BRPI0619906B1 - "método para fabricar um elemento estrutural e elemento estrutural destinado à construção aeronáutica". - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA FABRICAR UM ELEMENTO ESTRUTURAL E ELEMENTO ESTRUTURAL DESTINADO À CONSTRUÇÃO AERONÁUTICA".

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um novo método de fabricação para elementos de estrutura, tipicamente baseados em alumínio, que compreendem pelo menos dois elementos diferentes, pela montagem de peças que foram formadas com antecedência, A invenção pode ser utilizada para a fabricação de elementos de estrutura e especificamente longarínas para a construção aeronáutica.

TÉCNICA ANTERIOR

As peças que tem características mecânicas que são variáveis no espaço são muito atrativas para a construção aeronáutica, Porque algumas peças são confrontadas localmente com diferentes tensões que chamam por soluções técnicas localmente diferentes. Assim, as longarínas as quais conectam as superfícies de asa superior e inferior estão sujeitas principal mente a tensões de compressão na sua porção superior e principal mente a tensões de tração na sua porção inferior. Uma longa ri na está assim basicamente sujeita a tensões de dobramento e de cisalhamento. As peças mais adequadas para as tensões de compressão são tipicamente as peças que tem uma alta resistência mecânica estática, e as soluções técnicas adotadas atualmente para a superfície superior utilizam as ligas de alumínio do tipo 7XXX, tal como, por exemplo, a liga 7449 no estado T79. Por outro lado, as peças mais adequadas para as tensões de tração são tipicamente as peças que tem uma alta tolerância a danos de modo a evitar a propagação de rachaduras e as soluções técnicas atualmente adotadas para a superfície inferior utilizam as ligas de alumínio do tipo 2XXX, tal como, por exemplo, a liga 2024A no estado T351.

As asas de aeroplano são compostas de numerosos elementos os quais são gerai mente montados por rebítamento ou a parafusa mento. Uma asa geralmente compreende uma tongarina dianteira e uma longarina traseira e, como uma exceção uma longarina central. O comprimento da lon- garina é medido na direção longitudinal L (direção da envergadura de asa do aeroplano) que estende-se da raiz da asa até a sua extremidade, a sua altura é medida na direção transversal H que estende-se da porção inferior da asa até a sua porção superior e a espessura da longarina é medida na direção E a qual estende-se da borda de ataque da asa até a sua borda de fuga. A espessura da longarina é pequena (geralmente menor do que 200 mm) enquanto que a sua altura pode ser substancial (da ordem de 1 a 2 m para os aeroplanos de transporte de grande capacidade na vizinhança da raiz) e o seu comprimento pode ter diversos metros. Vistas em corte transversal, as longarinas dianteira e traseira tem tipicamente uma forma em C enquanto que a longarina central tem tipicamente uma forma em I. A longarina compreende uma porção central denominada a alma e extremidade as quais são tipicamente perpendiculares à alma e denominadas flanges (ou abas). A longarina é reforçada a intervalos regulares ao longo do comprimento por traves perpendiculares à direção longitudinal. Estas traves (também denominadas montantes) podem ser obtidas por montagem ou de preferência por usinagem na massa, e estas constituem uma espessura excessiva local. Um interrompedor de rachaduras, paralelo à direção longitudinal e localizado na porção inferior da longarina, pode estar presente para o propósito de impedir que as rachaduras criadas na região sob tensão se propaguem. Como as traves, o interrompedor de rachaduras pode ser obtido por montagem ou de preferência por usinagem. A maioria das longarinas são obtidas por usinagem integral partindo de um único bloco metálico, o que permite ganhos apreciáveis em produtividade comparado com a montagem mecânica no entanto, uma escolha intermediária precisa ser feita em relação à liga e ao estado metalúrgico de modo a obter, na porção superior, uma resistência mecânica estática suficiente e, na porção inferior, uma tolerância a danos aceitável. Uma escolha clássica atualmente é a utilização da liga 7010 ou da liga 7040 no estado T7651.

Seria, no entanto, especificamente valioso produzir uma longarina bifuncional a qual é otimizada na sua porção superior para as tensões de compressão e, na sua porção inferior, para as tensões de tração. Porque tal otimização permitira que o peso de cada uma das porções fosse reduzido e portanto a priori o peso da longarina fosse reduzido, o que é um objetivo fundamental da estrutura aeronáutica dos dias presentes porque permite que o custo de operação do avião seja reduzido. Mais ainda, tornar mais leve o avião envolve um aumento nas tensões aplicadas na superfície inferior e na superfície superior. Uma longarina não otimizada limita as tensões as quais podem ser aplicadas na superfície superior e na superfície inferior.

