Категория: Заваръчни процеси

Конкурс: ЗА ПРОЕКТИ ПО ПРОГРАМИ ЗА ДВУСТРАННО СЪТРУДНИЧЕСТВО 2018 г. – БЪЛГАРИЯ – ИНДИЯ

Тема: Получаване и изследване на хибридни неравновесни композити произведени чрез „Обработка чрез триене и размесване“ (ОТР)

Резюме на проекта.

Основната трудност при инкорпорирането на метални частици в метална матрица за образуване на композити на алуминиева основа с използване на конвенционалните методи, е образуването на крехки интерметални съединения, които влошават експлоатационните качества на изделията.

Създаването  на композити с преходни метали, като Cu, Zr, Ni, Fe, Ti, и пр. в определени зони на изделия от алуминиеви сплави посредством обработка чрез триене с размесване (ОТР) е много актуално в световен мащаб, тъй като получените композити се характеризират с повишени якост и пластичност, без да се образуват неблагоприятните интерметалиди в матрицата.

От направения обзор по темата става ясно, че постигнатите от различни учени по света резултати намират приложения в много възлови области на живота: за възстановяване на основната конструкция на самолети, за ремонт на корабни алуминиеви панели и др.

Основната идея на проекта е да се използват различни метали за уякчаване на алуминиеви сплави. Избрани са два метала за уякчаване: 1. Zn, с точка на топене по-ниска от тази на Al и с висока разтворимост в Al в твърдо състояние, и 2. Ti, с точка на топене по-висока от тази на Al и с ниска разтворимост в Al в твърдо състояние.

По време на ОТР Zn се разтваря в алуминиевата сплав, като образува твърд разтвор, а Ti образува композит. Ti е по-атрактивният метал с много желани свойства: ниско относително тегло, висока якост и висока корозионна устойчивост. Включването на Ti частици в матрицата от Al ще запази по-ниско теглото на композита, ще удължи живота на изделието и ще подобри корозионната му устойчивост.

Нашите партньори от индийска страна разполагат с машина за заваряване чрез триене с размесване (ЗТР),  на която се извършва и ОТР, както и със значителен опит при използването на инструментите за осъществяване на процеса и при определяне на режимите на обработка.

Екипът от българска страна ще извърши планиране на експериментите, оптимизация и цифрова обработка на получените резултати, чрез които ще се намали обемът на  експерименталната работа и ще направи работата по-ефективна.

Част от пробните образци, изработени чрез ОТР в Индия, ще бъдат изследвани металографски в България и Индия  чрез оптична и сканираща електронна микроскопия. Ще бъде извършен микрорентгенов анализ и ще бъдат  определени някои механични показатели, корозионната устойчивост и трибологичните характеристики на избрани образци. Ще се анализира влиянието на сплавяващите елементи върху размера на зърната и на микроструктурните изменения върху окончателните свойства на сплавените композити.

Популяризирането на постигнатите резултати ще бъде осъществено чрез публикуване на статии в наши и международни списания и докладвани на конференции.

Конкурс: ЗА ПРОЕКТИ ПО ПРОГРАМИ ЗА ДВУСТРАННО СЪТРУДНИЧЕСТВО 2018 г. – БЪЛГАРИЯ – ИНДИЯ

Тема: Получаване и изследване на хибридни неравновесни композити произведени чрез „Обработка чрез триене и размесване“ (ОТР)

Базова организация: Институт по металознание, съоръжения и технологии „Акад. Ангел Балевски“-с център по хидро- и аеродинамиика към  Българска академия на науките, ЕИК BG000662064, седалище и адрес на управление: София, бул. „Шипченски проход“ N 67

Ръководител на научния колектив:  Христо Любомиров Кондов, асистент, доктор

Адрес за кореспонденция: hriko61@gmail.com

Партньорска организация от държавата партньор: National Institute of Technology Warangal, Telangana, India

Ръководител на научния колектив от държавата партньор: Dr. Krishna Кishore Мugada

 

Участници в проекта/ Членове на научния колектив:

Проф. Д-р Пламен Ташев

Доц. Д-р Серьожа Вълканов

Доц. Д-р Ваня Дякова

Доц. Д-р Леонид Кирилов

Гл. асист. Д-р Росица Димитрова

Гл. асист. Д-р Марина Манилова

Гл. асист. Д-р Михаил Колев

Росен Михов

Партньорска организация:

National Institute of Technology Warangal, Telangana, India

Ръководител на научния колектив: Dr. Krishna Kishore Mugada

Участници:

Dr. Krishna Kishore Mugada

Prof. Dr. Adepu Kumar

Резюме на проекта

Публикации

Членове на „Регионалната секция София“ към БСЗ разработват научно-изследоватебски проект на тема „Изследване на енергийния трансфер при заваряване с концентрирани топлинни източници“. Проектът е финансиран от ФНИ съм МОН и е сключен договор ДН 07/26. Ръководител на проекта е проф. дфн Петър Иванов Петров от базовата организация по проекта – Институт по Електроника „Акад. Е. Джаков“ – БАН. Като партньорка организация по проекта участва Технически Университет – София.

Целите на проекта са получаване на нови фундаментални знания за механизма на взаимодействие на концентрирани енергийни източници с течната вана при електроннолъчево и плазмено заваряване. За осъществяване на целите се прилагат два подхода – експериментален и теоретичен чрез методите на математическо моделиране. Първият включва непосредствено измерване със съвременни техники (високо скоростна CCD камера, цифрово калориметриране и др.) на: основни характеристики на изследваните процеси. Вторият подход включва разработването на математически и реализирането им като симулационни модели на физичните процеси както при ЕЛЗ така и в плазмотрона и дъгата при ПЗ при различно съчетаване на технологичните параметри. Реализирането на този подход предполага: разработването на модел на катодната област включващ нагряването на катода, емисията на електрони с отчитане на ефекта на Шотки чрез локалната напрегнатост на електрическото поле пред катода; разработването на модел на анодната област с отчитане както на отразяването на електрони така и навлизането им в обработвания метал с отдаване на енергия; определяне разпределението на плътността на енергийния поток от взаимодействие на електроните с основния метал; определяне на диаметъра и формата на електронния сноп; разработване на модел на стълба на дъгата при ПЗ и определяне разпределението на плътността на енергийния поток при взаимодействие на плазмата с обработвания материал; разработване на модел на силовото въздействие на енергийния източник върху свободната повърхност на заваръчната вана и определяне на разпределението на налягането върху нея; разработване на модел на движението на течната фаза в заваръчната вана в резултат на силовото въздействие на енергийния източник. За успешното изпълняване на договора на проекта са проектирани и изработени: лабораторна апаратура за плазмено заваряване; устройство за определяне на КПД на заваръчния процес; устройство за анализ на електронния сноп при ЕЛЗ

Основни приноси

Научни трудове по проекта.

Лабораторна апаратура за плазмено заваряване.

Устройство за определяне на КПД на процеса.

Устройство за измерване и анализ на електронния лъч.

В рамките на проекта е разработено и изработено устройство за измерване и анализ на електронния лъч.

DN_07_26_EBA

В рамките на проекта е разработено и изработено устройство за определяне на КПД на процеса.

DN_07_26_KPD

В рамките на проекта ДН 07/26 са публикувани следните научни трудове:

Етап I 

[1].       M. Tongov, P. Petrov “Study of physical processes in optical system for electron beam welding” TEMEL-ij, Vol.1.Iss.2. , 85 – 94, (2017)

[2].       M. Tongov, A. Gechev “Study of physical processes in the cathode region of a welding arc” TEMEL-ij, Vol.1.Iss.2. , 102 – 112, (2017)

[3].       Petrov P, Kaisheva D, Bokuchava G, Papushkin I, Study of Residual Stresses during Electron Beam Welding of Alloyed Steels using Neutron Diffraction, 2018, Bulgarian Chemical Communication, Bulgarian Chemical Communications, Volume 50, pp. 85 – 90, (2018) IF 0.319

[4].       Papushkin I, Kaisheva D, Bokuchava G, Angelov V, Petrov P, Study of Residual Stresses in CT Test Specimens Welded by Electron Beam, 2018, J. Phys.: Conf. Ser. 992 012016,SJR 0.26

