裂紋維修方法

1、金屬結(jié)裂紋維修的方法及其止裂金屬結(jié)構(gòu)裂紋維修的方法及其止裂原理分析摘要:目前,金屬結(jié)構(gòu)均面臨著普遍的疲勞問(wèn)題以及產(chǎn)生疲勞裂紋帶來(lái)的維修問(wèn)題。闡述了金屬疲勞損傷問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理，提出可能的維修方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，為金屬結(jié)構(gòu)的的設(shè)計(jì)與維修提供依據(jù)。關(guān)鍵詞 ： 疲勞損傷 裂紋 維修前言 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的故障有裂紋、變形、嚴(yán)重銹蝕、剛度不夠等。其中裂紋是門機(jī)最為常見(jiàn)的故障,占金屬機(jī)構(gòu)故障的80%以上。雖然金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都符合常規(guī)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求,但往往還是不可避免有裂紋產(chǎn)生。這是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部總難免在夾渣、氣孔,加工的過(guò)程中可能有毛刺、劃傷,焊接過(guò)程中存在未焊透等。在變應(yīng)力的作用下,存在缺陷的部位或者應(yīng)力最

2、大部位往往最先出現(xiàn)疲勞裂紋,隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加,裂紋緩慢擴(kuò)展直至達(dá)到臨界尺寸而破壞。工程斷裂力學(xué)認(rèn)為,裂紋體存在一個(gè)臨界裂紋長(zhǎng)度ac。當(dāng)存在的裂紋長(zhǎng)度a ac時(shí),表示該裂紋體可以繼續(xù)使用,如果a ac,表示該裂紋體不可使用。ac是可通過(guò)材料的斷裂韌性常數(shù)KIC和材料應(yīng)力場(chǎng)的分布數(shù)據(jù)求得 在計(jì)算ac時(shí),可近似的采用min= 0,即不吊重時(shí),構(gòu)件裂紋處的應(yīng)力為0。這樣計(jì)算值ac小于實(shí)際值,同時(shí)也有利于作出更安全的判斷。max可通過(guò)應(yīng)力測(cè)量測(cè)出或者有限元法算出, f表示修正系數(shù)。斷裂力學(xué)的判斷標(biāo)準(zhǔn)是在能量平衡理論中稱為裂紋擴(kuò)展阻力GIC的斷裂韌性,它是材料固有的力學(xué)性能,表示裂紋體抵抗斷裂的能力

3、。當(dāng)裂紋的推動(dòng)力G1達(dá)到裂紋的擴(kuò)展阻力的時(shí)候,裂紋就會(huì)擴(kuò)展。推力曲線與阻力曲線的關(guān)系見(jiàn)圖1。 圖1推動(dòng)力與阻力曲線示意圖從圖1中可以看出,裂紋擴(kuò)展阻力GIC隨著裂紋推動(dòng)力G1增大而增大。當(dāng)推動(dòng)力G1 G1,裂紋是不會(huì)擴(kuò)展的。當(dāng)推動(dòng)力增長(zhǎng)到G1= G1,裂紋擴(kuò)展了a后, GIC的增長(zhǎng)速度快于G1增長(zhǎng)的速度,裂紋就會(huì)停止擴(kuò)展。當(dāng)推動(dòng)力增長(zhǎng)到G 1,時(shí),裂紋長(zhǎng)度增長(zhǎng)了a時(shí),裂紋推動(dòng)力增長(zhǎng)的速度將始終大于裂紋阻力的增長(zhǎng)速度,裂紋體就會(huì)失穩(wěn)繼續(xù)擴(kuò)展下去,直至斷裂。因此,裂紋的擴(kuò)展是依賴與裂紋推動(dòng)力的不斷提高的。裂紋的擴(kuò)展速度由疲勞裂紋擴(kuò)展的半經(jīng)驗(yàn)公式得出式中da/dN擴(kuò)展速度K應(yīng)力強(qiáng)度因子增量K= Km

