Massiva offshorestrukturer som oljeriggar och vindturbiner är designade för att motstå de otaliga straffen som hav tenderar att utsätta. Dock, över tid, bara saltvattnet i sig kan avsevärt minska hållbarheten hos en strukturs svetsar.

Det är därför professorerna Michael Joachim Andreassen från Danmarks Tekniska Universitet (DTU) och Zhenzhen Yu från Colorado School of Mines använder neutronanalys vid Department of Energys (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att validera en mer avancerad metod för att svetsning med högeffektlasrar. Neutroner har mycket penetrerande egenskaper - mer än röntgenstrålar - och kan sondera nästan vilket material som helst på ett oförstörande sätt.

Neutron Residual Stress Mapping Facility (NRSF2) vid ORNL:s High Flux Isotope Reactor - en DOE Office of Science User Facility - gör det möjligt för forskare att studera kvaliteten på sina svetsar i atomär skala. Teamets resultat kan leda till snabbare, mer kostnadseffektiva produktionsmetoder, samt betydligt starkare, svetsar som håller längre.

"Vi studerar kvarvarande spänningar i riktigt stora strukturer, sa Andreassen, "speciellt överdimensionerade monopålar — enorma stålcylindrar som bildar undervattensfundamenten för vindkraftverk. Vi vill titta på sambandet mellan restspänning och varierande tjocklek i stålplåtarna som används i konstruktionen, genom att jämföra två olika svetsmetoder."

I allmänhet, restspänningar är spänningar som finns kvar i svetsens struktur efter att applicerade belastningar eller tryck har avlägsnats. I vissa fall, kvarvarande spänningar kan leda till för tidiga fel som sprickor eller läckor. De kan orsakas av flera faktorer, såsom temperaturfluktuationer, exponering för skadliga kemikalier, eller metalltrötthet, orsakas av upprepade pålagda belastningar.

Stålplåtarna som används för att bygga monopiler kan vara upp till 130 millimeter tjocka, sa Andreassen. De svetsas vanligtvis ihop med en traditionell metod som kallas undervattensbågsvetsning, där elektriska ljusbågar används för att smälta sammanfogningsmaterialen. Däri, svetsens smälta söm, eller svetsbad, är ständigt "nedsänkt, " eller täckt, i ett granulärt flussmedel av olika föreningar som används för att stödja svetsen och skydda den från atmosfäriska föroreningar.

Det finns en mängd fördelar med nedsänkt bågsvetsning. Bland annat, tekniken producerar färre föroreningar, gnistor, och giftiga ångor än liknande metoder. Dock, säger Andreassen, det finns betydande bördor, för.

"Du måste ta bort mycket material för att göra svetsen, och lägg sedan till fyllnadsmaterial efter. Det kostar mycket att ta bort och lägga till materialen, och på slutet, du har ett riktigt stort spår med massor av införda restspänningar, " han förklarade.

Naturligtvis, desto mer dragspänningar finns det, desto mer mottaglig är en svets för brott.

"Hybridlaserbågssvetsningstekniken introducerar en mer fokuserad värmekälla som gör att vi kan minska kvarvarande spänning, " sa Yu. "I havet, saltvatten skapar så småningom korrosion, och om du har höga grader av kvarvarande dragspänning, desto snabbare korrosion uppstår och desto större är sannolikheten för sprickor eller sprickor som sprider sig genom svetsade områden. "

Neutroner ger en utomordentligt detaljerad bild av hur atomerna beter sig djupt inne i svetsarna, jämföra kvarvarande spänningar från både den nedsänkta bågen och hybridlaserbågeproverna. Neutronmätningarna visar eventuella förändringar i kvarvarande spänning när Andreassen och Yu ökar stålplåtprovstorlekarna från 10 till 20, 40, och 60 millimeter tjock.

"Anledningen till att vi gillar neutroner för den här forskningen är för att det är den enda tekniken som kan penetrera genom stålplåtarna för att ge oss en fullständig profil av restspänningen, " sa Yu. "Vi kommer att använda neutrondata och jämföra dem med simuleringsarbete från Michaels grupp som vi kan tillämpa direkt på den faktiska strukturen."