Okręty podwodne z napędem jądrowym stanowią istotny element strategii bezpieczeństwa narodowego USA, Rosji i innych państw, dysponujących technologiami nuklearnymi. Przystosowane do operowania z głębokiego ukrycia, na głębokości ponad dwustu metrów, muszą wytrzymywać ekstremalne ciśnienie. W związku z tym, dla integralności ich kadłubów, zasadnicze znaczenie ma technologia spawania blach poszycia. Jako że tego typu jednostki mogą mieć nawet 170 metrów długości, ich kadłuby spawane są z grubych blach o długości dochodzącej do 30 metrów.
W takich warunkach obecność wad spawalniczych w spoinach blach poszycia wiąże się z koniecznością ponownego wykonywania spawania, co przekłada się na wysokie koszty i opóźnienia w realizacji harmonogramu prac. Tego typu sytuacja miała miejsce w stoczni Electric Boat, przy budowie USS Seawolf (SSN-21) w 1991 roku.
Obecnie Electric Boat, stocznia odpowiedzialna za budowę amerykańskich okrętów podwodnych, wraz z badaczami z Uniwersytetu Connecticut i ORNL (Oak Ridge National Laboratory), prowadzi zaawansowane badania nad mechaniką pękania złączy spawanych z miedzioniklu (Cu-Ni). Stop z zawartością miedzi i niklu w proporcjach 70-30, charakteryzuje się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi, ciągliwością, a przede wszystkim wysoką odpornością na korozję i zanieczyszczenia biologiczne w wodzie morskiej. Dodatki stopowe w postaci żelaza i manganu przyczyniają się do zwiększenia wytrzymałości i odporności na zużycie erozyjno-korozyjne. Materiał wykazuje także dwukrotnie większą przewodność cieplną od stali nierdzewnej, przez co wymaga wyższej temperatury spawania.
Zapowiedziane badania nad technologią spawania miedzioniklu koncentrują się na zjawisku gorącego pękania typu DDC (ductility dip cracking), występującego w obszarze gruboziarnistym strefy wpływu ciepła, na granicy ziaren krystalicznych. W odróżnieniu od dotychczasowego podejścia, skupionego na mikrostrukturalnych aspektach zjawiska, obecne badania dotyczą bardziej mechaniki pękania, w tym identyfikacji naprężeń resztkowych, powstających w obrębie materiału pod wpływem wysokiej temperatury spawania. Do badań zastosowano oprzyrządowanie neutronograficzne HIDRA (high intensity diffractometer for residual stress analysis) na wyposażeniu reaktora badawczego HFIR (high flux isotope reactor).
Jak tłumaczy Lesley Frame, adiunkt na wydziale inżynierii materiałowej Uniwersytetu Connecticut, oprzyrządowanie neutronograficzne HIDRA jest zoptymalizowane pod kątem pomiarów naprężeń i stanowi idealne narzędzie na potrzeby badania naprężeń resztkowych w specjalistycznych kompozycjach stopowych. Głęboka penetracja materiału neutronami doskonale nadaje się do badania grubych złączy spawanych.
Metoda dyfrakcji neutronowej umożliwia identyfikację odchyleń sieci krystalicznej, powodowanych naprężeniami. Z kolei radiografia neutronowa dostarcza obrazowania różnic w gęstości materiału. Porównanie wyników badań neutronograficznych i rentgenowskich z rezultatami symulacji ma pozwolić na zrozumienie mechanizmu powstawania pęknięć i opracowanie udoskonalonej technologii spawania na potrzeby programu budowy nowego pokolenia okrętów podwodnych dla US Navy.
ornl.gov
