馬氏體不銹鋼水輪機(jī)葉片補(bǔ)焊修復(fù)工藝

茍維杰，胡 偉，王麗紅

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100176；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222）

馬氏體不銹鋼水輪機(jī)葉片補(bǔ)焊修復(fù)工藝

茍維杰1，2，胡 偉1，王麗紅1

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100176；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222）

以水輪機(jī)的典型修復(fù)方案為背景，分析水輪機(jī)葉片空蝕補(bǔ)焊修復(fù)的技術(shù)要求，試驗(yàn)中以馬氏體不銹鋼為母材的水輪機(jī)葉片鋼作為試驗(yàn)材料，采用熔滴高速攝影技術(shù)，研究不同焊接工藝及焊接參數(shù)對(duì)立焊焊縫成形的影響。結(jié)果表明，采用下向立焊、改變焊槍上仰角度、采用熔滴短路過渡、使用Ar+O2混合保護(hù)氣體，得到成形良好的立焊焊縫。

立焊技術(shù)；熔滴過渡；水輪機(jī)葉片修復(fù)；馬氏體鋼

0 前言

馬氏體不銹鋼（0Cr13Ni5Mo）廣泛用于制造大型水輪機(jī)葉片。水輪機(jī)運(yùn)行過程中，水流中泥沙的磨蝕和高速水流的空蝕嚴(yán)重?fù)p傷水輪機(jī)葉片，被空蝕的葉片機(jī)組會(huì)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)和噪聲。空蝕磨損和葉片震動(dòng)的存在降低了發(fā)電效率，嚴(yán)重威脅著水電站的運(yùn)行安全。針對(duì)空蝕磨損部位的補(bǔ)焊是水輪機(jī)葉片修復(fù)重要手段。

1 水輪機(jī)的特點(diǎn)及典型修復(fù)方案

大型水輪機(jī)葉片的補(bǔ)焊作業(yè)主要有坑內(nèi)修復(fù)和坑外修復(fù)?？觾?nèi)修復(fù)即原位修復(fù)，在不拆除、不挪動(dòng)水輪機(jī)葉片的前提下進(jìn)行修復(fù)，這種方法因檢修周期短，效率高而被廣泛采用。修復(fù)過程分為三階段：空蝕部位進(jìn)行焊接前清底—補(bǔ)焊修復(fù)作業(yè)—焊后磨削噴涂[1-2]。大型混流式水輪機(jī)的葉輪由于其自身工作需求以及條形空蝕方向的特點(diǎn)，停機(jī)檢修時(shí)空蝕部位（葉片表面）處于垂直位置，因此，補(bǔ)焊焊縫類型為立焊位或橫焊位，結(jié)合空蝕條形的形成方向與焊接機(jī)器人修復(fù)的施焊方向，在水輪機(jī)補(bǔ)焊過程中采用立焊姿進(jìn)行補(bǔ)焊作業(yè)，有利于補(bǔ)焊修復(fù)及焊后磨削修形[3-4]。水輪機(jī)葉片空蝕原形如圖1所示。

2 水輪機(jī)葉片補(bǔ)焊工藝參數(shù)研究

水輪機(jī)葉片材質(zhì)為馬氏體不銹鋼（0Cr13Ni5Mo），在此以馬氏體不銹鋼的水輪機(jī)葉片為試驗(yàn)材料，對(duì)水輪機(jī)的空蝕補(bǔ)焊工藝過程進(jìn)行研究。

2.1 研究方法及內(nèi)容

通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)比優(yōu)選出適合馬氏體不銹鋼立焊位的焊接方法和電弧熔滴過渡形式；測(cè)試不同熔滴

過渡形式對(duì)焊接成型效果的影響；通過改變焊接規(guī)范得到符合補(bǔ)焊要求的焊接成形效果。設(shè)計(jì)熔滴過渡和熔池形貌觀察裝置，了解熔滴過渡情況和熔池的形貌特征；設(shè)計(jì)條形空蝕和面型空蝕氣刨坡口進(jìn)行堆焊實(shí)驗(yàn)，改變焊接工藝參數(shù)進(jìn)行堆焊，確定立焊姿態(tài)下馬氏體不銹鋼的焊接工藝參數(shù)。