4、ax- KminC、m材料常數(shù)對(duì)于絕大多數(shù)金屬m= 2 40。dadN與K函數(shù)關(guān)系S曲線見(jiàn)圖2,從圖中可以看出,當(dāng)KKth時(shí),裂紋的擴(kuò)展速度為零,只有當(dāng)KKth后,擴(kuò)展速率才有上升,且dadN隨著K的增大而增大。Kth稱為界限應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度,它與平均應(yīng)力值、材料特性和應(yīng)力循環(huán)特征R=min/max有關(guān)。對(duì)于低碳鋼和碳錳鋼,估算Kth的近似公式Kth= 6.08(1- 0.76R)MPa m對(duì)于其他碳鋼和金屬材料,可查有關(guān)的資料。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子增幅K達(dá)到S曲線上轉(zhuǎn)折點(diǎn)K時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速度將積聚增大并導(dǎo)致構(gòu)件快速斷裂。薄板結(jié)構(gòu)Kt近似公式為 對(duì)于門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋來(lái)說(shuō),在受力不大的受載構(gòu)件如門腿

5、與支承環(huán)連接處,即使出現(xiàn)裂紋,也不會(huì)造成結(jié)構(gòu)的整個(gè)斷裂。但在交變應(yīng)力的作用下,裂紋會(huì)緩慢的擴(kuò)展,平時(shí)要觀察這些部位裂紋的長(zhǎng)度和擴(kuò)展速度。對(duì)于受力較大的構(gòu)件如小拉桿、巴桿頭部叉口處等部位,一旦出現(xiàn)裂紋,有可能快速擴(kuò)展直至破壞,所以這些地方應(yīng)該重點(diǎn)巡查,出現(xiàn)裂紋應(yīng)該及時(shí)修理。圖2疲勞裂紋擴(kuò)展速度近似曲線示意圖由疲勞引起的金屬裂紋擴(kuò)展大致可以分為亞臨界擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展兩個(gè)階段。亞臨界擴(kuò)展階段裂紋擴(kuò)展速率低,失穩(wěn)擴(kuò)展階段裂紋擴(kuò)展速率很高。裂紋在亞臨界擴(kuò)展階段如果不加修復(fù),一旦應(yīng)力強(qiáng)度因子接近,裂紋就會(huì)進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展期,接近這一階段時(shí)需要對(duì)裂紋進(jìn)行止裂,否則,結(jié)構(gòu)就可能迅速失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。由此可見(jiàn),防止

6、具有裂紋結(jié)構(gòu)的斷裂有兩道防線,其一是在裂紋亞臨界穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段,對(duì)裂紋進(jìn)行及時(shí)的維修穩(wěn)態(tài)維修,這樣既可以防患于未然,又可以恢復(fù)結(jié)構(gòu)原有的功能,并且由于此階段裂紋擴(kuò)展速率慢,對(duì)裂紋有足夠的處理時(shí)間其二是在對(duì)裂紋亞臨界擴(kuò)展階段失察未發(fā)現(xiàn)裂紋、對(duì)裂紋處理不當(dāng)?shù)鹊那闆r下,進(jìn)入裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段,這個(gè)階段必須采取必要的措施進(jìn)行補(bǔ)救失穩(wěn)止裂。失穩(wěn)止裂由于難度很大,一般用于裂紋不易發(fā)現(xiàn)而極其重要的機(jī)械設(shè)備上,如壓力容器、地下管道、核電站、飛機(jī)等。在這些重要設(shè)備的結(jié)構(gòu)上,一般采用止裂設(shè)計(jì),使用止裂結(jié)構(gòu)以降低裂紋擴(kuò)展力或提高止裂韌性值。一、止裂孔打止裂孔的方法在鋼結(jié)構(gòu)維修加固中經(jīng)常被作為臨時(shí)的應(yīng)急措施來(lái)使用，也可與

