了3 9M P a ，对周向残余 应力盯，影响不大。轴向残余应力盯。对钎焊接头的 连接强度影响较小。 2 ．2 实验验证 利用P r o t oi X R D 残余应力仪对截齿进行残余应 力测试，如图5 所示。该仪器采用x 射线衍射方法 进行非破坏性残余应力测试，可得到试件表面的沿其 工作臂轴线方向的正应力，测试精度为1 0M P a 。分 别对钎料层厚度为0 ．0 7 5m m 的未钎焊截齿、普通截 齿、耐磨截齿进行残余应力测试。测试未钎焊截齿得 到加工初始残余应力，测试两个钎焊后截齿，得到总 残余应力。 镐型截凶 图5 残余应力测试实验 F i g ．5 R e s i d u a ls t r e s st e s t 根据应力叠加原理，总残余应力为加工初始残余 应力与钎焊残余应力的矢量叠加8 I ，根据测试结果 获得截齿上各点的钎焊残余应力。对两种镐型截齿 残余应力影响区域的外表面进行取点，如图6 所示。 在刀体顶部边缘位置分别取2 个对称点；普通截齿刀 体处沿母线方向取3 个间距为7m m 的点，耐磨截齿 在耐磨层下方的刀体处沿母线方向取两个间距为 2 ．5m m 的点。 将镐型截齿竖直放置，对顶上所取点分别进行周 向残余应力o - ，与径向残余应力o - 。测试；将镐型截齿 水平放置，对母线上所取点分别进行周向残余应力 o r ，，与轴向残余应力盯z 的测试。分析计算得到其钎 焊残余应力，将实验与仿真得到的截齿残余应力做比 较，得到结果见表2 。 由表2 可以看出，镐型截齿的钎焊残余应力仿真 值与实测值较为吻合，沿截齿刀体母线方向，截齿残 余应力的变化趋势一致，证明了仿真模型的正确性。 万方数据 2 9 1 8 煤炭 学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 。 7m m 图6 残余应力测量位置不意 F i g ．6 L o c a t i o no fr e s i d u a ls t r e s st e s tp o i n t 但仿真结果与实测结果仍存在一定偏差，所测点的周 向残余拉应力仿真值略大于实测值，径向残余压应力 略小于实测值。其中，靠近刀体顶部点的周向残余应 力平均误差达到5 ％，截齿母线上点的平均误差达到 6 ％。原因可能是钎焊仿真过程未考虑熔池内部的化 学反应，影响了仿真结果。 表2 钎焊残余应力测量值与仿真值对比 T a b l e2 C o m p a r i s o n so fb r a z i n gr e s i d u a ls t r e s sb e t w e e n c o m p u t a t i o n a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s M P a 取点 测量值仿真值 3 工作过程的钎焊接头应力模拟 3 ．1 镐型截齿外部载荷的获取 对截齿工作过程中接头应力仿真所需的载荷输 入进行了实验研究m 1 。镐型截齿破岩实验在回转切 削实验台上进行，齿座上方安装有三向力传感器，设 置截割速度为4 0m m ／s ，截割深度为1 2m m ，进行截 割角度为4 5 。的镐型截齿三向力测试实验，如图7 所 示。 图7 镐型截齿三向力 F 嘻7 T h r e e - a x i sc u t t i n gf o r c ed i a g r a mo fp i c k 实验取样时间为2 0 0S ，由三向力传感器可得到 镐型截齿的截割阻力、牵引阻力以及侧向阻力。将实 验得到的截割阻力F 。与牵引阻力R 数据通过计算 转化成轴向阻力凡与径向阻力F 侧向阻力F ，保 持不变，得到的载荷曲线如图8 所示。 堇 R 哑 厘 暴 堇 R 四 堡 童 时间／s a 轴向阻力 时间／s b 径向阻力 时间／s c 侧向阻力 图8 镐型截齿三向载荷曲线 F i g ．8 T h r e e a x i sc u t t i n gf o r c eC u r v e so fp i c k 小 黯 嗡 嗡 啦 7 2 0 2 l 3 2 l ； 蛳 坦 姗 m 丝 挪 秘 M B i 矗 砌 砌 川 啪 屯 屯 m 钙 2 M 5 3 2 5 6 ，0 5 秘 讹 | 昙 猫 卯 姗 | 暑 拍 拇 8 6 5 O 删 舶 堋 删 万方数据 第9 期何源福等钎料层厚度对两种不同截齿工作过程接头应力的影响 2 9 1 9 通过对实验数据的分析处理，可以得到镐型截齿 所受到的最大载荷与平均载荷，见表3 。