金属结裂纹维修的方法及其止裂金属结构裂纹维修的方法及其止裂原理分析摘要:目前,金属结构均面临着普遍的疲劳问题以及产生疲劳裂纹带来的维修问题。

阐述了金属疲劳损伤问题产生的机理，提出可能的维修方法及其优缺点，为金属结构的的设计与维修提供依据。

关键词：疲劳损伤裂纹维修前言起重机金属结构常见的故障有裂纹、变形、严重锈蚀、刚度不够等。

其中裂纹是门机最为常见的故障,占金属机构故障的80%以上。

虽然金属结构的设计都符合常规设计的强度要求,但往往还是不可避免有裂纹产生。

这是因为材料内部总难免在夹渣、气孔,加工的过程中可能有毛刺、划伤,焊接过程中存在未焊透等。

在变应力的作用下,存在缺陷的部位或者应力最大部位往往最先出现疲劳裂纹,随着应力循环次数的增加,裂纹缓慢扩展直至达到临界尺寸而破坏。

工程断裂力学认为,裂纹体存在一个临界裂纹长度ac。

当存在的裂纹长度a< ac时,表示该裂纹体可以继续使用,如果a≥ac,表示该裂纹体不可使用。

ac是可通过材料的断裂韧性常数KIC和材料应力场的分布数据求得2min max 22c )(a σσπ-⨯⨯=f K IC在计算ac 时,可近似的采用σmin= 0,即不吊重时,构件裂纹处的应力为0。

这样计算值ac 小于实际值,同时也有利于作出更安全的判断。

σmax 可通过应力测量测出或者有限元法算出, f 表示修正系数。

断裂力学的判断标准是在能量平衡理论中称为裂纹扩展阻力GIC 的断裂韧性,它是材料固有的力学性能,表示裂纹体抵抗断裂的能力。

当裂纹的推动力G1达到裂纹的扩展阻力的时候,裂纹就会扩展。

推力曲线与阻力曲线的关系见图1。

图1 推动力与阻力曲线示意图从图1中可以看出,裂纹扩展阻力GIC 随着裂纹推动力G1增大而增大。

当推动力G1< G ″1,裂纹是不会扩展的。

当推动力增长到G1= G ″1,裂纹扩展了Δa 后, GIC 的增长速度快于G1增长的速度,裂纹就会停止扩展。

当推动力增长到G 1,时,裂纹长度增长了Δa ″时,裂纹推动力增长的速度将始终大于裂纹阻力的增长速度,裂纹体就会失稳继续扩展下去,直至断裂。

因此,裂纹的扩展是依赖与裂纹推动力的不断提高的。

裂纹的扩展速度由疲劳裂纹扩展的半经验公式得出mNK C )(d d a ∆= 式中 da/dN ———扩展速度ΔK ———应力强度因子增量ΔK= Kmax- KminC 、m ———材料常数对于绝大多数金属m= 2～ 40。

dadN 与ΔK 函数关系S 曲线见图2,从图中可以看出,当ΔK ≤ΔKth 时,裂纹的扩展速度为零,只有当ΔK ≥ΔKth 后,扩展速率才有上升,且dadN 随着ΔK 的增大而增大。

ΔKth 称为界限应力强度因子幅度,它与平均应力值、材料特性和应力循环特征R=σmin/σmax 有关。

对于低碳钢和碳锰钢,估算ΔKth 的近似公式ΔKth= 6.08(1- 0.76R)MPa m 对于其他碳钢和金属材料,可查有关的资料。

当应力强度因子增幅ΔK 达到S 曲线上转折点ΔK 时，疲劳裂纹扩展速度将积聚增大并导致构件快速断裂。

薄板结构ΔKt 近似公式为 s t E K σ1.02.0⨯=∆对于门机金属结构裂纹来说,在受力不大的受载构件如门腿与支承环连接处,即使出现裂纹,也不会造成结构的整个断裂。

