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

परिवहन और मशीनरी की आधुनिक दुनिया में, ऊर्जा बचाने और उत्सर्जन कम करने की चाह ने इंजीनियरों को भारी स्टील के स्थान पर हल्के पदार्थों का उपयोग करने के लिए प्रेरित किया है। दो सबसे लोकप्रिय विकल्पों में एल्युमीनियम शामिल है, जो एक हल्का और मजबूत धातु है, और कार्बन-फाइबर-रीइन्फोर्स्ड प्लास्टिक, जो एक मिश्रित सामग्री है जिसे कठोर राल (रेज़िन) के भीतर पतले कार्बन धागों को लॉक करके बनाया जाता है। हालांकि ये सामग्रियां अपने आप में उत्कृष्ट हैं, लेकिन उन्हें एक साथ जोड़ना लंबे समय से एक सिरदर्द बना हुआ है। उन्हें आपस में बोल्ट से जोड़ने जैसी पारंपरिक विधियां वजन बढ़ाती हैं और कमजोर बिंदु पैदा करती हैं, जबकि उन्हें चिपकाने (ग्लूइंग) के लिए एडहेसिव के सूखने (क्योर होने) के लिए लंबा प्रतीक्षा समय आवश्यक होता है। वर्षों से, वैज्ञानिक धातु और प्लास्टिक को पिघलाए बिना उन्हें जोड़ने का एक तेज़ और अधिक मजबूत तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, ताकि ऐसे हाइब्रिड ढांचे बनाए जा सकें जो हल्के और टिकाऊ दोनों हों।

गिफु विश्वविद्यालय और इसके सहयोगियों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'फ्रिक्शन स्टिर स्पॉट वेल्डिंग' नामक तकनीक का उपयोग करके इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। यह प्रक्रिया एक उच्च गति वाले, सॉलिड-स्टेट मिक्सर की तरह काम करती है: एक घूमता हुआ उपकरण एल्युमीनियम और प्लास्टिक की ओवरलैपिंग शीट पर दबाव डालता है, जिससे घर्षण के माध्यम से इतनी गर्मी उत्पन्न होती है कि सामग्रियां पिघले बिना ही नरम हो जाती हैं, जिससे वे आपस में मिल पाती हैं। हालांकि, एल्युमीनियम को कार्बन-फाइबर प्लास्टिक के साथ सीधे वेल्ड करना कठिन है क्योंकि ये दोनों सामग्रियां स्वाभाविक रूप से अच्छी तरह से नहीं जुड़ती हैं। इस समस्या से निपटने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक चतुर मध्यवर्ती (इंटरमीडियरी) पेश किया: स्टील के तार की एक पतली जाली (मेष)। उन्होंने वेल्डिंग से पहले प्लास्टिक की प्लेट की सतह पर इस जाली को रखा, जिससे धातु और प्लास्टिक के बीच प्रभावी रूप से एक पुल बन गया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह स्टील का पुल इन दो अलग-अलग सामग्रियों को सीधे वेल्ड की तुलना में अधिक सुरक्षित रूप से एक साथ रख सकता है, और यह समझना था कि ये जोड़ बार-बार पड़ने वाले तनाव के तहत कितने समय तक टिक पाएंगे।

शोधकर्ताओं ने अपनी सामग्रियों को तैयार करने से शुरुआत की। उन्होंने मानक एल्युमीनियम मिश्र धातु (अलॉय) प्लेटों और एक विशिष्ट प्रकार के प्लास्टिक रेज़िन से बनी कार्बन-फाइबर प्लेटों का उपयोग किया। उन्हें जोड़ने से पहले, उन्होंने एक स्टेनलेस स्टील वायर मेष लिया और गर्मी एवं दबाव का उपयोग करके इसे कार्बन-फाइबर प्लेट की सतह में दबा दिया, जिससे तार प्लास्टिक के भीतर थोड़े समा गए। फिर उन्होंने एल्युमीनियम प्लेट को इस मेष-सुदृढ़ प्लास्टिक से जोड़ने के लिए फ्रिक्शन स्टिर स्पॉट वेल्डिंग टूल का उपयोग किया। सबसे अच्छा संयोजन खोजने के लिए, उन्होंने तीन अलग-अलग प्रकार के स्टील मेष का परीक्षण किया: एक सामान्य स्टेनलेस स्टील की एकल परत, उसी स्टील की दोहरी परत, और एक अधिक मजबूत, जटिल स्टील अलॉय की एकल परत। उन्होंने नियंत्रण नमूने (कंट्रोल सैंपल्स) भी बनाए, जिसमें उन्होंने बिना किसी मेष के एल्युमीनियम को सीधे प्लास्टिक से वेल्ड किया ताकि यह देखा जा सके कि स्टील वास्तव में कितना मददगार रहा।