将三向载荷 的最大值作为镐型截齿仿真的外部载荷输入。 表3 镐型截齿所受外部载荷 T a b l e3 C u t t i n gf o r c eo fp i c k N 3 ．2 工作温度对钎焊接头应力的影响 在镐型截齿截割煤岩时，煤岩硬度、工作时长以 及喷嘴对截齿的降温效果等都会影响到截齿齿尖的 工作温度。根据工程实际，截齿的工作温度在1 0 0 7 0 0o C 。在截齿残余应力模型的基础上，分别施加工 作温度1 0 0 7 0 0 ℃，进行热结构耦合分析，得到其应 力分布情况。研究工作温度对截齿受载侧钎焊接头 最大应力的影响，如图9 所示。 矗 室 R 毯 _ ； | 鲻 图9 工作温度对接头最大应力的影响 F i g ．9 E f f e c to fw o r k i n gt e m p e r a t u r eo nm a x i m u ms t r e s so fj o i n t 可以看出，截齿工作过程中的钎焊接头应力随着 工作温度的增大而减小，且下降趋势逐渐变缓。当工 作温度达到7 0 0o C 时，接头应力仅为6 3M P a 。主要 原因在于温度的升高导致了钎焊残余应力下降，且较 高的工作温度使得钎料层出现了轻微软化，导致其与 两侧材料之间的拉力变小了，连接强度大大降低。 3 ．3 不同截齿工作过程的钎焊接头应力分布规律 取截齿工作温度3 0 0o C ，研究其工作过程中的接 头应力分布规律，提取仿真结果中的等效应力盯。 径向应力o r 。与周向应力盯，展开分析。 3 ．3 ．1 截齿径向路径的应力分析 路径2 是截齿齿尖沿径向穿越刀体、钎料层与硬 质合金头的直线路径。分别对普通截齿与耐磨截齿 工作时沿路径2 的接头应力分布规律进行分析，如图 1 0 ，1 1 所示。 可以看出，两种截齿工作时，钎焊接头处均存 在明显的拉应力，且在钎料层附近出现应力集中现 距离s ／m m a 钎焊接又路径2 应力 Y l I 离s 7 m n l b 危险化霄放人H 图1 0 普通截齿路径2 应力分布 F i g ．1 0 S t r e s sd i s t r i b u t i o no fc o m m o np i c ki np a t h2 距离s ／m m a 钎焊接头路径2 ；, ＼Z J j 趴】％s ／r a m b 危险位置放人陶 图1 1 耐磨截齿路径2 应力分布 F i g ．11 S t r e s sd i s t r i b u t i o no fw e a r r e s i s t a n tp i c ki np a t h2 象。两者的等效应力盯。。最大值都出现在截齿受载 侧的钎料层处，即图2 中的位置1 ，分别达到 2 1 2M P a 与2 1 0M P a 。其中，普通截齿的最大等效 应力位于钎料层与刀体的交界面处，耐磨截齿的最 大等效应力出现在钎料层与硬质合金头的交界面 万方数据 2 9 2 0 煤炭学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 处，说明这两个位置分别是两种截齿钎焊接头最易 发生破坏的危险部位。原因在于，钎焊残余应力最 大的位置在钎料层与硬质合金头的交界面处，但高 温的工作环境下，钎焊残余应力大幅降低，使得其 对工作过程中接头应力的影响有所降低；在外部载 荷的作用下，普通截齿钎焊接头的危险位置转移至 钎料层与刀体的交界面处。耐磨截齿由于耐磨层 结构的存在，增大了钎焊接头处的残余应力，减小 了外部载荷对接头应力的影响，使得其危险位置仍 出现在钎料层与硬质合金头的交界面处。 普通截齿钎焊接头在危险位置上的周向应力o r 。 达到2 1 9M P a ，远大于径向应力o r 。，说明周向应力o r 、 是导致普通截齿工作过程中钎焊接头结构破坏，引起 硬质合金头脱落的主要原因。耐磨截齿在其危险位 置，径向应力叽与周向应力盯。分别为1 0 2M P a 与 9 6M P a ，二者相差无几，说明耐磨截齿是在径向应力 盯。与周向应力盯，的共同作用下，导致钎缝开裂从而 使合金头脱落的。 