Colorado School of Mines doktorandforskare (vänster) Ben Schneiderman och Tim Pickle använder neutroner vid ORNL:s högflödesisotopreaktor för att mäta kvarvarande spänningar i svetsar som används för att tillverka lagringstankar för förnybar energi. Kredit:ORNL/Genevieve Martin
Svetsning är en viktig del av tillverkningen, och nyckeln till att göra sprickfria svetsar bygger på förmågan att förstå hur svetsen sätts samman atom för atom.
Före covid-19-pandemin, doktorander vid Centrum för svetsning, Sammanfogning och beläggningsforskning vid Colorado School of Mines, Tim Pickle och Ben Schneiderman, använde neutroner vid Department of Energys (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att förbättra den förståelsen. De är en del av ett projekt som stöds av DOE:s SunShot-division och National Renewable Energy Laboratory (NREL). Målet är att undersöka prestandan hos svetsar som används för att bygga stora lagringstankar för värmeenergi vid koncentrerade solenergianläggningar – anläggningar med stora nätverk av speglar som används för att samla in solenergi, vissa sträcker sig flera miljoner kvadratmeter i storlek.
"Vad vi försöker göra är att jämföra skillnaderna i stressprofiler mellan två tillverkningsmetoder, med och utan värmebehandling efter svetsning, används för att skapa lagringstankar, ", sa Pickle. "Vi försöker också validera en finita elementmodell som kan användas av NREL och potentiella tillverkare för att hjälpa dem att bestämma de bästa svets- och eftersvetsvärmebehandlingsprocedurerna för att mildra och hitta lösningar på sprickproblem."
Specifikt, teamet studerar spänningsavslappningssprickbildning (SRC) – svetsars känslighet för sprickbildning över tid på grund av faktorer som inre spänningar och höga temperaturer. Termisk trötthet skapad av växlande spänningar mellan rum och extremt höga temperaturer kan också bidra till SRC. Varje gång metallen upplever en temperaturförändring under svetsprocessen, ny stress tillkommer. Dessa bestående förändringar, eller deformationer, kallade restspänningar, kan ha stor inverkan på svetsens prestanda under service.
Lagringstankarna är stora strukturer cirka 100 fot breda och 30 fot höga. De används för att lagra smält saltmaterial som värms upp och flytande för att lagra energi som fångas upp av solpaneler. När energi behövs, det smälta saltet pumpas in i ett ångsystem som kokar vatten, som sedan snurrar en turbin som genererar el.
Ett prov av svetsat 2-tums tjockt 347 H rostfritt stål. Plåtarna är sammanfogade med en flerstegssvetsteknik som involverade 40 pass för att svetsa ihop dem. HIDRA-instrumentet gör det möjligt för teamet att studera svetsens restspänning genom att bombardera provet på cirka 90 pund med neutroner, vilket gör att de kan se hur materialet beter sig på atomär skala. Kredit:ORNL/Genevieve Martin
Väsentligen, en tank tillverkas genom att stora plattor av rostfritt stål rullas till en cylinder. Ändarna smälts sedan samman med sömsvetsar, som kräver flera lager av svetsmetall för att fylla utrymmet mellan svetsfogarna.
"När de svetsade områdena av väggfogarna går från rumstemperatur till över 550 eller 600 grader Celsius, de utvecklar spänningar runt svetsen, " sa Pickle. "Vi vill veta om vi kan minska dragspänningen genom att använda en eftersvetsvärmebehandling innan svetsen tas i bruk, för att förlänga svetsens livslängd och mildra den sprickmekanism vi tror pågår. Att göra det, vi måste mäta restspänningarna."
Neutroner är det idealiska verktyget för att undersöka kvarvarande spänning eftersom de penetrerar material djupt för att avslöja atomära förändringar i materialets inre struktur. Med hjälp av HIDRA-instrumentet (tidigare Neutron Residual Stress Mapping Facility) vid ORNL:s högflödesisotopreaktor, 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. Dock, 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."