但在交变应力的作用下,裂纹会缓慢的扩展,平时要观察这些部位裂纹的长度和扩展速度。

对于受力较大的构件如小拉杆、巴杆头部叉口处等部位,一旦出现裂纹,有可能快速扩展直至破坏,所以这些地方应该重点巡查,出现裂纹应该及时修理。

图2疲劳裂纹扩展速度近似曲线示意图由疲劳引起的金属裂纹扩展大致可以分为亚临界扩展和失稳扩展两个阶段。

亚临界扩展阶段裂纹扩展速率低,失稳扩展阶段裂纹扩展速率很高。

裂纹在亚临界扩展阶段如果不加修复,一旦应力强度因子接近,裂纹就会进入失稳扩展期,接近这一阶段时需要对裂纹进行止裂,否则,结构就可能迅速失稳扩展而导致断裂。

由此可见,防止具有裂纹结构的断裂有两道防线,其一是在裂纹亚临界稳态扩展阶段,对裂纹进行及时的维修稳态维修,这样既可以防患于未然,又可以恢复结构原有的功能,并且由于此阶段裂纹扩展速率慢,对裂纹有足够的处理时间其二是在对裂纹亚临界扩展阶段失察未发现裂纹、对裂纹处理不当等的情况下,进入裂纹失稳扩展阶段,这个阶段必须采取必要的措施进行补救失稳止裂。

失稳止裂由于难度很大,一般用于裂纹不易发现而极其重要的机械设备上,如压力容器、地下管道、核电站、飞机等。

在这些重要设备的结构上,一般采用止裂设计,使用止裂结构以降低裂纹扩展力或提高止裂韧性值。

一、止裂孔打止裂孔的方法在钢结构维修加固中经常被作为临时的应急措施来使用，也可与其它方法配合使用，从而达到更加有效的效果，例如可在补强钢板焊接前，先对裂纹尖端进行打止裂孔处理，然后再覆盖补强钢板进行连接。

此方法也为《钢结构加固技术规范》[4]所采用，止裂孔在实际工程中的应用如下图所示。

对于大型桥梁结构，止裂孔的施工作业一般只能在现场进行，由于施工现场作业空间比较狭小且环境比较恶劣，同时还受到裂纹检测精度的影响，使得对裂纹深度及裂纹尖端的位置不好把握。

如果止裂孔没有位于裂纹尖端，则裂纹会沿着裂纹尖端处继续扩展，从而导致止裂孔作用失效。

因此，《钢结构加固技术规范》对止裂孔的位置及大小进行了规定，止裂孔孔径一般取板厚，止裂孔中心距裂尖的距离取0.5至1倍的板厚（t为板厚）二、补强加固1）钢板补强法对于钢结构上的裂纹，一种较为简单和快速的施工方法就是在开裂区域上用同材质同厚度钢板进行覆盖，然后用螺栓连接或者焊接的方式将新添加的覆盖钢板连接到结构上。

根据结构的具体部位，可采用单面补强或者双面补强，如下图所示。

广州港洪圣沙装卸作业站一台GANZ5—30门座起重机,对结构进行补强后，荷载经过补强钢板传递给结构，从而降低了裂纹处应力值，延缓或阻止了裂纹的扩展。

但是由于盖板在连接过程中所采用的焊接或者栓接，总会不可避免的产生新的应力集中或者缺陷，在循环荷载作用下，新的裂纹会在焊缝或栓孔处产生。

因此，补强操作过程中应该确保施工的质量，并尽量采用双面补强。

2）SPS补强法[5]由于盖板补强仅仅是对裂纹处进行原材料替换，并未从根本上改善结构局部的受力性能，而且此方法总会需要焊接作业，从而引起结构中产生新的焊接残余应力，造成结构在使用过程中依旧会产生疲劳裂纹。

因此，国内外学者对此进行了大量的研究，从船舶修补技术中学习引进了SPS（Sandwich Plate System）技术即夹芯板加固结构体系。

此结构体系是在几层钢板之间填充高弹性模量的聚氨酯材料，从而形成一种类似于“三明治”的夹心层结构，如下图所示SPS结构体系具有较好的抗疲劳性能，其多层结构能吸收一部分车辆的振动和冲击作用，并很好的扩散车辆荷载的应力集中，能有效的延缓或阻止疲劳裂纹的扩展，很适合用于顶板处疲劳裂纹的维修加固。

从经济角度考虑，由于使用了大量的聚氨酯材料，使得用钢量减少很多，同时还减少了梁体的自重。

采用此方法对桥面板进行局部加固时，应先清除掉裂纹附近的桥面铺装层，并对顶板层进行清理、喷砂处理；之后在原来钢板周围放置钢板板坯，板坯可采用焊接或粘贴的方式连接到桥面板上，然后再在其顶部添加新钢板。

