关于裂纹修复的最新研究。
姓名：孙晗。
专业：机械工程1409班。
学号：1049721402835
老师：赵章焰。
武汉理工大学。
2023年5月。
摘要。工程机械中的裂纹作为很多重大事故的主要原因，一直以来都是许多领域的重点研究对象。疲劳裂纹更是起重机金属结构中最常见和最危险的缺陷之一，约占金属结构故障的80％以上，所以裂纹修复的研究也一直是研究重点。
本文主要从起重机主梁裂纹止裂修复，叶轮表面微裂纹的电镀修复，和航空发动机蜗轮叶片裂纹修复三个方面为例对现在裂纹修复技术进行综述。
关键词：裂纹止裂修复电镀修复激光熔覆。
在不同的工程机械，不同的工作环境下，裂纹的产生原因是多种多样的。即有可能是设计缺陷导致缺陷处应力超过疲劳极限，作业循环次数超过设计值，也可能是因为焊缝质量较差导致原始缺陷过多，存在应力集中的现象；除了纯机械的原因之外，还可能由于外加载荷和环境因素共同作用引起的，如在腐蚀环境和交变载荷共同作用下，腐蚀疲劳损伤在构件内部逐渐积累，当损伤达到临界状态时，腐蚀疲劳裂纹开始萌生。而针对不同的裂纹，应当有不同的修复处理方法。
据统计，工程实际中起重机械事故发生率较高。且绝大部分起重机事故都是由于其金属结构失效引起的，诸如裂纹和疲劳脆断。起重机桥架属于典型的焊接结构，往往存在如夹渣、气孔、未熔合等缺陷。
这些缺陷在应力循环中逐步扩展，最终造成构件的断裂破坏。如果让出现故障和安全隐患的起重机继续工作，则安全生产就不能得到保证，而大部分出现裂纹的起重机尚在设计使用年限内，若将其全部报废处理，那么会造成巨大经济损失，且影响企业正常生产。因而在起重机研究内容中，修复已经出现裂纹的重要部件的研究就成了起重机设备安全维护的重要课题。
电镀技术是当今应用于零件修复领域里的主要手段之一，利用电解原理在零件表面渡一层其它金属或合金，从而达到尺寸恢复或者提高表面性能的作用。实验表面，电镀与激光合金化技术结合时，镀层的再次溶化克服了镀层中金属离子沉积不均匀性的问题，提高裂纹修复效果。通过电镀和辅助处理技术可修复零部件浅表面微裂纹并恢复原始工件尺寸，延长工件使用寿命，节能降耗，对表面出现疲劳裂纹的失效机械零部件的修复有一定指导意义。
航空发动机蜗轮叶片裂纹的修复是飞机修理工作中的难题，目前国内对涡轮叶片裂纹的修复工艺研究不多。而通过对基于激光熔覆技术的航空发动机涡轮叶片裂纹修复新工艺的研究，设计了涡轮叶片裂纹的激光修复系统，得到了修复工艺过程和主要工艺技术。
疲劳破坏是由损伤累积而成。疲劳裂纹一般要经历一段很长时间才产生断裂破坏，它包括三部分：裂纹起始或萌生阶段、裂纹稳定扩展阶段及裂纹失稳阶段（断裂）。
疲劳裂纹起源于结构缺陷和应力较高的区域，当构件连续受载时，在这些结构缺陷部位便会产生应力集中，如此一来应力峰值区域便会率先产生微观裂纹。承受交变应力作用是结构疲劳破坏的首要条件。疲劳裂纹扩展时，其两个裂纹面随着交变应力的作用时而张开，时而贴紧，这样两个裂纹的表面就会产生摩擦作用，经摩擦后的裂纹表面会变得光滑，且愈近裂纹源愈光滑，这就是“贝壳线”现象。
随着剩余工作界面的减小应力逐渐增加，裂纹进入加速扩展阶段（失稳扩展）。当有效工作截面小到不能承载时，构件在载荷的冲击下便会发生脆性断裂。
该方法的研究对象为某公司第三钢轧厂高跨4#125t×22m铸造起重机，其实体结构如图2.1所示。