7、其它方法配合使用，從而達(dá)到更加有效的效果，例如可在補(bǔ)強(qiáng)鋼板焊接前，先對(duì)裂紋尖端進(jìn)行打止裂孔處理，然后再覆蓋補(bǔ)強(qiáng)鋼板進(jìn)行連接。此方法也為鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范4所采用，止裂孔在實(shí)際工程中的應(yīng)用如下圖所示。對(duì)于大型橋梁結(jié)構(gòu)，止裂孔的施工作業(yè)一般只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，由于施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間比較狹小且環(huán)境比較惡劣，同時(shí)還受到裂紋檢測(cè)精度的影響，使得對(duì)裂紋深度及裂紋尖端的位置不好把握。如果止裂孔沒(méi)有位于裂紋尖端，則裂紋會(huì)沿著裂紋尖端處繼續(xù)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致止裂孔作用失效。因此，鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范對(duì)止裂孔的位置及大小進(jìn)行了規(guī)定，止裂孔孔徑一般取板厚，止裂孔中心距裂尖的距離取0.5至1倍的板厚（t為板厚）二、補(bǔ)強(qiáng)加固1）鋼

8、板補(bǔ)強(qiáng)法對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)上的裂紋，一種較為簡(jiǎn)單和快速的施工方法就是在開(kāi)裂區(qū)域上用同材質(zhì)同厚度鋼板進(jìn)行覆蓋，然后用螺栓連接或者焊接的方式將新添加的覆蓋鋼板連接到結(jié)構(gòu)上。根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體部位，可采用單面補(bǔ)強(qiáng)或者雙面補(bǔ)強(qiáng)，如下圖所示。廣州港洪圣沙裝卸作業(yè)站一臺(tái)GANZ530門座起重機(jī),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后，荷載經(jīng)過(guò)補(bǔ)強(qiáng)鋼板傳遞給結(jié)構(gòu)，從而降低了裂紋處應(yīng)力值，延緩或阻止了裂紋的擴(kuò)展。但是由于蓋板在連接過(guò)程中所采用的焊接或者栓接，總會(huì)不可避免的產(chǎn)生新的應(yīng)力集中或者缺陷，在循環(huán)荷載作用下，新的裂紋會(huì)在焊縫或栓孔處產(chǎn)生。因此，補(bǔ)強(qiáng)操作過(guò)程中應(yīng)該確保施工的質(zhì)量，并盡量采用雙面補(bǔ)強(qiáng)。2）SPS補(bǔ)強(qiáng)法5由于蓋板補(bǔ)強(qiáng)僅僅是對(duì)裂

9、紋處進(jìn)行原材料替換，并未從根本上改善結(jié)構(gòu)局部的受力性能，而且此方法總會(huì)需要焊接作業(yè)，從而引起結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生新的焊接殘余應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中依舊會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，從船舶修補(bǔ)技術(shù)中學(xué)習(xí)引進(jìn)了SPS（Sandwich Plate System）技術(shù)即夾芯板加固結(jié)構(gòu)體系。此結(jié)構(gòu)體系是在幾層鋼板之間填充高彈性模量的聚氨酯材料，從而形成一種類似于“三明治”的夾心層結(jié)構(gòu)，如下圖所示SPS結(jié)構(gòu)體系具有較好的抗疲勞性能，其多層結(jié)構(gòu)能吸收一部分車輛的振動(dòng)和沖擊作用，并很好的擴(kuò)散車輛荷載的應(yīng)力集中，能有效的延緩或阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，很適合用于頂板處疲勞裂紋的維修加固。從經(jīng)濟(jì)角度

10、考慮，由于使用了大量的聚氨酯材料，使得用鋼量減少很多，同時(shí)還減少了梁體的自重。采用此方法對(duì)橋面板進(jìn)行局部加固時(shí)，應(yīng)先清除掉裂紋附近的橋面鋪裝層，并對(duì)頂板層進(jìn)行清理、噴砂處理；之后在原來(lái)鋼板周圍放置鋼板板坯，板坯可采用焊接或粘貼的方式連接到橋面板上，然后再在其頂部添加新鋼板。此時(shí)，便在裂紋頂部周圍形成一個(gè)密閉的空間，然后通過(guò)注漿孔往這個(gè)空間內(nèi)注入混合材料。十幾分鐘之后，混合材料會(huì)硬化成高彈性的材料，并將原橋面鋼板和新鋼板牢固的粘接在一起。結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)SPS的研究成果及對(duì)鋼橋加固的實(shí)例分析可以看出，用SPS技術(shù)對(duì)鋼橋面板疲勞裂紋進(jìn)行加固后，梁體承載能力能夠大幅度的提高，并有效的減小了疲勞細(xì)節(jié)部位的

