馬氏體不銹鋼水輪機葉片補焊修復工藝

茍維杰，胡 偉，王麗紅

（1.北京電子科技職業學院，北京100176；2.天津職業技術師范大學，天津300222）

馬氏體不銹鋼水輪機葉片補焊修復工藝

茍維杰1，2，胡 偉1，王麗紅1

（1.北京電子科技職業學院，北京100176；2.天津職業技術師范大學，天津300222）

以水輪機的典型修復方案為背景，分析水輪機葉片空蝕補焊修復的技術要求，試驗中以馬氏體不銹鋼為母材的水輪機葉片鋼作為試驗材料，采用熔滴高速攝影技術，研究不同焊接工藝及焊接參數對立焊焊縫成形的影響。結果表明，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混合保護氣體，得到成形良好的立焊焊縫。

立焊技術；熔滴過渡；水輪機葉片修復；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葉片。水輪機運行過程中，水流中泥沙的磨蝕和高速水流的空蝕嚴重損傷水輪機葉片，被空蝕的葉片機組會產生劇烈震動和噪聲。空蝕磨損和葉片震動的存在降低了發電效率，嚴重威脅著水電站的運行安全。針對空蝕磨損部位的補焊是水輪機葉片修復重要手段。

1 水輪機的特點及典型修復方案

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

2 水輪機葉片補焊工藝參數研究

水輪機葉片材質為馬氏體不銹鋼（0Cr13Ni5Mo），在此以馬氏體不銹鋼的水輪機葉片為試驗材料，對水輪機的空蝕補焊工藝過程進行研究。

2.1 研究方法及內容

通過實驗，對比優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；測試不同熔滴

過渡形式對焊接成型效果的影響；通過改變焊接規范得到符合補焊要求的焊接成形效果。設計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；設計條形空蝕和面型空蝕氣刨坡口進行堆焊實驗，改變焊接工藝參數進行堆焊，確定立焊姿態下馬氏體不銹鋼的焊接工藝參數。

圖1 水輪機空蝕原形

2.2 實驗設備與條件

（1）Panasonic-YD500GR3全數字弧焊電源；（2）庫卡工業機器人，用于裝夾焊槍，實現變換焊槍傾角，完成自動焊接；（3）熔滴過渡焊池形貌情況觀察、記錄高速攝像；（4）保護氣體：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。為了能符合實際工作狀態下水輪機葉片的立姿形態，試驗均在立式焊接胎具上進行，實驗中被焊的鋼板固定在與水平面成90°的豎直胎具上焊接，并用攝像系統拍攝記錄熔滴及焊池狀態。

2.3 熔滴過渡形式與焊接規范測試[5-7]

水輪機葉片母材為超低碳不銹鋼，焊接過程實現空蝕部位的補焊，補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焊；混流式水輪機空蝕的形成趨勢及特點，使得焊接姿態以立焊為主。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，在本課題中的實驗條件下MIG、MIG/MAG焊焊接參數與過渡形式的關系如圖2所示。

圖2 MIG、MIG/MAG焊焊接參數與過渡形式的關系

2.3 工藝參數及焊接規范對焊縫成形的影響

2.3.1 熔滴過渡形式對焊縫成形的影響

試驗中模擬補焊工作葉片立焊位姿態，使試件垂直于水平工作臺，對MIG/MAG焊接中三種過渡形式進行實驗。使用高速攝像機記錄熔滴脫落過程和焊池形態。

（1）噴射過渡實驗。

噴射過程中設定焊接電流260A、焊接電壓32V、焊絲干伸長18 mm、焊接速度v=12.5 mm/s；保護氣體為氬氣；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，焊接過程中焊弧穩定。圖3為立焊姿態向下焊接噴射過渡的高速攝像。由于噴射過渡中穩定的焊弧使得焊絲及母材在焊池附近形成了持續的熔融狀“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間內無法冷卻，從而在重力的作用下持續的向下流淌，形成了不連續的焊縫和熔瘤，無法達到堆焊成形的效果。

