Ny forskning för bättre utmattningshållfasthet i svetsar

Idag finns det både krav och önskemål om att producera lättare strukturer inom såväl bil- som flygindustrin. Ett sätt att minska vikten är att använda höghållfasta stål och sammanfoga dem med svetsning. Utmattning, framför allt i svetsar, kan dock begränsa användningen. En ny avhandling från Högskolan Väst visar hur två olika förbättringsmetoder kan öka utmattningslivslängden på komponenter i höghållfasta stål.

Trots att svetsning använts i cirka 100 år och svetstekniken utvecklats kraftigt, är fortfarande svetsen ofta en svag länk i en konstruktion. Speciellt gäller detta konstruktioner som utsätts för snabbt varierande laster, så kallad utmattning. Exempel på detta är framförallt fordon av olika slag. Normalt består exempelvis chassidelar av helgjutna eller smidda stycken, vilka skulle kunna ersättas av delar tillverkade med denna nya teknik. Tyvärr begränsas möjligheten att använda höghållfasta stål ofta av svetsarnas utmattningshållfasthet.

- Detta är ett viktigt område att öka kunskapen kring. Man vet att i upp till 90 procent av fallen då maskiner går sönder beror det på utmattning, så det läggs mycket kraft i industrin på att hitta lösningar på problemen, säger Ebrahim Harati.

Det projekt som Ebrahim Harati jobbat med handlar om att minska vikten på chassin till lastvagnar. Projektet sker i samarbete med Volvo Trucks och svetsföretaget Esab.

- Det finns en stark efterfrågan från fordonsindustrin på lättare material för att kunna minska bränsleförbrukningen. För att utveckla mer miljövänliga fordon, behöver man använda stål med allt högre hållfasthet och som kan användas i klenare dimensioner som därmed väger mindre, säger Ebrahim Harati.

Två olika metoder att förbättra utmattningshållfastheten

En viktig aspekt som undersöks av Ebrahim Harati och hans kolleger är utmattning, framför allt i svetsar och hur tillverkningen av svetsade strukturer utsatta för utmattning kan förbättras för framtiden. En möjlig lösning är att använda så kallade förbättringsmetoder för att höja utmattningshållfastheten. I denna avhandling har effekten av två olika förbättringsmetoder undersökts: HFMI-behandling (High Frequency Mechanical Impact) och användning av tillsatsmaterial med låg fasomvandlingstemperatur (Low Transformation Temperature, LTT).

- De huvudsakliga målen med forskningen har varit att dels öka förståelsen för de faktorer som kontrollerar utmattningshållfastheten och dels undersöka hur förbättringsmetoderna (HFMI- behandling respektive användandet av LTT- tillsatsmaterial) påverkar utmattningsegenskaperna hos svetsar i höghållfasta stål, berättar Ebrahim Harati.

Resultaten visade bland annat att användningen av LTT-tillsatsmaterial ökade utmattningshållfastheten hos svetsar i stål med olika sträckgräns (den högsta spänning som ett material tål utan att deformeras). För en typ av svetsar, så kallade stumsvetsar, var den karakteristiska utmattningshållfastheten för LTT-svetsar upp till 46 procent högre jämfört med motsvarande svetsar utförda med konventionella tillsatsmaterial. I en annan typ av svetsar, så kallade kälsvetsar, uppnåddes en maximal förbättring av 132 procent vid användning av LTT-svetsar. Ökningen i utmattningshållfasthet berodde på de lägre dragspänningarna, eller i vissa fall tryckspänningar, som producerades nära svetstån i LTT-svetsar.

Det gjordes också studier som visader att ökningen av utmattningshållfastheten genom HFMI-behandling berodde på den kombinerade effekten av modifieringen av svetstå-geometrin, ökning av ythårdheten samt införande av kompressiva restspänningar i det behandlade området. Det slogs fast att restspänningen hade en relativt större effekt än svetståns geometri på utmattningshållfastheten hos svetsar. En högre utmattningshållfasthet för HFMI-behandlade konventionella svetsar observerades också, jämfört med obehandlade svetsar med liknande svetståradie men med olika restspänningar.

Ytterligare resultat

En annan del av forskningen visade att användandet av LTT-tillsatsmaterial skapade tryckspänningar i alla riktningar vid svetstån nära ytan. Det konstaterades dessutom att det finns mycket branta spänningsgradienter både tvärs svetsriktningen och i djupled vid svetstån. På grund av svårigheter att noggrant mäta restspänningar lokalt vid svetstån, relateras oftast restspänningar några millimeter från svetstån till utmattningslivslängden, både i litteraturen och i rekommendationer. Denna undersökning visar emellertid att man måste vara försiktig när man kopplar dessa till utmattningslivslängden, särskilt för LTT-svetsar, eftersom spänningen i grundmaterialet några millimeter från svetsen kan skilja sig mycket från spänningen lokalt vid svetstån.

Kontakt: Ebrahim Harati, 0520-22 33 41, ebrahim.harati@hv.se

Text och foto: Anna Hallberg