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(ti)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、E410NiMo堆焊用藥(yao)芯焊絲配方設計
E410NiMo藥芯焊絲所(suo)用(yong)鋼帶為ER430鋼帶，其化學(xue)成(cheng)分見(jian)表5-73。藥粉(fen)主要有(you)礦石粉(fen)和金屬粉(fen)組成(cheng)，其主要成(cheng)分見(jian)表5-74。
二、幾種焊接方法對比的試樣制(zhi)備與分析
選水輪機母材(cai)為(wei)ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義為(wei)0＃試(shi)樣(yang)，其主要成分見表5-75。用(yong)E410NiMo藥芯(xin)焊(han)絲(si)堆(dui)焊(han)3層，按(an)表5-76堆(dui)焊(han)參數所制備(bei)的堆(dui)焊(han)的試(shi)樣(yang)編(bian)號為(wei)1＃、2和(he)3＃試(shi)樣(yang)。
其他焊(han)(han)接方法的(de)堆焊(han)(han)參數見表(biao)5-77，將D410NiMo鋼帶(dai)的(de)堆焊(han)(han)試樣(yang)編(bian)號為(wei)(wei)4＃，G227焊(han)(han)條的(de)堆焊(han)(han)試樣(yang)編(bian)號為(wei)(wei)5＃。
1. 不(bu)同堆焊方(fang)法試(shi)樣與(yu)母材試(shi)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(shi)樣(yang)的硬度
采用TH600布氏(shi)硬度(du)(du)儀進行測定，要求在每(mei)個試(shi)樣堆焊(han)層上測量(liang)5個點，取平(ping)均值，測定結果見表(biao)5-79。從試(shi)驗數據可知，水輪(lun)機(ji)母材的硬度(du)(du)較各種焊(han)材熔敷金屬的硬度(du)(du)偏(pian)低(di)，與(yu)熱處理過的藥(yao)芯焊(han)絲堆焊(han)試(shi)件硬度(du)(du)相當。藥(yao)芯焊(han)絲的熔敷金屬的鐵素(su)體(ti)含量(liang)低(di)于(yu)水輪(lun)機(ji)母材、焊(han)帶和焊(han)條的熔敷金屬的鐵素(su)體(ti)含量(liang)。
3. 各堆焊層的組織分析
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(mo)粒磨(mo)損對比試驗
采用MLS-225型濕(shi)式橡膠輪磨(mo)粒磨(mo)損試(shi)驗機。材料的(de)耐磨(mo)性(xing)能用磨(mo)損失去(qu)(qu)質(zhi)量(liang)(liang)來衡(heng)量(liang)(liang)，算出(chu)磨(mo)損前后試(shi)件的(de)平均質(zhi)量(liang)(liang)差。與試(shi)驗時用水輪機母材相(xiang)比(bi)。對比(bi)件失去(qu)(qu)的(de)質(zhi)量(liang)(liang)與測量(liang)(liang)件失去(qu)(qu)的(de)質(zhi)量(liang)(liang)之(zhi)比(bi)來衡(heng)量(liang)(liang)該(gai)堆焊層的(de)相(xiang)對耐磨(mo)性(xing)。相(xiang)對磨(mo)損率＝對比(bi)材料的(de)磨(mo)損量(liang)(liang)／0＃試(shi)樣材料的(de)磨(mo)損量(liang)(liang)。試(shi)驗結果見表5-80。
試(shi)驗結果表(biao)明，在(zai)上述(shu)磨損(sun)條件下(xia)，各種堆焊方法(fa)熔敷金(jin)屬的(de)(de)耐(nai)磨粒磨損(sun)性能比母材(cai)(cai)好(hao)，熱處理對材(cai)(cai)料耐(nai)磨性能的(de)(de)影響不大(da)，而控制層間溫度對提高熔敷金(jin)屬的(de)(de)耐(nai)磨粒磨損(sun)性能有較好(hao)的(de)(de)改善作用。總體(ti)來看，藥芯焊絲熔敷金(jin)屬的(de)(de)耐(nai)磨粒磨損(sun)性能優于其(qi)他堆焊方法(fa)。
5. 沖蝕(shi)磨(mo)損對比(bi)試驗
為了模擬水(shui)輪機(ji)在實際工(gong)作時所遭(zao)受(shou)的(de)含(han)沙水(shui)流(liu)沖(chong)蝕磨損情況，采用北京(jing)工(gong)業大學自制的(de)水(shui)沙沖(chong)蝕磨損試(shi)驗機(ji)來測定試(shi)樣的(de)耐(nai)含(han)沙水(shui)流(liu)磨蝕的(de)能力。
