Le soudage est un élément essentiel de la fabrication, et la clé pour réaliser des soudures sans fissures repose sur la capacité de comprendre comment la soudure est assemblée atome par atome.

Avant la pandémie de COVID-19, étudiants diplômés du Centre de Soudage, Recherche d'assemblage et de revêtements de la Colorado School of Mines, Tim Pickle et Ben Schneiderman, utilisé des neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) pour améliorer cette compréhension. Ils font partie d'un projet soutenu par la division SunShot du DOE et le National Renewable Energy Laboratory (NREL). L'objectif est d'étudier les performances des soudures utilisées pour construire de grands réservoirs de stockage d'énergie thermique dans les centrales solaires à concentration - des installations avec de vastes réseaux de miroirs utilisés pour collecter l'énergie solaire, certains s'étendant sur plusieurs millions de pieds carrés.

"Ce que nous essayons de faire, c'est de comparer les différences de profils de contraintes entre deux approches de fabrication, avec et sans traitement thermique post-soudage, utilisé pour créer les réservoirs de stockage, " a déclaré Pickle. " Nous essayons également de valider un modèle d'éléments finis qui peut être utilisé par NREL et les fabricants potentiels pour les aider à déterminer les meilleures procédures de soudage et de traitement thermique post-soudage pour atténuer et trouver des solutions aux problèmes de fissuration. "

Spécifiquement, l'équipe étudie la fissuration par relaxation des contraintes (SRC)—la sensibilité des soudures à la fissuration au fil du temps en raison de facteurs tels que les contraintes internes et les températures élevées. La fatigue thermique créée par l'alternance de contraintes entre la pièce et des températures extrêmement élevées peut également contribuer au SRC. Chaque fois que le métal subit un changement de température pendant le processus de soudage, un nouveau stress est ajouté. Ces changements durables, ou déformations, appelées contraintes résiduelles, peut avoir un impact important sur les performances de la soudure pendant le service.

Les réservoirs de stockage sont de grandes structures d'environ 100 pieds de large sur 30 pieds de haut. Ils sont utilisés pour stocker du sel fondu qui est chauffé et liquéfié pour stocker l'énergie captée par les panneaux solaires. Lorsque l'énergie est nécessaire, le sel fondu est pompé dans un système à vapeur qui fait bouillir de l'eau, qui fait ensuite tourner une turbine qui produit de l'électricité.

Essentiellement, un réservoir est fabriqué en roulant de grandes plaques d'acier inoxydable dans un cylindre. Les extrémités sont ensuite fusionnées à l'aide de soudures à joint, qui nécessitent plusieurs couches de métal fondu pour remplir l'espace entre les joints de soudure.

"Lorsque les zones soudées des joints muraux passent de la température ambiante à plus de 550 ou 600 degrés Celsius, ils développent des contraintes autour de la soudure, " a déclaré Pickle. " Nous voulons savoir si nous pouvons réduire la contrainte de traction en utilisant un traitement thermique post-soudage avant la mise en service de la soudure, pour prolonger la durée de vie de la soudure et atténuer le mécanisme de fissuration que nous pensons se produire. Pour faire ça, nous devons mesurer les contraintes résiduelles."

Les neutrons sont l'outil idéal pour examiner les contraintes résiduelles car ils pénètrent profondément dans les matériaux pour révéler les changements atomiques dans la structure interne du matériau. En utilisant l'instrument HIDRA (anciennement l'installation de cartographie des contraintes résiduelles neutroniques) au réacteur à isotope à haut flux de l'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.

"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. Cependant, 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."