圖3 立焊姿態向下焊接噴射過渡的高速攝像

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

（2）滴狀過渡實驗。

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

圖4 立焊姿態滴狀過渡高速攝影

（3）短路過渡實驗。

短路過渡中焊機設定電流150A、電壓18V，焊接中電焊機顯示電流為135～148A、電壓為17.5V；焊絲干伸長12 mm，焊接速度5 mm/s；保護氣體為氬氣；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周期焊接形態，從熔滴產生長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的，焊縫效果較好，可以作立焊姿的熔滴過渡形式，應用于條形空蝕和面型空蝕的補焊工藝。

圖5 立焊姿的短路過渡形式高速攝像

2.3.2 保護氣體對立焊成形的影響

保護氣體對焊接成形、金屬潤濕性、熔滴流動性、焊縫中氣孔、焊縫余高都會產生影響。在實驗中針對水輪機葉片為不銹鋼材料的焊接特點，選用純Ar和φ（Ar）90％+φ（O2）10％的混合氣體作為保護氣體進行焊接實驗。不同保護氣體焊接效果如圖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 不同保護氣體焊接效果比較

從焊縫形態分析，使用單純Ar保護氣體時，因液體金屬粘度和表面張力大，流動性差，焊縫表面的擺動痕跡明顯，起伏較大，紋理粗糙，不能實現控制焊道高度小于1 mm的補焊要求。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，經實驗表明，使用

φ（Ar）90％+φ（O2）10％混合氣體作為保護氣體能夠有效控制焊縫高度，通過優化參數能夠得到平穩的焊接狀態，達到補焊質量要求。

2.3.3 擺動幅度、擺動頻率和焊接速度對焊縫成形的影響

MIG/MAG短路過渡的寬度必須大于水輪機葉片空蝕的寬度，因此，在焊接中使用擺動工藝是必要的，擺幅、頻率、焊接速度試件如圖7所示。依據實驗數據可得出擺幅、頻率、焊接速度的組合關系。焊道寬度為：擺幅×2+1；擺動幅度保證兩條焊道應重疊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、焊槍傾角對焊縫成形的影響

焊接實驗中采用對立焊姿從上至下和從下至上焊接方式進行對比實驗。水輪機葉片的補焊工藝為自動焊接。在焊接過程當中焊接參數不能隨焊道中金屬的凝固快慢而變化，自下而上焊接時，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。經實驗驗證立焊姿焊接時，選擇自上向下的焊接效果較好。

補焊實驗中由于采用Ar+O2作為保護氣體，金屬表面張力減小，增加了液態金屬的流動性，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中上下兩排焊縫對比，實驗中都采用立焊姿從上至下焊接。當焊槍上傾時，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金屬流淌，焊槍上揚能有效控制了液態金屬的流淌。

3 基于立焊技術的補焊工藝參數

針對熔化極氣體保護焊中影響熔滴過渡形式因素進行調整和測試，得到穩定的焊接熔滴過渡形式及滿足修復要求的的焊縫形態。試驗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，干伸長為12 mm，保護氣體為φ（Ar）90％+φ（O2）10％，擺動頻率為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時的焊縫形貌如圖8所示。

圖8 立焊姿MAG短路過渡補焊焊縫

4 結論

水輪機補焊修復過程中保護氣體、焊絲初始桿長、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、擺動頻率、焊接速度、焊道排序的匹配等綜合因素都會影響焊縫形態。試驗中采用下向立焊技術，焊槍上仰15°，熔滴短路過渡，保護氣體為φ（Ar）90％+φ（O2）10％混合氣體，得到了成形良好的立焊焊縫，能夠達到水輪機葉片修復質量要求。研究結果為大型水輪機馬氏體不銹鋼葉片空蝕的局部補焊修復提供了參考。

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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化的研究工作。