CN114888521A - 一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属疲劳裂纹修理技术领域，具体为一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，包括以下步骤：目视检查并明确金属疲劳裂纹的尖端位置，以金属疲劳裂纹尖端位置为参考点，定位并钻出两个交错的止裂孔；采用砂纸对金属疲劳裂纹处及周边区域和加强补片进行打磨粗糙处理；在待胶接表面上均匀涂抹一层厚度约0.5mm的结构胶；在加强补片上铺放由热电偶、脱模布、吸胶布、无孔隔离膜、电热毯、透气毡、真空接头所组成的真空修理袋；采用热补仪按照结构胶固化参数进行固化；采用抛光手段对加强补片与胶接表面进行平滑过渡。本发明降低了裂纹尖端的应力集中程度；形状更可控、工艺更便于操作；恢复了损伤结构的承载能力，大幅延长修理后的金属结构疲劳寿命。

Description

一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法

技术领域

本发明涉及金属疲劳裂纹修理技术领域，具体为一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法。

背景技术

金属结构的失效模式之一是疲劳裂纹扩展，抑制或者延缓裂纹扩展的方法包括裂纹填充、裂纹补焊、补强、钻止裂孔等。由于裂纹填充对较大尺寸裂纹的修复效果很不理想、焊接热循环产生的残余应力对金属焊件本身性能存在潜在危害，因此通常认为抑制裂纹扩展效果更佳、适用范围更广的修理方法是补强和钻止裂孔。

补强修理可以借助结构胶将原结构的载荷传递到金属补片或复合材料补片上，通过降低裂纹周边应力恢复原结构的承载能力；钻止裂孔通过在裂纹尖端钻孔能够降低裂纹尖端应力的高度集中，有效延缓裂纹扩展。前者的难点在于加强片、结构胶与原结构材料的适配选型以及固化实现；后者的难点在于止裂孔的数量布设和尺寸形状设计，由于椭圆形或M形等复杂止裂孔的制孔难度较高，目前工程上采用最多的还是在裂纹尖端钻一个圆形止裂孔，对应力集中的降低程度有待提高，因此需要对其进行改进来优化止裂效果。而且上述两种方法尚未在延长金属结构疲劳寿命领域实现有效的结合，缺乏既能延缓裂纹扩展又能恢复损伤结构强度的修理工艺方法。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，通过对传统单一的或复杂的止裂孔进行改进，设计出了有效且易制的耦合式双止裂孔。同时对工艺中加强片、结构胶的材料选型和尺寸位置均提出了要求，对工艺过程进行详细规定，实现了延长结构疲劳寿命的修理需求。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，包括以下步骤：

(一)目视检查并明确金属疲劳裂纹的尖端位置，以金属疲劳裂纹尖端位置为参考点，定位并钻出两个交错的止裂孔，即为孔1和孔2；

(二)对孔1和孔2的孔口进行倒角处理以及交汇处进行平滑过渡；

(三)采用砂纸对金属疲劳裂纹处及周边区域和加强补片进行打磨粗糙处理，打磨粗糙处理后的区域为待胶接表面，对待胶接表面进行清洁干净和干燥；

(四)在待胶接表面的背面放置一层包覆有隔离膜的底板，在待胶接表面上均匀涂抹一层厚度约0.5mm的结构胶，涂抹过程中使结构胶完全渗透并填满金属疲劳裂纹和止裂孔，然后快速将打磨粗糙处理后的加强补片铺放在待胶接表面上并压实；

(五)在加强补片上铺放由热电偶、脱模布、吸胶布、无孔隔离膜、电热毯、透气毡、真空接头所组成的真空修理袋，通过真空接头向真空修理袋内通入压缩空气并密封；

(六)采用热补仪按照结构胶固化参数进行固化，固化完成后去除真空修理袋；

(七)采用抛光手段对加强补片与胶接表面进行平滑过渡，并对修理后的修理区域进行超声波检测。

优选地，步骤(一)中孔1和孔2的半径尺寸为1mm～3mm。

优选地，步骤(一)中孔1和孔2的圆心到金属疲劳裂纹尖端之间的距离尺寸与孔1和孔2的半径尺寸之比为3:4。

优选地，步骤(二)中孔1和孔2的孔口进行45°倒角处理，倒角后的孔径尺寸为倒角前的孔径尺寸的1～1.05倍。

优选地，步骤(三)中对金属疲劳裂纹处及周边区域和加强补片均进行45°方向打磨。

优选地，步骤(四)中加强补片采用碳纤维增强树脂基复合材料。

优选地，步骤(四)中加强补片的最上层铺覆一层玻璃纤维布，且在压实后用耐高温胶带进行固定。

优选地，步骤(五)中真空修理袋包括布设在加强补片周围的对前导和滞后热电偶、自内而外依次铺设在加强补片上的一层脱模布、两至四层吸胶布、一层无孔隔离膜、电热毯、一至两层透气毡、两个真空接头。