11、應(yīng)力幅值，從而延緩或阻止了裂紋的進(jìn)一步快速擴(kuò)展，且施工速度快、造價(jià)較為經(jīng)濟(jì)。因此，SPS技術(shù)是鋼橋面板疲勞裂紋維修加固中一種經(jīng)濟(jì)有效和較為先進(jìn)的方法。但是SPS加固方法也存在一定的問(wèn)題，這種組合材料的彈性性能和屈服荷載是有鋼板的性能決定的，因此受溫度影響不大；然而，組合材料的最終失效形式是粘結(jié)層的剪切破壞，恰恰此性能對(duì)溫度較為敏感的。隨著溫度的升高，夾層材料的強(qiáng)度和剛度都將會(huì)減小，與鋼板之間的粘結(jié)性能也將會(huì)發(fā)生改變，因此在高溫條件下，其性能很難做出預(yù)測(cè)。對(duì)此，還需要進(jìn)一步的探索和研究。三、打磨或重熔處理對(duì)于角焊縫焊趾處的裂紋，如果經(jīng)檢測(cè)其裂紋深度及長(zhǎng)度均很小（3mm），為了避免焊接作業(yè)引入的新

12、的缺陷，可用超聲沖擊焊縫或用砂輪進(jìn)行打磨處理等。四、切割后重新焊接 對(duì)于貫穿頂板的焊縫，如果裂紋較為平順且間隙較窄，可采用切割后重新焊接的方法處理。首先需要清除裂紋區(qū)域的橋面鋪裝層，用墨水滲透法或者儀器檢測(cè)裂紋的具體長(zhǎng)度；然后沿裂紋兩側(cè)進(jìn)行切割和打磨，并對(duì)其重新進(jìn)行焊接連接；最后檢測(cè)質(zhì)量進(jìn)行檢查，進(jìn)行超聲沖擊焊縫處理，消除焊接殘余應(yīng)力。此方法雖然可以通過(guò)重新焊接對(duì)疲勞裂紋給予修復(fù)，但是現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)環(huán)境很難保證施工質(zhì)量，焊縫中夾渣、氣孔等缺陷會(huì)導(dǎo)致新的裂紋出現(xiàn)，而且重新焊接過(guò)程中的高溫作用，會(huì)對(duì)其熱影響區(qū)內(nèi)原結(jié)構(gòu)鋼材的性能產(chǎn)生影響。在上述因素的影響下，有可能會(huì)使得重新焊接后焊縫的疲勞性能反而有所

13、降低。 五、裂紋及U肋填充 為了加快裂紋修復(fù)的施工速度，近些年基于裂紋閉合效應(yīng)的原理，出現(xiàn)了一種新的裂紋修復(fù)方法，即往結(jié)構(gòu)裂紋間隙里填充鋁粉、環(huán)氧樹(shù)脂等粘性物質(zhì)，從而來(lái)延緩裂紋的擴(kuò)展。填充物填充裂紋的深度決定了修復(fù)效果的優(yōu)劣，當(dāng)填充物充滿整個(gè)裂紋間隙時(shí)效果最佳。已有的研究成果表明，裂紋填充法能有效的減小裂紋尖端的應(yīng)力集中，從而延緩裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。但是實(shí)際中的修復(fù)效果對(duì)施工工藝及水平依賴很大，施工水平的不穩(wěn)定性決定了裂紋填充深度的不確定性，從而使得修復(fù)的效果良莠不齊，因此需要在施工工藝上進(jìn)行新的創(chuàng)新 U肋埋弧焊焊接在縱肋之間的頂板下面，焊接一道L形角鋼，從而增強(qiáng)頂板的剛度，如下圖所示。對(duì)于縱肋

