一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法

本发明涉及金属结构疲劳损伤修复，特别是涉及一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法。

背景技术：

1、在航空航天、桥梁工程、交通运输等关键领域，金属结构在长期交变荷载下作用下易产生疲劳裂纹，疲劳裂纹若不及时修复，将迅速扩展并最终导致结构失效，严重威胁结构的安全性与耐久性。针对含裂纹金属结构，传统裂纹修复方法包括钻孔止裂、焊接、黏贴钢板/cfrp等。其中钻孔止裂是通过在裂纹尖端钻设圆孔以降低应力集中，操作简单，但该方法仅能延缓部分裂纹的疲劳扩展，无法引入对疲劳性能提升有利的孔周残余压应力，因此修复效果十分有限，在现行规范中仅作为裂纹处治的临时措施。

2、冷扩止裂技术是申请人提出的一种有效修复损伤金属结构的方法。其原理是通过拉拔过盈芯棒，对孔壁施加径向压力，诱导孔周材料发生塑性变形，从而在孔周形成残余压应力区，有效的抑制疲劳裂纹的萌生与发展。然而传统的单一直径冷扩止裂技术采用单一过盈量的芯棒对止裂孔进行冷扩，对于已存在疲劳裂纹的金属结构，易造成孔壁损伤、微裂纹、应力分布不均匀等问题。为此提出一种新型的含裂纹金属结构加固方法，即衬套辅助梯度冷扩加固方法。该方法区别于既有冷扩止裂技术的特点包括：（1）采用含小直径冷扩段、变径缓冲段、大直径冷扩段的梯度冷扩芯棒进行通孔的冷扩，将由单一直径一次冷扩优化为分段两梯度冷扩，可有效减小由大过盈量诱发的孔周塑性损伤；（2）采用含开缝衬套和润滑剂辅助冷扩，可有效减小芯棒-孔周直接接触摩擦引起的孔周摩擦损伤和材料推移的不利影响。因此，相比于传统止裂孔和冷扩止裂技术，本发明可在不显著增加成本和施工复杂度的条件下进一步大幅延长含裂纹金属结构的疲劳寿命，提升结构全寿命综合效益。

技术实现思路

1、本发明的目的是在于克服现有技术的不足，提供一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法。旨在实现孔周材料的分级塑性变形、保护孔壁及残余应力场分布均匀等。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法，用于对含裂纹金属结构中的疲劳裂纹进行冷扩加固，具体包括如下步骤：

3、步骤一、准备衬套和芯棒及冷扩设备；

4、步骤二、在含裂纹金属结构的疲劳裂纹的尖端分别钻设用于安装衬套和穿设芯棒的通孔，所述通孔的轴线垂直于所述含裂纹金属结构的厚度方向并贯穿所述含裂纹金属结构；

5、步骤三、将所述开缝衬套安装通孔中，衬套翻边抵靠在含裂纹金属结构的表面；

6、步骤四、在所述开缝衬套的内壁涂抹润滑剂；

7、步骤五、将梯度直径芯棒按照尾部圆棒导入段的顺序依次插入到位于通孔内的衬套中并从衬套内穿出，对通孔进行冷扩；

8、在执行步骤五时，在芯棒穿出衬套的过程中，衬套沿径向扩张，从而对两通孔的孔壁施加径向压力，诱导孔周材料发生弹塑性变形；芯棒穿出衬套后，孔壁因弹性回复而形成分布均匀的残余压应力区，所述残余压应力区能够降低裂纹尖端应力强度因子，从而降低金属结构再次受到拉伸时裂纹扩展速率，进而抑制裂纹的萌生和发展，实现对含裂纹金属结构的加固。

9、优选地，所述开缝衬套包括套筒和设置在套筒一端的翻边，套筒与翻边同轴设置，所述翻边的外径大于套筒的外径，所述翻边的内径等于套筒的内径，每个所述套筒的外径等于对应的通孔直径，所述套筒与所述翻边一体成型。

10、优选地，所述套筒的壁厚和翻边的厚度在0.2mm-0.3mm之间，所述套筒的长度为损伤金属结构的厚度的1.1-1.2倍，所述翻边的外径与内径的差为套筒的长度的0.1-0.2倍。