优选地，脱模布、吸胶布均要完全覆盖修理区域，且四周至少多出25mm。

优选地，电热毯的覆盖范围大于修理区域，透气毡的覆盖范围大于电热毯范围，且四周至少多出20mm。

本发明的有益效果是：

与现有的钻单一圆形止裂孔相比，降低了裂纹尖端的应力集中程度；与现有的椭圆形以及M形止裂孔相比，形状更可控、工艺更便于操作；与现有的单一抑制裂纹扩展相比，本发明结合了补片胶接贴补工艺，恢复了损伤结构的承载能力，使得修复效果更佳，大幅延长修理后的金属结构疲劳寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明中止裂孔的形状、排布、尺寸示意图；

图2为本发明中止裂孔补强工艺实施过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。

一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，如图2所示，具体步骤如下：

(一)以铝合金(7B04-T74)板上具有12mm*0.1mm的贯穿性裂纹为例。首先目视检查并明确金属疲劳裂纹的尖端位置，以金属疲劳裂纹尖端位置为参考点，借助尺规定位两个交错的止裂孔的圆心，即为孔1和孔2，圆心位置如图1所示。接着，借助样冲在孔1和孔2的圆心位置处，依次锤击出待钻冲点，最后采用φ(2R)的气钻或电钻在冲点上依次钻出孔1和孔2，并注意钻头降温和人员防护，使用气钻或电钻时严禁戴手套。

两个止裂孔半径R的取值很重要，R越大，曲率越小，打孔后原结构的应力集中程度就越低，止裂效果越好，但是止裂孔本身对截面强度有削弱作用，止裂孔的直径不能无限增大。本发明中经过仿真分析后，确定止裂孔半径R在1mm～3mm之间。

此外，两个止裂孔圆心位置的选取也很关键，如图1所示，圆心垂直于裂纹尖端，并定义圆心与裂纹尖端之间的距离为dR，经验证，当dR/R＝3/4，裂纹结构的疲劳寿命能够提高5倍。

具体的，在本实施例中，止裂孔半径R＝1.5mm，dR约为1.125mm。

(二)对孔1和孔2的孔口进行45°倒角处理以及使用什锦锉对图2中的A、B两点处进行平滑过渡，孔口进行45°倒角的目的是去毛刺和圆滑边界减少应力集中，倒角后直径约为原孔径的1～1.05倍。使用什锦锉对图2中的A、B两点处进行均匀去除越0.1mm，进行平滑过渡的目的是大幅降低因曲率突变导致的应力峰值，进一步改善止裂孔的受力性能。

(三)采用60目的氧化铝砂纸对金属疲劳裂纹处及周边区域进行45°方向打磨，采用300目的氧化铝砂纸对加强补片的粘接面进行45°方向打磨。使得在增大修理区域与结构胶的界面胶接摩擦力的同时提高界面抗剪切性能，打磨粗糙处理后的区域视为待胶接表面，对待胶接表面进行清洁干净和干燥。

步骤(三)中还包括加强补片和结构胶的制备：

加强补片的制备：加强补片采用轻质高强的碳纤维增强树脂基复合材料，对原金属结构的增重影响很小，同时实现强度恢复。在本实施例中，选用40mm*60mm*1mm的CCF300/QY8911复合材料层合板。

将CCF300/QY8911预浸料裁成90mm*110mm*0.125mm大小的毛料8层，按照[45°/0°/0°/0°]s的铺层顺序依次铺放，并固化成型。成型后利用自动裁剪机将毛料裁剪成40mm*60mm*1mm大小的加强补片。

结构胶的制备：结构胶的选型遵从粘接性能强、剪切强度和剥离强度高、使用温度范围广的原则。在本实施例中，选用双组分高性能糊状结构胶J-349-1。将J-349-1结构胶的甲组份与乙组份按照质量比100:30搅拌均匀，共配制约13g。

