CFRP/Al dissimilar friction stir spot welding assisted by steel mesh sheets and evaluation of fatigue properties

في عالم النقل والآلات الحديث، دفع السعي وراء توفير الطاقة وتقليل الانبعاثات المهندسين إلى استبدال الفولاذ الثقيل بمواد أخف وزناً. ومن بين أكثر الخيارات شعبية، الألومنيوم، وهو معدن يتميز بخفة الوزن والقوة، والكربون فايبر (البلاستيك المقوى بألياف الكربون)، وهو مادة مركبة مكونة من خيوط كربون رفيعة محبوسة داخل راتينج صلب. وبينما تعد هذه المواد ممتازة في حد ذاتها، فإن وصلها معاً كان يمثل مشكلة طويلة الأمد. فالطرق التقليدية مثل ربطها بالبراغي تزيد من الوزن وتخلق نقاط ضعف، بينما يتطلب لصقها أوقات انتظار طويلة حتى يجف اللاصق. ولسنوات، بحث العلماء عن طريقة أسرع وأقوى لدمج المعدن والبلاستيك دون صهرهما، آملين في إنشاء هياكل هجينة تكون خفيفة ومتينة في آن واحد.

لقد قطع فريق من الباحثين في جامعة جيفو وشركائهم خطوة كبيرة للأمام في حل هذه المشكلة باستخدام تقنية تسمى "لحام نقطة الاحتكاك الدوراني". تعمل هذه العملية مثل خلاط عالي السرعة في الحالة الصلبة: حيث تضغط أداة دوارة على الصفائح المتداخلة من الألومنيوم والبلاستيك، مما يولد حرارة كافية من خلال الاحتكاك لتليين المواد دون صهرها، مما يسمح لها بالامتزاج معاً. ومع ذلك، فإن لحام الألومنيوم مباشرة بالبلاستيك المقوى بالكربون أمر صعب لأن المادتين لا تترابطان بشكل طبيعي جيد. وللتغلب على ذلك، قدم الباحثون وسيطاً ذكياً: طبقة رقيقة من شبكة سلك فولاذي. فقد وضعوا هذه الشبكة على سطح اللوح البلاستيكي قبل اللحام، مما خلق فعلياً جسراً بين المعدن والبلاستيك. وكان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا الجسر الفولاذي يمكنه ربط المادتين المختلفتين ببعضهما البعض بشكل أكثر إحكاماً من اللحام المباشر، وفهم مدى صمود هذه الوصلات تحت الإجهاد المتكرر.

بدأ الباحثون بتجهيز موادهم؛ حيث استخدموا ألواح سبائك ألومنيوم قياسية وألواح كربون فايبر مصنوعة من نوع معين من الراتينج البلاستيكي. وقبل وصلهما، أخذوا شبكة سلكية من الفولاذ المقاوم للصدأ وضغطوها في سطح لوح الكربون فايبر باستخدام الحرارة والضغط، مما أدى إلى غرس الأسلاك قليلاً داخل البلاستيك. ثم استخدموا أداة لحام نقطة الاحتكاك الدوراني لربط لوح الألومنيوم بهذا البلاستيك المعزز بالشبكة. ولإيجاد أفضل تركيبة، اختبروا ثلاثة أنواع مختلفة من الشبكات الفولاذية: طبقة واحدة من الفولاذ المقاوم للصدأ الشائع، وطبقة مزدوجة من الفولاذ نفسه، وطبقة واحدة من سبائك فولاذية أقوى وأكثر تعقيداً. كما أنشأوا عينات ضابطة عن طريق لحام الألومنيوم مباشرة بالبلاستيك دون أي شبكة لمعرفة مدى مساعدة الفولاذ في الواقع.