試(shi)(shi)樣(yang)尺寸為57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)樣(yang)裝在(zai)試(shi)(shi)樣(yang)臺上，按試(shi)(shi)驗(yan)(yan)機(ji)的(de)(de)運行(xing)步驟進行(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)。每沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)2h后(hou)停機(ji)，取(qu)出試(shi)(shi)樣(yang)并放入盛有丙酮溶液的(de)(de)燒杯中，在(zai)超聲波清洗(xi)儀中清洗(xi)3～5min，干燥后(hou)采用BS224S電(dian)子(zi)天(tian)平進行(xing)試(shi)(shi)樣(yang)質量(liang)(liang)測量(liang)(liang)，精確到0.0001g。材(cai)(cai)料的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)性能用磨(mo)(mo)損(sun)前后(hou)失(shi)去(qu)質量(liang)(liang)的(de)(de)平均(jun)值來考核。一共進行(xing)8h，對(dui)(dui)比藥(yao)(yao)芯(xin)焊(han)(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)試(shi)(shi)件和其他堆焊(han)(han)(han)(han)(han)方(fang)(fang)法(fa)試(shi)(shi)件失(shi)去(qu)的(de)(de)質量(liang)(liang)與母材(cai)(cai)失(shi)去(qu)的(de)(de)質量(liang)(liang)之比來衡量(liang)(liang)該方(fang)(fang)法(fa)的(de)(de)相(xiang)對(dui)(dui)耐(nai)磨(mo)(mo)性。相(xiang)對(dui)(dui)磨(mo)(mo)損(sun)率＝對(dui)(dui)比材(cai)(cai)料的(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)量(liang)(liang)／0號試(shi)(shi)件的(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)量(liang)(liang)。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果(guo)見表5-81。從表中可知，各種(zhong)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)方(fang)(fang)法(fa)熔敷金(jin)屬(shu)耐(nai)沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)性能與母材(cai)(cai)相(xiang)當。熱處理(li)對(dui)(dui)藥(yao)(yao)芯(xin)焊(han)(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)堆焊(han)(han)(han)(han)(han)層耐(nai)沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)性能影響不大，而(er)控制層間溫(wen)度能較(jiao)明顯地(di)提高藥(yao)(yao)芯(xin)焊(han)(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)熔敷金(jin)屬(shu)的(de)(de)耐(nai)沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)性能。總(zong)體上可以(yi)認為，除焊(han)(han)(han)(han)(han)帶的(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)方(fang)(fang)法(fa)外，焊(han)(han)(han)(han)(han)條和藥(yao)(yao)芯(xin)焊(han)(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)的(de)(de)耐(nai)沖(chong)(chong)磨(mo)(mo)損(sun)性堆焊(han)(han)(han)(han)(han)層較(jiao)好。
通過上述試驗(yan)可以認(ren)為，用藥芯(xin)焊絲(si)堆焊磨(mo)損的(de)(de)水(shui)輪(lun)機是可行(xing)的(de)(de)，如(ru)果層間溫度控制在150～200℃，堆焊熔敷金屬(shu)的(de)(de)耐磨(mo)粒磨(mo)損和(he)耐沖蝕磨(mo)損性能為最佳。
