Des équipes de recherche s’associent pour inventer du fil à souder pour réservoir, réparation d’infrastructures

Les départements américains de l’énergie et de la défense se sont associés pour créer une série de matériaux d’apport de soudure qui pourraient améliorer considérablement la réparation de l’acier à haute résistance dans les véhicules, les ponts et les pipelines. Ce nouveau fil de soudure pourrait aider à revitaliser les infrastructures vieillissantes de l’Amérique, qui ont reçu en 2021 une note C de l’American Society of Civil Engineers.

L’invention du laboratoire national d’Oak Ridge du DOE et de l’armée américaine permet le soudage sur site sans traitements thermiques coûteux et laborieux généralement utilisés pour réduire les contraintes résiduelles et la distorsion des matériaux. Il résout un problème majeur des aciers soudés qui se produit lorsque des atomes d’hydrogène pénètrent dans le métal pendant le soudage et réduisent la ductilité, la ténacité et la résistance du métal. Par la suite, une contrainte résiduelle de traction élevée conduit à une fissuration périlleuse.

« Le matériau de remplissage inventé par l’ORNL et l’armée américaine est une solution unique et révolutionnaire pour le contrôle des contraintes résiduelles, la réduction de la distorsion et la prévention de la fissuration induite par l’hydrogène pour une large gamme d’aciers de construction », a déclaré Zhili Feng, qui dirige le département des matériaux de l’ORNL. Rejoindre le groupe. Il dirige des programmes de recherche et développement pour faire progresser l’assemblage et la fabrication de matériaux pour les technologies de l’automobile, de l’énergie nucléaire, des énergies fossiles, de l’hydrogène et de la défense.

“Environ 80 % des structures soudées aux États-Unis sont en acier, les applications de notre métal d’apport innovant sont donc nombreuses”, a déclaré Stan David, un membre émérite de l’ORNL qui a dirigé le programme de soudage du laboratoire pendant 25 ans avant de prendre sa retraite. “Il est moins cher de réparer une structure que de la remplacer. Notre mastic fournit des joints de soudure de haute qualité pour une durée de vie accrue des structures soudées dans des environnements exigeants. L’invention pourrait potentiellement faire économiser à l’industrie américaine des centaines de millions à des milliards de dollars chaque année.”

Si un acier plus résistant est utilisé pour fabriquer une structure soudée, il en faut moins, ce qui réduit le poids, économise de l’énergie et réduit les émissions de dioxyde de carbone pendant la fabrication des matériaux et le fonctionnement du véhicule. Cela se traduit par des voitures plus économes en carburant, des véhicules de combat et de soutien plus légers et des conduites de carburant plus durables. Cependant, les aciers solides sont particulièrement sujets à la fissuration induite par l’hydrogène.

Pour surmonter ce défi, les scientifiques de l’ORNL et de l’ancien centre de recherche, de développement et d’ingénierie automobiles de l’armée américaine du DOD, désormais appelé Ground Vehicle System Center, se sont associés pour inventer un alliage avec une composition chimique unique qui peut joindre des aciers solides tout en réduisant les contraintes résiduelles.

La capacité de l’alliage à résister à la fissuration induite par l’hydrogène provient d’une nouvelle transformation de phase dans la soudure. Au fur et à mesure qu’une soudure refroidit, le matériau d’apport combat les contraintes de traction, ou “mauvaises contraintes”, qui tirent sur la microstructure cristalline de l’acier pour l’allonger et la casser. La transformation de phase introduit une contrainte de compression, ou “bonne contrainte”, pour compenser les mauvaises contraintes lorsque la soudure refroidit.

Aucune partie d’une structure soudée n’est exposée à plus de contraintes que la zone de soudure, où le métal est chauffé et se dilate, puis se refroidit et se contracte. Longtemps après la fin de la dilatation et de la contraction thermiques, des contraintes subsistent dans le matériau pour le déformer, créant ainsi le maillon le plus faible de la structure.

Un remplissage de soudure doit être au moins aussi résistant que les panneaux d’acier qu’il joint. Pour développer la composition chimique de leur charge pionnière à compensation de stress, les chercheurs de l’ORNL ont exécuté un modèle théorique sur des ordinateurs hautes performances. Avec des algorithmes plus efficaces, le code informatique s’exécutait mille fois plus vite qu’un code commercial comparable, identifiant les problèmes en une journée contre près de trois ans.

Les inventeurs ont utilisé ce procédé pour arriver à une charge qui fonctionne avec des aciers de construction de différentes résistances et compositions d’alliages. La caractérisation des matériaux soudés avec diffraction des neutrons au réacteur isotopique à haut flux et à la source de neutrons de spallation, installations des utilisateurs du Bureau des sciences du DOE à l’ORNL, a montré des réductions remarquables des contraintes résiduelles.