وعندما قاموا بشد الوصلات الملحومة لاختبار قوتها، كانت النتائج مذهلة. فالوصلات التي استخدمت الشبكة الفولاذية كانت أقوى بمرتين تقريباً من تلك التي لُحمت مباشرة بدونها. وقد أكد ذلك أن الشبكة الفولاذية عملت كعامل ربط قوي؛ حيث اندمج الألومنيوم مع الأسلاك الفولاذية كيميائياً، مكوناً طبقة قوية من المعدن المختلط، بينما انغلق الأسلاك الفولاذية ميكانيكياً داخل البلاستيك. ومع ذلك، عندما قارن الباحثون بين أنواع الشبكات المختلفة، ظهر نمط مفاجئ. فرغم أن الشبكة مزدوجة الطبقة والسبائك الفولاذية الأقوى كانت في الأصل أقوى بكثير من الشبكة الفولاذية العادية أحادية الطبقة، إلا أن القوة النهائية للوصلات لم تزد بشكل متناسب. فالوصلة المصنوعة من أقوى شبكة لم تكن أقوى بشكل ملحوظ من تلك المصنوعة من أضعف شبكة. وفي الواقع، كان الفرق في القوة النهائية للوصلات صغيراً جداً، بغض النظر عن مدى قوة الشبكة الفولاذية نفسها.

ولفهم سبب عدم أدت الفولاذ الأقوى إلى جعل الوصلات أقوى، فحص الباحثون بدقة الأماكن التي انكسرت فيها المواد فعلياً. فعندما شدوا الوصلات، ظل البلاستيك المقوى بالشبكة الفولاذية والألومنيوم ملتصقين معاً، لكن الكربون فايبر البلاستيكي تمزق. حدث الكسر ليس في الفولاذ أو عند الحد الفاصل بين المعدن والبلاستيك، بل داخل البلاستيك نفسه، على مسافة قصيرة جداً من مكان ضغط أداة اللحام. ومن خلال فحص القطع المكسورة تحت المجهر، وجدوا أن الحرارة الناتجة عن عملية اللحام قد ألحقت الضرر بالراتينج البلاستيكي في طبقة رقيقة، مما خلق فراغات أو فجوات صغيرة. كانت هذه المنطقة المتضررة بسمك حوالي مائتي ميكرومتر فقط، وهو ما يعادل عرض شعرتين بشريتين تقريباً. وبسبب ضعف البلاستيك في هذه الطبقة الرقيقة نتيجة الحرارة، كان هو الحلقة الأضعف في السلسلة بأكملها. ومهما كانت قوة الشبكة الفولاذية، فإن الوصلة كانت تظل بقوة هذه الطبقة الرقيقة المتضررة حرارياً.

ثم اختبر الباحثون مدى صمود هذه الوصلات تحت الإجهاد المتكرر، محاكيين نوع الاهتزازات التي قد تتعرض لها قطعة في السيارة بمرور الوقت. ووجدوا أن قوة التعب، أو القدرة على مقاومة الكسر بعد دورات عديدة من التحميل، كانت متطابقة تقريباً لجميع أنواع الشبكات الفولاذية الثلاثة. تماماً مثل اختبارات القوة الاستاتيكية، بدأ فشل التعب في نفس المكان: في البلاستيك المتضرر حرارياً بالقرب من منطقة التماس. لم تنكسر الشبكة الفولاذية أولاً، بل تشكلت الشقوق في البلاستيك الضعيف، وفقط بعد فشل البلاستيك انكسرت الأسلاك الفولاذية في النهاية. وقد أكد هذا أن عمر الوصلة كان محدداً بحالة البلاستيك، وليس بقوة الجسر الفولاذي.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما تعتبر الشبكة السلكية الفولاذية ضرورية لإنشاء رابط قوي بين الألومنيوم والكربون فايبر، فإن مجرد استخدام شبكة أقوى أو أكثر سمكاً لا يجعل الوصلة أقوى. فالعامل المحدد هو طبقة البلاستيك الرقيقة التي تتضرر بفعل حرارة عملية اللحام. ويقترح الباحثون أنه لجعل هذه الوصلات أقوى في المستقبل، يجب أن ينصب التركيز على تقليل مدخلات الحرارة أثناء اللحام. فمن خلال استخدام حرارة أقل، ستصبح الطبقة المتضررة من البلاستيك أرق، مما قد يسمح باستغلال القوة الكاملة للشبكة الفولاذية. يقدم هذا النهج مساراً واعداً لبناء مركبات وآلات أخف وزناً وأكثر كفاءة، مما يثبت أن المفتاح لربط أقوى يكمن أحياناً ليس في الجسر نفسه، بل في حماية الأرض التي يقف عليها.