Основните научно-технически приноси, получени в резултат на реализирането на проекта са:
- Разработен е числен модел на електрическата дъга при плазмено заваряване. Моделът успешно съчетава електрическа, термична и флуидна задача за описване на процесите във целият обем на плазмата, работните тела и заваръчната екипировка. Определени са характеристиките на електрическата дъга, както и термичното натоварване на работната екипировка.
В резултат на числени експерименти с разработените от нас модел е определено отношението на електронния и йонния ток при заваряване с волфрамов електрод при това е показано, че това отношение като функция от температурата на катода преминава през максимум. Преминаването на посочената функция през максимум се обяснява чрез процесите в катодната област и преминаването през максимум, както на напрегнатостта на електрическото поле, така и на плътността на обемния заряд в зависимост от температурата. На основание на получените данни за напрегнатостта на електрическото поле и плътността на обемния заряд пред катода може да се твърди, че големината на катодната област в разгледания случай на ПЗ е от порядъка на 0.01[mm].
- Разработен е числен модел на физичните процеси в електростатичната част на електронно оптична система за (ЕОС) инсталация за електроннолъчево заваряване (ЕЛЗ) включващ решаването чрез МКЕ на електрическа и топлинна задачи в катодния възел и електростатична и задача за движение на електроните в пространството между катода, управляващият електрод и анода. Направени са чеслени експерименти с помоща на разработените модели на процесите в електростатичната част на апаратура за ЕЛЗ като са варирани анодното и управляващо напрежения и е проследено тяхното влияние върху положението на кросовера, сечението на лъча както в равнината на кросовера така и на изхода от анода и за определени средните плътности на тока в тези сечения. Установено е, че с увеличаване на анодното напрежение електростатичният фокус се отмества към анода докато увеличаването на управляващото напрежение води до обратен резултат. В разгледаните от нас случаи разстоянието между катода и кросовера варира в диапазона от 0.8 до 5.7 [mm] в зависимост от управляващото и анодно напрежения. Установено е, че плътността на тока в електростатичния фокус нараства с увеличаване на анодното напрежение. При увеличаване на абсолютната стойност на управляващото напрежение тази плътност намалява, което се дължи на доминиращото понижаване на тока на лъча.Установено, е че плътността на тока на лъча в кросовера в при разгледаните комбинации на управляващо и анодно напрежения варира от 27 до 77 [mA/mm2], при което размерите на лъча на изхода от анода се променят от 0.8 до 2.8 [mm] в зависимост от стойността на варираните параметри.
Чрез числени експерименти е изследвано влиянието на геометрията на управляващия електрод върху структурата на електростатичното поле в пространството между електродите (анод, катод, управляващ електрод). Установено е, че изпъкнала форма на работната повърхнина на управляващия електрод позволява да се използват по-малки по абсолютна стойност управляващи напрежения, което създава условия за по-добро фокусиране на електронния сноп.
- Разработване на симулационен модел на заваръчната вана при ЕЛЗ и ПЗ при зададено енергийно и силово въздействие. Моделът е реализиран и е разгледано формирането на парогазовия канал по действието на външното силово въздействие при ЕЛЗ.
В резултат на систематични изследвания на формата и размерите на течната вана при ЕЛЗ е предложен е модел на топлинен източник, приложим за електроннолъчево заваряване на метали и сплави, при което реализирането на модела е направено чрез обработване на експериментални резултати и е получена функция на разпределението на плътността на тока в относителни координати, приложима и в други случаи. Показана е много добрата съгласуваност на теоретично пресметнатите форми на провара с тези определени експериментално, с което е доказана адекватността на модела на топлинния източник при ЕЛЗ.
- Разработен е числен модел на физичните процеси в електростатичната част на електронноптичната система за заваряване , включващ решаването на електрическа и топлинна задачи в катодния възел и електростатична задача в пространството между катода, управляващият електрод и анода. В резултат на числени пресмятания е установено, че температурата на активната повърхнина е константна при зададен ток на подгряване (температурните градиенти са пренебрежимо малки). Охлаждащото действие на емитираните електрони има определено влияние върху температурното поле по активната повърхнина на катода при ток на подгряване над 35[A/mm2] и когато температурата надхвърля 25000С. В числения модел за емисията на електрони е използвано уравнението на Ричардсон с корекция на Шотки и коригиращ коефициент за волфрама. Установено е, че при температура на активната повърхнина на катода в диапазона 25000С до 28500С (ток на подгряване от 35 до 40 [A]) токът на емисия може да се регулира в широки граници чрез управляващото напрежение. С повишаване на абсолютната стойност на управляващото напрежение формата на петното на емисия върху активната повърхнина на катода се стреми към окръжност.
- Разработен е теоретичен модел за определяне на температурното поле при ЕЛЗ с осцилиращ сноп по кръгова и елиптична траектория. Чрез числени пресмятания и експериментални изследвания е доказано, че топлинният модел адекватно описва топлинните процеси при ЕЛЗ както с осцилиращ, така и със стационарен електронен сноп. В резултат на числени пресмятания на температурни цикли е определена скоростта на охлаждане и структурата на завареното съединение при ЕЛЗ на конструкционна стомана 12ХН3А. Наблюдавана е много висока скорост на охлаждане, която довежда до получаване на мартензитна структура в ЗШ и ЗТВ.
- Направени са експериментални измервания на остатъчните напрежения при ЕЛЗ на стомани, алуминиева сплав и съединения от мед с хром-никелова стомана чрез метода на неутронната дифракция. Измерени са максимални стойности на надлъжната компонента на тензора на остатъчните напрежения както следва: 870 МРа за конструкционна стомана 12ХН3А при линейна енергия Qlin.=6.105 J/m; 700 МРа за хром-никелова стомана X5CrNi18-10 при линейна енергия Qlin.=6.105 J/m; 60 МРа за алуминиева сплав AMg6 при линейна енергия Qlin.=2,86.105 J/m; 100 МРа за мед и 450 МРа за хром-никелова стомана при линейна енергия Qlin.=3,3.105 J/m.
7 На базата на разработената на Етап I документация на електрическата част( виж отчет Етап I, приложение 1) е изградена апаратура за плазмено заваряване. Проведените изпитания на апаратурата показахо напълно съответствие и приложимост за осъществяване на процеса на ПЗ.
- На базата на разработената на Етап I документация на устройство за определяне на КПД при ПЗ ( виж отчет Етап I, приложение 2) е изграден модул, позволяващ да се измерва коефициента на полезно действие при плазмено заваряване на материали. Направените експерименти с модула показаха неговата пълна пригодност за изследване ефективноста на процеса на ПЗ.
- Разработената е документация на устройство за измерване геометрията на електронния сноп при ЕЛЗ и е изграден прибор “Electron Beam Analyzer” , който позволява да се измерва диаметъра на електронния сноп в различни сечения по височината му и също така да се определя специфичната плътност на мощност при ЕЛЗ.