Las enormes estructuras marinas como las plataformas petrolíferas y las turbinas eólicas están diseñadas para resistir los innumerables castigos que los océanos tienden a imponer. Sin embargo, con el tiempo, solo el agua salada puede disminuir significativamente la durabilidad de las soldaduras de una estructura.
Es por eso que los profesores Michael Joachim Andreassen de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) y Zhenzhen Yu de la Escuela de Minas de Colorado están utilizando análisis de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) para validar un método más avanzado de soldadura con láseres de alta potencia. Los neutrones tienen propiedades altamente penetrantes, más que los rayos X, y pueden sondear casi cualquier material de manera no destructiva.
La instalación de mapeo de tensiones residuales de neutrones (NRSF2) en el reactor de isótopos de alto flujo de ORNL, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, permite a los investigadores estudiar la calidad de sus soldaduras a escala atómica. Los hallazgos del equipo podrían conducir a métodos de producción más rápidos y rentables, así como a soldaduras significativamente más resistentes y duraderas.
"Estamos estudiando tensiones residuales en estructuras realmente enormes", dijo Andreassen, "especialmente monopiles de gran tamaño, enormes cilindros de acero que forman los cimientos submarinos de las turbinas eólicas . Queremos observar la relación entre la tensión residual y los diferentes espesores en las placas de acero". utilizado en la construcción, comparando dos métodos de soldadura diferentes ".
En general, las tensiones residuales son tensiones que permanecen en la estructura de la soldadura después de que se han eliminado las cargas o presiones aplicadas. En algunos casos, las tensiones residuales pueden provocar fallas prematuras como grietas o fugas. Pueden ser causados por varios factores, como fluctuaciones de temperatura, exposición a productos químicos nocivos o fatiga del metal, causada por cargas aplicadas repetidamente.
Las placas de acero utilizadas para construir monopilotes pueden tener un grosor de hasta 130 milímetros, dijo Andreassen. Por lo general, se sueldan mediante un método tradicional llamado soldadura por arco sumergido, en el que se utilizan arcos eléctricos para fundir los materiales de unión. Allí, la costura fundida de la soldadura, o charco de soldadura, está continuamente "sumergida" o cubierta, en un flujo granular de varios compuestos utilizados para soportar la soldadura y protegerla de los contaminantes atmosféricos.
Hay una variedad de beneficios para la soldadura por arco sumergido. Entre otras cosas, la técnica produce menos impurezas, chispas y humos tóxicos que métodos similares. Sin embargo, dice Andreassen, también hay cargas importantes.
"Tienes que quitar mucho material para hacer la soldadura y luego agregar material de relleno después. Cuesta mucho quitar y agregar los materiales, y al final, tienes una ranura realmente enorme con muchas tensiones residuales introducidas, " él explicó.
Naturalmente, cuantas más tensiones residuales de tracción haya, más susceptible será una soldadura a fallar.
"La técnica híbrida de soldadura por arco láser introduce una fuente de calor más enfocada que nos permite mitigar la tensión residual", dijo Yu. "En el océano, el agua salada eventualmente crea corrosión, y si tiene altos grados de tensión residual de tracción, la corrosión ocurre más rápido y mayor es la probabilidad de que las fracturas o grietas se propaguen a través de las regiones soldadas".
Los neutrones proporcionan una imagen extraordinariamente detallada de cómo se comportan los átomos en las profundidades de las soldaduras, comparando las tensiones residuales de las muestras de arco sumergido y de arco láser híbrido. Las mediciones de neutrones muestran cualquier cambio en la tensión residual a medida que Andreassen y Yu aumentan los tamaños de muestra de la placa de acero de 10 a 20, 40 y 60 milímetros de espesor.
"La razón por la que nos gustan los neutrones para esta investigación es porque es la única técnica que puede penetrar a través de las placas de acero para darnos un perfil completo de la tensión residual ", dijo Yu. "Usaremos los datos de neutrones y los compararemos con el trabajo de simulación del grupo de Michael que podemos aplicar directamente a la estructura real".
Fuente: phys