Ben Schneiderman e Tim Pickle, ricercatori studenti laureati della Colorado School of Mines, che utilizzano neutroni presso l'High Flux Isotope Reactor dell'ORNL per misurare lo stress residuo nelle saldature utilizzate per realizzare serbatoi di stoccaggio di energia rinnovabile. Attestazione:ORNL/Genevieve Martin
La saldatura è una parte essenziale della produzione, e la chiave per realizzare saldature prive di cricche si basa sulla capacità di capire come la saldatura viene assemblata atomo per atomo.
Prima della pandemia di COVID-19, studenti laureati presso il Centro per la saldatura, Ricerca sulle giunzioni e sui rivestimenti della Colorado School of Mines, Tim Pickle e Ben Schneiderman, utilizzato neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) per migliorare tale comprensione. Fanno parte di un progetto supportato dalla divisione SunShot del DOE e dal National Renewable Energy Laboratory (NREL). L'obiettivo è studiare le prestazioni delle saldature utilizzate per costruire grandi serbatoi di accumulo di energia termica presso impianti solari a concentrazione, strutture con vaste reti di specchi utilizzati per raccogliere l'energia solare, alcuni si estendono per diversi milioni di piedi quadrati.
"Quello che stiamo cercando di fare è confrontare le differenze nei profili di stress tra due approcci di produzione, con e senza trattamento termico post-saldatura, utilizzato per creare i serbatoi di stoccaggio, "Stiamo anche cercando di convalidare un modello a elementi finiti che può essere utilizzato da NREL e potenziali produttori per aiutarli a determinare le migliori procedure di saldatura e trattamento termico post-saldatura per mitigare e trovare soluzioni ai problemi di fessurazione".
Nello specifico, il team sta studiando la fessurazione da rilassamento dello stress (SRC), la suscettibilità delle saldature alla fessurazione nel tempo a causa di fattori come lo stress interno e le alte temperature. Anche l'affaticamento termico creato dall'alternanza di stress tra ambiente e temperature estremamente elevate può contribuire all'SRC. Ogni volta che il metallo subisce un cambiamento di temperatura durante il processo di saldatura, si aggiunge nuovo stress. Quei cambiamenti duraturi, o deformazioni, chiamate tensioni residue, può avere un grande impatto sulle prestazioni della saldatura durante il servizio.
I serbatoi di stoccaggio sono grandi strutture di circa 100 piedi di larghezza per 30 piedi di altezza. Sono usati per immagazzinare materiale salino fuso che viene riscaldato e liquefatto per immagazzinare energia catturata dai pannelli solari. Quando serve energia, il sale fuso viene pompato in un sistema a vapore che fa bollire l'acqua, che poi fa girare una turbina che genera elettricità.
Un campione di acciaio inossidabile 347 H saldato dello spessore di 2 pollici. Le piastre sono unite utilizzando una tecnica di saldatura multi-pass che ha coinvolto 40 passaggi per saldarle insieme. Lo strumento HIDRA consente al team di studiare lo stress residuo della saldatura bombardando il campione di circa 90 libbre con neutroni, che consente loro di vedere come si comporta il materiale su scala atomica. Attestazione:ORNL/Genevieve Martin
Essenzialmente, un serbatoio è realizzato arrotolando grandi lastre di acciaio inossidabile in un cilindro. Le estremità vengono quindi fuse insieme utilizzando saldature continue, che richiedono più strati di metallo saldato per riempire lo spazio tra i giunti di saldatura.
"Quando le aree saldate dei giunti delle pareti passano dalla temperatura ambiente a oltre 550 o 600 gradi Celsius, sviluppano sollecitazioni attorno alla saldatura, " ha detto Pickle. "Vogliamo sapere se possiamo ridurre lo stress di trazione utilizzando un trattamento termico post-saldatura prima che la saldatura entri in servizio, per prolungare la durata della saldatura e mitigare il meccanismo di fessurazione che pensiamo stia accadendo. Fare quello, dobbiamo misurare le sollecitazioni residue."
I neutroni sono lo strumento ideale per esaminare lo stress residuo perché penetrano profondamente nei materiali per rivelare i cambiamenti atomici nella struttura interna del materiale. Using the HIDRA instrument (formerly the Neutron Residual Stress Mapping Facility) at ORNL's High Flux Isotope Reactor, the team performed experiments on 2-inch-thick plates of 347 H stainless steel that were joined using a "40-pass" weld—a large weld consisting of 40 total individual weld beads to fuse the two ends together.
"Less sophisticated approaches to measuring stress involve drilling holes in the metal and measuring how the material deforms around the hole, as some of the residual stress is relieved by drilling. Però, that would limit us to only being able to measure residual stresses in limited locations, not to mention that the thickness of the steel in this experiment would have made it even more difficult, " said Schneiderman.
"To get a complete picture of the stress, we need to look at three principal strain directions from plate edge to weld centerline as a function of plate thickness, which neutrons allow us to measure. The technique has evolved to the point where using neutrons to make this sort of measurement has become more widely available to graduate student researchers like us, which really helps us carry out higher-quality investigations to inform the problem of SRC."
