p A soldagem é uma parte essencial da fabricação, e a chave para fazer soldas sem rachaduras depende da capacidade de entender como a solda é montada átomo por átomo. p Antes da pandemia COVID-19, alunos de pós-graduação no Centro de Soldagem, Pesquisa de Junção e Revestimentos da Escola de Minas do Colorado, Tim Pickle e Ben Schneiderman, usou nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) para melhorar esse entendimento. Eles fazem parte de um projeto apoiado pela divisão SunShot do DOE e pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL). O objetivo é investigar o desempenho das soldas usadas para construir grandes tanques de armazenamento de energia térmica em centrais solares de concentração - instalações com vasta rede de espelhos usados ​​para coletar energia solar, alguns estendendo-se por vários milhões de pés quadrados de tamanho.

p "O que estamos tentando fazer é comparar as diferenças nos perfis de tensão entre duas abordagens de manufatura, com e sem tratamento térmico pós-soldagem, usado para criar os tanques de armazenamento, "disse Pickle." Também estamos tentando validar um modelo de elemento finito que pode ser usado por NREL e fabricantes em potencial para ajudá-los a determinar os melhores procedimentos de soldagem e tratamento térmico pós-soldagem para mitigar e encontrar soluções para problemas de rachaduras. "

p Especificamente, a equipe está estudando rachaduras por relaxamento de tensão (SRC) - a suscetibilidade das soldas a rachaduras ao longo do tempo devido a fatores como tensão interna e altas temperaturas. A fadiga térmica criada pela alternância de tensões entre temperaturas ambiente e extremamente altas também pode contribuir para a SRC. Cada vez que o metal sofre uma mudança de temperatura durante o processo de soldagem, novo estresse é adicionado. Essas mudanças duradouras, ou deformações, chamados tensões residuais, pode ter um grande impacto no desempenho da solda durante o serviço.

p Os tanques de armazenamento são grandes estruturas com cerca de 30 metros de largura por 30 metros de altura. Eles são usados ​​para armazenar sal fundido que é aquecido e liquefeito para armazenar energia capturada por painéis solares. Quando a energia é necessária, o sal fundido é bombeado para um sistema de vapor que ferve a água, que então gira uma turbina que gera eletricidade.

p Essencialmente, um tanque é feito rolando grandes placas de aço inoxidável em um cilindro. As extremidades são então fundidas usando soldas de costura, que requerem várias camadas de metal de solda para preencher o espaço entre as juntas de solda.

p "Quando as áreas soldadas das juntas das paredes vão da temperatura ambiente para acima de 550 ou 600 graus Celsius, eles desenvolvem tensões em torno da solda, "disse Pickle." Queremos saber se podemos reduzir a tensão de tração usando um tratamento térmico pós-soldagem antes que a solda entre em serviço, para estender a vida útil da solda e mitigar o mecanismo de rachadura que pensamos estar acontecendo. Fazer isso, precisamos medir as tensões residuais. "

p Os nêutrons são a ferramenta ideal para examinar a tensão residual porque eles penetram os materiais profundamente para revelar as mudanças atômicas na estrutura interna do material. Usando o instrumento HIDRA (anteriormente conhecido como Neutron Residual Stress Mapping Facility) no High Flux Isotope Reactor do ORNL, 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.

p "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. Contudo, 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.

p "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."