مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

بررسی تجربی اتصال ورق آلومینیوم و کامپوزیت CFRP با استفاده از فرایند ساخت افزایشی اولتراسونیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
چکیده
به دلیل نسبت بالای استحکام به وزن دو ماده آلومینیم و الیاف کربن، کاربرد این دو ماده و اتصال آن‌ها به یکدیگر در صنعت خودروسازی و هوافضا در حال گسترش است. هدف اصلی از انجام این پژوهش، تشکیل یک سازه سه بعدی متشکل از سه لایه ورق متصل‌شده به یکدیگر با استفاده از فرایند ساخت افزایشی اولتراسونیک می‌باشد. این سازه سه لایه‌ای به صورت دولایه آلومینیوم 6061 در دوطرف و یک لایه پلیمر بهبود یافته با الیاف کربن لایه چینی شده است. در نهایت با دستگاه آزمون کشش، استحکام کششی‌برشی سطح مقطع جوش تمامی 15 نمونه آزمایشی، بر حسب مگاپاسکال اندازه‌گیری شد. طراحی آزمایش با روش پاسخ سطح، نوع باکس بنکن انجام شد. سه پارامتر توان، زمان و فشار و هر کدام در سه سطح به عنوان پارامترهای متغیر در نظر گرفته شده است. به منظور طراحی آزمایش و همچنین تحلیل و بررسی داده‌های آزمون، از نرم افزار دیزاین اکسپرت بهره گرفته‌شده است. نمودارهای تاثیر هرکدام از پارامترها استخراج شد و پارامترهای بهینه نیز بدست آمد. نتایج نشان داد که پارامتر توان اولتراسونیک بیشترین و پارامتر فشار کمترین تاثیرگذاری در استحکام کششی برشی جوش را دارند. بیشترین استحکام کششی‌برشی با پارامترهای توان 1400 وات، زمان 4/0 ثانیه و فشار 7 بار برابر با حدود 92 مگاپاسکال بدست آمد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Experimental study of the ultrasonic additive manufacturing using the aluminum and CFRP composite

نویسندگان English

Saeed Karbasforoosh 1
Alireza Hajialimohammadi 2
1 MSc Graduate, Faculty of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده English

Due to the high strength to weight ratio of aluminum and carbon fiber, The use of these two materials and their connection to each other is expanding in the automotive and aerospace industry. The main purpose of this research is to connect three layers of sheets to each other layer by layer, consisting of two layers of aluminum 6061 T6 on both sides with a thickness of 1 mm and a layer of CFRP with a thickness of 0.7 mm in the middle, which was done successfully. 15 pieces of aluminum and CFRP sheets were divided into 25 x 60 mm pieces connected to each other layer by layer using ultrasonic metal welding machine. Finally, with the tensile testing machine, the shear tensile strength of the weld cross-section of all 15 test samples was calculated and measured. The design of the experiment was done with the response surface method, the box behnken type, and three parameters of power, time, and pressure, each at three levels, are considered as variable parameters. In order to design the experiment as well as analyze and check the test data, Design Expert software has been used. In the following, the graphs of the influence of each of the parameters were extracted and the optimal parameters were also obtained. The highest shear tensile strength was obtained with power parameters of 1400 watt, time of 0.4 seconds and pressure of 7 bar equal to about 92 MPa.

