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1、(10)申请公布号 CN 102357710 A (43)申请公布日 2012.02.22 CN 102357710 A *CN102357710A* (21)申请号 201110274671.3 (22)申请日 2011.09.16 B23K 9/04(2006.01) B23K 9/235(2006.01) (71)申请人 东芝水电设备 （杭州） 有限公司 地址 310016 浙江省杭州市庆春东路 66-8 号 (72)发明人 肖凌 (74)专利代理机构 浙江杭州金通专利事务所有 限公司 33100 代理人 徐关寿 (54) 发明名称 一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法 (57) 摘要 。
2、本发明公开了一种机械产品表面加工工艺， 具体涉及一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方 法， 属于水电站机电技术领域。它包括以下步骤 ： 转轮体球面金加工 ； 转轮体表面清理 ； 固定转轮 体于变位机上， 调节堆焊区至水平位置 ； 在球面 进行埋弧带极堆焊， 并在焊接过程中实时调整变 位机回转工作台的翻转角度， 保持焊道在水平位 置 ； 堆焊表面金加工 ； 渗透探伤和超声探伤检测。 本发明的转轮体表面包覆耐磨层的方法能确保堆 焊层质量的优良， 使堆焊层厚度均一、 过渡圆滑 ； 堆焊后的堆焊工作层不会产生裂纹， 不易剥落 ； 堆焊层母材稀释率低， 堆焊层抗磨损性能好。 (51)Int.Cl. (19。
3、)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页 CN 102357720 A1/1 页 2 1. 一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法， 其特征在于包括以下步骤 ： (1) 转轮体球面金加工 ： 车床对水轮机转轮体的球面进行金加工， 使机体尺寸均匀， 表 面光洁 ； (2) 转轮体表面清理 ： 对转轮体球面进行打磨、 化学除污 ； (3) 调整转轮体位置 ： 转轮体固定于焊接变位机的回转工作台， 调节回转工作台的翻 转角度， 使转轮体堆焊区位置为水平 ； (4) 堆焊 ： 对转轮体球面焊道区域进行加热， 以奥氏体不锈钢为焊带， 在球面进行。
4、埋弧 带极堆焊， 焊接中， 实时调整焊接变位机回转工作台的翻转角度， 保持焊道处于水平位置， 焊接从转轮体中部向两端展开 ； (5) 堆焊表面金加工 ： 车床对堆焊表面进行车削加工， 以满足尺寸精度要求 ； (6) 检测 ： 对焊接后的堆焊层进行渗透探伤和超声探伤。 2. 如权利要求 1 所述的一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法， 其特征在于所述步 骤 (2) 中使用砂轮对转轮体球面进行打磨。 3. 如权利要求 1 所述的一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法， 其特征在于所述步 骤 (2) 中使用乙醇、 丙酮或汽油对转轮体球面去污。 4. 如权利要求 1 所述的一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层。
5、的方法， 其特征在于所述步 骤 (4) 中带极堆焊采用焊带 H309L， 焊剂 SJ304。 5. 一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法， 其特征在于包括以下步骤 ： (1) 转轮体球面金加工 ： 车床对水轮机转轮体的球面进行金加工， 使机体尺寸均匀， 表 面光洁 ； (2) 转轮体表面清理 ： 对转轮体球面进行打磨、 化学除污 ； (3) 调整转轮体位置 ： 转轮体固定于焊接变位机的回转工作台， 调节回转工作台的翻 转角度， 使转轮体堆焊区位置为水平 ； (4) 堆焊 ： 对转轮体球面焊道区域进行加热， 先以奥氏体不锈钢为焊带， 在球面埋弧带 极堆焊一过渡层， 再以马氏体不锈钢为为焊带， 在。