图2.1 铸造起重机。
该起重机的组成部分有大车运行机构、125/50t主、副小车、桥架和电气设备。桥架含2根主梁，2根副主梁、2根端梁。主梁是封闭的箱型断面结构，它由2块盖板及2块腹板通过焊接而成。
主梁封闭空间内每隔一定距离便焊有一块大隔板，维持主梁的几何稳定性。该起重机2023年3月投产，2023年6月就发现主梁上主腹板与大隔板焊接处出现裂纹，裂纹**如图2.2所示。
图2.2 主腹板裂纹。
表2.1为起重机的基本参数。
表2.1 基本参数表。
通过ansys对主梁处进行有限元分析，得到结构的应力云图，通过断裂力学的计算分析得到理论使用寿命为5.7年，与实际的工作了5年7个月基本吻合，计算得到的剩余寿命约为2.7个月。
之后主腹板裂纹将会进入快速扩展阶段，随时都可能发生断裂。因此，对起重机的修复工作迫在眉睫。
断裂力学认为：裂纹是在裂纹驱动力的推动下扩展的；当裂纹驱动力超过某一临界值时，裂纹扩展的速度便会大大增加，甚至失稳，反之，若裂纹在某一阻力之下，则裂纹扩展会停滞，从而出现止裂现象。
裂纹的止裂基于能量平衡原理。当外载荷稳定时，ⅰ型裂纹的应变能释放率由公式2.1决定：
由式可知，裂纹尺寸a增大时，g随之增大；裂纹尖端应力σ降低时，g随之减小。即裂纹扩展时裂纹尖端应力明显下降，能量释放率g的增幅会明显下降，当裂纹尖端应力下降的幅度大于裂纹扩展的幅度时，能量释放率g甚至会出现下降。图2.
3（a）显示了这种作用。然而并不是所有材料的裂纹阻力r都是恒定不变的，某些材料的裂纹阻力r取于其裂纹扩展速率，如对应变速率比较敏感的材料。这是由于当扩展速率较快的裂纹受到外载作用时，裂纹前沿材料的应变速率很大，材料的屈服强度会变大，而塑性变形量会随着材料的屈服强度变大而降低，从而使产生裂纹所需的能量降低，即裂纹阻力r降低，如图2.
3（b）所示。
图2.3 能量释放率平衡规律。
工程上经常使用的基于能量平衡原理的裂纹止裂修复措施有钢板补强法、人工楔块法、裂纹焊合法及钻孔止裂法。
在构件开裂部位上以螺栓连接或者焊接的方式加装一层补强钢板，这就是钢板补强法。外载在补强板的缓冲和传递作用下，使构件裂纹区域的应力成倍的降低，这样裂纹就有可能停止扩展。相比钢板补强法，钻孔止裂法是作用时间较短的临时裂纹止裂修复措施。
其基本原理是消除或缓解裂纹尖端部位的应力集中，具体做法是在裂纹尖端部位钻孔。裂纹焊合法是通过将裂纹焊合以达到止裂修复目的的方法。因为裂纹焊合法是通过热焊接的形式修复裂纹，这就可能降低相关区域内材料的断裂韧性，且新的焊接区域内可能出现较为严重的残余应力，焊接过程中产生的焊接缺陷可能成为新的裂纹源并进一步扩展成为可视裂纹。
人工楔块法是先在含裂纹构件上施加一个外载，让裂纹长开，然后想裂纹内部注入某种粘合剂，粘合剂凝固产生楔块后卸载，这种方法可以较好的减小裂纹扩展速度， 但是操作困难，止裂范围有限。
在这个案例中使用了钢板补强法，将大隔板与主腹板连接处切出一矩形缺口，然后将补强板嵌入，主腹板外部的补强板面积为内部补强板面积的两倍。布置时，两补强板上部和两侧均对齐且两板基于大隔板对称，这样选择和布置的作用有二 ：首先，对现有裂纹进行止裂修复；其次，由于裂纹均出现在大隔板和主腹板的焊址处位置，加装补强板后产生了新的焊址处，如图 2.
