作者杰里米·拉姆齐，橡树岭国家实验室 科罗拉多矿业学院研究生研究员(左)本·施奈德曼和蒂姆·皮克尔在ORNL的高通量同位素反应堆中使用中子来测量用于制造可再生能源储存罐的焊缝中的残余应力
荣誉:ORNL/吉纳维芙·马丁 焊接是制造过程中必不可少的一部分，而制造无裂纹焊缝的关键在于能够理解焊缝是如何一个原子一个原子组装在一起的
在新冠肺炎大流行之前，科罗拉多矿业学院焊接、连接和涂层研究中心的研究生蒂姆·皮克尔和本·施奈德曼在能源部的橡树岭国家实验室(ORNL)使用中子来提高这一认识
它们是由能源部阳光部门和国家可再生能源实验室(NREL)支持的项目的一部分
目标是研究用于在聚光太阳能发电厂建造大型热能存储罐的焊缝的性能，聚光太阳能发电厂是一种拥有用于收集太阳能的巨大镜子网络的设施，有些镜子的尺寸达到了几百万平方英尺
“我们试图做的是比较两种制造方法之间的应力分布差异，有和没有焊后热处理，用于制造储罐，”泡菜说
“我们还在尝试验证一个有限元模型，NREL和潜在的制造商可以使用该模型来帮助他们确定最佳的焊接和焊后热处理程序，以减轻开裂问题并找到解决方案
" 具体来说，该团队正在研究应力松弛开裂(SRC)——由于内应力和高温等因素，焊缝随着时间的推移容易开裂
由室温和极高温度之间的交变应力产生的热疲劳也可能导致应力腐蚀开裂
在焊接过程中，每当金属经历温度变化时，就会增加新的应力
这些持久的变化或变形，称为残余应力，在使用过程中会对焊接性能产生很大影响
储罐是大约100英尺宽、30英尺高的大型结构
它们被用来储存熔融盐材料，这些材料被加热和液化后储存太阳能电池板捕获的能量
当需要能量时，熔盐被泵入蒸汽系统，使水沸腾，然后旋转涡轮发电
焊接的2英寸厚347不锈钢样品
这些板使用多道焊接技术连接，包括40道焊接
HIDRA仪器使研究小组能够通过用中子轰击大约90磅的样品来研究焊缝的残余应力，这使他们能够看到材料在原子尺度下的行为
荣誉:ORNL/吉纳维芙·马丁 从本质上来说，一个容器是通过将大块不锈钢板卷成一个圆柱体而制成的
然后使用缝焊将端部熔合在一起，这需要多层焊接金属来填充焊缝之间的空间
“当墙体接缝的焊接区域从室温上升到550或600摄氏度以上时，它们会在焊缝周围产生应力，”皮克尔说
“我们想知道是否可以通过在焊缝投入使用前进行焊后热处理来降低拉伸应力，从而延长焊缝的寿命，并减轻我们认为正在发生的开裂机制
为此，我们需要测量残余应力
" 中子是检测残余应力的理想工具，因为它们深深穿透材料，揭示材料内部结构中的原子变化
利用ORNL高通量同位素反应堆的高强度中子辐射测量仪(以前的中子残余应力绘图设备)，研究小组在2英寸厚的347氢不锈钢板上进行了实验，这些不锈钢板通过“40道”焊缝连接在一起，这是一个由40个单独的焊道组成的大焊缝，用于将两端熔合在一起
“测量应力的不太复杂的方法包括在金属上钻孔，测量孔周围的材料如何变形，因为一些残余应力可以通过钻孔来消除
然而，这将限制我们只能在有限的位置测量残余应力，更不用说在这个实验中钢的厚度会使它变得更加困难，”施奈德曼说
“为了获得应力的完整图像，我们需要观察从板边缘到焊缝中心线的三个主要应变方向，作为板厚度的函数，中子允许我们测量这三个方向
这项技术已经发展到使用中子进行这种测量的地步，对于像我们这样的研究生研究人员来说，这种技术已经变得更加广泛，这确实有助于我们进行更高质量的研究，以了解固体火箭发动机的问题
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