محققان دانشگاه صنعتی شریف ایران با همکاری دانشگاه واترلو کانادا به بررسی امکان و نحوه‌ی اتصال‌دهی مطلوب میان آلیاژهای فلزی و پلیمرها پرداختند. نتایج این پژوهش مورد توجه صنعت خودروسازی جهت اتصال قطعات پلیمری به فلزی قرار خواهد گرفت.
اتصال قطعات فلزی به قطعات پلیمری
سازندگان خودرو همواره به دنبال ساخت وسایلی سبک‌تر، ایمن‌تر و با سازگاری محیطی بالاتر هستند. استفاده از آلیاژهای آلومینیم و قطعات پلیمری و ترکیب آن‌ها، دستیابی به این امر را امکان‌پذیر نموده است. بنابراین برای تولید سازه‌های پیچیده از این مواد، بحث اتصال آن‌ها مطرح خواهد بود.
در این راستا اتصال نامتجانس میان فلز و پلیمر می‌تواند خواص مختلف آن‌ها را به‌گونه‌ای که ماده‌ی ترکیبی تولیدی دارای کارکرد ساختاری میانه‌ای از هر کدام از اجزاء به صورت جداگانه باشد، ترکیب نماید. برای مثال، بهبود کارایی وزن به استحکام در اجزای حمل و نقل یکی از مزایای اصلی اتصال پلیمر-فلز است.
نتایج این طرح مشکل اتصال‌دهی نامتجانس قطعاتی از جنس آلیاژهای آلومینیم به قطعات پلیمری ترموپلاستیک را برطرف می‌نماید. در این طرح فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی به عنوان روشی پربازده‌تر در مقایسه با اتصال‌دهی شیمیایی چسبی یا مکانیکی با پیچ و پرچ مطرح شده است.
همچنین، عوامل و شرایط فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی جهت دستیابی به اتصالی با ظاهر و خواص مناسب میان آلیاژ آلومینیم 5059 و پلی‌اتیلن چگالی بالا بهینه گردیده است. این تحقیق اولین گزارش بر روی اتصال‌دهی اصطکاکی اغتشاشی نامتجانس آلومینیم-پلی‌اتیلن و یا به طور کلی‌تر فلز-پلیمر است.
دکتر فرزاد خدابخشی، در خصوص اهمیت انجام این پژوهش می‌گوید: «به دلیل تفاوت زیاد خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی پلیمرها و فلزات، اعمال روش‌های مرسوم جوشکاری برای اتصال این مواد غیرممکن است. به‌طور خیلی ساده محدوده‌ی دمایی موردنیاز جهت دستیابی به اختلاط با ماده‌ی فلزی سخت‌تر حین جوشکاری، سبب نرم شدن، اکسیداسیون و از بین رفتن پلیمر می‌گردد.
روش اتصال‌دهی جدید در حالت جامد
بنابراین، نیاز به ابداع روش اتصال‌دهی جدیدی در حالت جامد است. در میان روش‌های مختلف اتصال‌دهی حالت جامد، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی روشی سازگار با توانایی بالا جهت اتصال مواد غیرهمجنس با خواص کاملاً متفاوت (فلزات و غیرفلزات) است.»
به گفته‌ی این محقق اتصال‌دهی نامتجانس حالت جامد آلیاژ آلومینیم به پلی‌اتیلن، به روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی سبب افزایش قابل ملاحظه‌ای در سرعت تولید در مقایسه با روش‌های اتصال‌دهی شیمیایی بر پایه‌ی چسب یا مکانیکی بر پایه‌ی پیچ و پرچ شده است. به تبع این امر کاهش هزینه و کاهش قیمت تمام شده محصول عملی شده و همچنین می‌تواند سبب کاهش آلودگی و کاهش اثرات جانبی نیز گردد.
با بررسی طرح‌های اتصال و پارامترهای جوشکاری مختلف مشخص گردیده که جوش اصطکاکی اغتشاشی با ظاهری مناسب و بدون عیب، با استفاده از طرح اتصال سر به سر قابل دستیابی است. در این مطالعات مشاهده شده که تشکیل لایه‌ای نیمه کریستالی با ضخامتی حدود 30 نانومتر از فاز آلومینای کوراندوم در فصل مشترک زمینه‌های آلومینیومی و پلیمری نقش بسزایی در اتصال‌دهی این مواد نامتجانس دارد.
در روند این تحقیقات ابتدا پارامترهای فرایندی از قبیل سرعت چرخشی و انتقالی و طرح و هندسه‌ی ابزار جهت دستیابی به جوشی عاری از عیب با ظاهر مناسب بهینه گردیدند. سپس، مکانیزم اتصال‌دهی، استحکام اتصال و سختی نواحی مختلف در مقطع جوش مطالعه شدند. مشخصات فاز جدید تشکیل شده نیز با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری روبشی و با قابلیت تفکیک بالا مورد بررسی قرار گرفت.
شماتیک انجام فرایند اتصال‌دهی
بر اساس گفته‌ی خدابخشی، قفل شدن مکانیکی، با تشکیل قیدهای میکرو و ماکرو در کنار اتصال شیمیایی فصل مشترکی میان لایه‌های آلومینیم و پلیمر انجماد یافته، مکانیزم‌های اصلی اتصال‌دهی حین فرایند جوشکاری است.
این تحقیقات حاصل همکاری دکتر فرزاد خدابخشی- دانش آموخته‌ی دانشگاه صنعتی شریف- و همکارانش در دانشگاه واترلو کشور کانادا است که نتایج آن در مجله‌ی Materials Characterization (جلد 98، شماره 1، سال 2014، صفحات 73 تا 82) به چاپ رسیده است.