圖1 水輪機(jī)空蝕原形

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件

（1）Panasonic-YD500GR3全數(shù)字弧焊電源；（2）庫卡工業(yè)機(jī)器人，用于裝夾焊槍，實(shí)現(xiàn)變換焊槍傾角，完成自動(dòng)焊接；（3）熔滴過渡焊池形貌情況觀察、記錄高速攝像；（4）保護(hù)氣體：Ar和Ar+O2；（5）焊絲為直徑1.2mm的0Cr13Ni5Mo；試件為0Cr13材料，焊接部位模擬條形空蝕氣刨坡口試件。為了能符合實(shí)際工作狀態(tài)下水輪機(jī)葉片的立姿形態(tài)，試驗(yàn)均在立式焊接胎具上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中被焊的鋼板固定在與水平面成90°的豎直胎具上焊接，并用攝像系統(tǒng)拍攝記錄熔滴及焊池狀態(tài)。

2.3 熔滴過渡形式與焊接規(guī)范測(cè)試[5-7]

水輪機(jī)葉片母材為超低碳不銹鋼，焊接過程實(shí)現(xiàn)空蝕部位的補(bǔ)焊，補(bǔ)焊過程中以堆焊成形為主，焊接過程要求有快速高效熔敷率。因此，采用熔化極氣體保護(hù)焊；混流式水輪機(jī)空蝕的形成趨勢(shì)及特點(diǎn)，使得焊接姿態(tài)以立焊為主。MIG/MAG焊熔敷率高，適合于有色金屬——馬氏體不銹鋼的焊接，其過渡形式有噴射過渡、滴狀過渡和短路過渡三種，在本課題中的實(shí)驗(yàn)條件下MIG、MIG/MAG焊焊接參數(shù)與過渡形式的關(guān)系如圖2所示。

圖2 MIG、MIG/MAG焊焊接參數(shù)與過渡形式的關(guān)系

2.3 工藝參數(shù)及焊接規(guī)范對(duì)焊縫成形的影響

2.3.1 熔滴過渡形式對(duì)焊縫成形的影響

試驗(yàn)中模擬補(bǔ)焊工作葉片立焊位姿態(tài)，使試件垂直于水平工作臺(tái)，對(duì)MIG/MAG焊接中三種過渡形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用高速攝像機(jī)記錄熔滴脫落過程和焊池形態(tài)。

（1）噴射過渡實(shí)驗(yàn)。

噴射過程中設(shè)定焊接電流260A、焊接電壓32V、焊絲干伸長(zhǎng)18 mm、焊接速度v=12.5 mm/s；保護(hù)氣體為氬氣；焊槍上仰與水平橫向夾角為15°（如圖7所示），焊接方向從上至下，焊接過程中焊弧穩(wěn)定。圖3為立焊姿態(tài)向下焊接噴射過渡的高速攝像。由于噴射過渡中穩(wěn)定的焊弧使得焊絲及母材在焊池附近形成了持續(xù)的熔融狀“金屬流”，焊接過程中較大的焊接熱量的釋放，使得熔融狀金屬在較短時(shí)間內(nèi)無法冷卻，從而在重力的作用下持續(xù)的向下流淌，形成了不連續(xù)的焊縫和熔瘤，無法達(dá)到堆焊成形的效果。

圖3 立焊姿態(tài)向下焊接噴射過渡的高速攝像

采用同樣焊接參數(shù)，當(dāng)焊接方向從下至上時(shí)得到的焊接質(zhì)量更差，熔融金屬向下流淌，不能形成焊縫，只形成了不連續(xù)的熔瘤或者流淌狀金屬覆蓋的平板。

（2）滴狀過渡實(shí)驗(yàn)。

滴狀過渡中焊機(jī)設(shè)定電流180 A、電壓25 V，焊接中電焊機(jī)顯示電流為167～173 A、電壓為29 V；焊絲干伸長(zhǎng)16 mm，焊接速度10 mm/s；保護(hù)氣體為氬氣。圖4為立焊姿態(tài)滴狀過渡高速攝影。滴狀過渡形成了大量的焊瘤，不能形成連續(xù)的焊道而形成焊瘤，另外滴狀過渡效率低，不適合大面積補(bǔ)焊的工作，因此，滴狀過渡無法完成條形空蝕和面型空蝕的補(bǔ)焊。