Tal resultado pode ser obtido montando duas peças as quais tem diferentes propriedades mas as quais são essencialmente homogêneas dentro de cada peça. A montagem pode ser efetuada mecanicamente (por exemplo, por aparafusamento ou rebitamento). No entanto, este tipo de montagem leva muito tempo e é dispendioso porque este necessita a perfuração de numerosas aberturas e requer um equipamento sofisticado. Além disso, o ganho em peso obtido devido à otimização das peças é parcialmente perdido devido à necessidade de sobrepor as peças montadas mecanicamente. Outro método seria montar a longarina por soldagem. Das técnicas de soldagem conhecidas, a soldagem por agitação e fricção ou FSW parece especificamente adequada para a montagem de peças feitas de diferentes ligas. O Pedido PCT WO 98/58759 (British Aerospace) descreve um lingote híbrido o qual é formado de uma liga 2000 e uma liga 7000 por soldagem por agitação e fricção e do qual uma longarina é usinada. Este pedido também descreve as longarinas montadas por soldagem por agitação e fricção e menciona o valor de otimização de cada porção da longarina como uma função das tensões locais. A descrição da longarina é, no entanto, muito esquemática neste pedido porque está limitada a uma vista em corte transversal em forma de C.

Existem numerosas dificuldades técnicas associadas com a soldagem por agitação e fricção. Primeiro de tudo, e como para todas as técnicas de soldagem, a soldagem por agitação e fricção leva a mudanças metalúrgicas na região soldada e nas regiões próximas da região soldada as quais são afetadas pelo calor, cujas mudanças podem modificar as propriedades mecânicas destas regiões. Numerosas patentes ou pedidos de patente, tal como US 6.168.067, US 2004/0056075, US 6.902.444 descrevem tratamentos térmicos antes ou após a operação de soldagem o que permite que os efeitos danosos da soldagem sobre as propriedades mecânicas da junta sejam limitados. Subsequentemente, a espessura da região soldada é especificamente limitada no caso de soldagem por agitação e fricção. Assim, a espessura máxima que pode ser montada na soldagem por feixe de elétrons é na ordem de 100 mm, enquanto que é na ordem de 10 mm na soldagem por agitação e fricção.

Por outro lado, a soldagem por agitação e fricção tem a vantagem de permitir que numerosas geometrias de juntas soldadas sejam obtidas e permitir que diferentes ligas sejam soldadas juntas. O Pedido de Patente EP 1 547 720 A1 (Airbus UK) descreve um método para a montagem por soldagem de duas peças as quais são tipicamente obtidas de diferentes ligas, de modo a produzir, após a usinagem, uma peça estrutural para aplicações aeronáuticas, tais como uma longarina. De modo a evitar a limitação de espessura da técnica de soldagem por agitação e fricção, uma ranhura é formada na espessura dos blocos opostos, o que os permite serem montados e posteriormente usinados. No entanto, esta ranhura causa um enfraquecimento das traves as quais compreendem, dependendo da usinagem ou uma cavidade ou um entalhe, o que pode requerer a adição de uma peça de reforço por rebitamento. A produção desta ranhura também constitui uma despesa extra. O Pedido de Patente EP 1 571 079 A1 (Airbus France) descreve uma longarina que tem um rebaixo na região central. Esta longarina pode ser produzida pela montagem de duas peças as quais são produzidas de diferentes materiais e as quais estão conectadas por uma barra de união de junção. O problema que a presente invenção busca resolver é de propor um novo método de fabricação de um elemento estrutural bifuncional ou multifuncional que compreende diversas peças montadas, o qual não so- mente evita um enfraquecimento das traves mas o qual, ao contrário, permite a produção de traves que tem uma resistência mecânica maior do que aquela obtida pelos método tradicionais.

