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堆焊用藥芯(xin)焊絲配(pei)方設計
E410NiMo藥(yao)芯焊(han)絲(si)所用鋼(gang)帶為ER430鋼(gang)帶，其(qi)化學成分(fen)見表5-73。藥(yao)粉主要(yao)有(you)礦(kuang)石粉和金(jin)屬粉組成，其(qi)主要(yao)成分(fen)見表5-74。
二、幾種焊接(jie)方(fang)法對比的試樣(yang)制(zhi)備與(yu)分(fen)析
選(xuan)水(shui)輪(lun)機母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義為0＃試樣，其主要成分見表(biao)5-75。用E410NiMo藥芯焊絲堆(dui)焊3層，按表(biao)5-76堆(dui)焊參數所制(zhi)備(bei)的堆(dui)焊的試樣編號為1＃、2和3＃試樣。
其他(ta)焊接方法(fa)的(de)堆(dui)焊參數見表5-77，將D410NiMo鋼帶的(de)堆(dui)焊試樣編(bian)號(hao)為4＃，G227焊條(tiao)的(de)堆(dui)焊試樣編(bian)號(hao)為5＃。
1. 不同堆焊方法試樣(yang)與母(mu)材(cai)試樣(yang)化學成分進行對比(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(ding)堆(dui)焊層(ceng)試樣的硬度(du)
采用TH600布氏硬(ying)度(du)儀進(jin)行測定，要求在每個試樣(yang)堆(dui)焊(han)(han)層上測量(liang)(liang)5個點，取平均值(zhi)，測定結(jie)果(guo)見表5-79。從試驗數據可知(zhi)，水輪機母(mu)材(cai)的(de)(de)(de)硬(ying)度(du)較各(ge)種焊(han)(han)材(cai)熔敷金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)(de)硬(ying)度(du)偏低，與熱處理過的(de)(de)(de)藥芯焊(han)(han)絲(si)堆(dui)焊(han)(han)試件硬(ying)度(du)相當。藥芯焊(han)(han)絲(si)的(de)(de)(de)熔敷金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)(de)鐵(tie)素(su)體(ti)含量(liang)(liang)低于水輪機母(mu)材(cai)、焊(han)(han)帶和焊(han)(han)條的(de)(de)(de)熔敷金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)(de)鐵(tie)素(su)體(ti)含量(liang)(liang)。
3. 各(ge)堆焊(han)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. 磨粒磨損對比(bi)試(shi)驗
采(cai)用MLS-225型濕式橡膠輪磨(mo)粒磨(mo)損試(shi)驗(yan)機(ji)。材(cai)(cai)料的耐磨(mo)性能用磨(mo)損失去(qu)(qu)質量(liang)來(lai)衡(heng)量(liang)，算出磨(mo)損前后(hou)試(shi)件的平(ping)均質量(liang)差。與(yu)試(shi)驗(yan)時用水輪機(ji)母(mu)材(cai)(cai)相(xiang)比(bi)(bi)。對比(bi)(bi)件失去(qu)(qu)的質量(liang)與(yu)測量(liang)件失去(qu)(qu)的質量(liang)之比(bi)(bi)來(lai)衡(heng)量(liang)該堆焊層的相(xiang)對耐磨(mo)性。相(xiang)對磨(mo)損率＝對比(bi)(bi)材(cai)(cai)料的磨(mo)損量(liang)／0＃試(shi)樣材(cai)(cai)料的磨(mo)損量(liang)。試(shi)驗(yan)結果見表(biao)5-80。
