水輪機作為水電站的核心設備，其轉輪的材質要具有耐氣蝕、耐泥沙磨損和抗斷裂性能，通常選用Cr13Ni5馬氏體不銹鋼。長期使用后不可避免地出現磨損和腐蝕，針對水輪機的修復，堆焊是一種比較理想和簡便的方法。堆焊方法有焊條堆焊、焊帶堆焊和藥芯焊絲堆焊，將這幾種堆焊方法進行了對比試驗。認為藥芯焊絲堆焊具有調整方便、焊接效率高、熔合比低和焊接變形小等優點。
一、E410NiMo堆焊用藥芯焊絲配方設計
E410NiMo藥芯焊(han)絲所用(yong)鋼帶(dai)為ER430鋼帶(dai)，其化學成(cheng)分見(jian)表(biao)(biao)5-73。藥粉主要有礦(kuang)石粉和金屬粉組成(cheng)，其主要成(cheng)分見(jian)表(biao)(biao)5-74。
二(er)、幾種焊接方法(fa)對比的試(shi)樣(yang)制(zhi)備與分(fen)析(xi)
選水(shui)輪機(ji)母材(cai)為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義(yi)為0＃試(shi)樣(yang)(yang)，其主(zhu)要成分見(jian)表(biao)5-75。用(yong)E410NiMo藥芯焊絲(si)堆(dui)焊3層，按表(biao)5-76堆(dui)焊參數(shu)所制備(bei)的堆(dui)焊的試(shi)樣(yang)(yang)編號為1＃、2和3＃試(shi)樣(yang)(yang)。
其他焊接方法的(de)堆(dui)焊參(can)數見(jian)表(biao)5-77，將D410NiMo鋼帶的(de)堆(dui)焊試樣(yang)編號為4＃，G227焊條的(de)堆(dui)焊試樣(yang)編號為5＃。
1. 不同堆(dui)焊方法試樣與母材(cai)試樣化學成分進行(xing)對比
將堆焊試件切割成57mm×25.5mm×5mm，銑平待檢表面，采用德國布魯克公司生產的Q8 Magellan 火花直讀光譜儀測定試樣的化學成分，見表5-78。從表中可以看出，研發的藥芯焊絲的C、Si、Mn、P、S、Cr等元素與母材接近，而Ni、Mo等元素含量高于母材。Mo的加入，能夠有效提高熔敷金屬的耐汽蝕性能，Ni可以提高鋼的力學性能且能改善耐蝕性和耐酸性。
2. 測定堆焊層試樣(yang)的(de)硬度
采用TH600布氏硬(ying)(ying)度(du)(du)儀進行測(ce)定，要求在每(mei)個(ge)試樣(yang)堆焊(han)(han)層上測(ce)量(liang)5個(ge)點，取平均值，測(ce)定結果見表5-79。從試驗數據可(ke)知，水輪機母材(cai)的(de)(de)硬(ying)(ying)度(du)(du)較各種焊(han)(han)材(cai)熔(rong)敷金屬的(de)(de)硬(ying)(ying)度(du)(du)偏低，與熱處(chu)理過的(de)(de)藥芯焊(han)(han)絲(si)(si)堆焊(han)(han)試件(jian)硬(ying)(ying)度(du)(du)相當(dang)。藥芯焊(han)(han)絲(si)(si)的(de)(de)熔(rong)敷金屬的(de)(de)鐵素(su)體(ti)(ti)含量(liang)低于水輪機母材(cai)、焊(han)(han)帶(dai)和焊(han)(han)條的(de)(de)熔(rong)敷金屬的(de)(de)鐵素(su)體(ti)(ti)含量(liang)。
3. 各堆(dui)焊(han)層的組(zu)織分析
試樣為10mm×10mm×5mm，腐蝕液（質量分數）為HF 4%+HNO3 4%+H2O 92％，利用MPEG3型號顯微鏡進行觀察與圖像采集。所有堆焊方法下的熔敷金屬組織明顯比母材細密得多，且馬氏體的數量比母材多。因此，堆焊態下的熔敷金屬較母材有更好的耐磨蝕性能。
4. 磨粒(li)磨損對比試(shi)驗
采用MLS-225型濕式橡膠(jiao)輪磨粒磨損試(shi)驗(yan)(yan)機(ji)。材料的(de)(de)(de)耐(nai)磨性能用磨損失去(qu)(qu)質量(liang)來衡(heng)量(liang)，算出(chu)磨損前后試(shi)件的(de)(de)(de)平(ping)均質量(liang)差。與試(shi)驗(yan)(yan)時用水輪機(ji)母材相比(bi)。對比(bi)件失去(qu)(qu)的(de)(de)(de)質量(liang)與測量(liang)件失去(qu)(qu)的(de)(de)(de)質量(liang)之比(bi)來衡(heng)量(liang)該(gai)堆焊層的(de)(de)(de)相對耐(nai)磨性。相對磨損率＝對比(bi)材料的(de)(de)(de)磨損量(liang)／0＃試(shi)樣(yang)材料的(de)(de)(de)磨損量(liang)。試(shi)驗(yan)(yan)結果見表5-80。