6、球面埋弧带极堆焊一工作层， 焊接中， 实 时调整焊接变位机回转工作台的翻转角度， 保持焊道处于水平位置， 焊接从转轮体中部向 两端展开 ； (5) 热处理 ： 堆焊后的转轮体置于加热炉加热， 炉温为 60015， 保温 6 8 小时， 炉 温冷却至 200或以下， 转轮体出炉 ； (6) 堆焊表面金加工 ： 车床对堆焊表面进行车削加工， 以满足尺寸精度要求 ； (7) 检测 ： 对焊接后的堆焊层进行渗透探伤和超声探伤。 6. 如权利要求 5 所述的一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法， 其特征在于所述步 骤 (2) 中使用砂轮对转轮体球面进行打磨。 7. 如权利要求 5 所述的一种水轮机转轮体。
7、表面包覆耐磨层的方法， 其特征在于所述步 骤 (2) 中使用乙醇、 丙酮或汽油对转轮体球面去污。 8. 如权利要求 5 所述的一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法， 其特征在于所述步 骤 (4) 中带极堆焊过渡层采用焊带 H309L， 焊剂 SJ304， 工作层采用焊带 H134， 焊剂 SJ315。 权 利 要 求 书 CN 102357710 A CN 102357720 A1/6 页 3 一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法 技术领域 0001 本发明公开了一种机械产品表面加工工艺， 具体涉及一种水轮机转轮体表面包覆 耐磨层的方法， 属于水电站机电技术领域。 背景技术 0002 转轮体是。
8、贯流式机组和轴流式机组中的关键转动部件， 转轮体过流部件的使用寿 命直接影响到整个机组的运转效率和寿命。 影响过流部件使用寿命的因素主要包括水域泥 沙含量和机组运转时间等， 其中， 水域泥沙含量为主要影响因素。 在含沙量较高的流域安装 的机组， 要求其过流部件需具备良好的抗泥沙磨损及腐蚀性能。 0003 目前， 水轮机转轮体多采用 ZG20SiMn 碳钢铸件， 由于其表面硬度较低， 耐磨损、 耐 腐蚀性能较差， 在机组运行时表面容易产生空蚀破坏， 需要定期进行焊补修复 ； 而若采用全 不锈钢转轮， 则造价高、 不具有经济性。 0004 制造抗腐蚀、 耐磨损的转轮体又兼具经济性的方法， 即在转轮。
9、体铸钢件外球面堆 焊不锈钢抗磨层。目前， 应用于转轮体球面的堆焊方法主要有手工焊、 气保焊和埋弧焊。上 述几种方法存在一些天然的缺陷， 比如堆焊时熔深大、 母材稀释率高， 堆焊层合金成分降 低， 堆焊层性能不佳， 并易发生冷裂纹或热裂纹等焊接缺陷， 从而致使转轮体抗磨层的寿命 降低， 转轮体工作效率也降低， 相应地会增加机组运营及维护成本。 0005 带极堆焊是一种较先进的堆焊技术， 此焊接方法具有较小的母材稀释率、 较高的 熔敷速度和优良的堆焊层性能。但带极堆焊通常用于规则平面施焊， 对于弧面、 球面， 尤其 是水轮机转轮体的不规则球面外表面 ( 它包括圆球弧面部分、 上下端圆柱面、 以及球。
10、面与 圆柱面过渡等部分 )， 带极堆焊工艺难度较大， 堆焊层质量难以保证， 易产生诸如堆焊层厚 度不均、 过度不圆滑等问题。 发明内容 0006 针对现有技术的不足， 本发明提供了一种耐磨层包覆性能佳、 质量可靠的水轮机 转轮体表面包覆耐磨层的方法。 0007 为实现上述目的， 本发明创造采用如下技术方案 ： 0008 一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法， 其特征在于包括以下步骤 ： 0009 (1) 转轮体球面金加工 ： 车床对水轮机转轮体的球面进行金加工， 使机体尺寸均 匀， 表面光洁 ； 0010 (2) 转轮体表面清理 ： 对转轮体球面进行打磨、 化学除污 ； 0011 (3) 调整。
11、转轮体位置 ： 将转轮体固定于焊接变位机的回转工作台上， 调节回转工 作台的翻转角度， 使转轮体堆焊区位置为水平 ； 0012 (4) 堆焊 ： 对转轮体球面焊道区域进行加热， 采用奥氏体不锈钢为焊带， 在球面进 行埋弧带极堆焊， 焊接过程中， 实时调整焊接变位机回转工作台的翻转角度， 保证焊道在水 平位置， 焊接从转轮体中部向两端展开 ； 说 明 书 CN 102357710 A CN 102357720 A2/6 页 4 0013 (5) 堆焊表面金加工 ： 使用车床对堆焊表面进行车削加工， 以满足尺寸精度要求 ； 0014 (6) 检测 ： 对焊接后的堆焊层进行渗透探伤和超声探伤， 分别。