3 ．3 ．2 截齿轴向路径的应力分析 为了进一步研究钎焊接头处的应力分布规律，提 取其轴向直线路径上的应力数据。路径3 位于钎料 层与硬质合金头的交界面处，路径4 位于钎料层与刀 体的交界面处。对两种截齿工作过程中钎焊接头在 路径3 上的应力进行分析，得到其应力分布曲线如图 1 2 所示。 5 4 0 3 6 0 蛊 要I8 0 望 ≥0 、 1 8 0 3 6 0 ’ 钎糊』。1 J 伽赝介金火 j X l B - 交外⋯ 彳I 一 表l m 钎料层钎料层。 盯＼y 。j ＼ j 父 ／ 旺＼‘ 一l 盯。。 ＼I O24681 01 2 圳 离s ／m m a 『午通截岗 趴】2 ≈ i n l n b I I l i , f j 磐溅f 灯 图1 2 钎焊接头路径3 应力分布 F i g ．12 S t r e s sd i s t r i b u t i o no fb r a z e dj o i n ti np a t h3 可以看出，普通截齿与耐磨截齿在路径3 上的接 头应力分布趋势大致是相同的，从外至内都是先增大 后减小，在靠近刀体的部位再增大。等效应力o r ，。在 表面钎料层与硬质合金头连接处以及钎料层与刀体 连接处取到极值。在表面钎料层附近，径向应力叽 与周向应力O r 。均为拉应力且数值相近，普通截齿的 O r ，与盯。达到1 3 0M P a 左右，耐磨截齿的该数值下降 至大约9 0M P a 。在靠近刀体位置，截齿的I T 。与O r 、变 为压应力，且径向应力O r 。要大于周向应力叽。 对两种截齿工作过程中钎焊接头在路径4 上的 应力进行分析，得到其应力分布曲线如图1 3 所示。 图1 3 钎焊接头路径4 应力分布 F i g ．13 S t r e s sd i s t r i b u t i o no fb r a z e dj o i n ti np a t h4 可以看出，等效应力o r 。从外到内呈现先增大然 后逐渐趋于平缓的趋势，在表面钎料层与刀体连接处 达到峰值。在表面钎料层附近，径向应力o r ，与周向 应力盯，均为拉应力，普通截齿的o r 、与O r 。分别达到 2 4M P a 和2 2 0M P a ，耐磨截齿的盯，与盯。分别为 3M P a 和1 9 8M P a 。可见耐磨层使得工作过程中的 截齿钎焊接头应力有所降低。 3 ．4 钎料层厚度对钎焊接头工作应力的影响 镐型截齿在冷却降温过程中，通过钎料层的塑形 变形来协调钎焊接头的收缩差异，缓解接头部位的残 余应力。2 ⋯。在工作过程中，不同钎料层厚度也对镐 型截齿的载荷传递及应力分布产生影响。为了研究 了不同厚度的钎料层 0 ．0 5 0 ～0 ．2 2 5m m 对工作过 程中接头应力的影响，在接头表面选择最大应力的节 O O O 0 O O ” 弭 “ “ 弘 d臼zbr盘 ‰㈣ 万方数据 第9 期何源福等钎料层厚度对两种不同截齿工作过程接头应力的影响 2 9 2 l 点，提取该节点的径向应力O r ，与周向应力o r 、，如图 1 4 所示。 砖 曼 葛 R 型 图1 4 钎料层厚度对接头最大应力的影响 F i g ．1 4 E f f e c to fb r a z i n gf i l l e rt h i c k n e s so nm a x i m u m j o i n ts t r e s s 可以看出，钎料层厚度从0 ．0 5m m 增大到 0 ．2 2 5m m 过程中，普通截齿与耐磨截齿的最大应力 均呈现先下降后上升的趋势，在0 ．1m m 处得到最小 值。钎料层厚度为0 ．1m m 时，普通截齿的径向应力 O r ，与周向应力盯。分别为1 1M P a 和2 1 5M P a ，耐磨截 齿的径向应力盯，与周向应力盯。分别达到1 8M P a 和 2 1 3M P a ，钎焊接头内部应力最小，镐型截齿接头的 连接强度最好。说明两种镐型截齿最优钎料层厚度 的选择是一致的。从图1 4 也可以看出，堆焊耐磨层 使得镐型截齿钎焊接头的周向应力盯。减小，一定程 度上增强了接头的连接性能。 4 结论 1 普通截齿与耐磨截齿的等效残余应力盯m 最大值均出现在钎料层与硬质合金头交界面附近，这 说明该处容易发生因热应力过大导致的镐型截齿钎 缝开裂。堆焊耐磨层使得