Lassen is een essentieel onderdeel van de productie, en de sleutel tot het maken van scheurvrije lassen is afhankelijk van het vermogen om te begrijpen hoe de las atoom voor atoom wordt samengesteld.

Vóór de COVID-19-pandemie, afgestudeerde studenten van het Centrum voor Welding, Deelname aan en coatingonderzoek van Colorado School of Mines, Tim Pickle en Ben Schneiderman, gebruikte neutronen in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) om dat begrip te verbeteren. Ze maken deel uit van een project dat wordt ondersteund door de SunShot-divisie van DOE en het National Renewable Energy Laboratory (NREL). Het doel is om de prestaties te onderzoeken van lassen die worden gebruikt om grote opslagtanks voor thermische energie te bouwen bij het concentreren van zonne-installaties - faciliteiten met uitgestrekte netwerken van spiegels die worden gebruikt om zonne-energie op te vangen, sommige strekken zich uit over enkele miljoenen vierkante voet.

"Wat we proberen te doen, is de verschillen in stressprofielen tussen twee productiebenaderingen vergelijken, met en zonder warmtebehandeling na het lassen, gebruikt om de opslagtanks te maken, " zei Pickle. "We proberen ook een eindige elementenmodel te valideren dat door NREL en potentiële fabrikanten kan worden gebruikt om hen te helpen bij het bepalen van de beste las- en warmtebehandelingsprocedures na het lassen om scheurproblemen te verminderen en oplossingen te vinden."

specifiek, het team bestudeert spanningsrelaxatiescheuren (SRC) - de gevoeligheid van lassen voor scheuren in de loop van de tijd als gevolg van factoren zoals interne spanning en hoge temperaturen. Thermische vermoeidheid veroorzaakt door afwisselende spanning tussen kamer en extreem hoge temperaturen kan ook bijdragen aan SRC. Elke keer dat het metaal een temperatuurverandering ervaart tijdens het lasproces, nieuwe spanning wordt toegevoegd. Die blijvende veranderingen, of vervormingen, restspanningen genoemd, kan een grote impact hebben op de prestaties van de las tijdens service.

De opslagtanks zijn grote constructies van ongeveer 30 meter breed en 30 meter hoog. Ze worden gebruikt om gesmolten zoutmateriaal op te slaan dat wordt verwarmd en vloeibaar gemaakt om energie op te slaan die wordt opgevangen door zonnepanelen. Als er energie nodig is, het gesmolten zout wordt in een stoomsysteem gepompt dat water kookt, die vervolgens een turbine laat draaien die elektriciteit opwekt.

Eigenlijk, een tank wordt gemaakt door grote platen roestvrij staal in een cilinder te rollen. De uiteinden worden vervolgens samengesmolten met behulp van naadlassen, waarvoor meerdere lagen lasmetaal nodig zijn om de ruimte tussen de lasverbindingen te vullen.

"Wanneer de gelaste delen van de muurverbindingen van kamertemperatuur tot boven de 550 of 600 graden Celsius gaan, ze ontwikkelen spanningen rond de las, " zei Pickle. "We willen weten of we de trekspanning kunnen verminderen door een warmtebehandeling na het lassen te gebruiken voordat de las in gebruik wordt genomen, om de levensduur van de las te verlengen en het scheurmechanisme te verminderen waarvan we denken dat het gebeurt. Om dat te doen, we moeten de restspanningen meten."

Neutronen zijn het ideale hulpmiddel voor het onderzoeken van restspanning, omdat ze diep in materialen doordringen om atomaire veranderingen in de interne structuur van het materiaal te onthullen. Using the HIDRA instrument (formerly the Neutron Residual Stress Mapping Facility) at ORNL's High Flux Isotope Reactor, 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. Echter, 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."