14、與頂板處的裂紋修復(fù)，也可參考如下方法：首先在縱肋間添加倒置的同材質(zhì)縱肋，并用螺栓連接到縱肋側(cè)壁上，施工中在縱肋底部開(kāi)設(shè)一些手孔，以方便施工；然后在縱肋中填充輕質(zhì)的流動(dòng)性灰漿；當(dāng)需要處理一些頂板裂紋時(shí)，可在相應(yīng)位置將縱肋底部切開(kāi)，此時(shí)此部分閉口肋將變?yōu)殚_(kāi)口肋。 金屬扣合法金屬扣合法利用波浪鍵的塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)扣合作用，以達(dá)到修復(fù)金屬裂紋的目的。金屬扣合法又分為強(qiáng)固扣合法、強(qiáng)密扣合法、加強(qiáng)扣合法。1）強(qiáng)固扣合法。該方法在機(jī)械構(gòu)件垂直于裂紋方向上加工出一定形狀和尺寸的波形槽，再將波浪鍵嵌入波形槽中，波浪鍵與波形槽之間留有 0.1 mm 的間隙，常溫下鉚擊波浪鍵，使波浪鍵產(chǎn)生塑性變形并填滿波形槽。波浪鍵

15、與波形槽的相互嚙合拉緊了裂紋兩側(cè)的機(jī)械構(gòu)件，從而起到修復(fù)裂紋的作用。此方法適用于修理壁厚在 845 mm 之間、并且有一般強(qiáng)度要求的零件。強(qiáng)固扣合法2）強(qiáng)密扣合法。該方法是在強(qiáng)固扣合法基礎(chǔ)上，再沿裂紋鉆孔、攻絲并旋入密封螺釘。每個(gè)孔的鉆孔、攻絲、旋入密封螺釘 3道工序完成后再鉆下一個(gè)孔，且各相鄰密封螺孔間都有 0.51.5 mm 的重疊，全部裂紋上裝滿密封螺釘后壓平、打磨。強(qiáng)密扣合法不僅能夠滿足零件的強(qiáng)度要求，而且能夠滿足零件密封性的要求，所以此維修方法適用于氣缸蓋和缸套維修。強(qiáng)密扣合法加強(qiáng)扣合法該方法是在機(jī)件上垂直裂紋方向加工出一定形狀尺寸的鍵槽，嵌入與之相應(yīng)形狀和尺寸的高強(qiáng)度合金鋼塊，在鋼

16、塊與零件的界面處鑲?cè)雸A柱銷。加強(qiáng)扣合法主要運(yùn)用于承受高載荷、壁厚超過(guò) 45 mm 的機(jī)件。加強(qiáng)扣合法七、電磁熱效應(yīng)止裂在帶有裂紋的導(dǎo)體中通入電流會(huì)伴隨著焦耳熱的產(chǎn)生和質(zhì)動(dòng)力的作用。由于裂紋的存在和導(dǎo)入電流的脈動(dòng)變化，導(dǎo)致了電流的繞流集中和集膚效應(yīng)，裂紋尖端處的電流密度、電阻局部增加，這種效應(yīng)會(huì)使裂紋尖端處小范圍內(nèi)強(qiáng)化加熱，足以達(dá)到使材料融化的程度。隨著溫度的升高，裂紋前緣處的曲率半徑增大可達(dá)2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，并局部迸發(fā)爆炸形成焊口，這樣不但減少了甚至是消除了裂紋緣處的機(jī)械應(yīng)力集中，而且在裂紋前緣處會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的熱壓應(yīng)力，從而達(dá)到止裂的目的。 起重機(jī)由于設(shè)備大型化，不便于安裝和拆卸，而且價(jià)格昂貴。因此，產(chǎn)生裂紋時(shí)要找到行之有效的修補(bǔ)方法，以保證生產(chǎn)的連續(xù)性和高效性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用期限。及時(shí)做好裂紋的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，可以較好地預(yù)防裂紋帶來(lái)的危害