Chalmers i Göteborg har sedan lång tid tillbaka erbjudit undervisning i svetsteknik. Idag heter kursen joining technology och består av tre delar: produktionsteknik, hållfasthet- och konstruktionskunskap, samt materialbeteende i samband med fogningsmetoder. Kursen joining technology är ett uttryck för en stark koppling mellan två institutioner: Material- och tillverkningsteknik samt Tillämpad mekanik. På samma sätt driver dessa institutioner många parallella forskningsprojekt. För närvarande dock inget med ordet svetsning i titeln. - Men på senare tid har vi arbetat med närliggande problem, säger professor Birger Karlsson vid institutionen för Material- och tillverkningsteknik och syftar på metalliska beläggningar. - Där finns samma problem som vid svetsning. Vi har värmepåverkade zoner som kan ge lokala härdningar, vi har kontakter mellan olika material och eftersom vi jobbar med järnvägsteknik har vi värmechocker upp och ner i form av friktionsproblem. När ett tåghjul glider på rälen värms det upp av friktionen, och kyls sedan hastigt ned. Då bildas martensit, som kan leda till sprickor. Likadant är det vid beläggningar. - I järnvägssammanhang rör det sig om högkolhaltiga material eftersom det behövs god nötningsbeständighet. Och sådana material anses med konventionella metoder inte vara svetsbara, säger Birger Karlsson. Man kan dock undvika sprickbildningen i martensiten. Lösningen är att lägga två skikt efter varandra. Först ett skikt, i vilket en värmepåverkad zon med martensit bildas, och sedan ytterligare ett skikt ovanpå detta. Då värms stålet, som blivit martensit, upp igen och anlöps till en segare struktur. - Det finns något väldigt intressant med detta, säger Birger Karlsson. - Vid martensitbildning i värmepåverkad zon, i samband med beläggning av rälen, uppstår en tryckspänning som kan tänkas läcka ut. Men vi vid provning har vi visat att tryckspänningen finns kvar under komponentens livslängd ända till slutbrott. Det innebär att det ligger en tryckspänning i den värmepåverkade zonen hela tiden, en tryckspänning som faktiskt gör materialet mera resistent mot sprickbildning. Vid modelleringen har man efterliknat riktiga fall och gjort fullskaliga experiment. Beläggningarna har provats mekaniskt och simulerats. Ett exempel på ytbeläggning av räls ledde till en doktorsavhandling 2005. Avhandlingen tar mycket noga upp de metallurgiska aspekterna. Och parallellt har man vid institutionen för Tillämpad mekanik simulerat mekaniskt vad temperaturcyklerna leder till i rälshuvudet. Tekniken, framtagen av rälstillverkaren Duroc, går ut på att fräsa ut en del ur rälshuvudet och sedan lägga på ett hårdare material. Materialet tillförs i pulverform, smälts upp och stelnar. Rälen beläggs flera gånger, så kallad flersträngssvetsning. - Det har funnits en provsträcka på Malmbanan där Duroc-tekniken har provats i flera år. Paris tunnelbana har provat det för att minska bullernivån, liksom Nederländernas motsvarighet till SJ, säger Lennart Josefson, professor vid institutionen för Tillämpad mekanik. Enligt honom har tekniken inte fått sitt kommersiella genombrott ännu. Vissa praktiska problem återstår med metoden, och den anses än så länge vara för dyr hos köparna. Tanken med det hårdare materialet är att räls vid kurvor och inbromsning får längre livslängd, tack vare lägre friktion och högre ythårdhet. Beläggningstekniken används idag i andra sammanhang, på bland annat verktyg och grävmaskiners skopor. Enligt Birger Karlsson är det den överlägset bästa ytbeläggningstekniken, med väldigt god vidhäftning. Ytterligare forskning skulle kunna eliminera problemen vid start och stopp av själva processen. - En annan metod som vi arbetar med på institutionen för material- och tillverkningsteknik går ut på att använda en högeffektslaser. Då chockar vi upp en yta och styr temperaturen i tiden så att vi nästan kan gå upp i stegfunktion, hålla temperaturen konstant och sedan kyla den, säger Birger Karlsson. Johan Ahlström, projektledare vid institutionen för Material- och tillverkningsteknik skjuter in: - Detta gör vi för att utreda hur