試驗結果表(biao)明(ming)，在(zai)上述磨(mo)(mo)(mo)損條件(jian)下，各種堆(dui)焊(han)方法熔敷(fu)金(jin)屬的(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損性(xing)(xing)能比母材好，熱處理對材料耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)性(xing)(xing)能的(de)影響不(bu)大，而控制層(ceng)間溫度對提(ti)高熔敷(fu)金(jin)屬的(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損性(xing)(xing)能有較好的(de)改善(shan)作(zuo)用。總體來看(kan)，藥芯焊(han)絲熔敷(fu)金(jin)屬的(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損性(xing)(xing)能優于其他堆(dui)焊(han)方法。
5. 沖蝕磨損對比試(shi)驗(yan)
為了模擬水(shui)輪機在(zai)實際工作時所(suo)遭(zao)受的(de)含(han)沙(sha)水(shui)流(liu)沖蝕(shi)磨(mo)損(sun)情(qing)況(kuang)，采用北京工業大學(xue)自制的(de)水(shui)沙(sha)沖蝕(shi)磨(mo)損(sun)試驗機來測(ce)定試樣的(de)耐含(han)沙(sha)水(shui)流(liu)磨(mo)蝕(shi)的(de)能力。
試樣(yang)尺寸為57mm×25mm×10mm，將試樣(yang)裝在(zai)試樣(yang)臺(tai)上(shang)，按試驗(yan)(yan)機的運行(xing)(xing)(xing)步驟進(jin)行(xing)(xing)(xing)試驗(yan)(yan)。每沖蝕(shi)(shi)(shi)磨損(sun)2h后停機，取出試樣(yang)并放入盛有(you)丙酮溶液的燒杯中(zhong)(zhong)，在(zai)超聲波清洗儀中(zhong)(zhong)清洗3～5min，干燥后采(cai)用(yong)BS224S電子天平進(jin)行(xing)(xing)(xing)試樣(yang)質量(liang)(liang)(liang)測量(liang)(liang)(liang)，精(jing)確到0.0001g。材(cai)(cai)料(liao)(liao)的耐(nai)磨性(xing)(xing)能(neng)(neng)用(yong)磨損(sun)前后失去(qu)質量(liang)(liang)(liang)的平均值(zhi)來考核。一共(gong)進(jin)行(xing)(xing)(xing)8h，對(dui)比(bi)藥(yao)芯焊(han)(han)絲(si)試件和其他(ta)堆焊(han)(han)方法(fa)試件失去(qu)的質量(liang)(liang)(liang)與(yu)母材(cai)(cai)失去(qu)的質量(liang)(liang)(liang)之比(bi)來衡量(liang)(liang)(liang)該方法(fa)的相對(dui)耐(nai)磨性(xing)(xing)。相對(dui)磨損(sun)率＝對(dui)比(bi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的磨損(sun)量(liang)(liang)(liang)／0號試件的磨損(sun)量(liang)(liang)(liang)。試驗(yan)(yan)結(jie)果見表(biao)5-81。從表(biao)中(zhong)(zhong)可(ke)知，各種焊(han)(han)接(jie)方法(fa)熔(rong)敷(fu)金屬耐(nai)沖蝕(shi)(shi)(shi)磨損(sun)性(xing)(xing)能(neng)(neng)與(yu)母材(cai)(cai)相當。熱處理對(dui)藥(yao)芯焊(han)(han)絲(si)堆焊(han)(han)層耐(nai)沖蝕(shi)(shi)(shi)磨損(sun)性(xing)(xing)能(neng)(neng)影(ying)響不(bu)大(da)，而控制(zhi)層間溫度(du)能(neng)(neng)較明顯(xian)地提高藥(yao)芯焊(han)(han)絲(si)熔(rong)敷(fu)金屬的耐(nai)沖蝕(shi)(shi)(shi)磨損(sun)性(xing)(xing)能(neng)(neng)。總體上(shang)可(ke)以認(ren)為，除焊(han)(han)帶的焊(han)(han)接(jie)方法(fa)外，焊(han)(han)條和藥(yao)芯焊(han)(han)絲(si)的耐(nai)沖磨損(sun)性(xing)(xing)堆焊(han)(han)層較好。
通過上述(shu)試驗可以認為，用藥芯(xin)焊(han)絲(si)堆焊(han)磨(mo)損的水輪機是可行(xing)的，如果層(ceng)間溫度(du)控制(zhi)在150～200℃，堆焊(han)熔(rong)敷金屬的耐磨(mo)粒(li)磨(mo)損和耐沖蝕(shi)磨(mo)損性能為最(zui)佳。