圖4 立焊姿態(tài)滴狀過渡高速攝影

（3）短路過渡實(shí)驗(yàn)。

短路過渡中焊機(jī)設(shè)定電流150A、電壓18V，焊接中電焊機(jī)顯示電流為135～148A、電壓為17.5V；焊絲干伸長(zhǎng)12 mm，焊接速度5 mm/s；保護(hù)氣體為氬氣；焊接方向向下，焊槍角度上仰15°。如圖5所示為立焊姿短路，記錄了短路過渡的一個(gè)周期焊接形態(tài)，從熔滴產(chǎn)生長(zhǎng)大到熔滴接觸熔池短路過程。向下焊接短路過渡形成的焊道是連續(xù)的，焊縫效果較好，可以作立焊姿的熔滴過渡形式，應(yīng)用于條形空蝕和面型空蝕的補(bǔ)焊工藝。

圖5 立焊姿的短路過渡形式高速攝像

2.3.2 保護(hù)氣體對(duì)立焊成形的影響

保護(hù)氣體對(duì)焊接成形、金屬潤(rùn)濕性、熔滴流動(dòng)性、焊縫中氣孔、焊縫余高都會(huì)產(chǎn)生影響。在實(shí)驗(yàn)中針對(duì)水輪機(jī)葉片為不銹鋼材料的焊接特點(diǎn)，選用純Ar和φ（Ar）90％+φ（O2）10％的混合氣體作為保護(hù)氣體進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。不同保護(hù)氣體焊接效果如圖6所示，左邊兩道焊縫是選用純Ar作為保護(hù)氣體，右邊第一道焊縫是φ（Ar）90％+φ（O2）10％的混合氣體。

圖6 不同保護(hù)氣體焊接效果比較

從焊縫形態(tài)分析，使用單純Ar保護(hù)氣體時(shí)，因液體金屬粘度和表面張力大，流動(dòng)性差，焊縫表面的擺動(dòng)痕跡明顯，起伏較大，紋理粗糙，不能實(shí)現(xiàn)控制焊道高度小于1 mm的補(bǔ)焊要求。使用φ（Ar）90％+ φ（O2）10％混合氣體后，由于O2的加入，焊接起伏較小，焊接紋理得到了較大的改善，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，使用

φ（Ar）90％+φ（O2）10％混合氣體作為保護(hù)氣體能夠有效控制焊縫高度，通過優(yōu)化參數(shù)能夠得到平穩(wěn)的焊接狀態(tài)，達(dá)到補(bǔ)焊質(zhì)量要求。

2.3.3 擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)頻率和焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

MIG/MAG短路過渡的寬度必須大于水輪機(jī)葉片空蝕的寬度，因此，在焊接中使用擺動(dòng)工藝是必要的，擺幅、頻率、焊接速度試件如圖7所示。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出擺幅、頻率、焊接速度的組合關(guān)系。焊道寬度為：擺幅×2+1；擺動(dòng)幅度保證兩條焊道應(yīng)重疊1/3～1/2，即1 Hz焊接速度為2.5～3.5 mm/s，如圖7中5、9焊道匹配較好，6、10匹配較差；在其他條件不變的情況下增加擺動(dòng)頻率，可以減小焊道的起伏，使焊道更加平整。

圖7 擺幅、頻率、焊接速度匹配

2.3.4 焊接方向、焊槍傾角對(duì)焊縫成形的影響

焊接實(shí)驗(yàn)中采用對(duì)立焊姿從上至下和從下至上焊接方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。水輪機(jī)葉片的補(bǔ)焊工藝為自動(dòng)焊接。在焊接過程當(dāng)中焊接參數(shù)不能隨焊道中金屬的凝固快慢而變化，自下而上焊接時(shí)，焊池下方的焊道尚未冷卻，焊池中又有金屬熔化，得不到冷卻就會(huì)流淌。自上而下焊接過程中，由于焊池下方的金屬是冷卻的，焊池中熔化的金屬能夠快速冷卻。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證立焊姿焊接時(shí)，選擇自上向下的焊接效果較好。

補(bǔ)焊實(shí)驗(yàn)中由于采用Ar+O2作為保護(hù)氣體，金屬表面張力減小，增加了液態(tài)金屬的流動(dòng)性，不利于立姿焊接。為了緩解這一不利因素，在焊接過程中焊槍與焊道方向成105°夾角，使焊槍上仰15°傾角。如圖7中上下兩排焊縫對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中都采用立焊姿從上至下焊接。當(dāng)焊槍上傾時(shí)，焊接過程中借助電弧熔滴過渡推力的向上分量，抵消重力作用下的液態(tài)金屬流淌，焊槍上揚(yáng)能有效控制了液態(tài)金屬的流淌。