12、检测堆焊层是否存 在表面缝隙、 内部气泡等缺陷。 0015 进一步地， 所述步骤 (2) 中使用砂轮机或金刚砂对转轮体球面进行打磨， 使用乙 醇、 丙酮或汽油对转轮体球面去污。 0016 进一步地， 所述步骤 (4) 中先将转轮体主轴侧的端部固定于焊接变位机的回转工 作台， 从转轮体中部(球面直径最大处)向泄水锥侧的外端进行带极堆焊。 泄水锥侧堆焊工 作全部完成后， 变换转轮体位置， 即将转轮体泄水锥侧的端部固定于焊接变位机的底盘上， 从转轮体中部向主轴侧的外端进行带极堆焊。 0017 其中， 带极堆焊的具体工艺参数如下 ： 0018 焊带 ： 奥氏体 H309L 0019 焊剂 ： SJ30。
13、4 0020 焊层厚度 ： 12mm 0021 焊带规格 ： 30mm0.5mm 0022 焊接电源 ： 反极性的直流电源 0023 焊接电流 ： 700 800A 0024 焊接电压 ： 25 28V 0025 焊接速度 ： 200 300mm/min 0026 带极伸出长度 ： 30 35mm 0027 焊道搭接量 ： 6 8mm 0028 焊剂至导电咀距离 ： 1 2mm 0029 焊接位置 ： 水平或 1 2上坡焊 0030 一种水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法， 还可采用以下方案， 其步骤为 ： 0031 (1) 转轮体球面金加工 ： 车床对水轮机转轮体的球面进行金加工， 使机体尺寸。
14、均 匀， 表面光洁 ； 0032 (2) 转轮体表面清理 ： 对转轮体球面进行打磨、 化学除污 ； 0033 (3) 调整转轮体位置 ： 将转轮体固定于焊接变位机的回转工作台上， 调节回转工 作台的翻转角度， 使转轮体堆焊区位置为水平 ； 0034 (4) 堆焊 ： 对转轮体球面焊道区域进行加热， 先使用奥氏体不锈钢为焊带， 在球面 埋弧带极堆焊一过渡层， 再使用马氏体不锈钢为为焊带， 在球面埋弧带极堆焊一工作层， 焊 接过程中， 实时调整焊接变位机回转工作台的翻转角度， 保持焊道在水平位置， 焊接从转轮 体中部向两端展开 ； 0035 (5)热处理 ： 将堆焊后的转轮体置于加热炉加热， 炉温。
15、为60015， 保温68小 时， 炉温冷却至 200或以下时， 转轮体出炉 ； 0036 (6) 堆焊表面金加工 ： 使用车床对堆焊表面进行车削加工， 以满足尺寸精度要求 ； 0037 (7) 检测 ： 对焊接后的堆焊层进行渗透探伤和超声探伤， 分别检测堆焊层是否存 在表面缝隙、 内部气泡等缺陷。 0038 进一步地， 所述步骤 (2) 中使用砂轮机或金刚砂对转轮体球面进行打磨， 使用乙 醇、 丙酮或汽油对转轮体球面去污。 说 明 书 CN 102357710 A CN 102357720 A3/6 页 5 0039 其中， 步骤 (4) 中对转轮体表面的带极堆焊， 采用马氏体不锈钢和奥氏体不。
16、锈钢 相结合的方式。具体而言， 采用奥氏体不锈钢为过渡层， 马氏体不锈钢为工作层， 进行埋弧 带极堆焊。 0040 过渡层及工作层均采用带极堆焊的方法进行施焊， 过渡层堆焊时须保证低的母材 稀释率， 控制母材熔深 ； 工作层堆焊时保证堆焊层结合性好， 无表面缺陷存在。 0041 过渡层与工作层的带极堆焊均从转轮体中部向两端进行， 具体方式与上述第一种 技术方案相同， 先固定转轮体主轴侧的端部于焊接变位机， 完成泄水锥侧的堆焊后， 调转转 轮体， 即固定转轮体泄水锥侧的端部于变位机上， 随后完成主轴侧的堆焊。焊接顺序为 ： 过 渡层整体堆焊完成后， 再进行工作层的堆焊。 0042 进一步地， 步。
