水輪機(jī)作為水電站的核心設(shè)備，其轉(zhuǎn)輪的材質(zhì)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(xiàn)磨損和腐蝕，針對水輪機(jī)的修復(fù)，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(jìn)行了對比試驗(yàn)。認(rèn)為藥芯焊絲堆焊具有調(diào)整方便、焊接效率高、熔合比低和焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)。
一、E410NiMo堆焊用藥芯焊絲配方設(shè)計
E410NiMo藥芯焊絲所用鋼帶為ER430鋼帶，其化學(xué)成分見表5-73。藥粉主要有礦石粉和金屬粉組成，其主要成分見表5-74。
二、幾種焊接方法對比的試樣制備與分析
選水輪機(jī)母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義為0＃試樣，其主要成分見表5-75。用E410NiMo藥芯焊絲堆焊3層，按表5-76堆焊參數(shù)所制備的堆焊的試樣編號為1＃、2和3＃試樣。
其他焊接方法的堆焊參數(shù)見表5-77，將D410NiMo鋼帶的堆焊試樣編號為4＃，G227焊條的堆焊試樣編號為5＃。
1. 不同堆焊方法試樣與母材試樣化學(xué)成分進(jìn)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(chǎn)的Q8 Magellan 火花直讀光譜儀測定試樣的化學(xué)成分，見表5-78。從表中可以看出，研發(fā)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(xué)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布氏硬度儀進(jìn)行測定，要求在每個試樣堆焊層上測量5個點(diǎn)，取平均值，測定結(jié)果見表5-79。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，水輪機(jī)母材的硬度較各種焊材熔敷金屬的硬度偏低，與熱處理過的藥芯焊絲堆焊試件硬度相當(dāng)。藥芯焊絲的熔敷金屬的鐵素體含量低于水輪機(jī)母材、焊帶和焊條的熔敷金屬的鐵素體含量。
3. 各堆焊層的組織分析
試樣為10mm×10mm×5mm，腐蝕液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為HF 4%+HNO3 4%+H2O 92％，利用MPEG3型號顯微鏡進(jìn)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(xì)密得多，且馬氏體的數(shù)量比母材多。因此，堆焊態(tài)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(yàn)
采用MLS-225型濕式橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)。材料的耐磨性能用磨損失去質(zhì)量來衡量，算出磨損前后試件的平均質(zhì)量差。與試驗(yàn)時用水輪機(jī)母材相比。對比件失去的質(zhì)量與測量件失去的質(zhì)量之比來衡量該堆焊層的相對耐磨性。相對磨損率＝對比材料的磨損量／0＃試樣材料的磨損量。試驗(yàn)結(jié)果見表5-80。
試驗(yàn)結(jié)果表明，在上述磨損條件下，各種堆焊方法熔敷金屬的耐磨粒磨損性能比母材好，熱處理對材料耐磨性能的影響不大，而控制層間溫度對提高熔敷金屬的耐磨粒磨損性能有較好的改善作用。總體來看，藥芯焊絲熔敷金屬的耐磨粒磨損性能優(yōu)于其他堆焊方法。
5. 沖蝕磨損對比試驗(yàn)
為了模擬水輪機(jī)在實(shí)際工作時所遭受的含沙水流沖蝕磨損情況，采用北京工業(yè)大學(xué)自制的水沙沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)來測定試樣的耐含沙水流磨蝕的能力。
試樣尺寸為57mm×25mm×10mm，將試樣裝在試樣臺上，按試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行步驟進(jìn)行試驗(yàn)。每沖蝕磨損2h后停機(jī)，取出試樣并放入盛有丙酮溶液的燒杯中，在超聲波清洗儀中清洗3～5min，干燥后采用BS224S電子天平進(jìn)行試樣質(zhì)量測量，精確到0.0001g。材料的耐磨性能用磨損前后失去質(zhì)量的平均值來考核。一共進(jìn)行8h，對比藥芯焊絲試件和其他堆焊方法試件失去的質(zhì)量與母材失去的質(zhì)量之比來衡量該方法的相對耐磨性。相對磨損率＝對比材料的磨損量／0號試件的磨損量。試驗(yàn)結(jié)果見表5-81。從表中可知，各種焊接方法熔敷金屬耐沖蝕磨損性能與母材相當(dāng)。熱處理對藥芯焊絲堆焊層耐沖蝕磨損性能影響不大，而控制層間溫度能較明顯地提高藥芯焊絲熔敷金屬的耐沖蝕磨損性能。總體上可以認(rèn)為，除焊帶的焊接方法外，焊條和藥芯焊絲的耐沖磨損性堆焊層較好。
通過上述試驗(yàn)可以認(rèn)為，用藥芯焊絲堆焊磨損的水輪機(jī)是可行的，如果層間溫度控制在150～200℃，堆焊熔敷金屬的耐磨粒磨損和耐沖蝕磨損性能為最佳。