3 基于立焊技術(shù)的補(bǔ)焊工藝參數(shù)

針對(duì)熔化極氣體保護(hù)焊中影響熔滴過渡形式因素進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試，得到穩(wěn)定的焊接熔滴過渡形式及滿足修復(fù)要求的的焊縫形態(tài)。試驗(yàn)中采用立焊姿向下焊接，焊槍上仰15°，熔滴短路過渡，焊絲為φ1.2 mm 0Cr13Ni5Mo，干伸長(zhǎng)為12 mm，保護(hù)氣體為φ（Ar）90％+φ（O2）10％，擺動(dòng)頻率為0.45 Hz，擺幅8.5 mm，平均焊速度為75 mm/min。平均電壓18.5 V、電流14.5 A時(shí)的焊縫形貌如圖8所示。

圖8 立焊姿MAG短路過渡補(bǔ)焊焊縫

4 結(jié)論

水輪機(jī)補(bǔ)焊修復(fù)過程中保護(hù)氣體、焊絲初始桿長(zhǎng)、焊接方向、焊槍傾角是焊接的初始條件，初始條件與焊槍擺幅、擺動(dòng)頻率、焊接速度、焊道排序的匹配等綜合因素都會(huì)影響焊縫形態(tài)。試驗(yàn)中采用下向立焊技術(shù)，焊槍上仰15°，熔滴短路過渡，保護(hù)氣體為φ（Ar）90％+φ（O2）10％混合氣體，得到了成形良好的立焊焊縫，能夠達(dá)到水輪機(jī)葉片修復(fù)質(zhì)量要求。研究結(jié)果為大型水輪機(jī)馬氏體不銹鋼葉片空蝕的局部補(bǔ)焊修復(fù)提供了參考。

[1]薛偉，陳昭運(yùn).水輪機(jī)空蝕和磨蝕理論研究[J].大電機(jī)技術(shù)，1999（6）：44-48.

[2]金泰來.空化與空蝕研究的現(xiàn)狀與動(dòng)向[J].水力發(fā)電，1982（1）：38-44.

[3]金小強(qiáng)，季林紅.水輪機(jī)葉片坑內(nèi)修復(fù)機(jī)器人修磨方式研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（1）：186-188.

[4]涂陽文，陳剛.水輪機(jī)自動(dòng)化換檢修設(shè)備研究現(xiàn)狀[J].焊接技術(shù)，2006（4）：9-12.

[5]彭亞杰，李云.水輪機(jī)葉片大面積補(bǔ)焊工藝控制[J].水電站機(jī)點(diǎn)技術(shù)，2011（4）：35-39.

[6]包曄逢，吳毅雄.熔化極氣體保護(hù)焊熔滴過度研究[J].電焊機(jī)，2006（3）：55-58.

[7]袁敏哲，葉建林，毛輝，等.N4/1Cr18Ni9Ti復(fù)合板焊接研究與應(yīng)用[J].金屬材料與冶金工程，2011（5）：36-39.

Repairing welding technology of turbine blade of martensitic stainless steel

GOU Weijie1，2，HU Wei1，WANG Lihong1
（1.Beijing Polytechnic，Beijing 100176，China；2.Tianjing University of Technology and Education，Tianjing 300222，China）

Based on typical repairingscheme ofturbine，analyze technical requirements ofcavitation weldingrepair for turbine blade.In the experiment turbine blade made of martensitic stainless steel is used as test materials，and droplet high-speed photography technique is used to study the influence of different welding processes and welding parameters on the slit of vertical welding.The research results show that change ofrisingangle ofthe weldinggun，usingdownward vertical welding，droplet short-circuit transition，and Ar+O2mixed shielding gas，can obtain good-shape weld slit.

vertical welding technology；droplet transfer；repairing of turbine blade；martensitic stainless steel

TG457.11

B

1001－2303（2016）07－0079-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.18

2015-12-18

茍維杰（1978—），男，甘肅甘谷人，博士，副教授，主要從事焊接工藝及自動(dòng)化的研究工作。