Enormi strutture offshore come piattaforme petrolifere e turbine eoliche sono progettate per resistere alle miriadi di punizioni che gli oceani tendono a infliggere. Però, col tempo, solo l'acqua salata stessa può diminuire significativamente la durabilità delle saldature di una struttura.

Ecco perché i professori Michael Joachim Andreassen della Technical University of Denmark (DTU) e Zhenzhen Yu della Colorado School of Mines stanno utilizzando l'analisi dei neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Department of Energy (DOE) per convalidare un metodo più avanzato di saldatura con laser ad alta potenza. I neutroni hanno proprietà altamente penetranti, più dei raggi X, e possono sondare quasi tutti i materiali in modo non distruttivo.

Il Neutron Residual Stress Mapping Facility (NRSF2) presso l'High Flux Isotope Reactor dell'ORNL, un DOE Office of Science User Facility, consente ai ricercatori di studiare la qualità delle loro saldature su scala atomica. I risultati del team potrebbero portare a una più rapida, metodi di produzione più convenienti, oltre che decisamente più forte, saldature più durature.

"Stiamo studiando le sollecitazioni residue in strutture davvero enormi, " ha detto Andreassen, "soprattutto monopile di grandi dimensioni, enormi cilindri di acciaio che formano le fondamenta sottomarine per le turbine eoliche. Vogliamo esaminare la relazione tra lo stress residuo e gli spessori variabili nelle piastre di acciaio utilizzate nella costruzione, confrontando due diversi metodi di saldatura."

Generalmente, le sollecitazioni residue sono sollecitazioni che rimangono nella struttura della saldatura dopo che i carichi o le pressioni applicati sono stati rimossi. In alcuni casi, le sollecitazioni residue possono portare a guasti prematuri come crepe o perdite. Possono essere causati da diversi fattori, come sbalzi di temperatura, esposizione a sostanze chimiche nocive, o fatica del metallo, causati da carichi applicati ripetutamente.

Le lamiere d'acciaio utilizzate per costruire le monopali possono avere uno spessore fino a 130 millimetri, disse Andreassen. In genere sono saldati insieme utilizzando un metodo tradizionale chiamato saldatura ad arco sommerso, dove gli archi elettrici vengono utilizzati per fondere i materiali di giunzione. In essa, il cordone fuso della saldatura, o bagno di saldatura, è continuamente "sommerso, "o coperto, in un flusso granulare di vari composti utilizzati per supportare la saldatura e proteggerla dai contaminanti atmosferici.

I vantaggi della saldatura ad arco sommerso sono molteplici. Tra l'altro, la tecnica produce meno impurità, scintille, e fumi tossici rispetto a metodi simili. Però, dice Andreassen, ci sono oneri significativi, pure.

"Devi rimuovere molto materiale per eseguire la saldatura, e quindi aggiungere materiale di riempimento dopo. Costa molto rimuovere e aggiungere i materiali, e alla fine, hai una scanalatura davvero enorme con molte sollecitazioni residue introdotte, " Lui ha spiegato.

Naturalmente, maggiori sono le tensioni residue di trazione, più una saldatura sarà suscettibile al cedimento.

"La tecnica di saldatura ibrida laser-arco introduce una fonte di calore più focalizzata che ci consente di mitigare lo stress residuo, " disse Yu. "Nell'oceano, l'acqua salata alla fine crea corrosione, e se si hanno alti gradi di sollecitazione residua a trazione, più veloce si verifica la corrosione e maggiore è la probabilità di fratture o crepe che si propagano attraverso le regioni saldate."

I neutroni forniscono un quadro straordinariamente dettagliato di come gli atomi si comportano in profondità all'interno delle saldature, confrontando le sollecitazioni residue sia dai campioni di arco sommerso che di arco laser ibrido. Le misurazioni dei neutroni mostrano eventuali cambiamenti nello stress residuo mentre Andreassen e Yu aumentano le dimensioni del campione della piastra d'acciaio da 10 a 20, 40, e 60 millimetri di spessore.

"Il motivo per cui ci piacciono i neutroni per questa ricerca è perché è l'unica tecnica che può penetrare attraverso le piastre d'acciaio per darci un profilo completo dello stress residuo, " ha detto Yu. "Utilizzeremo i dati sui neutroni e li confronteremo con il lavoro di simulazione del gruppo di Michael che possiamo applicare direttamente alla struttura reale".