17、骤 (4) 中过渡层带极堆焊工艺参数如下 ： 0043 焊带 ： 奥氏体 H309L 0044 焊剂 ： SJ304 0045 焊层厚度 ： 4mm 0046 焊带规格 ： 30mm0.5mm 0047 焊接电源 ： 反极性的直流电源 0048 焊接电流 ： 700 800A 0049 焊接电压 ： 25 28V 0050 焊接速度 ： 200 300mm/min 0051 带极伸出长度 ： 30 35mm 0052 焊道搭接量 ： 6 8mm 0053 焊剂至导电咀距离 ： 1 2mm 0054 步骤 (4) 中工作层带极堆焊工艺参数如下 ： 0055 工作层堆焊前采用火焰或电加热块对堆焊表。
18、面预热 70 100。 0056 焊带 ： 马氏体 H134 0057 焊剂 ： SJ315 0058 焊层厚度 ： 8mm 0059 焊带规格 ： 35mm0.4mm 0060 焊接电源 ： 反极性的直流电源 0061 焊接电流 ： 600 750A 0062 焊接电压 ： 20 25V 0063 焊接速度 ： 200 250mm/min 0064 带极伸出长度 ： 30 35mm 0065 焊道搭接量 ： 6 8mm 0066 焊剂至导电咀距离 ： 1 2mm 0067 焊接位置 ： 水平或 1 2上坡焊 0068 相比现有技术方案， 本发明的水轮机转轮体表面包覆耐磨层的方法， 其有益效果。
19、 在于 ： 堆焊过程中， 对转轮体堆焊部位的位置进行实时调节， 并通过堆焊时电流、 电压及焊 接速度的匹配及调整， 能确保堆焊层质量的优良， 使堆焊层厚度均一、 过渡圆滑 ； 堆焊后的 堆焊工作层不会产生裂纹， 且不会有明显的脱层缺陷， 不易剥落 ； 堆焊层母材稀释率低， 堆 说 明 书 CN 102357710 A CN 102357720 A4/6 页 6 焊层抗磨损性能好 ； 堆焊过程为自动焊接， 易于掌握， 便于操控， 生产效率显著提高。 附图说明 0069 图 1 为转轮体泄水锥侧堆焊示意图 ； 0070 图 2 为转轮体主轴侧堆焊示意图。 具体实施方式 0071 实施例 1 007。
20、2 水轮机转轮体基体材料为 ZG20SiMn 的碳钢铸件， 在转轮体球面加工不锈钢耐磨 损工作层的方法如下 ： 0073 (1) 使用车床对水轮机转轮体的球面进行金加工， 使机体尺寸均匀， 表面光洁 ； 0074 (2) 使用砂轮机对转轮体球面进行打磨， 然后用丙酮去除表面油污 ； 0075 (3)调整转轮体位置 ： 如图1所示， 将转轮体主轴侧11的端部固定于焊接变位机2 的回转工作台 20， 调节回转工作台 20 的翻转角度， 使转轮体堆焊区位置为水平 ； 0076 (4) 用喷枪对转轮体球面焊道区域进行火焰加热， 去除水汽， 在转轮体外球面按照 从中部到泄水锥侧12端部的顺序(图1中箭头。
21、所示)， 进行埋弧带极堆焊， 形成奥氏体不锈 钢的工作层。带极堆焊工艺参数如下 ： 0077 焊带 ： 奥氏体 H309L 0078 焊剂 ： SJ304 0079 焊层厚度 ： 12mm 0080 焊带规格 ： 30mm0.5mm 0081 焊接电源 ： 反极性的直流电源 0082 焊接电流 ： 750A 0083 焊接电压 ： 28V 0084 焊接速度 ： 300mm/min 0085 带极伸出长度 ： 30mm 0086 焊道搭接量 ： 6mm 0087 焊剂至导电咀距离 ： 1mm 0088 焊接位置 ： 水平 0089 完成转轮体泄水锥侧12的带极堆焊后， 调转转轮体， 将转轮体泄。
22、水锥侧12的端部 固定于焊接变位机 2 的回转工作台 20 上， 调节变位机回转工作台 20 的翻转角度， 使转轮体 堆焊区位置为水平。用喷枪对转轮体主轴侧 11 的焊道区域进行火焰加热， 去除水汽， 如图 2 所示， 在转轮体外球面按照从中部到主轴侧 11 端部的顺序 ( 图 2 中箭头所示 )， 进行埋弧 带极堆焊， 形成奥氏体不锈钢的工作层。其中， 带极堆焊工艺参数与泄水锥侧 12 的参数一 致。 0090 (5) 焊接完成后， 使用立式车床对堆焊表面进行金加工， 以满足尺寸精度要求 ； 0091 (6) 采用探伤仪对焊接后的奥氏体不锈钢工作层进行检测， 包括渗透探伤和超声 探伤检测。 。
