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(shi)體不銹(xiu)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(yi)、E410NiMo堆(dui)焊用藥(yao)芯焊絲配(pei)方(fang)設(she)計(ji)
E410NiMo藥芯焊絲(si)所用鋼(gang)帶(dai)為ER430鋼(gang)帶(dai)，其化學成(cheng)分見表(biao)5-73。藥粉主要(yao)有礦石粉和金屬粉組成(cheng)，其主要(yao)成(cheng)分見表(biao)5-74。
二、幾種焊接方法對比的試樣制備與分析
選水(shui)輪機母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義(yi)為0＃試樣，其主(zhu)要成(cheng)分見表5-75。用E410NiMo藥(yao)芯焊(han)(han)絲堆焊(han)(han)3層(ceng)，按表5-76堆焊(han)(han)參數(shu)所制(zhi)備的堆焊(han)(han)的試樣編號為1＃、2和3＃試樣。
其他焊接方(fang)法的堆焊參(can)數(shu)見表5-77，將D410NiMo鋼帶的堆焊試樣(yang)編號為4＃，G227焊條(tiao)的堆焊試樣(yang)編號為5＃。
1. 不(bu)同(tong)堆焊方法試樣與母材試樣化學(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. 測定堆焊(han)層(ceng)試樣的硬(ying)度
采用TH600布氏硬度(du)儀進行(xing)測(ce)定，要求在(zai)每個試樣(yang)堆(dui)焊(han)層上(shang)測(ce)量(liang)5個點，取平(ping)均值(zhi)，測(ce)定結果見表5-79。從試驗數(shu)據可知，水(shui)輪機(ji)(ji)母(mu)材的硬度(du)較各種焊(han)材熔敷金屬(shu)(shu)的硬度(du)偏(pian)低，與(yu)熱處理過的藥芯焊(han)絲(si)(si)堆(dui)焊(han)試件硬度(du)相當。藥芯焊(han)絲(si)(si)的熔敷金屬(shu)(shu)的鐵(tie)素(su)體(ti)含量(liang)低于水(shui)輪機(ji)(ji)母(mu)材、焊(han)帶和(he)焊(han)條的熔敷金屬(shu)(shu)的鐵(tie)素(su)體(ti)含量(liang)。
3. 各(ge)堆(dui)焊層(ceng)的組織分析
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(yan)
采用(yong)MLS-225型濕式橡膠輪(lun)磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損試(shi)驗(yan)機。材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)耐磨(mo)(mo)性能用(yong)磨(mo)(mo)損失(shi)去(qu)質(zhi)量(liang)來(lai)衡(heng)量(liang)，算出磨(mo)(mo)損前后(hou)試(shi)件的(de)(de)(de)平均(jun)質(zhi)量(liang)差。與試(shi)驗(yan)時用(yong)水輪(lun)機母材(cai)(cai)相比。對比件失(shi)去(qu)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)與測量(liang)件失(shi)去(qu)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)之(zhi)比來(lai)衡(heng)量(liang)該堆焊層(ceng)的(de)(de)(de)相對耐磨(mo)(mo)性。相對磨(mo)(mo)損率＝對比材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損量(liang)／0＃試(shi)樣材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損量(liang)。試(shi)驗(yan)結果見表5-80。
試驗結果表明，在(zai)上述磨(mo)(mo)(mo)損(sun)條件下，各種堆焊(han)(han)方法熔(rong)敷金(jin)屬(shu)的(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損(sun)性能比母材(cai)好，熱處理對(dui)材(cai)料耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)性能的(de)影響不大，而(er)控制層間溫(wen)度(du)對(dui)提高熔(rong)敷金(jin)屬(shu)的(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損(sun)性能有較好的(de)改善(shan)作用。總體來看(kan)，藥芯焊(han)(han)絲熔(rong)敷金(jin)屬(shu)的(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損(sun)性能優于其他堆焊(han)(han)方法。
5. 沖(chong)蝕(shi)磨損(sun)對比試驗
為了模擬(ni)水(shui)(shui)輪機在實際工作時所遭(zao)受的(de)(de)含沙(sha)水(shui)(shui)流沖蝕磨(mo)損(sun)情(qing)況，采用北(bei)京(jing)工業大學自(zi)制的(de)(de)水(shui)(shui)沙(sha)沖蝕磨(mo)損(sun)試(shi)(shi)驗機來測(ce)定試(shi)(shi)樣的(de)(de)耐含沙(sha)水(shui)(shui)流磨(mo)蝕的(de)(de)能力(li)。
試樣尺(chi)寸為(wei)57mm×25mm×10mm，將試樣裝在(zai)試樣臺上，按(an)試驗機(ji)的(de)(de)(de)運行(xing)(xing)(xing)步驟進(jin)行(xing)(xing)(xing)試驗。每沖(chong)(chong)(chong)蝕磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)2h后停機(ji)，取(qu)出試樣并(bing)放(fang)入(ru)盛有(you)丙酮溶(rong)液(ye)的(de)(de)(de)燒杯中，在(zai)超聲波(bo)清(qing)洗(xi)儀中清(qing)洗(xi)3～5min，干(gan)燥后采用BS224S電子天平進(jin)行(xing)(xing)(xing)試樣質(zhi)量(liang)(liang)測(ce)量(liang)(liang)，精(jing)確到0.0001g。材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)性(xing)能(neng)用磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)前后失(shi)(shi)去(qu)(qu)質(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)平均值來考(kao)核。一共進(jin)行(xing)(xing)(xing)8h，對比(bi)藥芯焊(han)(han)絲(si)試件(jian)和其他堆焊(han)(han)方(fang)法(fa)試件(jian)失(shi)(shi)去(qu)(qu)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)與母材(cai)失(shi)(shi)去(qu)(qu)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)之比(bi)來衡量(liang)(liang)該方(fang)法(fa)的(de)(de)(de)相(xiang)對耐(nai)磨(mo)(mo)性(xing)。相(xiang)對磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)率＝對比(bi)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)量(liang)(liang)／0號試件(jian)的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)量(liang)(liang)。試驗結果(guo)見表5-81。從表中可知，各種焊(han)(han)接方(fang)法(fa)熔敷金屬(shu)耐(nai)沖(chong)(chong)(chong)蝕磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)性(xing)能(neng)與母材(cai)相(xiang)當。熱處理對藥芯焊(han)(han)絲(si)堆焊(han)(han)層耐(nai)沖(chong)(chong)(chong)蝕磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)性(xing)能(neng)影(ying)響不大，而控(kong)制層間溫度能(neng)較(jiao)明(ming)顯地提高(gao)藥芯焊(han)(han)絲(si)熔敷金屬(shu)的(de)(de)(de)耐(nai)沖(chong)(chong)(chong)蝕磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)性(xing)能(neng)。總體上可以認為(wei)，除(chu)焊(han)(han)帶的(de)(de)(de)焊(han)(han)接方(fang)法(fa)外，焊(han)(han)條和藥芯焊(han)(han)絲(si)的(de)(de)(de)耐(nai)沖(chong)(chong)(chong)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)性(xing)堆焊(han)(han)層較(jiao)好(hao)。
通過上述試(shi)驗可(ke)以(yi)認為，用藥芯焊(han)絲堆焊(han)磨損(sun)的(de)(de)水輪機是可(ke)行的(de)(de)，如(ru)果層間溫度(du)控(kong)制在150～200℃，堆焊(han)熔敷(fu)金屬的(de)(de)耐磨粒磨損(sun)和耐沖蝕磨損(sun)性能為最佳(jia)。
