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

現代の輸送や機械の世界において、エネルギーを節約し排出量を削減しようとする動きは、エンジニアたちに重い鋼鉄をより軽い材料へと置き換えるよう促してきました。最も人気のある選択肢の2つは、軽くて強い金属であるアルミニウムと、硬い樹脂の中に細い炭素繊維が閉じ込められた複合材料である炭素繊維強化プラスチックです。これらの材料は単体では非常に優れていますが、それらを結合させることは長年の悩みの種でした。ボルトで締め付けるといった従来の方法は重量を増やし弱点を生み出し、接着剤による接合は接着剤が硬化するまでの長い待ち時間を必要とします。長年、科学者たちは、金属とプラスチックを溶かすことなく、より速く、より強く融合させる方法を模索し、軽量かつ耐久性のあるハイブリッド構造を作り出すことを目指してきました。

岐阜大学の研究チームとそのパートナーたちは、「摩擦攪拌スポット溶接（FSSW）」と呼ばれる技術を用いることで、この問題の解決に向けた大きな一歩を踏み出しました。このプロセスは、高速の固相ミキサーのように機能します。回転する工具が重なり合ったアルミニウムとプラスチックのシートを押し付け、摩擦によって熱を発生させることで、材料を溶かすことなく軟化させ、それらを混ざり合わせるのです。しかし、アルミニウムに炭素繊維プラスチックを直接溶接することは困難です。なぜなら、これら2つの材料は自然にはうまく結合しないからです。これを克服するために、研究者たちは巧妙な中間層として、薄いステンレス鋼のワイヤーメッシュを導入しました。彼らは溶接前にこのメッシュをプラスチック板の表面に配置し、金属とプラスチックの間の「架け橋」として機能させました。その目的は、この鋼鉄の架け橋が、直接溶接した場合よりも強力に2つの異なる材料を保持できるかどうかを確認し、これらの接合部が繰り返されるストレスに対してどの程度長持ちするかを理解することでした。

研究者たちはまず、材料の準備から始めました。標準的なアルミニウム合金プレートと、特定のタイプのプラスチック樹脂で作られた炭素繊維プレートを使用しました。接合する前に、ステンレス鋼のワイヤーメッシュを用意し、熱と圧力を用いて炭素繊維プレートの表面に押し込み、ワイヤーをプラスチックの中にわずかに埋め込みました。その後、摩擦攪拌スポット溶接の工具を使用して、アルミニウムプレートをこのメッシュ強化されたプラスチックに接合しました。最適な組み合わせを見つけるために、彼らは3種類の異なるタイプの鋼鉄メッシュをテストしました。一般的なステンレス鋼の単層、同じステンレス鋼の二重層、そしてより強力で複雑な合金鋼の単層です。また、メッシュなしでアルミニウムをプラスチックに直接溶接した対照試料も作成し、鋼鉄が実際にどれほど助けになったのかを確認しました。

溶接された接合部を引っ張って強度をテストした際、その結果は驚くべきものでした。鋼鉄メッシュを使用した接合部は、メッシュなしで直接溶接したものよりも、ほぼ2倍の強度を示しました。これにより、鋼鉄メッシュが強力な結合剤として機能したことが証明されました。アルミニウムと鋼鉄のワイヤーは化学的に融合して強固な混合金属層を形成し、一方で鋼鉄のワイヤーはプラスチックの中に機械的にロックされました。しかし、異なる種類のメッシュを比較したところ、意外なパターンが浮かび上がりました。二重層のメッシュやより強力な合金鋼は、単層の一般的なステンレス鋼よりも個別に非常に強靭であったにもかかわらず、最終的な接合部の強度は比例して向上しませんでした。最も強力なメッシュで作られた接合部は、最も弱いメッシュで作られたものよりも、有意に強くなることはありませんでした。実際、鋼鉄メッシュ自体の強さがどうであれ、最終的な接合部の強度の差は非常にわずかなものでした。

なぜ強力な鋼鉄がより強い接合部につながらなかったのかを理解するために、研究者たちは実際に材料がどこで壊れたのかを詳しく調査しました。接合部を引っ張ったとき、鋼鉄メッシュとアルミニウムは結合したままでしたが、炭素繊維プラスチックが引き裂かれました。破断は鋼鉄の中や金属とプラスチックの境界ではなく、溶接工具が押し付けられた場所からわずかな距離を隔てたプラスチックの内部で発生していました。顕微鏡で破断面を観察したところ、溶接プロセスによる熱によって、プラスチック樹脂の薄い層に損傷が生じ、小さな空隙（ボイド）ができていることが分かりました。この損傷した領域は厚さ約200マイクロメートル、つまり人間の髪の毛2本分ほどの幅しかありませんでした。この薄い層のプラスチックが熱によって弱められていたため、それがチェーン全体の最も弱い環（弱点）となっていたのです。どれほど強力な鋼鉄メッシュを用いたとしても、接合部の強さはこの熱で損傷した薄い層の強さに依存してしまうのでした。

次に研究者たちは、自動車部品が時間の経過とともに経験するような、揺れや振動をシミュレートして、これらの接合部が繰り返されるストレスに対してどのように耐えるかをテストしました。その結果、疲労強度、すなわち何度も荷重を繰り返した後に破壊に耐える能力は、3種類すべての鋼鉄メッシュでほぼ同一であることが分かりました。静的な強度テストと同様に、疲労破壊はやはり同じ場所、つまり界面付近の熱損傷を受けたプラスチックから始まりました。鋼鉄メッシュが先に壊れるのではなく、プラスチックに亀裂が生じ、その後にようやく鋼鉄のワイヤーが切断されるのです。これは、接合部の寿命が鋼鉄の架け橋の強さではなく、プラスチックの状態によって決定されることを裏付けています。

本研究は、鋼鉄のワイヤーメッシュがアルミニウムと炭素繊維プラスチックの間に強い結合を作るために不可欠である一方で、単に、より強力または厚いメッシュを使用しても接合部を強くすることにはならないと結論付けています。制限要因は、溶接プロセスによる熱で損傷した薄いプラスチックの層です。研究者たちは、将来的にこれらの接合部をさらに強くするためには、焦点を変えて、鋼鉄メッシュを変更するのではなく、溶接時の熱入力を減らすべきであると示唆しています。熱入力を少なくすることで、損傷した層をより薄くすることができ、それによって鋼鉄メッシュの持つ本来の強さを最大限に活用できる可能性があります。このアプローチは、より軽量で効率的な車両や機械を構築するための有望な道筋を示しており、「時には、より強い接続の鍵は、架け橋そのものではなく、その架け橋が立っている地面を守ることにある」ということを証明しています。