(四)在待胶接表面的背面放置一层包覆有隔离膜的底板，借助玻璃棒将结构胶待均匀地涂抹在待胶接表面上，结构胶的厚度约为0.5mm，且涂抹过程中使结构胶完全渗透并填满金属疲劳裂纹和止裂孔，然后快速将加强补片铺放在待胶接表面上，为了防止电位腐蚀，在加强补片的最上层面放置一层尺寸为40mm*100mm*0.125的EW100玻璃纤维布，并用耐高温胶带将补片粘在原金属结构上固定，防止固化时发生偏移。

(五)在加强补片上周围布设一对前导和滞后的热电偶，并依次铺设脱模布、吸胶布、无孔隔离膜、电热毯、透气毡、真空接头，最后封真空修理袋，其中脱模布铺设一层，吸胶布铺设两至四层，无孔隔离膜铺设一层，透气毡铺设一至两层，脱模布、吸胶布均要完全覆盖修理区域，且四周至少多出25mm；电热毯的覆盖范围大于修理区域，透气毡的覆盖范围大于电热毯范围，且四周至少多出20mm；真空接头设有两个，其中一个真空接头向真空袋中通入压缩空气，并密封，另一个真空接头用于热电偶、电热毯的接线引出，与热补仪进行连接。

(六)在本实施例中，热补仪选用HEATCON公司制造的HCS9200B热补仪。采用热补仪按照结构胶固化参数进行固化，固化时先室温抽真空至(－0.09)MPa以上，以2℃/min的升温速率升温到80℃，保温180min，然后自然降温至25℃后固化结束，固化完成后去除真空修理袋。

(七)按照气动要求，采用抛光手段对加强补片与胶接表面进行平滑过渡，然后修理区域进行超声波检测，以确定未产生新的裂纹、粘接分层和孔隙等损伤。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(一)目视检查并明确金属疲劳裂纹的尖端位置，以金属疲劳裂纹尖端位置为参考点，定位并钻出两个交错的止裂孔，即为孔1和孔2；

(二)对孔1和孔2的孔口进行倒角处理以及交汇处进行平滑过渡；

(三)采用砂纸对金属疲劳裂纹处及周边区域和加强补片进行打磨粗糙处理，打磨粗糙处理后的区域为待胶接表面，对待胶接表面进行清洁干净和干燥；

(四)在待胶接表面的背面放置一层包覆有隔离膜的底板，在待胶接表面上均匀涂抹一层厚度0.5mm的结构胶，涂抹过程中使结构胶完全渗透并填满金属疲劳裂纹和止裂孔，然后快速将打磨粗糙处理后的加强补片铺放在待胶接表面上并压实；

(五)在加强补片上铺放由热电偶、脱模布、吸胶布、无孔隔离膜、电热毯、透气毡、真空接头所组成的真空修理袋，通过真空接头向真空修理袋内通入压缩空气并密封；

(六)采用热补仪按照结构胶固化参数进行固化，固化完成后去除真空修理袋；

(七)采用抛光手段对加强补片与胶接表面进行平滑过渡，并对修理后的修理区域进行超声波检测。

2.根据权利要求1所述的一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，其特征在于：步骤(一)中孔1和孔2的半径尺寸为1mm～3mm。

3.根据权利要求2所述的一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，其特征在于：步骤(一)中孔1和孔2的圆心到金属疲劳裂纹尖端之间的距离尺寸与孔1和孔2的半径尺寸之比为3:4。

4.根据权利要求1所述的一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，其特征在于：步骤(二)中孔1和孔2的孔口进行45°倒角处理，倒角后的孔径尺寸为倒角前的孔径尺寸的1～1.05倍。

5.根据权利要求1所述的一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，其特征在于：步骤(三)中对金属疲劳裂纹处及周边区域和加强补片均进行45°方向打磨。

6.根据权利要求1所述的一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，其特征在于：步骤(四)中加强补片采用碳纤维增强树脂基复合材料。

7.根据权利要求1所述的一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，其特征在于：步骤(四)中加强补片的最上层铺覆一层玻璃纤维布，且在压实后用耐高温胶带进行固定。

8.根据权利要求1所述的一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，其特征在于：步骤(五)中真空修理袋包括布设在加强补片周围的对前导和滞后热电偶、自内而外依次铺设在加强补片上的一层脱模布、两至四层吸胶布、一层无孔隔离膜、电热毯、一至两层透气毡、两个真空接头。

9.根据权利要求8所述的一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，其特征在于：脱模布、吸胶布均要完全覆盖修理区域，且四周至少多出25mm。

10.根据权利要求8所述的一种复合式金属疲劳裂纹抑制方法，其特征在于：电热毯的覆盖范围大于修理区域，透气毡的覆盖范围大于电热毯范围，且四周至少多出20mm。

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