23、0092 若探伤发现堆焊层有气泡或裂缝， 需进行补焊， 补焊采用钨极氩弧焊 (GTAW) 进行 说 明 书 CN 102357710 A CN 102357720 A5/6 页 7 操作， 补焊用焊材 ER309L， 补焊后部位打磨圆滑过渡， 再检测， 直至不锈钢堆焊层完全满足 使用要求为止。 0093 实施例 2 0094 水轮机转轮体基体材料为 ZG20SiMn 的碳钢铸件， 在转轮体球面加工不锈钢耐磨 损工作层的方法如下 ： 0095 (1) 使用车床对水轮机转轮体的球面进行金加工， 使机体尺寸均匀， 表面光洁 ； 0096 (2) 使用砂轮机对转轮体球面进行打磨， 然后用丙酮去除表面油。
24、污 ； 0097 (3)调整转轮体位置 ： 如图1所示， 将转轮体主轴侧11的端部固定于焊接变位机2 的回转工作台 20， 调节回转工作台 20 的翻转角度， 使转轮体堆焊区位置为水平 ； 0098 (4) 用喷枪对转轮体泄水锥侧 12 的焊道区域进行火焰加热， 去除水汽， 使用奥氏 体不锈钢为焊带， 从转轮体中部向泄水锥侧 12 的外端 ( 图 1 中箭头所示 ) 进行埋弧带极堆 焊， 完成泄水锥侧过渡层的堆焊。再调转转轮体， 如图 2 所示， 将转轮体泄水锥侧 12 的端部 固定于变位机回转工作台 20， 从转轮体中部向主轴侧 11 的外端 ( 图 2 中箭头所示 )， 对转 轮体主轴侧进。
25、行埋弧带极堆焊， 由此， 完成整个奥氏体不锈钢过渡层的带极堆焊。 0099 过渡层整体堆焊完成后， 以与过渡层相同的方式， 将转轮体分为两部分， 最终完成 马氏体不锈钢工作层整体的堆焊。 0100 其中， 过渡层带极堆焊工艺参数如下 ： 0101 焊带 ： 奥氏体 H309L 0102 焊剂 ： SJ304 0103 焊层厚度 ： 4mm 0104 焊带规格 ： 30mm0.5mm 0105 焊接电源 ： 反极性的直流电源 0106 焊接电流 ： 750A 0107 焊接电压 ： 28V 0108 焊接速度 ： 300mm/min 0109 带极伸出长度 ： 30mm 0110 焊道搭接量 ：。
26、 6mm 0111 焊剂至导电咀距离 ： 1mm 0112 工作层带极堆焊工艺参数如下 ： 0113 工作层堆焊前采用喷枪火焰加热， 对堆焊表面预热 70 100。 0114 工作层堆焊过程中， 保证层间温度不低于 100。 0115 焊带 ： 马氏体 H134 0116 焊剂 ： SJ315 0117 焊层厚度 ： 8mm 0118 焊带规格 ： 35mm0.4mm 0119 焊接电源 ： 反极性的直流电源 0120 焊接电流 ： 600A 0121 焊接电压 ： 20V 0122 焊接速度 ： 200mm/min 说 明 书 CN 102357710 A CN 102357720 A6/6。
27、 页 8 0123 带极伸出长度 ： 35mm 0124 焊道搭接量 ： 8mm 0125 焊剂至导电咀距离 ： 2mm 0126 焊接位置 ： 水平 0127 (5)焊接完成后， 转轮体入加热炉进行热处理， 保持炉内温度为600， 保温7个小 时。待到炉冷 200时， 转轮体出炉 ； 0128 (6) 热处理完成后， 使用立式车床对堆焊表面进行金加工， 以满足尺寸精度要求 ； 0129 (7) 采用探伤仪对焊接后的马氏体不锈钢工作层进行检测， 包括渗透探伤和超声 探伤检测。 0130 若探伤发现堆焊层有气泡或裂缝， 需进行补焊， 补焊时采用钨极氩弧焊 (GTAW) 进 行补焊， 补焊用焊丝E。
28、R410NiMo， 补焊后部位打磨圆滑过渡。 补焊后再次进行检测， 直至不锈 钢堆焊层完全满足使用要求为止。 0131 可以理解的是， 上述实施方式仅是本发明较有代表性的例子。虽然本发明已通过 参考优选的实施例进行了描述， 但是， 本领域普通技术人员应当了解， 可以不限于上述实施 例的描述， 在权利要求书的范围内， 可作形式和细节上的各种变化。 本领域的普通技术人员 能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形， 均应认为是本发明的保护范围。 说 明 书 CN 102357710 A CN 102357720 A1/2 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102357710 A CN 102357720 A2/2 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 102357710 A 。