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(ma)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(dui)焊用藥芯焊絲配(pei)方(fang)設計(ji)
E410NiMo藥芯(xin)焊絲所用鋼(gang)帶為ER430鋼(gang)帶，其化學成(cheng)分見表5-73。藥粉主要有礦(kuang)石粉和(he)金屬粉組成(cheng)，其主要成(cheng)分見表5-74。
二、幾種(zhong)焊接方法對比的試(shi)樣制備與(yu)分析
選水輪機(ji)母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義為0＃試(shi)樣(yang)(yang)，其(qi)主要成分見表(biao)5-75。用E410NiMo藥芯焊(han)絲堆焊(han)3層(ceng)，按表(biao)5-76堆焊(han)參數所制備的堆焊(han)的試(shi)樣(yang)(yang)編號為1＃、2和3＃試(shi)樣(yang)(yang)。
其(qi)他焊接方(fang)法(fa)的(de)(de)堆焊參數(shu)見表5-77，將D410NiMo鋼帶(dai)的(de)(de)堆焊試(shi)(shi)樣(yang)編號為4＃，G227焊條的(de)(de)堆焊試(shi)(shi)樣(yang)編號為5＃。
1. 不同堆焊(han)方法試樣(yang)與母(mu)材試樣(yang)化學(xue)成分進(jin)行(xing)對比(bi)
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. 測定堆焊層試樣的硬度
采(cai)用TH600布氏硬(ying)(ying)度(du)儀進行測(ce)(ce)定，要求在每個試樣堆(dui)焊(han)層上測(ce)(ce)量(liang)5個點(dian)，取平均值，測(ce)(ce)定結(jie)果見表5-79。從試驗(yan)數據可知(zhi)，水輪機母材(cai)的(de)硬(ying)(ying)度(du)較各(ge)種焊(han)材(cai)熔(rong)敷(fu)(fu)金屬的(de)硬(ying)(ying)度(du)偏低，與熱處理過的(de)藥(yao)芯焊(han)絲堆(dui)焊(han)試件硬(ying)(ying)度(du)相當(dang)。藥(yao)芯焊(han)絲的(de)熔(rong)敷(fu)(fu)金屬的(de)鐵素體(ti)含量(liang)低于水輪機母材(cai)、焊(han)帶(dai)和焊(han)條的(de)熔(rong)敷(fu)(fu)金屬的(de)鐵素體(ti)含量(liang)。
3. 各堆焊層的組(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. 磨粒磨損對比試驗
采用(yong)MLS-225型濕式橡膠輪磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)試(shi)驗機(ji)。材料(liao)的(de)(de)耐磨(mo)(mo)(mo)性能用(yong)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)失(shi)(shi)去(qu)質(zhi)量(liang)來衡量(liang)，算出磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)前后(hou)試(shi)件(jian)的(de)(de)平(ping)均質(zhi)量(liang)差。與試(shi)驗時用(yong)水輪機(ji)母材相比(bi)(bi)。對(dui)(dui)比(bi)(bi)件(jian)失(shi)(shi)去(qu)的(de)(de)質(zhi)量(liang)與測(ce)量(liang)件(jian)失(shi)(shi)去(qu)的(de)(de)質(zhi)量(liang)之比(bi)(bi)來衡量(liang)該堆(dui)焊層的(de)(de)相對(dui)(dui)耐磨(mo)(mo)(mo)性。相對(dui)(dui)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)率＝對(dui)(dui)比(bi)(bi)材料(liao)的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)量(liang)／0＃試(shi)樣材料(liao)的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)量(liang)。試(shi)驗結果見表5-80。
試(shi)驗結果表明(ming)，在(zai)上述(shu)磨損條件下，各種堆焊(han)(han)方(fang)(fang)法熔敷金(jin)屬的耐磨粒磨損性(xing)能(neng)比(bi)母材好(hao)，熱處理對材料耐磨性(xing)能(neng)的影響不大，而控制層(ceng)間溫度對提高(gao)熔敷金(jin)屬的耐磨粒磨損性(xing)能(neng)有較好(hao)的改善作用。總體來看，藥芯焊(han)(han)絲熔敷金(jin)屬的耐磨粒磨損性(xing)能(neng)優(you)于(yu)其(qi)他堆焊(han)(han)方(fang)(fang)法。
5. 沖蝕磨損對(dui)比(bi)試驗
為(wei)了模擬水輪機在(zai)實際工(gong)(gong)作時(shi)所遭受的(de)含沙(sha)水流沖(chong)蝕(shi)(shi)磨損情況(kuang)，采用北(bei)京工(gong)(gong)業大學(xue)自制的(de)水沙(sha)沖(chong)蝕(shi)(shi)磨損試驗機來測定試樣的(de)耐含沙(sha)水流磨蝕(shi)(shi)的(de)能(neng)力。
試(shi)(shi)樣(yang)尺寸(cun)為(wei)57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)樣(yang)裝在(zai)試(shi)(shi)樣(yang)臺上(shang)，按試(shi)(shi)驗(yan)機的(de)(de)運行步驟進行試(shi)(shi)驗(yan)。每沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)2h后停機，取出試(shi)(shi)樣(yang)并(bing)放(fang)入(ru)盛有丙酮溶(rong)液的(de)(de)燒杯中，在(zai)超聲(sheng)波(bo)清洗儀中清洗3～5min，干燥后采用(yong)BS224S電子天平(ping)進行試(shi)(shi)樣(yang)質量(liang)測(ce)量(liang)，精確到0.0001g。材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)耐磨(mo)(mo)性能用(yong)磨(mo)(mo)損(sun)前后失去質量(liang)的(de)(de)平(ping)均值(zhi)來考核。一共進行8h，對(dui)比藥芯焊絲(si)試(shi)(shi)件(jian)和其(qi)他(ta)堆(dui)(dui)焊方法試(shi)(shi)件(jian)失去的(de)(de)質量(liang)與母材(cai)(cai)失去的(de)(de)質量(liang)之比來衡(heng)量(liang)該方法的(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)耐磨(mo)(mo)性。相(xiang)(xiang)對(dui)磨(mo)(mo)損(sun)率＝對(dui)比材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)量(liang)／0號試(shi)(shi)件(jian)的(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)量(liang)。試(shi)(shi)驗(yan)結果見表5-81。從表中可(ke)知，各(ge)種焊接方法熔(rong)敷(fu)金(jin)屬(shu)耐沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)性能與母材(cai)(cai)相(xiang)(xiang)當。熱處理對(dui)藥芯焊絲(si)堆(dui)(dui)焊層(ceng)耐沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)性能影響(xiang)不大，而控制層(ceng)間(jian)溫度能較(jiao)明顯地提高藥芯焊絲(si)熔(rong)敷(fu)金(jin)屬(shu)的(de)(de)耐沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)性能。總體上(shang)可(ke)以(yi)認為(wei)，除(chu)焊帶的(de)(de)焊接方法外，焊條(tiao)和藥芯焊絲(si)的(de)(de)耐沖(chong)(chong)磨(mo)(mo)損(sun)性堆(dui)(dui)焊層(ceng)較(jiao)好。
通過上(shang)述(shu)試驗可以認為，用藥芯焊(han)絲(si)堆焊(han)磨損(sun)的水輪機是可行的，如果層間溫度(du)控制在(zai)150～200℃，堆焊(han)熔敷(fu)金(jin)屬的耐(nai)磨粒磨損(sun)和耐(nai)沖蝕(shi)磨損(sun)性能為最佳。
