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

Dans le monde moderne des transports et de la machinerie, la volonté d'économiser de l'énergie et de réduire les émissions a poussé les ingénieurs à remplacer l'acier lourd par des matériaux plus légers. Deux des choix les plus populaires sont l'aluminium, un métal léger et résistant, et le plastique renforcé de fibres de carbone, un matériau composite composé de fines filaments de carbone emprisonnés dans une résine dure. Bien que ces matériaux soient excellents individuellement, les assembler a longtemps été un casse-tête. Les méthodes traditionnelles, comme le boulonnage, ajoutent du poids et créent des points faibles, tandis que le collage nécessite de longs temps de séchage pour que l'adhésif durcisse. Pendant des années, des scientifiques ont cherché un moyen plus rapide et plus solide de fusionner le métal et le plastique sans les faire fondre, dans l'espoir de créer des structures hybrides à la fois légères et durables.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Gifu et de ses partenaires a franchi une étape importante dans la résolution de ce problème en utilisant une technique appelée soudage par friction de point (friction stir spot welding). Ce processus fonctionne comme un mélangeur à l'état solide à haute vitesse : un outil rotatif appuie sur les feuilles superposées d'aluminium et de plastique, générant suffisamment de chaleur par friction pour ramollir les matériaux sans les faire fondre, leur permettant ainsi de se mélanger. Cependant, souder directement l'aluminium au plastique de carbone est délicat car ces deux matériaux ne se lient pas naturellement bien. Pour surmonter cela, les chercheurs ont introduit un intermédiaire ingénieux : une fine feuille de treillis de fil d'acier. Ils ont placé ce treillis sur la surface de la plaque de plastique avant le soudage, créant ainsi un pont efficace entre le métal et le plastique. L'objectif était de voir si ce pont d'acier pouvait maintenir les deux matériaux disparates ensemble plus solidement qu'une soudure directe, et de comprendre combien de temps ces joints dureraient sous une contrainte répétée.

Les chercheurs ont commencé par préparer leurs matériaux. Ils ont utilisé des plaques d'alliage d'aluminium standard et des plaques de fibre de carbone faites d'un type spécifique de résine plastique. Avant de les assembler, ils ont pris un treillis de fil d'acier inoxydable et l'ont pressé dans la plaque de fibre de carbone en utilisant de la chaleur et de la pression, enfonçant légèrement les fils dans le plastique. Ils ont ensuite utilisé l'outil de soudage par friction de point pour joindre la plaque d'aluminium à ce treillis renforcé de plastique. Pour trouver la meilleure combinaison, ils ont testé trois types différents de treillis d'acier : une couche simple d'un acier inoxydable courant, une double couche de ce même acier, et une couche simple d'un alliage d'acier plus complexe et plus résistant. Ils ont également créé des échantillons de contrôle en soudant l'aluminium directement au plastique sans aucun treillis pour voir à quel point l'acier aidait réellement.

Lorsqu'ils ont tiré sur les joints soudés pour tester leur résistance, les résultats ont été frappants. Les joints utilisant le treillis d'acier étaient presque deux fois plus résistants que ceux soudés directement sans lui. Cela a confirmé que le treillis d'acier agissait comme un puissant agent de liaison. L'aluminium et les fils d'acier ont fusionné chimiquement, formant une couche de métal mixte solide, tandis que les fils d'acier étaient verrouillés mécaniquement dans le plastique. Cependant, lorsque les chercheurs ont comparé les différents types de treillis, un schéma surprenant est apparu. Même si le treillis à double couche et l'alliage d'acier plus fort étaient individuellement beaucoup plus robustes que le treillis simple en acier commun, la résistance finale des joints n'augmentait pas proportionnellement. Le joint réalisé avec le treillis le plus solide n'était pas significativement plus résistant que celui fait avec le plus faible treillis. En fait, la différence de résistance finale des joints était très faible, quelle que soit la force du treillis d'acier lui-même.

Pour comprendre pourquoi l'acier plus fort n'a pas conduit à des joints plus solides, les chercheurs ont examiné de près l'endroit où les matériaux se sont réellement brisés. Lorsqu'ils ont tiré sur les joints, le treillis d'acier et l'aluminium sont restés collés ensemble, mais le plastique de fibre de carbone s'est déchiré. La rupture ne s'est pas produite dans l'acier ou à la limite métal-plastique, mais à l'intérieur même du plastique, à une infime distance de l'endroit où l'outil de soudage avait appuyé. En examinant les morceaux cassés sous un microscope, ils ont découvert que la chaleur du processus de soudage avait endommagé la résine plastique dans une fine couche, créant de minuscules espaces vides ou des cavités. Cette zone endommagée ne mesurait qu'environ deux cents micromètres d'épaisseur, soit environ la largeur de deux cheveux humains. Comme le plastique dans cette fine couche avait été affaibli par la chaleur, il constituait le maillon le plus faible de toute la chaîne. Peu importe la force du treillis d'acier, le joint ne pouvait être aussi fort que cette fine couche de plastique endommagée par la chaleur.

Les chercheurs ont ensuite testé la résistance de ces joints sous des contraintes répétées, simulant le genre de secousses et de vibrations qu'une pièce de voiture pourrait subir au fil du temps. Ils ont constaté que la résistance à la fatigue, c'est-à-dire la capacité à résister à la rupture après de nombreux cycles de charge, était presque identique pour les trois types de treillis d'acier. Tout comme pour les tests de résistance statique, la défaillance par fatigue a commencé au même endroit : le plastique endommagé par la chaleur près de l'interface. Le treillis d'acier ne s'est pas cassé en premier ; au lieu de cela, des fissures se sont formées dans le plastique affaibli, et ce n'est qu'après la défaillance du plastique que les fils d'acier ont fini par céder. Cela a confirmé que la durée de vie du joint était déterminée par l'état du plastique, et non par la force du pont d'acier.

L'étude conclut que si le treillis de fil d'acier est essentiel pour créer une liaison forte entre l'aluminium et le plastique de fibre de carbone, l'utilisation d'un treillis simplement plus fort ou plus épais ne rend pas le joint plus solide. Le facteur limitant est la fine couche de plastique qui est endommagée par la chaleur du processus de soudage. Les chercheurs suggèrent que pour rendre ces joints encore plus solides à l'avenir, l'attention devrait se porter sur la réduction de l'apport de chaleur lors du soudage. En utilisant moins de chaleur, la couche endommagée de plastique deviendrait plus mince, permettant potentiellement d'utiliser toute la force du treillis d'acier. Cette approche offre une voie prometteuse pour la construction de véhicules et de machines plus légers et plus efficaces, prouvant que parfois, la clé d'une connexion plus forte réside non pas dans le pont lui-même, mais dans la protection du sol sur lequel il repose.