4中点 b，因此，此处可能会出现应力集中，从而产生新的疲劳裂纹，加装补强后，此处将会被加固，从而避免新的疲劳裂纹的产生。焊接时，为增强焊接效果并消除应力集中，补强板与主腹板之间采用塞焊连接，如图 2.4 所示。
图2.4 主梁主腹板补强板加装位置示意图。
补强板为长方体钢板，厚度与主腹板一致，根据图纸尺寸，选取内部补强板尺寸为400×100（单位：mm）。根据补强板的尺寸，将塞焊孔直径定为20～30 mm ，其与补强板边缘的距离不小于25mm，塞焊孔之间的距离定为 100～140mm。
电镀技术即是将金属或合金在镀件表面沉积形成金属镀层的表面技术，利用电解原理使试样表面上形成一层均匀致密金属沉积层的过程，从而起到能够提高耐腐烛、耐磨性以及导电性等等作用。电键工艺过程受到很多因素影响，例ph值、电流密度、温度、搅拌等等，需要同时控制好各项参数，才能获得表面良好的镀层。
在本例中的钢质叶轮材料使用马氏体钢15cr2mo1，这种材料具有良好的综合性能，例如适中的强度和韧性、较强的高温稳定性以及优良的抗腐蚀能力，因此被视为当今制造叶轮用材的重要选择。
但在钢的冶炼过程中气孔是常见的缺陷它不仅降低了金属材料的致密性，也是表面裂纹的诱因。叶轮表面的缺陷逐渐形成点蚀，时间长了被溶解而成为蚀坑，最后形成缺陷群。若缺陷群正好在叶轮根部受力最大处，则很有可能发生疲劳裂纹。
即叶轮上的裂纹是化学腐蚀与交变受力双重影响而产生的。
疲劳裂纹形核来自于驻留滑移带或者晶界，因局部应力集中而萌生裂纹，过程与循环滑移有很大关系。绝大多数萌生的裂纹为非扩展性裂纹，它的出现一方面由于零件经过反复加载而形成的微观上不可恢复塑性变形，另一方面微观塑性的出现，由此裂纹降低了裂纹继续扩展的动力。且随着疲劳周次的增加短裂纹数量的增加，但大部分短裂纹长度变化并不明显，即裂纹不会扩展。
经研究得知缺口处的短裂纹总是率先扩展，即在应力集中处。
首先尝试单一电镀工艺修复，通过电镀法将金属离子填充进裂纹中来达到修复表面微裂纹的目的。由图3.1可见基体与镀层的结合效果，虽然镀层很致密但是没有达到冶金结合，且与基体的结合属于机械结合，结合强度较弱，因此镀层会在钢质叶轮交替载荷作用下较容易剥壳与脱落。
图3.1 镀层放大2000倍。
当裂纹的宽度小于80μm的时候，镍钴金属离子大部分沉积直接跨过裂纹，链接表面裂纹两层的合金层，而沉积进入裂纹的金属离子随着裂纹深度的增加逐渐减少，如图3.2所示。其原因如下：
（1）裂纹开裂处宽度较小，镀液无法深度进入裂纹区；（2）溶液在裂纹中随着深度的增加传质与对流也极其慢；（3）裂纹中的空气被压缩，导致镀液无法进入裂纹尖端，达到填充裂纹的目的。
由此可见单一的电镀工艺不能很好的修复表面裂纹，尤其在狭窄的裂纹尖端填充量几乎为零。
图3.2 裂纹处的电沉积。
基于电镀修复的缺陷，这里同时使用激光合金化的方法进行补修，这种方法以基体为溶剂，合金元素为溶质，将基体与镀层溶合达到表面一致性，修复裂纹。使用激光合金化工艺提高表面微裂纹的修复效果，它克服了沉积层与裂纹区结合较弱的问题。
在激光合金化修复裂纹过程中，随着裂纹深度的增加，要求再次溶化的基体厚度也在增加，但是为保证修复裂纹效果应尽量避免过度熔化基体而引起的稀释作用，而且随着激光功率的增加，基体产生二次裂纹甚至开裂的倾向也会越来越大。因此需要控制激光束在基材表面的作用时间、激光的输出功率等等工艺参数。
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