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(yong)藥芯焊絲配(pei)方(fang)設計
E410NiMo藥芯焊絲所用鋼(gang)(gang)帶為ER430鋼(gang)(gang)帶，其化學成(cheng)分見(jian)表5-73。藥粉主要有礦(kuang)石粉和金(jin)屬粉組成(cheng)，其主要成(cheng)分見(jian)表5-74。
二、幾種焊接方法(fa)對比的試(shi)樣制備與(yu)分析(xi)
選水(shui)輪機母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義(yi)為0＃試(shi)樣，其主要(yao)成分(fen)見表5-75。用E410NiMo藥芯焊絲堆(dui)(dui)焊3層，按表5-76堆(dui)(dui)焊參數(shu)所制備的堆(dui)(dui)焊的試(shi)樣編號為1＃、2和3＃試(shi)樣。
其他焊(han)接方法的(de)堆(dui)焊(han)參(can)數見表(biao)5-77，將D410NiMo鋼帶的(de)堆(dui)焊(han)試(shi)樣編號為4＃，G227焊(han)條的(de)堆(dui)焊(han)試(shi)樣編號為5＃。
1. 不同堆焊(han)方法試樣(yang)與母材試樣(yang)化學成分(fen)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(ce)定堆焊層試樣(yang)的硬度
采用TH600布氏(shi)硬(ying)度(du)(du)儀進行(xing)測定，要求在每個試樣(yang)堆焊層上測量5個點，取(qu)平均(jun)值，測定結(jie)果(guo)見表5-79。從試驗數據可知(zhi)，水輪機母材的(de)(de)硬(ying)度(du)(du)較各種焊材熔敷金屬(shu)的(de)(de)硬(ying)度(du)(du)偏低，與熱處理過的(de)(de)藥芯焊絲堆焊試件(jian)硬(ying)度(du)(du)相當(dang)。藥芯焊絲的(de)(de)熔敷金屬(shu)的(de)(de)鐵(tie)素(su)體含量低于水輪機母材、焊帶和焊條(tiao)的(de)(de)熔敷金屬(shu)的(de)(de)鐵(tie)素(su)體含量。
3. 各堆焊(han)層的組織分析(xi)
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(li)磨(mo)損對比(bi)試驗
采用(yong)MLS-225型濕式(shi)橡膠輪(lun)磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損試驗(yan)機。材(cai)(cai)料(liao)的耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)性(xing)能用(yong)磨(mo)(mo)(mo)損失去(qu)質(zhi)(zhi)量(liang)來衡量(liang)，算出磨(mo)(mo)(mo)損前后試件(jian)的平均質(zhi)(zhi)量(liang)差。與試驗(yan)時(shi)用(yong)水輪(lun)機母材(cai)(cai)相(xiang)比。對比件(jian)失去(qu)的質(zhi)(zhi)量(liang)與測量(liang)件(jian)失去(qu)的質(zhi)(zhi)量(liang)之(zhi)比來衡量(liang)該(gai)堆焊層的相(xiang)對耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)性(xing)。相(xiang)對磨(mo)(mo)(mo)損率＝對比材(cai)(cai)料(liao)的磨(mo)(mo)(mo)損量(liang)／0＃試樣材(cai)(cai)料(liao)的磨(mo)(mo)(mo)損量(liang)。試驗(yan)結果(guo)見表5-80。
試驗結果表明，在上述磨(mo)損(sun)條件下，各(ge)種堆焊方法(fa)熔(rong)敷金(jin)(jin)屬的耐(nai)磨(mo)粒(li)磨(mo)損(sun)性(xing)能(neng)(neng)比母材好，熱處理對(dui)材料耐(nai)磨(mo)性(xing)能(neng)(neng)的影響不大，而控制層間溫度對(dui)提(ti)高熔(rong)敷金(jin)(jin)屬的耐(nai)磨(mo)粒(li)磨(mo)損(sun)性(xing)能(neng)(neng)有較(jiao)好的改(gai)善作用。總體來(lai)看，藥芯焊絲熔(rong)敷金(jin)(jin)屬的耐(nai)磨(mo)粒(li)磨(mo)損(sun)性(xing)能(neng)(neng)優(you)于其他堆焊方法(fa)。