जब उन्होंने वेल्ड किए गए जोड़ों को उनकी मजबूती परीक्षणने के लिए अलग किया, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। स्टील मेष का उपयोग करने वाले जोड़ सीधे वेल्ड किए गए जोड़ों की तुलना में लगभग दोगुने मजबूत थे। इससे पुष्टि हुई कि स्टील मेष ने एक शक्तिशाली बॉन्डिंग एजेंट के रूप में कार्य किया। एल्युमीनियम और स्टील के तार रासायनिक रूप से आपस में जुड़ गए, जिससे मिश्रित धातु की एक मजबूत परत बनी, जबकि स्टील के तार प्लास्टिक में यांत्रिक रूप से लॉक हो गए। हालांकि, जब शोधकर्ताओं ने विभिन्न प्रकार के मेष की तुलना की, तो एक आश्चर्यजनक पैटर्न सामने आया। भले ही दोहरी परत वाला मेष और मजबूत स्टील अलॉय व्यक्तिगत रूप से सामान्य सिंगल-लेयर स्टील की तुलना में बहुत अधिक सख्त थे, लेकिन वेल्ड किए गए जोड़ों की अंतिम मजबूती आनुपातिक रूप से नहीं बढ़ी। सबसे मजबूत मेष से बना जोड़ सबसे कमजोर मेष से बने जोड़ की तुलना में उल्लेखनीय रूप से अधिक मजबूत नहीं था। वास्तव में, जोड़ों की अंतिम मजबूती में बहुत कम अंतर था, चाहे स्टील मेष कितना भी मजबूत क्यों न हो।

यह समझने के लिए कि मजबूत स्टील से मजबूत जोड़ क्यों नहीं बना, शोधकर्ताओं ने बारीकी से देखा कि सामग्रियां वास्तव में कहां टूटीं। जब उन्होंने जोड़ों को अलग किया, तो स्टील मेष और एल्युमीनियम एक साथ जुड़े रहे, लेकिन कार्बन-फाइबर प्लास्टिक फट गया। टूट-फूट स्टील में या धातु-प्लास्टिक की सीमा पर नहीं हुई, बल्कि प्लास्टिक के भीतर ही हुई, वेल्डिंग टूल द्वारा दबाए गए स्थान से बस थोड़ी ही दूरी पर। टूटे हुए टुकड़ों को सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) के नीचे देखने पर, उन्होंने पाया कि वेल्डिंग प्रक्रिया से उत्पन्न गर्मी ने प्लास्टिक रेज़िन की एक पतली परत को नुकसान पहुँचाया था, जिससे छोटे खाली स्थान या रिक्तिकाएं (वॉइड्स) बन गईं। यह क्षतिग्रस्त क्षेत्र केवल लगभग दो सौ माइक्रोमीटर मोटा था, जो मानव बाल की चौड़ाई के दो बालों के बराबर है। चूंकि इस पतली परत में प्लास्टिक गर्मी के कारण कमजोर हो गया था, इसलिए यह पूरी श्रृंखला में सबसे कमजोर कड़ी बन गया। मेष चाहे कितना भी मजबूत क्यों न हो, जोड़ उतना ही मजबूत हो सकता था जितना कि वह पतला, गर्मी से क्षतिग्रस्त प्लास्टिक का स्तर।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि ये जोड़ बार-बार पड़ने वाले तनाव के तहत कैसे व्यवहार करते हैं, जो कार के पुर्जों में समय के साथ होने वाले कंपन और झटकों का अनुकरण करता है। उन्होंने पाया कि थकान शक्ति (फटीग स्ट्रैंथ), यानी लोडिंग के कई चक्रों के बाद टूटने का प्रतिरोध करने की क्षमता, तीनों प्रकार के स्टील मेष के लिए लगभग समान थी। ठीक वैसे ही जैसे स्थिर शक्ति परीक्षणों में देखा गया था, विफलता (फेलियर) उसी स्थान पर हुई: इंटरफ़ेस के पास स्थित क्षतिग्रस्त प्लास्टिक में। स्टील मेष पहले नहीं टूटा; इसके बजाय, कमजोर प्लास्टिक में दरारें बनीं, और प्लास्टिक विफल होने के बाद ही स्टील के तार अंततः टूट गए। इसने पुष्टि की कि जोड़ का जीवन प्लास्टिक की स्थिति द्वारा निर्धारित होता है, न कि स्टील के पुल की मजबूती से।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि स्टील वायर मेष एल्युमीनियम और कार्बन-फाइबर प्लास्टिक के बीच एक मजबूत बंधन बनाने के लिए आवश्यक है, लेकिन केवल अधिक मजबूत या मोटा मेष उपयोग करने से जोड़ अधिक मजबूत नहीं होता है। सीमित कारक प्लास्टिक की वह पतली परत है जो वेल्डिंग प्रक्रिया की गर्मी से क्षतिग्रस्त हो जाती है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि भविष्य में इन जोड़ों को और भी मजबूत बनाने के लिए, ध्यान स्टील मेष को बदलने के बजाय वेल्डिंग के दौरान गर्मी के इनपुट को कम करने पर होना चाहिए। कम गर्मी का उपयोग करके, क्षतिग्रस्त परत को पतला किया जा सकता है, जिससे संभावित रूप से स्टील मेष की पूरी शक्ति का उपयोग किया जा सकेगा। यह दृष्टिकोण हल्के, अधिक कुशल वाहनों और मशीनों के निर्माण के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है, जो यह सिद्ध करता है कि कभी-कभी एक मजबूत जुड़ाव की कुंजी स्वयं पुल में नहीं, बल्कि उस जमीन की सुरक्षा करने में होती है जिस पर वह खड़ा है।