11、优选地，在执行步骤三时，所述衬套的套筒插入到通孔内中，衬套的翻边抵靠在损伤金属结构的表面；在执行步骤五，芯棒从翻边的一侧插入。

12、优选地，所述衬套插入到通孔中时，所述开缝的方向与疲劳裂纹错开一定的角度，错开角度在90°左右。

13、优选地，所述芯棒从尾部到端部开始包括依次同轴连接的圆棒段导入段、冷扩过渡段、小直径冷扩段、变径缓冲段、大直径冷扩段、出口过渡段、圆棒导出段；

14、所述大直径冷扩段的直径加上两倍所述开缝衬套的厚度为通孔直径的1.04倍~1.05倍，所述变径缓冲段为小直径段和大直径段的连接段，所述小直径冷扩段的直径加上两倍所述开缝衬套的厚度为通孔直径的1.02倍~1.03倍；

15、所述冷扩过渡段成锥形，冷扩过渡段直径较大的一端与小直径冷扩段连接且直径较大的一端的直径等于小直径冷扩段的直径，所述冷扩过渡段的直径较小的一端与圆棒导入段的一端连接且冷扩过渡段的直径较小的一端与圆棒导入段的直径相同；

16、所述出口过渡段成锥形，出口过渡段直径较大的一端与大直径冷扩段连接且直径较大的一端的直径等于大直径冷扩段的直径，所述出口过渡段的直径较小的一端与圆棒导出段的一端连接且出口过渡段的直径较小的一端与圆棒导出段的直径相同，所述圆棒导入段的直径等于所述圆棒导出段的直径且小于开缝衬套套筒的内径。

17、优选地，在执行步骤五时，先将圆棒段导入插入到套筒中，直到圆棒导出段整个芯棒穿过套筒。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、1.本发明采用含开缝衬套的梯度冷扩方法，通过开缝衬套的物理隔离作用，避免了高硬度芯棒与金属结构孔壁的直接接触，消除了因摩擦导致的划伤、微裂纹等冷扩损伤，尤其适用于已存在裂纹的损伤结构。

20、2. 本发明通过设计具有大、小直径冷扩段的梯度直径芯棒，实现了对止裂孔的逐级冷扩，首次小直径冷扩引入残余压应力，大直径冷扩进一步强化残余压应力场，有效避免了单次大变形造成的应力集中与材料损伤。

21、3. 本发明通用性强，适用于多种金属结构材料，尤其在高强铝合金、钢结构等金属结构中效果显著，可有效修复含裂纹金属结构，具有重要的工程应用价值。

1.一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法，用于对含裂纹金属结构中的疲劳裂纹进行冷扩加固，其特征在于，具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法，其特征在于，所述开缝衬套包括套筒和设置在套筒一端的翻边，套筒与翻边同轴设置，所述翻边的外径大于套筒的外径，所述翻边的内径等于套筒的内径，每个所述开缝套筒的外径等于对应的通孔直径，所述套筒与所述翻边一体成型。

3.根据权利要求2所述的一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法，其特征在于，所述套筒的壁厚和翻边的厚度在0.2mm-0.3mm之间，所述套筒的长度为含裂纹金属结构板件厚度的1.1-1.2倍，所述翻边的外径与内径之差为套筒长度的0.1-0.2倍。

4.根据权利要求2所述的一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法，其特征在于，在执行步骤三时，开缝衬套的套筒插入到通孔内，衬套翻边抵靠在含裂纹金属结构的表面；在执行步骤五时，芯棒从设置有翻边的一侧轴向插入。

5.根据权利要求2所述的一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法，其特征在于，所述开缝衬套插入到通孔中，所述开缝的方向与裂纹错开一定的角度，错开角度在90°左右。

6.根据权利要求1所述的一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法，其特征在于，所述芯棒从尾部到端部开始包括依次同轴连接的圆棒段导入段、冷扩过渡段、小直径冷扩段、变径缓冲段、大直径冷扩段、出口过渡段、圆棒导出段；

7.根据权利要求6所述的一种含裂纹金属结构衬套辅助梯度冷扩加固方法，其特征在于，在执行步骤五时，先将圆棒段插入到套筒中，通过冷扩设备施加荷载使整个梯度直径芯棒的梯度冷扩段穿出套筒，从而完成通孔的梯度分级冷扩。