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

In de moderne wereld van transport en machines heeft het streven naar energiebesparing en vermindering van emissies ingenieurs ertoe aangezet om zwaar staal te vervangen door lichtere materialen. Twee van de meest populaire keuzes zijn aluminium, een metaal dat licht en sterk is, en koolstofvezelversterkte kunststof, een composietmateriaal gemaakt van dunne koolstofdraden die zijn ingesloten in een harde hars. Hoewel deze materialen op zichzelf uitstekend zijn, is het samenvoegen ervan lang een hoofdpijndossier geweest. Traditionele methoden, zoals het aan elkaar bouten van de materialen, voegen gewicht toe en creëren zwakke punten, terwijl het lijmen lange wachttijden vereist voor het uitharden van de lijm. Jarenlang hebben wetenschappers gezocht naar een snellere, sterkere manier om metaal en kunststof te versmelten zonder ze te smelten, in de hoop hybride structuren te creëren die zowel licht als duurzaam zijn.

Een team onderzoekers van de Gifu Universiteit en haar partners heeft een belangrijke stap voorwaarts gezet in het oplossen van dit probleem door gebruik te maken van een techniek genaamd friction stir spot welding (wrijvings-puntlassen). Dit proces werkt als een snelle, vaste-stof-mixer: een draaiend gereedschap drukt op de overlappende platen aluminium en kunststof, waardoor er genoeg warmte door wrijving wordt gegenereerd om de materialen te verzachten zonder ze te smelten, zodat ze met elkaar kunnen versmelten. Het direct lassen van aluminium aan koolstofvezelkunststof is echter lastig omdat de twee materialen niet van nature goed aan elkaar hechten. Om dit te overwinnen, introduceerden de onderzoekers een slimme tussenpersoon: een dunne plaat van staaldraadgaas. Ze plaatsten dit gaas op het oppervlak van de kunststof plaat voordat ze gingen lassen, waardoor er effectief een brug werd geslagen tussen het metaal en de kunststof. Het doel was om te zien of deze stalen brug de twee verschillende materialen steviger bij elkaar kon houden dan een directe las, en om te begrijpen hoe lang deze verbindingen zouden meegaan onder herhaalde belasting.

De onderzoekers begonnen met het voorbereiden van hun materialen. Ze gebruikten standaard aluminiumlegeringsplaten en koolstofvezelplaten gemaakt van een specif kind type kunststofhars. Voordat ze de materialen samenvoegden, namen ze een roestvrijstalen draadgaas en persten dit met behulp van hitte en druk in het oppervlak van de koolstofvezelplaat, waarbij de draden enigszins in de kunststof werden ingebed. Vervolgens gebruikten ze het friction stir spot welding-gereedschap om de aluminium plaat aan dit met gaas versterkte kunststof te verbinden. Om de beste combinatie te vinden, testten ze drie verschillende soorten staalgaas: een enkele laag van een gangbaar roestvrij staal, een dubbele laag van datzelfde staal, en een enkele laag van een sterker, complexer staallegering. Ze maakten ook controlematerialen door het aluminium direct aan de kunststof te lassen zonder gaas, om te zien hoeveel het staal daadwerkelijk hielp.

Toen ze de gelaste verbindingen uit elkaar trokken om de sterkte te testen, waren de resultaten opmerkelijk. De verbindingen die het staalgaas gebruikten, waren bijna twee keer zo sterk als de verbindingen die direct zonder het gaas waren gelast. Dit bevestigde dat het staalgaas fungeerde als een krachtig bindmiddel. Het aluminium en de staaldraden versmolten chemisch, waardoor een sterke laag van gemengd metaal ontstond, terwijl de staaldraden mechanisch in de kunststof werden vergrendeld. Echter, toen de onderzoekers de verschillende soorten gaas met elkaar vergeleken, kwam er een verrassend patroon naar voren. Hoewel het dubbellaagse gaas en de sterkere staallegering afzonderlijk veel taaier waren dan het enkellaagse gangbare roestvrij staal, nam de uiteindelijke sterkte van de gelaste verbindingen niet evenredig toe. De verbinding gemaakt met het sterkste gaas was niet significant sterker dan de verbinding met het zwakste gaas. Sterker nog, het verschil in de uiteindelijke sterkte van de verbindingen was zeer klein, ongeacht hoe sterk het staalgaas zelf was.

Om te begrijpen waarom het sterkere staal niet leidde tot sterkere verbindingen, bekeken de onderzoekers nauwgezet waar de materialen daadwerkelijk braken. Wanneer ze de verbindingen uit elkaar trokken, bleven het staalgaas en het aluminium aan elkaar zitten, maar scheurde de koolstofvezelkunststof los. De breuk vond niet plaats in het staal of op de grens tussen het metaal en de kunststof, maar binnen de kunststof zelf, op een kleine afstand van waar het lasgereedschap had gedrukt. Door de gebroken stukken onder een microscoop te onderzoeken, ontdekten ze dat de hitte van het lasproces de kunststofhars in een dunne laag had beschadigd, waardoor er minuscule lege ruimtes of holtes waren ontstaan. Deze beschadigde zone was slechts ongeveer tweehonderd micrometer dik, wat ongeveer de breedte is van twee menselijke haren. Omdat de kunststof in deze dunne laag door de hitte was verzwakt, was dit de zwakste schakel in de hele keten. Hoe sterk het staalgaas ook was, de verbinding kon slechts zo sterk zijn als deze dunne, door hitte beschadigde laag kunststof.

De onderzoekers testten vervolgens hoe deze verbindingen standhielden onder herhaalde belasting, waarbij ze de soort trillingen en schokken simuleerden die een auto-onderdeel in de loop van de tijd zou kunnen ervaren. Ze ontdekten dat de vermoeidheidssterkte, oftewel het vermogen om na vele belastingscycli niet te breken, bijna identiek was voor alle drie de typen staalgaas. Net als bij de statische sterkteproeven begon de vermoeidheidsbreuk op dezelfde plek: in de door hitte beschadigde kunststof nabij de interface. Het staalgaas brak niet eerst; in plaats daarvan ontstonden er scheuren in de verzwakte kunststof, en pas nadat de kunststof was gefaald, knapten de staaldraden uiteindelijk ook. Dit bevestigde dat de levensduur van de verbinding werd bepaald door de conditie van de kunststof, en niet door de sterkte van de stalen brug.

De studie concludeert dat hoewel het staaldraadgaas essentieel is voor het creëren van een sterke binding tussen aluminium en koolstofvezelkunststof, het simpelweg gebruiken van een sterker of dikker gaas de verbinding niet sterker maakt. De beperkende factor is de dunne laag kunststof die door de hitte van het lassen wordt beschadigd. De onderzoekers suggereren dat om deze verbindingen in de toekomst nog sterker te maken, de focus moet verschuiven van het veranderen van het staalgaas naar het verminderen van de hitte-invoer tijdens het lassen. Door minder hitte te gebruiken, zou de beschadigde laag kunststof dunner worden, wat potentieel de volledige sterkte van het staalgaas zou kunnen benutten. Deze aanpak biedt een veelbelovend pad voor het bouwen van lichtere, efficiëntere voertuigen en machines, en bewijst dat de sleutel tot een sterkere verbinding soms niet in de brug zelf ligt, maar in het beschermen van de grond waarop zij staat.