5. 沖蝕磨損(sun)對比試驗
為了模擬(ni)水(shui)輪機(ji)在實際工作(zuo)時所遭(zao)受的含(han)沙(sha)水(shui)流沖蝕磨損(sun)情況，采用北(bei)京工業大學自制的水(shui)沙(sha)沖蝕磨損(sun)試(shi)驗機(ji)來(lai)測(ce)定試(shi)樣(yang)的耐含(han)沙(sha)水(shui)流磨蝕的能(neng)力。
試(shi)(shi)樣(yang)尺寸為(wei)57mm×25mm×10mm，將(jiang)試(shi)(shi)樣(yang)裝在(zai)試(shi)(shi)樣(yang)臺上，按試(shi)(shi)驗機(ji)的運行步(bu)驟進行試(shi)(shi)驗。每(mei)沖蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)2h后(hou)停機(ji)，取出試(shi)(shi)樣(yang)并(bing)放入盛有丙酮溶液(ye)的燒杯中，在(zai)超聲(sheng)波清洗儀(yi)中清洗3～5min，干(gan)燥(zao)后(hou)采(cai)用BS224S電子天平(ping)進行試(shi)(shi)樣(yang)質量(liang)測量(liang)，精確(que)到(dao)0.0001g。材(cai)(cai)料的耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)性(xing)(xing)(xing)能用磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)前后(hou)失去(qu)質量(liang)的平(ping)均值來(lai)考核。一共進行8h，對(dui)比(bi)(bi)藥芯焊(han)(han)(han)絲(si)試(shi)(shi)件(jian)和(he)其(qi)他(ta)堆焊(han)(han)(han)方(fang)(fang)法試(shi)(shi)件(jian)失去(qu)的質量(liang)與母(mu)材(cai)(cai)失去(qu)的質量(liang)之比(bi)(bi)來(lai)衡量(liang)該方(fang)(fang)法的相對(dui)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)性(xing)(xing)(xing)。相對(dui)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)率(lv)＝對(dui)比(bi)(bi)材(cai)(cai)料的磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)／0號試(shi)(shi)件(jian)的磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)。試(shi)(shi)驗結(jie)果見表(biao)5-81。從表(biao)中可知(zhi)，各種(zhong)焊(han)(han)(han)接方(fang)(fang)法熔(rong)敷(fu)金屬耐(nai)沖蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)能與母(mu)材(cai)(cai)相當(dang)。熱處理(li)對(dui)藥芯焊(han)(han)(han)絲(si)堆焊(han)(han)(han)層(ceng)(ceng)(ceng)耐(nai)沖蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)能影響不大，而控制層(ceng)(ceng)(ceng)間溫(wen)度能較(jiao)明顯地提高藥芯焊(han)(han)(han)絲(si)熔(rong)敷(fu)金屬的耐(nai)沖蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)能。總體(ti)上可以認為(wei)，除焊(han)(han)(han)帶的焊(han)(han)(han)接方(fang)(fang)法外，焊(han)(han)(han)條和(he)藥芯焊(han)(han)(han)絲(si)的耐(nai)沖磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)堆焊(han)(han)(han)層(ceng)(ceng)(ceng)較(jiao)好(hao)。
通過上述試驗(yan)可以認(ren)為(wei)，用藥芯(xin)焊絲堆焊磨(mo)損的水輪機是可行的，如果層(ceng)間(jian)溫度控制在150～200℃，堆焊熔(rong)敷(fu)金屬的耐(nai)磨(mo)粒磨(mo)損和耐(nai)沖(chong)蝕磨(mo)損性能(neng)為(wei)最佳。
