Att svetsa material som ska tåla höga temperaturer och högt tryck är ett av industrins mest komplexa moment, där små sprickor kan få stora konsekvenser. Det är just dessa sprickor, även kallade varmsprickor, som industridoktoranden Mikael Johansson har ägnat en stor del av sin forskning åt, både hur de uppstår och hur man kan minimera dem.
– När man svetsar så gör man egentligen en liten gjutning i miniatyr. Du smälter materialet och låter det stelna igen, men du har inte alls samma kontroll som när materialet tillverkas från början. Det är det som gör svetsning så komplext och så intressant att forska på, säger Mikael.
Små sprickor med stora konsekvenser
Mikael är industridoktorand vid Högskolan Väst och arbetar samtidigt som forskare och svetsingenjör på Alleima EMEA, ett världsledande materialteknikbolag som utvecklar och tillverkar högförädlade produkter i avancerat rostfritt ståloch speciallegeringar.
I sin licentiatavhandling ”Hot Cracking Susceptibility in Austenitic High-Temperature Alloys” har han studerat så kallade varmsprickor, som kan uppstå när metaller svetsas och stelnar. Ju tjockare material, desto större blir spänningarna och risken för sprickbildning. Problemet är särskilt aktuellt i till exempel värmekraftverk, där material utsätts för extremt höga temperaturer på upp till 700 grader och samtidigt väldigt högt tryck.
Testar material genom att provocera fram sprickor
För att förstå hur känsliga olika material är har Mikael använt en metod där man medvetet skapar sprickor. Efteråt analyseras sprickorna noggrant i mikroskop.
– Vi smälter ytan på ett prov samtidigt som vi böjer det. Då simulerar vi vad som händer i en riktig svets. Genom att ändra hur mycket vi böjer kan vi se vid vilka töjningsnivåer sprickor uppstår och hur många de blir. Sen mäter vi sprickornas längd och antal och jämför mellan olika material.
Svetsen är inte den svaga länken
Mikael har studerat både olika typer av rostfria stål som är vanliga i till exempel rör i högtemperaturmiljöer, och nickelbaserade legeringar eller svetsmaterial som används vid själva svetsningen. Bland annat har han undersökt det rostfria stålet Sanicro® 25 som är utvecklat för att klara mycket höga temperaturer, och det vanligt förekommande svetsmaterialet Alloy 617. Här visar resultaten att små förändringar i svetsmaterialets sammansättning kan ha stor effekt.
– Vi ser att en modifierad variant som vi kallar Alloy 617mod. generellt presterar bättre. Den ger lägre sprickbenägenhet och bättre egenskaper. Det är också den vi redan rekommenderar till kunder, så det känns skönt att forskningen bekräftar det.
En central slutsats i Mikaels forskning är att själva svetsmaterialet och svetsfogen inte är den svagaste länken.
– Om vi svetsar ett rör i Sanicro® 25 med rätt svetsmaterial, då är det inte svetsen som blir den svagaste länken. Då är det grundmaterialet i röret som sätter gränsen, och det är precis så man vill ha det, att svetsen överpresterar snarare än tvärtom.
Människan påverkar resultaten
En annan del av forskningen har handlat om hur man mäter sprickor. Mikael har jämfört traditionella metoder som att studera i mikroskop med att analysera bilder med hjälp av digital mjukvara. Det visade sig att när flera personer manuellt fick utvärdera samma prov fick de olika resultat.
– Man tolkar lite olika. Det visar att den metoden är personberoende, så jag menar att lösningen är digitalisering. Om man jobbar med digitala bilder och analyserar dem i efterhand får man bättre spårbarhet. Man kan se exakt hur någon har tänkt. På sikt kan man automatisera det ännu mer, kanske med AI-baserad bildanalys.
Drivs av komplexiteten
Att Mikael fastnade för just svetsning är ingen slump. Han beskriver det som en klassisk ingenjörsdrivkraft. Det handlar om problemlösning. Man har ett problem som man inte riktigt har svaret på, och så vill man grotta ner sig tills man förstår det.
– Jag insåg ganska tidigt att det här området är så otroligt komplext. Det är korrosion, mekaniska egenskaper, defekter och allt hänger ihop. Det finns så många frågor att besvara. Det är det som driver mig.
Forskning med direkt nytta
Resultaten från Mikaels forskning används redan inom industrin och på hans arbetsplats Alliema EMEA, bland annat när det handlar om att välja material, förbättra metoder och ta fram nya legeringar, men också för att utveckla hur man utvärderar sprickor.
I grunden handlar Mikaels forskning om att minska risker i avancerade tekniska system. Det kan vara höga tryck, höga temperaturer och om något går fel kan det få allvarliga konsekvenser. Även om sprickorna är små, är betydelsen stor.
– Det är ofta i de små detaljerna det avgörs. Kan vi förstå dem bättre kan vi också bygga bättre, säkrare och mer hållbara lösningar framöver, säger Mikael.
Mikael Johansson är en av flera industridoktorander som ingår i företagsforskarskolan Smart Industry Sweden, där Högskolan Väst är ett av fem medverkande lärosäten.
