Influence of the Interlayer Film Thickness on the Mechanical Performance of AA2024-T3/CF-PPS Hybrid Joints Produced by Friction Spot Joining - Influencia da Espessura do Filme Polimerico Intermediario na Resistencia Mecanica de Juntas Hibridas de Alumínio 2024-T3 e CF-PPS Produzidas por Uniao Pontual por Friccao

Abstract

Friction Spot Joining (FSpJ) is an innovative friction-based joining technique for metal-polymer hybrid structures. Friction spot joints of aluminum alloy 2024-T3 and carbon-fiber reinforced poly(phenylene sulfide) composite laminate (CF-PPS) were produced with an additional PPS film interlayer. Two different film thicknesses were investigated in this study: 100 and 500 µm. Lap shear testing demonstrated that the joints produced with 100 µm film (2093 ± 180 N) were stronger than the joints with 500 µm (708 ± 69 N). Additionally, the fracture surface analysis revealed a larger bonding area for the joints with 100 µm film (53 ± 2 mm2) as compared to the joints with 500 µm film (40 ± 1 mm2). Considering the low thermal conductivity of PPS, the thinnest film is more likely to soften by the frictional heat during the joining process. Hence, the low viscosity of the molten PPS favors the wettability of the parts’ surface. Microstructural analyses proved that the metallic nub formation and the interdiffusion of PPS chains between film and composite matrix are also favored for thinner film use. Thus, superior adhesion between the partners is achieved. Therefore, it was concluded that the addition of the thinnest film interlayer leads to stronger joints. Resumo A União Pontual por Fricção (FSpJ) é uma técnica inovadora para união de estruturas híbridas metal-polímero e baseia-se na geração de calor por fricção. Juntas de alumínio 2024-T3 e compósito laminado de poli(sulfeto de fenileno) com fibra de carbono (CF-PPS) foram produzidas com filme intermediário de PPS. Duas espessuras de filme foram investigadas: 100 e 500 µm. Ensaios de cisalhamento sob tração demonstraram que as juntas com filmes de 100 µm são mais resistentes (2093 ± 180 N) em relação às juntas com filme de 500 µm (708 ± 69 N). Adicionalmente, as superfícies de fratura das juntas revelaram áreas de união maiores para as juntas com filmes de 100 µm (53 ± 2 contra 40 ± 1 mm2). Para o filme mais fino, a extensão do amolecimento devido ao calor friccional é maior. Consequentemente, a baixa viscosidade atingida com a fusão do polímero favorece a molhabilidade das superfícies dos componentes da junta pelo PPS amolecido, resultando em melhor adesão entre as partes. Ademais, análises microestruturais demonstraram que a formação do cerne metálico e a interdifusão das moléculas de PPS entre compósito e filme também são favorecidas. Portanto, concluiu-se que a adição do filme mais fino produziu juntas mais resistentes.