Comme montré, le soudage à l'arc submergé présente une rainure considérablement large avec des contraintes résiduelles inhérentes élevées. Crédit :DTU/Daniel Sommerlund Pedersen
Les structures offshore massives comme les plates-formes pétrolières et les éoliennes sont conçues pour résister à la myriade de punitions que les océans ont tendance à infliger. Cependant, heures supplémentaires, seule l'eau salée elle-même peut réduire considérablement la durabilité des soudures d'une structure.
C'est pourquoi les professeurs Michael Joachim Andreassen de l'Université technique du Danemark (DTU) et Zhenzhen Yu de la Colorado School of Mines utilisent l'analyse neutronique au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du Department of Energy (DOE) pour valider une méthode plus avancée de soudage impliquant des lasers de forte puissance. Les neutrons ont des propriétés hautement pénétrantes - plus que les rayons X - et peuvent sonder presque n'importe quel matériau de manière non destructive.
L'installation de cartographie des contraintes résiduelles neutroniques (NRSF2) du réacteur isotopique à flux élevé de l'ORNL, une installation utilisateur du bureau scientifique du DOE, permet aux chercheurs d'étudier la qualité de leurs soudures à l'échelle atomique. Les conclusions de l'équipe pourraient accélérer, méthodes de production plus rentables, ainsi que nettement plus fort, soudures plus durables.
"Nous étudions les contraintes résiduelles dans des structures vraiment énormes, " dit Andreassen, « en particulier les monopiles surdimensionnées – d'énormes cylindres en acier qui forment les fondations sous-marines des éoliennes. Nous voulons examiner la relation entre les contraintes résiduelles et les différentes épaisseurs des plaques d'acier utilisées dans la construction, en comparant deux méthodes de soudage différentes."
En général, les contraintes résiduelles sont des contraintes qui restent dans la structure de la soudure après que les charges ou pressions appliquées ont été supprimées. Dans certains cas, les contraintes résiduelles peuvent entraîner des défaillances prématurées comme des fissures ou des fuites. Ils peuvent être causés par plusieurs facteurs, comme les fluctuations de température, exposition à des produits chimiques nocifs, ou fatigue du métal, causées par des charges appliquées à plusieurs reprises.
Les plaques d'acier utilisées pour construire les monopiles peuvent atteindre 130 millimètres d'épaisseur, dit Andreassen. Ils sont généralement soudés ensemble en utilisant une méthode traditionnelle appelée soudage à l'arc submergé, où des arcs électriques sont utilisés pour faire fondre les matériaux d'assemblage. La bride, le cordon fondu de la soudure, ou bain de soudure, est continuellement "submergé, " ou couvert, dans un flux granulaire de divers composés utilisés pour soutenir la soudure et la protéger des contaminants atmosphériques.
Andreassen démontre l'énormité de chaque section d'acier utilisée pour construire la fondation monopile dans laquelle des soudures circonférentielles sont utilisées pour les fusionner. Crédit :DTU/Louis Andersen
Le soudage à l'arc submergé présente de nombreux avantages. Entre autres, la technique produit moins d'impuretés, des étincelles, et des fumées toxiques que des méthodes similaires. Cependant, dit Andreassen, il y a des charges importantes, trop.
"Il faut enlever beaucoup de matière pour faire la soudure, puis ajoutez le matériau de remplissage après. Cela coûte cher d'enlever et d'ajouter les matériaux, et à la fin, vous avez une rainure vraiment énorme avec beaucoup de contraintes résiduelles introduites, " il expliqua.
Naturellement, plus il y a de contraintes résiduelles de traction, plus une soudure sera susceptible de se rompre.
"La technique de soudage hybride laser-arc introduit une source de chaleur plus focalisée qui nous permet d'atténuer les contraintes résiduelles, " dit Yu. " Dans l'océan, l'eau salée finit par créer de la corrosion, et si vous avez des degrés de contrainte résiduelle de traction élevés, plus la corrosion se produit rapidement et plus la probabilité de fractures ou de fissures se propageant à travers les régions soudées est élevée."
Les neutrons fournissent une image extraordinairement détaillée de la façon dont les atomes se comportent profondément à l'intérieur des soudures, comparer les contraintes résiduelles des échantillons d'arc submergé et d'arc laser hybride. Les mesures neutroniques montrent tout changement dans la contrainte résiduelle alors qu'Andreassen et Yu augmentent la taille des échantillons de plaques d'acier de 10 à 20, 40, et 60 millimètres d'épaisseur.
"La raison pour laquelle nous aimons les neutrons pour cette recherche est que c'est la seule technique qui peut pénétrer à travers les plaques d'acier pour nous donner un profil complet de la contrainte résiduelle, ", a déclaré Yu. "Nous utiliserons les données neutroniques et les comparerons aux travaux de simulation du groupe de Michael que nous pouvons appliquer directement à la structure réelle."