 

Етап II (14 научни труда)

[1]. Kaisheva D., Angelov V., Petrov P., Simulation of heat transfer at welding with oscillating electron beam. Canadian Journal of Physics 97(10) (2019) 1140-1146. ISI IF:1.016

[2]. Kaisheva D., Papushkin I., Bokuchava G., Petrov P., Study of residual stresses in electron beam welded samples of an aluminum alloy via neutron diffraction method, AIP Conference Proceedings 2075 (2019) 160013-1-160013-5. SJR:0.165

[3]. M. Tongov, INFLUENCE OF CATHODE TEMPERATURE ON IONIC CURRENT DURING WELDING WITH TUNGSTEN ELECTRODE,  Engineering Sciences, LVI, 2019, No. 1, pp 40-49, ISSN: 1312-5702 (Print) ISSN 2603-3542 (Online), DOI: 10.7546/EngSci.LVI.19.01.04

[4]. M. Tongov, Influence of the Anode and Wehnelt Voltage on the Crossover Position in the Electron Beam Welding, Environment. Technology. Resources. Rezekne, Latvia, Proceedings of the 12th International Scientific and Practical Conference, , June 20-22, 2019, Volume III, 235-240, Print ISSN 1691-5402, Online ISSN 2256-070X, http://dx.doi.org/10.17770/etr2019vol3.4183 – SJR 0.18

[5]. Petrov P., Kaisheva D., Bokuchava G., Papushkin I., Valkov S., Investigation of residual stresses in dissimilar copper-steel joint welded by electron beam. Welding and welded structures (Zavarivanje i zavarene konstrukcije), 64(4), (2019) 149-156.

[6]. Petrov P., Tongov M., Numerical modelling of heat source during electron beam welding, Vacuum 171 (2020) 108991, ISSN: 0042-207X, https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.108991, ISI IF:2.906

[7].       Манахил ТОНГОВ, Анализ на чувствителността на топлинната задача при електродъгово заваряване, NDT Days 2019, Volume II, Issue 3, Year 2019, p.336-344, ISSN: 2603-4018 (print), 2603-4646 (online)

[8].       Peter Petrov, Manahil Tongov, Study of the cathode emissivity in generators for electron beam systems, Optik, Volume 209, May 2020, 164358, https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.16435, ISI IF:2.187

[9]. M. Tongov, T. Hikov, I. Angelov, P. Petrov, Measuring the diameter of electron beam by rotating slit disc, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 878 (2020) 012053IOP р doi:10.1088/1757-899X/878/1/012053 , SJR 0.2

[10]. Manahil Tongov, Rayna Dimitrova and Konstantin Konstantinov, Bead formation research in TIG welding of AISI 304 steel, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 878 SJR 0.2

[11]. Kaisheva D., Bokuchava G., Papushkin I., Petrov P., Neutron Diffraction Measurement of Residual Stresses in Electron Beam Welded Low Carbon Steel, Comptes rendus de l’Académie bulgare des Science 73(4) (2020) 475-484, ISI IF:0.321

[12]. Kaisheva D., Petrov P., Bokuchava G., Papushkin I., Study of residual stresses in electron beam welded constructive steel via neutron diffraction method, Bulgarian Chemical Communications 52(Special Issue A) (2020) 129-133 SJR:0.14

[13]. P. Petrov, М. Tongov, M. Ormanova, S. Valkov, Study of the processes in the electrostatic part of the electron-beam generator, Comptes rendus de l’Académie bulgare des Science, (2020) [под печат] ISI IF:0.321

[14]. G.Bocuchva, P.Petrov , Study of Residual Stresses and Microstructural Changes in Charpy Test Specimens Reconstituted by Various Welding Techniques, Metals (2020), 10, 632; https://doi:10.3390/met10050632 ISI IF:2.117

 

Основните научно-технически приноси, получени в резултат на реализирането на проекта са:

1. 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].

2. 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.

3. 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.

4. 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.
5. 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.
6. 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.

8. 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.
9. 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.

В рамките на проекта е разработена и изработена лабораторна апаратура за плазмено заваряване.

DN_07_26_Plasma