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

In der modernen Welt des Transports und der Maschinenbauwesen hat das Bestreben, Energie zu sparen und Emissionen zu reduzieren, Ingenieure dazu getrieben, schweren Stahl durch leichtere Materialien zu erset eyes. Zwei der beliebtesten Wahlen sind Aluminium, ein Metall, das leicht und stark ist, und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, ein Verbundwerkstoff aus dünnen Kohlenstoffsträngen, die in einem harten Harz eingeschlossen sind. Obwohl diese Materialien für sich genommen hervorragend sind, war das Zusammenfügen von ihnen lange Zeit ein Kopfzerbrechen. Traditionelle Methoden wie das Verschrauben von ihnen fügen Gewicht hinzu und schaffen Schwachstellen, während das Verkleben lange Wartezeiten erfordert, bis der Klebstoff ausgehärtet ist. Jahrelang suchten Wissenschaftler nach einer schnelleren, stärkeren Methode, um Metall und Kunststoff zu verschmelzen, ohne sie zu schmelzen, in der Hoffnung, Hybridstrukturen zu schaffen, die sowohl leicht als auch widerstandsfähig sind.

Ein Team von Forschern der Gifu University und ihren Partnern hat einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieses Problems unternommen, indem sie eine Technik namens Reibungsrührpunkt-Schweißen (Friction Stir Spot Welding) einsetzten. Dieser Prozess funktioniert wie ein Hochgeschwindigkeits-Festkörper-Mischer: Ein rotierendes Werkzeug drückt auf die überlappenden Bleche aus Aluminium und Kunststoff und erzeugt durch Reibung genug Hitze, um die Materialien aufzuweichen, ohne sie zu schmelzen, sodass sie miteinander verschmelzen können. Das direkte Verschweißen von Aluminium mit Kohlenstofffaser-Kunststoff ist jedoch schwierig, da die beiden Materialien nicht natürlich gut miteinander binden. Um dies zu überwinden, führten die Forscher einen klugen Vermittler ein: ein dünnes Blatt aus Stahldrahtgeflecht. Sie platzierten dieses Geflecht auf der Oberfläche der Kunststoffplatte, bevor sie schweißten, wodurch sie effektiv eine Brücke zwischen dem Metall und dem Kunststoff schufen. Das Ziel war es zu sehen, ob diese Stahlbrücke die beiden unterschiedlichen Materialien sicherer zusammenhalten konnte als eine direkte Schweißnaht, und um zu verstehen, wie lange diese Verbindungen unter wiederholter Belastung halten würden.

Die Forscher begannen damit, ihre Materialien vorzubereiten. Sie verwendeten Standard-Aluminiumlegierung-Platten und Kohlenstofffaser-Platten aus einer spezifischen Art von Kunststoffharz. Vor dem Zusammenfügen nahmen sie ein rostfreien Stahl-Drahtgeflecht und pressten es unter Hitze und Druck in die Oberfläche der Kohlenstofffaserplatte, wobei sie die Drähte leicht in den Kunststoff einbetteten. Dann verwendeten sie das Reibungsrührpunkt-Schweißwerkzeug, um die Aluminiumplatte an dieses maschenverstärkte Kunststoffteil zu schweißen. Um die beste Kombination zu finden, testeten sie drei verschiedene Arten von Stahlgeflechten: eine einzelne Lage eines gewöhnlichen rostfreien Stahls, eine doppelte Lage desselben Stahls und eine einzelne Lage eines stärkeren, komplexeren Stahllegierung. Sie erstellten auch Kontrollproben, indem sie das Aluminium direkt an den Kunststoff schweißten, ohne jegliches Geflecht, um zu sehen, wie sehr der Stahl tatsächlich half.