Histoire de réussite inter-agences

Cette réussite inter-agences a commencé en 2011, lorsque le Bureau des technologies des véhicules du Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE a financé des scientifiques de l’ORNL pour travailler avec le fabricant d’acier multinational ArcelorMittal sur un accord de coopération en R&D. Les constructeurs automobiles avaient commencé à utiliser des aciers plus solides pour fabriquer des panneaux minces qui réduisaient le poids des véhicules. Cependant, des panneaux plus minces signifiaient une contrainte accrue sur les soudures. Les constructeurs automobiles ont rapidement découvert que les soudures dans les aciers solides nécessitaient une résistance à la fatigue accrue pour lutter contre les contraintes accrues. Le nouveau fil de soudure d’ORNL a fourni la solution dont ils avaient besoin.

Dans les aciers à haute résistance, la cause profonde de la fragilisation par l’hydrogène et de la fatigue du métal est la même : la contrainte résiduelle. Voulant réduire le poids des chars militaires dotés d’un blindage ultrarésistant pour améliorer l’agilité et l’efficacité énergétique, l’armée a contacté l’ORNL en 2013 pour échanger des informations sur ce qu’il fallait faire pour résoudre la fissuration induite par l’hydrogène des composants en acier blindés.

“Nous nous sommes tournés vers l’ORNL parce que ses recherches sur le soudage sont de classe mondiale, et le partenariat nous a donné accès aux meilleurs experts et à l’instrumentation d’un laboratoire national”, a déclaré Demetrios Tzelepis, ingénieur principal des matériaux au centre des systèmes de véhicules de l’armée. . “ORNL a continué à repousser les limites de la recherche et, ensemble, nous avons fourni une superbe solution.”

Feng a ajouté : « Les exigences pour l’acier des réservoirs et l’acier automobile sont très différentes. L’ORNL a dû modifier la chimie de notre fil de soudure pour correspondre à la résistance de l’acier pour les applications de l’armée. La technologie qui en résulte a remporté un R&D 100 Award en 2017.

En 2018, l’armée et l’ORNL se sont à nouveau associés pour explorer le soudage des aciers de nouvelle génération. Des travaux sont en cours pour améliorer et affiner l’alliage de fil de soudure qu’ils ont développé à l’origine pour l’armure ultra-résistante et légère de demain.

Et plus récemment, l’armée et l’ORNL se sont associés une fois de plus pour étendre le fil de soudure pour la fabrication additive métallique de grande surface. Le fil de soudure peut offrir une résistance et une ténacité très élevées dans les structures en vrac tout en réduisant considérablement la distorsion et les contraintes résiduelles.

Des véhicules aux pipelines

Le fil de soudure dont la composition chimique a été initialement développée pour réparer les voitures et a ensuite évolué pour réparer les réservoirs a depuis progressé pour réparer les pipelines et autres infrastructures critiques. Le programme DOE Hydrogen, dirigé par le bureau des technologies de l’hydrogène et des piles à combustible de l’EERE, mène des activités de recherche et de développement dans des domaines tels que la livraison, l’infrastructure et le stockage de l’hydrogène. En 2016, le programme a intensifié ses efforts pour relever les défis des canalisations transportant de l’hydrogène gazeux seul ou en mélange avec du gaz naturel. Il a également exploré les défis des réservoirs à haute pression pour le stockage de l’hydrogène liquide.

L’équipe de Feng a travaillé pour affiner davantage le fil pour les aciers de pipeline, qui ont des compositions chimiques et des résistances différentes par rapport aux aciers pour voitures et chars militaires. En 2019, le bureau de gestion de l’énergie fossile et du carbone du DOE a commencé à chercher à prolonger la durée de vie de millions de kilomètres d’oléoducs et de gazoducs vieillissants avec ce fil de soudure le plus récent grâce à diverses réparations qui minimisent la fissuration induite par l’hydrogène et évitent le préchauffage et le post-chauffage coûteux et chronophages. -traitement thermique des soudures.

De plus, le nouveau fil de soudure peut également s’avérer utile dans la fabrication additive, ou impression 3D, qui utilise une fusion localisée pour ajouter des couches une à la fois et peut créer des contraintes profondes dans une pièce fabriquée. L’armée et l’ORNL se sont à nouveau associées pour explorer la capacité des matériaux innovants à éviter la distorsion et à augmenter la résistance des pièces en acier imprimées.

« D’énormes avantages économiques pourraient provenir de l’élimination de la fissuration et de la distorsion post-fabrication dans les structures en acier soudées ou imprimées en 3D », a déclaré Feng.

Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour leur nouveau fil à souder.