ASSUNTO DA INVENÇÃO A invenção refere-se a um método para fabricar um elemento estrutural destinado à construção aeronáutica, tipicamente uma longarina de asa que compreende uma alma que se estende substancial mente em um plano (L, H), L sendo a direção longitudinal e H sendo a direção transversal, a alma tendo um comprimento LI e uma altura H1, o elemento estrutural sendo destinado a ser sujeito â tensão de dobramento por um momento perpendicular ao dito plano (L, H), e um ou mais elementos de trave adjacentes os quais são substancialmente perpendiculares à alma e os quais estendem-se na direção transversal, que compreende as seguintes etapas (i) pelo menos um primeiro e um segundo blocos metálicos são tornados disponíveis, o limite de elasticidade sob compressão do primeiro bloco metálico sendo maior do que aquele do segundo bloco metálico, (ii) o primeiro bloco metálico é usinado de tal modo a obter uma primeira peça monolítica usinada (S) a qual compreende uma primeira porção de alma (51) que tem um comprimento L1 e uma altura H4 menor do que H1 e pelo menos um elemento de trave (3) o qual é substancial mente perpendicular e adjacente à primeira porção de alma e cuja altura ΗΊ, a qual é substancialmente igual a H1, é tal que uma porção de trave de altura ΗΊ -H4 estende-se além da primeira porção de alma 51, (iii) é preparada, pela formação do segundo bloco metálico, pelo menos uma segunda peça (T) que compreende pelo menos uma segunda porção de alma (52) de comprimento L1 e altura H5 que estende-se na direção da altura H até uma altura H5, de modo que a soma H4 + H5 seja substancialmente igual a H1, (iv) a primeira peça monolítica (S) e a segunda peça (T) são montadas colocando as porções de alma (51) e (52) extremidade contra extremidade ao longo de seu comprimento comum inteiro L1, de modo que a porção de trave fique adjacente à segunda porção de alma, A invenção também refere-se a um elemento estrutural integral o qual pode ser obtido pelo método acima. A invenção refere-se a em terceiro a um elemento estrutural destinado à construção aeronáutica, tipicamente uma longarina de asa que compreende uma alma que estende-se substancial mente em um plano (L, H), L sendo a direção longitudinal que estende-se da raiz da asa até a sua extremidade, e H sendo a direção transversal que estende-se da porção inferior da asa até a sua porção superior, a alma tendo um comprimento LI e uma altura H1, e um ou mais elementos de trave (3) os quais são adjacentes e substancial mente perpendiculares à alma e os quais estendem-se na direção transversal, caracterizado pelo fato de que a) o elemento estrutural compreende pelo menos uma primeira peça monolítica (S) e uma segunda peça {T), b) o limite de elasticidade sob compressão do bloco metálico utilizado para produzir o elemento (S) é maior do que aquele do bloco metálico utilizado para produzir o elemento (T), c) a primeira peça (S) compreende uma primeira porção de alma substancial mente plana (51) de comprimento L1 e altura H4 menor do que H1 e pelo menos um elemento de trave (3} o qual é substancial mente perpendicular e adjacente à primeira porção de alma e cuja altura ΗΊ, a qual é substancial mente igual a H1, é tal que uma porção de trave de altura ΗΊ -H4 estende-se além da primeira porção de alma, d) a segunda peça (T) que compreende pelo menos uma segunda porção de alma substancial mente plana {52} de comprimento L1 e altura H5 tal que a soma H4 + H5 seja substancial mente igual a H1, e) a primeira peça monolítica (S) e a segunda peça (T) são colocadas lado a lado de tal modo que as porções de alma (51) e {52) fiquem extremidade contra extremidade ao longo de seu comprimento comum inteiro L1, e a porção de trave que estende-se além da primeira porção de alma fique adjacente à segunda porção de alma.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1 mostra diagramatícamente uma longarina de asa.

Figura 2 mostra um exemplo de um elemento estrutural de acordo com a invenção.

Figura 3 mostra a peça (S) de acordo com a invenção usinada na peça que tem o limite de elasticidade mais alto sob compressão.

Figura 4 mostra a peça (T) de acordo com a invenção a qual deve ser montada por soldagem com a peça (S).

Figura 5 é uma vista no plano (H, L) do elemento estrutural da Figura 2.

Figuras 6a, 6b, 6c, 7a e 7b são vistas em corte feitas nos planos (F-F), (E-E), (D-D), (B-B) e (A-A), respectiva mente.

Figuras 8 e 9 são vistas das duas faces de um exemplo de uma longarina de acordo com a invenção.

Figura 10 é um exemplo de outra modalidade do elemento estrutural de acordo com a invençâo. DESCRICÃO DA INVENÇÃO a) Definições A nomenclatura para as ligas de alumínio segue as regras da The Alumíníum Association, as quais são conhecidas das pessoas versadas na técnica. Os estados metalúrgicos estão definidos na Norma Européia EN 515. A composição química de ligas de alumínio padronizadas está definida, por exemplo, na norma EN 573-3. A menos que de outro modo indicado, as "propriedades mecânicas estáticas", isto quer dizer, a resistência à ruptura Rm„ o limite elástico RPo,2, e a elongaçâo na ruptura A, são determinadas por testes de tração de acordo com a norma EN 10002-1, o local e a direção de tomar os espécimes de teste sendo definidos nas normas EN 485-1 (produtos rolados) ou EN 755-1 (produtos extrudados). O limite elástico sob compressão é medido por um teste de acordo com a norma ASTM E9. O fator de intensidade de tensão Kapp é determinado de acordo com a norma ASTM E 561. A tenacidade KIC é medida de acordo com a norma ASTM e 399, a velocidade de propagação de racha d ura por fadiga (o assim denominado teste da/dM) é medido de acordo com a norma ASTM E 647. "Tolerância a danos1' significa, específica mente, a tenacidade e a resistência à propagação de ra- chaduras. O termo "usinagem" cobre qualquer processo para remover material, tal como torneamento, fresagem, furação, broqueamento, rosquea-mento, eletroerosão, retifica, polimento.