olika material svarar på en temperaturpuls, ungefär som en svetssimulering. De vill på så sätt beskriva materialomvandlingarna isotermt så mycket som är möjligt. På det sättet kan valfri temperaturpuls simuleras. Vilket tidsintervall, upphettnings- och nedkylningsförlopp, samt vilka temperaturer som är avgörande, beror på vilket material man arbetar med. Johan Ahlström själv arbetar för närvarande med ett projekt inom MERA-programmet, i hans fall gjutning av motorblock i aluminium. När ett motorblock svalnar efter gjutning uppstår spänningar. Dessa spänningar gör att ett uppborrat cylinderlopp, som är runt efter borrning, blir orunt när ett annat cylinderlopp borras. Och eftersom cylinderloppen har hårda rundhetskrav måste hålen bearbetas flera gånger. - Man tar alltså bort tryckbärande material vid borrningen och får en omlagring av spänningen. Därför måste man bearbeta hålen väldigt många gångar: grovbearbetning, dubbel mellanbearbetning, finbearbetning och tre stycken brotschningssteg. Det här projektet utreder om man kan ta bort nåt av dessa bearbetningssteg, förklarar Johan Ahlström. Till sin hjälp har han modeller av Volvos motorblock. Simuleringen bygger på samma teknik som vid svetssimulering, och Johan Ahlström simulerar ända från gjutningen. Faktum är att man på Chalmers har simulerat svetsning i över trettiofem år. Professor Lennart Josefson berättar att man då tittar på tre fält samtidigt: mikrostruktur (som ändras vid snabb värmning och kylning), temperaturfält som uppstår i kroppen samt töjningsfält. Kopplingar mellan de tre olika fälten tas med i analysen. Han och hans kollegor följer numeriskt temperaturförloppet och de termiska töjningar som leder till plasticering. - Dels vill jag veta vilka mikrostrukturer som finns, hur de uppkommer och hur de tillväxer. För detta krävs flera parallella försök på mikronivå och makronivå. Vi gör också dragprover för att se på sambandet mellan spänning och töjning vid olika temperaturer, säger Lennart Josefson. Slutligen vill han verifiera simuleringen genom att göra experiment på en svetsad struktur. De mekaniska spänningar som uppstår är slutresultatet. - Men ofta är slutresultatet, de spänningar som finns kvar, inte det intressanta. Snarare är det intressanta hur dessa dragspänningar påverkar strukturen när den är i drift. Hur mycket sämre blir en fog jämfört med andra delar på en struktur? Lennart Josefson visar på modeller som han har på sitt rum. Vi sitter runt ett sammanträdesbord. Framför sig har han hyllmeter med böcker. Han berättar om ytterligare ett av institutionens projekt: En doktorand har nyligen förbättrat en modell som visar vilka spänningar som uppstår vid en punktsvets, liksom vad som händer när denna belastas med cyklisk belastning. Sådan forskning kan visa vilka områden vid punktsvetsning, till exempel vid en kaross, som är känsligast: u var finns den högsta påkänningen? u ska några punktsvetsar sitter närmre varandra? u vad händer om en punktsvets släpper? Resultatet används idag av bilindustrin, till exempel hos Volvo Cars. - Ett annat exempel på vad vi gör är svetsning av räls. Det finns idag två metoder: först kommer rälen från valsverket och svetsas ihop i en stationär anläggning. Och på banan har man en mobil svetsmetod. De två metoderna kan ge olika typer av haverier och brott i svetsen. Svetsprocessen i den stationära anläggningen består av förvärme, press med tryckkraft, ström som leds igenom ändarna och svalning. Överskottsmaterialet skjuvas bort. Processen ger dragspänningar och tryckspännigar i olika delar av rälen, och kan leda till sprickor. På Chalmers vill man komma förbi dessa problem, och svetsprocessen har simulerats numeriskt, inklusive hjulrullning. Och det är egentligen bara det det handlar för Lennart Josefson, Johan Ahlström och Birger Karlsson - att lösa problem och ta sig an nya problem. - Vi har haft en gästföreläsare från Volvo på vår kurs joining technology som sa en väldigt bra sak, säger Birger Karlsson. - Denna föreläsare sa: Kan ni undvika hopfogning, speciellt svetsning, så för all del gör det. Men kan ni göra det?