کلیدواژه‌ها English

Ultrasonic Welding
Additive Manufacturing
CFRP
Weld Strength
[1] Lambiase F, Balle F, Blaga LA, Liu F, Amancio-Filho ST. Friction-based processes for hybrid multi-material joining. Composite Structures. 2021 Jun 15;266:113828. doi: 10.1016/j.compstruct.2021.113828
[2] Lionetto F, Balle F, Maffezzoli A. Hybrid ultrasonic spot welding of aluminum to carbon fiber reinforced epoxy composites. Journal of Materials Processing Technology. 2017 Sep 1;247:289-95. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.05.002
[3] Krüger S, Wagner G, Eifler D. Ultrasonic welding of metal/composite joints. Advanced engineering materials. 2004 Mar;6(3):157-9. doi: 10.1002/adem.200300539
[4] Yang Y, Li Y, Li YA, Wang B, Ao S, Zhen Luo. Advances in ultrasonic welding of carbon fiber reinforced       thermoplastic composites. Journal of Mechanical Engineering. 2021;57:130–56. doi: 10.3390/ma13061284 [In Chinese]
[5] KianiMajd M, Hajialimohammadi A, Raiat Roknabadi A, Golbaz S. Experimental study of the effect of ultrasonic waves on the parameters of the electrochemical deburring process. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2023 Apr 21;10(2):1-6. doi: 10.22034/IJME.2023.417555.1836 [In Persian]
[6] KianiMajd M, Hajialimohammadi A. Development of an electrochemical deburring process using ultrasonic waves for‎ combustion engine oil spring ring. The Journal of Engine Research. 2024 Jun 21;71(2):55-68. doi: 10.22034/ER.2024.2025121.1040 [In Persian]
[7] Jadidi T, Hajialimohammadi A, Azadi M. Ultrasonic Assisted Drilling of Carbon Fiber Reinforced Plastic Composites with Non-Rotating Vibratory Tool. Mechanics of Advanced Composite Structures. 2022 Apr 1;9(1):147-54. doi: 10.22075/MACS.2022.24286.1356
[8] Liu Y, Zhao H, Zhou B, Zhou L, Wang P, Yang H, Song X. A review on friction-based metal/polymer joining        technology. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica. 2021;42. doi: 10.7527/S1000-6893.2021.25016 [In Chinese]
[9] Liu Z, Li Y, Liu Z, Yang Y, Li Y, Luo Z. Ultrasonic welding of metal to fiber-reinforced thermoplastic composites: A review. Journal of Manufacturing Processes. 2023 Jan 6;85:702-12. doi: 10.1016/j.jmapro.2022.12.001
[10] Zhou Y, Fan H, Jiang K, Gou M, Li N, Zhu P, Tu Y. Experimental flexural behaviors of CFRP strengthened aluminum beams. Composite Structures. 2014 Sep 1;116:761-71. doi: 10.1016/j.compstruct.2014.06.012
[11] Meng F, Li W, Fan H, Zhou Y. A nonlinear theory for CFRP strengthened aluminum beam. Composite Structures. 2015 Nov 1;131:574-7. doi: 10.1016/j.compstruct.2015.06.022
[12] Zhao XL, Zhang L. State-of-the-art review on FRP strengthened steel structures. Engineering structures. 2007 Aug 1;29(8):1808-23. doi: 10.1016/j.engstruct.2006.10.006
[13] Teng JG, Yu T, Fernando D. Strengthening of steel structures with fiber-reinforced polymer composites. Journal of constructional steel research. 2012 Nov 1;78:131-43. doi: 10.1016/j.jcsr.2012.06.011
[14] Harries KA, Peck AJ, Abraham EJ. Enhancing stability of structural steel sections using FRP. Thin-walled structures. 2009 Oct 1;47(10):1092-101. doi: 10.1016/j.tws.2008.10.007
[15] Christke S, Gibson AG, Grigoriou K, Mouritz AP. Multi-layer polymer metal laminates for the fire protection of lightweight structures. Materials & Design. 2016 May 5;97:349-56. doi: 10.1016/j.matdes.2016.02105
[16] Staab F, Liesegang M, Balle F. Local shear strength distribution of ultrasonically welded hybrid Aluminium to CFRP joints. Composite Structures. 2020 Sep 15;248:112481. doi: 10.1016/j.compstruct.2020.112481
[17] James S, Dang C. Investigation of shear failure load in ultrasonic additive manufacturing of 3D CFRP/Ti structures. Journal of Manufacturing Processes. 2020 Aug 1;56:1317-21. doi: 10.1016/j.jmapro.2020.04.026
[18] Dal Conte UF, F Villegas I, Tachon J. Ultrasonic plastic welding of CF/PA6 composites to aluminium: process and mechanical performance of welded joints. Journal of Composite Materials. 2019 Aug;53(18):2607-21. doi: 10.1177/0021998319836022
[19] Guo H, Gingerich MB, Headings LM, Hahnlen R, Dapino MJ. Joining of carbon fiber and aluminum using ultrasonic additive manufacturing (UAM). Composite Structures. 2019 Jan 15;208:180-8. doi: 10.1016/j.compstruct.2018.10.004
[20] Arenas JM, Narbón JJ, Alía C. Optimum adhesive thickness in structural adhesives joints using statistical techniques based on Weibull distribution. International Journal of Adhesion and Adhesives. 2010 Apr 1;30(3):160-5. doi: 10.1016/j.ijadhadh.2009.12.003
[21] Ribeiro TE, Campilho RD, da Silva LF, Goglio L. Damage analysis of composite–aluminium adhesively-bonded single-lap joints. Composite Structures. 2016 Feb 1;136:25-33. doi: 10.1016/j.compstruct.2015.09.054                                                                                            
[22] Marannano GV, Zuccarello B. Numerical experimental analysis of hybrid double lap aluminum-CFRP joints. Composites Part B: Engineering. 2015 Mar 15;71:28-39. doi: 10.1016/j.compositesb.2014.11.025
[23] Lionetto F, Balle F, Maffezzoli A. Hybrid ultrasonic spot welding of aluminum to carbon fiber reinforced epoxy composites. Journal of Materials Processing Technology. 2017 Sep 1;247:289-95. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.05.002
[24] ASTM D3528-96 (DOUBLE LAP SHEAR TEST)