Als sie die geschweißten Verbindungen trennten, um deren Festigkeit zu testen, waren die Ergebnisse beeindruckend. Die Verbindungen, die das Stahlgeflecht verwendeten, waren fast doppelt so stark wie die, die ohne dieses direkt verschweißt wurden. Dies bestätigte, dass das Stahlgeflecht als kraftvolles Bindemittel wirkte. Das Aluminium und die Stahldrähte verschmolzen chemisch und bildeten eine starke Mischmetallschicht, während die Stahldrähte mechanisch im Kunststoff verankert waren. Als die Forscher jedoch die verschiedenen Arten von Geflechten verglichen, zeichnete sich ein überraschendes Muster ab. Obwohl das doppelte Geflecht und die stärkere Stahllegierung einzeln betrachtet viel robuster waren als das einfache, gewöhnliche Stahlgeflecht, stieg die Endfestigkeit der geschweißten Verbindungen nicht proportional an. Die Verbindung, die mit dem stärksten Geflecht hergestellt wurde, war nicht signifikant stärker als diejenige mit dem schwächsten Geflecht. Tatsächlich war der Unterschied in der Endfestigkeit der Verbindungen sehr gering, unabhängig davon, wie stark das Stahlgeflecht selbst war.

Um zu verstehen, warum der stärkere Stahl nicht zu stärkeren Verbindungen führte, untersuchten die Forscher genau, wo die Materialien tatsächlich brachen. Wenn sie die Verbindungen auseinanderzogen, blieben das Stahlgeflecht und das Aluminium zusammenhängend, aber der Kohlenstofffaser-Kunststoff riss ab. Der Bruch geschah nicht im Stahl oder an der Metall-Kunststoff-Grenzfläche, sondern innerhalb des Kunststoffs selbst, nur ein winziges Stück entfernt von der Stelle, an der das Schweißwerkzeug gedrückt hatte. Durch die Untersuchung der Bruchstücke unter einem Mikroskop fanden sie heraus, dass die Hitze des Schweißprozesses das Kunststoffharz in einer dünnen Schicht beschädigt hatte, was winzige leere Räume oder Hohlräume erzeugte. Diese beschädigte Zone war nur etwa zweihundert Mikrometer dick, was etwa der Breite von zwei menschlichen Haaren entspricht. Da der Kunststoff in dieser dünnen Schicht durch die Hitze geschwächt war, war er das schwächste Glied in der gesamten Kette. Unabhängig davon, wie stark das Stahlgeflecht war, konnte die Verbindung nur so stark sein wie diese dünne, hitzebeschädigte Kunststoffschicht.

Die Forscher testeten dann auch, wie diese Verbindungen unter wiederholter Belastung standhielten, um die Art von Erschütterungen und Vibrationen zu simulieren, die ein Autoteil im Laufe der Zeit erfahren könnte. Sie fanden heraus, dass die Ermüdungsfestigkeit, also die Fähigkeit, nach vielen Belastungszyklen nicht zu brechen, für alle drei Arten von Stahlgeflechten nahezu identisch war. Genau wie bei den statischen Festigkeitstests begann das Ermüdungsversagen an derselben Stelle: im hitzebeschädigten Kunststoff nahe der Grenzfläche. Das Stahlgeflecht brach nicht zuerst; stattdessen bildeten sich Risse im geschwächten Kunststoff, und erst nachdem der Kunststoff versagt hatte, rissen die Stahldrähte schließlich ab. Dies bestätigte, dass die Lebensdauer der Verbindung durch den Zustand des Kunststoffs bestimmt wurde, nicht durch die Stärke der Stahlbrücke.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das Stahlgeflecht zwar essenziell ist, um eine starke Bindung zwischen Aluminium und Kohlenstofffaser-Kunststoff zu schaffen, aber die Verwendung eines stärkeren oder dickeren Geflechts die Verbindung nicht stärker macht. Der limitierende Faktor ist die dünne Kunststoffschicht, die durch die Hitze des Schweißvorgangs beschädigt wird. Die Forscher schlagen vor, dass sich der Fokus, um diese Verbindungen in Zukunft noch stärker zu machen, von der Änderung des Stahlgeflechts hin zur Reduzierung der Hitzezufuhr während des Schweißens verlagern sollte. Durch die Verwendung weniger Hitze würde die beschädigte Schicht dünner werden, was potenziell die Nutzung der vollen Festigkeit des Stahlgeflechts ermöglichen würde. Dieser Ansatz bietet einen vielversprechenden Weg für den Bau leichterer, effizienterer Fahrzeuge und Maschinen und beweist, dass der Schlüssel zu einer stärkeren Verbindung manchmal nicht in der Brücke selbst liegt, sondern darin, den Boden zu schützen, auf dem sie steht.