此时，便在裂纹顶部周围形成一个密闭的空间，然后通过注浆孔往这个空间内注入混合材料。

十几分钟之后，混合材料会硬化成高弹性的材料，并将原桥面钢板和新钢板牢固的粘接在一起。

结合国内外对SPS的研究成果及对钢桥加固的实例分析可以看出，用SPS技术对钢桥面板疲劳裂纹进行加固后，梁体承载能力能够大幅度的提高，并有效的减小了疲劳细节部位的应力幅值，从而延缓或阻止了裂纹的进一步快速扩展，且施工速度快、造价较为经济。

因此，SPS技术是钢桥面板疲劳裂纹维修加固中一种经济有效和较为先进的方法。

但是SPS加固方法也存在一定的问题，这种组合材料的弹性性能和屈服荷载是有钢板的性能决定的，因此受温度影响不大；然而，组合材料的最终失效形式是粘结层的剪切破坏，恰恰此性能对温度较为敏感的。

随着温度的升高，夹层材料的强度和刚度都将会减小，与钢板之间的粘结性能也将会发生改变，因此在高温条件下，其性能很难做出预测。

对此，还需要进一步的探索和研究。

三、打磨或重熔处理对于角焊缝焊趾处的裂纹，如果经检测其裂纹深度及长度均很小（≤3mm），为了避免焊接作业引入的新的缺陷，可用超声冲击焊缝或用砂轮进行打磨处理等。

四、切割后重新焊接对于贯穿顶板的焊缝，如果裂纹较为平顺且间隙较窄，可采用切割后重新焊接的方法处理。

首先需要清除裂纹区域的桥面铺装层，用墨水渗透法或者仪器检测裂纹的具体长度；然后沿裂纹两侧进行切割和打磨，并对其重新进行焊接连接；最后检测质量进行检查，进行超声冲击焊缝处理，消除焊接残余应力。

此方法虽然可以通过重新焊接对疲劳裂纹给予修复，但是现场施工作业环境很难保证施工质量，焊缝中夹渣、气孔等缺陷会导致新的裂纹出现，而且重新焊接过程中的高温作用，会对其热影响区内原结构钢材的性能产生影响。

在上述因素的影响下，有可能会使得重新焊接后焊缝的疲劳性能反而有所降低。

五、裂纹及U肋填充为了加快裂纹修复的施工速度，近些年基于裂纹闭合效应的原理，出现了一种新的裂纹修复方法，即往结构裂纹间隙里填充铝粉、环氧树脂等粘性物质，从而来延缓裂纹的扩展。

填充物填充裂纹的深度决定了修复效果的优劣，当填充物充满整个裂纹间隙时效果最佳。

已有的研究成果表明，裂纹填充法能有效的减小裂纹尖端的应力集中，从而延缓裂纹的进一步扩展。

但是实际中的修复效果对施工工艺及水平依赖很大，施工水平的不稳定性决定了裂纹填充深度的不确定性，从而使得修复的效果良莠不齐，因此需要在施工工艺上进行新的创新U肋埋弧焊焊接在纵肋之间的顶板下面，焊接一道L形角钢，从而增强顶板的刚度，如下图所示。

对于纵肋与顶板处的裂纹修复，也可参考如下方法：首先在纵肋间添加倒置的同材质纵肋，并用螺栓连接到纵肋侧壁上，施工中在纵肋底部开设一些手孔，以方便施工；然后在纵肋中填充轻质的流动性灰浆；当需要处理一些顶板裂纹时，可在相应位置将纵肋底部切开，此时此部分闭口肋将变为开口肋。

六、金属扣合法金属扣合法利用波浪键的塑性变形来实现扣合作用，以达到修复金属裂纹的目的。

金属扣合法又分为强固扣合法、强密扣合法、加强扣合法。

1）强固扣合法。

该方法在机械构件垂直于裂纹方向上加工出一定形状和尺寸的波形槽，再将波浪键嵌入波形槽中，波浪键与波形槽之间留有0.1 mm 的间隙，常温下铆击波浪键，使波浪键产生塑性变形并填满波形槽。

波浪键与波形槽的相互啮合拉紧了裂纹两侧的机械构件，从而起到修复裂纹的作用。

此方法适用于修理壁厚在8～45 mm 之间、并且有一般强度要求的零件。