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(han)用藥芯(xin)焊(han)絲配(pei)方(fang)設計
E410NiMo藥芯焊絲所(suo)用鋼帶(dai)(dai)為(wei)ER430鋼帶(dai)(dai)，其(qi)化學成分(fen)見表5-73。藥粉(fen)主要有礦石粉(fen)和金(jin)屬粉(fen)組成，其(qi)主要成分(fen)見表5-74。
二、幾(ji)種焊接方(fang)法對比的試樣制備與(yu)分析
選水輪(lun)機母材為(wei)ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并(bing)將定義為(wei)0＃試樣，其(qi)主要成分見表5-75。用E410NiMo藥芯焊(han)絲堆焊(han)3層，按表5-76堆焊(han)參(can)數所制備的堆焊(han)的試樣編(bian)號為(wei)1＃、2和3＃試樣。
其他焊(han)接方法的(de)堆焊(han)參數見(jian)表5-77，將(jiang)D410NiMo鋼帶的(de)堆焊(han)試(shi)樣(yang)編(bian)號為(wei)(wei)4＃，G227焊(han)條的(de)堆焊(han)試(shi)樣(yang)編(bian)號為(wei)(wei)5＃。
1. 不同堆焊方法試(shi)樣(yang)(yang)與(yu)母材試(shi)樣(yang)(yang)化學(xue)成分(fen)進行對比
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(ding)堆焊(han)層試樣的硬(ying)度
采用TH600布(bu)氏硬度(du)儀進(jin)行測定(ding)，要求在每個試(shi)樣堆焊(han)層上測量(liang)5個點，取平均值，測定(ding)結(jie)果見表5-79。從試(shi)驗數據可(ke)知，水輪機母(mu)材的(de)(de)硬度(du)較各種(zhong)焊(han)材熔敷(fu)金(jin)屬(shu)的(de)(de)硬度(du)偏低，與熱處(chu)理過的(de)(de)藥(yao)芯焊(han)絲堆焊(han)試(shi)件硬度(du)相當。藥(yao)芯焊(han)絲的(de)(de)熔敷(fu)金(jin)屬(shu)的(de)(de)鐵素體含量(liang)低于(yu)水輪機母(mu)材、焊(han)帶和焊(han)條的(de)(de)熔敷(fu)金(jin)屬(shu)的(de)(de)鐵素體含量(liang)。
3. 各堆焊層的(de)組織分(fen)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. 磨粒磨損對比試驗(yan)
采用MLS-225型濕式橡膠輪磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)試(shi)驗機。材(cai)(cai)料(liao)的耐磨(mo)(mo)性(xing)能用磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)失去(qu)質(zhi)(zhi)量來衡量，算出磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)前(qian)后試(shi)件的平均質(zhi)(zhi)量差。與(yu)試(shi)驗時用水輪機母材(cai)(cai)相比。對比件失去(qu)的質(zhi)(zhi)量與(yu)測量件失去(qu)的質(zhi)(zhi)量之比來衡量該堆焊層的相對耐磨(mo)(mo)性(xing)。相對磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)率(lv)＝對比材(cai)(cai)料(liao)的磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)量／0＃試(shi)樣材(cai)(cai)料(liao)的磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)量。試(shi)驗結果見表(biao)5-80。
試驗結果表明，在上述磨損條件(jian)下(xia)，各種堆焊(han)方法熔敷(fu)金屬的耐(nai)(nai)磨粒磨損性(xing)能(neng)比母(mu)材好，熱處理(li)對(dui)材料耐(nai)(nai)磨性(xing)能(neng)的影響(xiang)不大，而控制(zhi)層間溫度對(dui)提高(gao)熔敷(fu)金屬的耐(nai)(nai)磨粒磨損性(xing)能(neng)有較好的改善作用。總體來(lai)看，藥芯焊(han)絲熔敷(fu)金屬的耐(nai)(nai)磨粒磨損性(xing)能(neng)優于(yu)其(qi)他堆焊(han)方法。
5. 沖蝕(shi)磨損(sun)對比試驗
為了模擬水(shui)輪(lun)機(ji)在實(shi)際工(gong)作時(shi)所遭受的(de)含沙水(shui)流沖蝕(shi)磨損(sun)情況，采用(yong)北京工(gong)業大學自制的(de)水(shui)沙沖蝕(shi)磨損(sun)試驗機(ji)來測定試樣的(de)耐(nai)含沙水(shui)流磨蝕(shi)的(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(shang)，按試(shi)(shi)驗(yan)(yan)機(ji)的(de)(de)(de)(de)運行(xing)(xing)(xing)步驟(zou)進行(xing)(xing)(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)。每(mei)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)2h后(hou)(hou)停機(ji)，取出試(shi)(shi)樣并(bing)放(fang)入盛有丙(bing)酮溶液的(de)(de)(de)(de)燒杯中(zhong)(zhong)，在超聲波清(qing)洗儀中(zhong)(zhong)清(qing)洗3～5min，干燥后(hou)(hou)采用BS224S電子天(tian)平進行(xing)(xing)(xing)試(shi)(shi)樣質(zhi)(zhi)量測量，精確到0.0001g。材料(liao)的(de)(de)(de)(de)耐(nai)(nai)磨(mo)(mo)性能(neng)用磨(mo)(mo)損(sun)前(qian)后(hou)(hou)失去(qu)質(zhi)(zhi)量的(de)(de)(de)(de)平均值來(lai)(lai)考核。一共進行(xing)(xing)(xing)8h，對(dui)(dui)比(bi)藥芯(xin)焊(han)(han)(han)絲(si)試(shi)(shi)件(jian)和其他(ta)堆焊(han)(han)(han)方(fang)法(fa)(fa)試(shi)(shi)件(jian)失去(qu)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量與母材失去(qu)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量之比(bi)來(lai)(lai)衡量該(gai)方(fang)法(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)相對(dui)(dui)耐(nai)(nai)磨(mo)(mo)性。相對(dui)(dui)磨(mo)(mo)損(sun)率(lv)＝對(dui)(dui)比(bi)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)量／0號試(shi)(shi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)量。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果見(jian)表5-81。從表中(zhong)(zhong)可知，各種焊(han)(han)(han)接(jie)方(fang)法(fa)(fa)熔敷金屬耐(nai)(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)性能(neng)與母材相當。熱處(chu)理對(dui)(dui)藥芯(xin)焊(han)(han)(han)絲(si)堆焊(han)(han)(han)層(ceng)耐(nai)(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)性能(neng)影(ying)響不大(da)，而控制層(ceng)間溫(wen)度能(neng)較明(ming)顯地提(ti)高(gao)藥芯(xin)焊(han)(han)(han)絲(si)熔敷金屬的(de)(de)(de)(de)耐(nai)(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)性能(neng)。總體上(shang)可以認為，除(chu)焊(han)(han)(han)帶的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)方(fang)法(fa)(fa)外，焊(han)(han)(han)條和藥芯(xin)焊(han)(han)(han)絲(si)的(de)(de)(de)(de)耐(nai)(nai)沖(chong)磨(mo)(mo)損(sun)性堆焊(han)(han)(han)層(ceng)較好。
通過上述試驗可以(yi)認(ren)為，用(yong)藥芯焊(han)絲堆(dui)焊(han)磨(mo)損(sun)的(de)水(shui)輪機是可行的(de)，如果(guo)層(ceng)間(jian)溫度控制(zhi)在150～200℃，堆(dui)焊(han)熔敷金屬的(de)耐磨(mo)粒磨(mo)損(sun)和耐沖蝕磨(mo)損(sun)性能為最佳。