試驗結果(guo)表明(ming)，在(zai)上(shang)述(shu)磨(mo)損條件下(xia)，各種堆(dui)焊方法熔敷金屬(shu)的(de)耐磨(mo)粒磨(mo)損性(xing)能比母材好，熱(re)處理對材料(liao)耐磨(mo)性(xing)能的(de)影響不大，而控制(zhi)層(ceng)間溫度對提(ti)高熔敷金屬(shu)的(de)耐磨(mo)粒磨(mo)損性(xing)能有較(jiao)好的(de)改善(shan)作用。總(zong)體來看，藥芯焊絲(si)熔敷金屬(shu)的(de)耐磨(mo)粒磨(mo)損性(xing)能優于(yu)其他(ta)堆(dui)焊方法。
5. 沖蝕磨(mo)損對(dui)比試驗
為了模擬水(shui)輪機在實際工(gong)作時所遭受的(de)(de)含沙(sha)(sha)水(shui)流(liu)沖(chong)蝕磨損情況，采(cai)用北(bei)京工(gong)業(ye)大學自制的(de)(de)水(shui)沙(sha)(sha)沖(chong)蝕磨損試驗(yan)機來(lai)測定(ding)試樣的(de)(de)耐含沙(sha)(sha)水(shui)流(liu)磨蝕的(de)(de)能力。
試(shi)(shi)樣尺寸為57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)樣裝在試(shi)(shi)樣臺上，按試(shi)(shi)驗(yan)機的運行步驟進(jin)行試(shi)(shi)驗(yan)。每沖(chong)蝕磨損(sun)(sun)(sun)2h后(hou)停機，取(qu)出試(shi)(shi)樣并放入盛有丙酮溶液的燒(shao)杯中(zhong)，在超聲波清(qing)洗(xi)儀中(zhong)清(qing)洗(xi)3～5min，干燥后(hou)采用(yong)BS224S電子(zi)天(tian)平進(jin)行試(shi)(shi)樣質(zhi)量(liang)(liang)(liang)測量(liang)(liang)(liang)，精確(que)到0.0001g。材料的耐(nai)(nai)磨性(xing)(xing)能用(yong)磨損(sun)(sun)(sun)前后(hou)失(shi)去(qu)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)的平均值(zhi)來考核。一共(gong)進(jin)行8h，對(dui)(dui)(dui)比藥芯(xin)(xin)焊(han)(han)絲(si)(si)試(shi)(shi)件(jian)和(he)(he)其(qi)他堆(dui)焊(han)(han)方(fang)(fang)法試(shi)(shi)件(jian)失(shi)去(qu)的質(zhi)量(liang)(liang)(liang)與(yu)母材失(shi)去(qu)的質(zhi)量(liang)(liang)(liang)之比來衡量(liang)(liang)(liang)該方(fang)(fang)法的相對(dui)(dui)(dui)耐(nai)(nai)磨性(xing)(xing)。相對(dui)(dui)(dui)磨損(sun)(sun)(sun)率＝對(dui)(dui)(dui)比材料的磨損(sun)(sun)(sun)量(liang)(liang)(liang)／0號試(shi)(shi)件(jian)的磨損(sun)(sun)(sun)量(liang)(liang)(liang)。試(shi)(shi)驗(yan)結果見表5-81。從表中(zhong)可知，各種焊(han)(han)接方(fang)(fang)法熔(rong)敷金屬耐(nai)(nai)沖(chong)蝕磨損(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)能與(yu)母材相當。熱(re)處理對(dui)(dui)(dui)藥芯(xin)(xin)焊(han)(han)絲(si)(si)堆(dui)焊(han)(han)層耐(nai)(nai)沖(chong)蝕磨損(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)能影響不(bu)大，而(er)控制(zhi)層間溫度能較明顯地提(ti)高藥芯(xin)(xin)焊(han)(han)絲(si)(si)熔(rong)敷金屬的耐(nai)(nai)沖(chong)蝕磨損(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)能。總體(ti)上可以認為，除焊(han)(han)帶的焊(han)(han)接方(fang)(fang)法外，焊(han)(han)條和(he)(he)藥芯(xin)(xin)焊(han)(han)絲(si)(si)的耐(nai)(nai)沖(chong)磨損(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)堆(dui)焊(han)(han)層較好(hao)。
通過上述試(shi)驗可以認為(wei)，用藥芯(xin)焊(han)絲堆(dui)焊(han)磨(mo)損的(de)水輪機是可行的(de)，如果層間溫度(du)控制在150～200℃，堆(dui)焊(han)熔敷(fu)金屬(shu)的(de)耐磨(mo)粒磨(mo)損和耐沖蝕磨(mo)損性能(neng)為(wei)最佳。
