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(xiu)鋼(gang)。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)焊用藥芯焊絲(si)配(pei)方設計
E410NiMo藥芯焊絲(si)所(suo)用鋼(gang)帶為(wei)ER430鋼(gang)帶，其(qi)化(hua)學成(cheng)分見表5-73。藥粉主要有礦石粉和金屬粉組成(cheng)，其(qi)主要成(cheng)分見表5-74。
二、幾種(zhong)焊接方法對比的試樣制備與分析
選水輪(lun)機母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義為0＃試樣，其(qi)主要成分見表(biao)5-75。用E410NiMo藥芯焊絲堆焊3層(ceng)，按表(biao)5-76堆焊參數所制備的堆焊的試樣編號為1＃、2和3＃試樣。
其他焊接方法的(de)堆(dui)焊參數見(jian)表5-77，將D410NiMo鋼帶的(de)堆(dui)焊試樣(yang)編(bian)號為4＃，G227焊條的(de)堆(dui)焊試樣(yang)編(bian)號為5＃。
1. 不(bu)同堆焊(han)方(fang)法試(shi)樣與(yu)母材試(shi)樣化學成分進(jin)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. 測定堆焊層試樣的硬度
采用TH600布(bu)氏硬(ying)度儀(yi)進(jin)行測定，要求(qiu)在每個試樣堆焊(han)層上(shang)測量(liang)5個點，取平均值，測定結果見(jian)表5-79。從試驗(yan)數據(ju)可(ke)知，水輪機母材的(de)(de)硬(ying)度較各(ge)種焊(han)材熔(rong)敷金屬的(de)(de)硬(ying)度偏低(di)，與熱處理過的(de)(de)藥(yao)芯焊(han)絲堆焊(han)試件(jian)硬(ying)度相當。藥(yao)芯焊(han)絲的(de)(de)熔(rong)敷金屬的(de)(de)鐵素體(ti)含量(liang)低(di)于水輪機母材、焊(han)帶(dai)和焊(han)條(tiao)的(de)(de)熔(rong)敷金屬的(de)(de)鐵素體(ti)含量(liang)。
3. 各堆(dui)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. 磨粒磨損對比試驗
采用(yong)(yong)MLS-225型濕式橡(xiang)膠(jiao)輪(lun)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)試(shi)驗機。材料的(de)(de)耐磨(mo)(mo)(mo)性能用(yong)(yong)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)失去質量(liang)(liang)(liang)來(lai)衡量(liang)(liang)(liang)，算出磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)前后試(shi)件的(de)(de)平均(jun)質量(liang)(liang)(liang)差。與試(shi)驗時用(yong)(yong)水輪(lun)機母材相(xiang)比(bi)(bi)。對(dui)(dui)比(bi)(bi)件失去的(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)與測量(liang)(liang)(liang)件失去的(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)之(zhi)比(bi)(bi)來(lai)衡量(liang)(liang)(liang)該堆(dui)焊層的(de)(de)相(xiang)對(dui)(dui)耐磨(mo)(mo)(mo)性。相(xiang)對(dui)(dui)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)率(lv)＝對(dui)(dui)比(bi)(bi)材料的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)量(liang)(liang)(liang)／0＃試(shi)樣材料的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)量(liang)(liang)(liang)。試(shi)驗結果見表5-80。
試(shi)驗結果表明，在上述磨(mo)(mo)損(sun)(sun)條件下，各種(zhong)堆(dui)焊方法(fa)熔敷金屬(shu)的(de)耐磨(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性能比母材(cai)(cai)好，熱(re)處理(li)對材(cai)(cai)料耐磨(mo)(mo)性能的(de)影響不大，而控制層間溫度對提(ti)高(gao)熔敷金屬(shu)的(de)耐磨(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性能有較(jiao)好的(de)改(gai)善作用。總體來看，藥芯焊絲熔敷金屬(shu)的(de)耐磨(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性能優于其他堆(dui)焊方法(fa)。
5. 沖蝕(shi)磨損(sun)對(dui)比試(shi)驗
為了模擬(ni)水(shui)(shui)(shui)輪機在實(shi)際工作時所遭受的含(han)沙(sha)水(shui)(shui)(shui)流沖蝕(shi)磨(mo)損情況，采(cai)用(yong)北京工業大學(xue)自制的水(shui)(shui)(shui)沙(sha)沖蝕(shi)磨(mo)損試(shi)(shi)驗(yan)機來測定試(shi)(shi)樣的耐(nai)含(han)沙(sha)水(shui)(shui)(shui)流磨(mo)蝕(shi)的能力。
試(shi)(shi)樣尺寸為(wei)57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)樣裝在試(shi)(shi)樣臺(tai)上(shang)，按試(shi)(shi)驗(yan)機的(de)運行(xing)步驟進(jin)行(xing)試(shi)(shi)驗(yan)。每沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)2h后停機，取(qu)出試(shi)(shi)樣并放(fang)入盛有丙酮(tong)溶液的(de)燒杯(bei)中，在超聲波清(qing)洗(xi)儀中清(qing)洗(xi)3～5min，干燥后采用BS224S電子天(tian)平進(jin)行(xing)試(shi)(shi)樣質量(liang)(liang)測量(liang)(liang)，精確到(dao)0.0001g。材料的(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)性(xing)(xing)(xing)能(neng)用磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)前后失去質量(liang)(liang)的(de)平均(jun)值來考核。一共(gong)進(jin)行(xing)8h，對(dui)(dui)比(bi)藥芯焊(han)(han)(han)絲試(shi)(shi)件和其他堆(dui)焊(han)(han)(han)方(fang)法(fa)試(shi)(shi)件失去的(de)質量(liang)(liang)與母材失去的(de)質量(liang)(liang)之比(bi)來衡量(liang)(liang)該方(fang)法(fa)的(de)相對(dui)(dui)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)性(xing)(xing)(xing)。相對(dui)(dui)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)率(lv)＝對(dui)(dui)比(bi)材料的(de)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)(liang)／0號試(shi)(shi)件的(de)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)(liang)。試(shi)(shi)驗(yan)結果見表5-81。從(cong)表中可知，各種(zhong)焊(han)(han)(han)接(jie)方(fang)法(fa)熔(rong)敷金(jin)屬(shu)耐(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)能(neng)與母材相當。熱處理對(dui)(dui)藥芯焊(han)(han)(han)絲堆(dui)焊(han)(han)(han)層耐(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)能(neng)影響(xiang)不大(da)，而控制層間溫度能(neng)較(jiao)明(ming)顯地提(ti)高藥芯焊(han)(han)(han)絲熔(rong)敷金(jin)屬(shu)的(de)耐(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)能(neng)。總體上(shang)可以認為(wei)，除焊(han)(han)(han)帶的(de)焊(han)(han)(han)接(jie)方(fang)法(fa)外，焊(han)(han)(han)條和藥芯焊(han)(han)(han)絲的(de)耐(nai)沖(chong)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)堆(dui)焊(han)(han)(han)層較(jiao)好。
通過上述試(shi)驗可(ke)以認為(wei)，用(yong)藥(yao)芯焊絲堆焊磨損的水輪機是(shi)可(ke)行的，如果層間溫(wen)度控制在150～200℃，堆焊熔敷金屬的耐(nai)磨粒磨損和耐(nai)沖蝕磨損性能為(wei)最佳(jia)。