Aqui, um "elemento de estrutura" ou "elemento estrutural" de uma construção mecânica é uma peça mecânica cuja falha poderia comprometer a segurança da construção, os seus usuários, os seus utilizadores, ou outros.

Para um aeroplano, estes elementos estruturais incluem, especificamente, os elementos os quais compõem a fuselagem ( tais como o revestimento de fuselagem), as traves, os anteparos, as estruturas circunfe-renciais, as asas (tal como o revestimento de asa), as traves ou enrijecedo-res, as nervuras e as longarinas e a empenagem composta, especificamente, de estabilizadores horizontais e verticais, e também as vigas de piso, os trilhos de assentos e as portas. O termo "longarina" aqui denota os elementos longitudinais, isto que dizer, na direção da envergadura de asa, da asa e dos elementos unitários de cauda. "Peça sólida" ou "elemento sólido" aqui significa uma peça ou um elemento que não compreende uma abertura ou um rebaixo. O termo "elemento de estrutura monolítica" ou "peça monolítica" refere-se aqui a um elemento de estrutura ou uma peça a qual foi obtida, geralmente por usinagem, de um único bloco de produto rolado, extrudado, forjado ou moldado semi-acabado, sem montagem, tal como rebitamento, soldagem, ligação por adesivo, com outra peça.

No contexto desta descrição, um "elemento estrutural integral" denota um elemento estrutural cuja estrutura foi projetada para conseguir uma continuidade de material sobre a maior porção possível de modo a reduzir o número de pontos de montagem mecânica. Um "elemento estrutural integral" pode ser produzido ou por usinagem de profundidade, ou pela utilização de elementos que são formados, por exemplo, por extrusão, forjamen-to ou moldagem, ou por soldagem de elementos estruturais. Uma "estrutura mecanicamente montada" significa uma estrutura na qual as chapas metálicas, as quais são finas ou espessas como uma função do propósito pretendido do elemento estrutural (por exemplo, um elemento de fuselagem ou um elemento de asa) estão presas, normalmente por rebitamento, a traves e/ou estruturas (as quais podem ser fabricadas por usinagem de produtos extru-dados ou rolados). O termo "elemento de estrutura bifuncional ou multifuncional·' refere-se aqui principalmente às funções conferidas pelas propriedades mecânicas do produto e não à sua forma geométrica. b) Descrição Detalhada da Invenção De acordo com a invenção, o problema é resolvido pelo método para fabricar um elemento estrutural o qual está destinado para a construção aeronáutica, tipicamente uma longarina de asa que compreende uma alma que estende-se substancialmente em um plano (L, H), L sendo a direção longitudinal e H sendo a direção transversal, a alma tendo um comprimento L1 e uma altura H1, o elemento estrutural sendo destinado a ser sujeito à tensão de dobra mento por um momento perpendicular ao dito plano (L, H), e um ou mais elementos de trave adjacentes os quais são substancial mente perpendiculares à alma e os quais estendem-se na direção transversal, que compreende as seguintes etapas (i) pelo menos um primeiro e um segundo blocos metálicos são tornados disponíveis, o limite de elasticidade sob compressão do primeiro bloco metálico sendo maior do que aquele do segundo bloco metálico, (ii) o primeiro bloco metálico é usinado de tal modo a obter uma primeira peça monolítica usinada (S) a qual compreende uma primeira porção de alma (51) que tem um comprimento L1 e uma altura H4 menor do que H1 e pelo menos um elemento de trave (3) o qual é substancial mente perpendicular e adjacente à primeira porção de alma e cuja altura ΗΊ, a qual é substancialmente igual a H1, é tal que uma porção de trave de altura ΗΊ -H4 estende-se além da primeira porção de alma (51), (iii) é preparada, pela formação do segundo bloco metálico, pelo menos uma segunda peça (T) que compreende pelo menos uma segunda porção de alma (52) de comprimento L1 e altura H5 que estende-se na direção da altura H até uma altura H5, de modo que a soma H4 + H5 seja substancialmente igual a H1, (iv) a primeira peça monolítica (S) e a segunda peça (T) são montadas colocando as porções de alma (51) e (52) extremidade contra extremidade ao longo de seu comprimento comum inteiro L1, de modo que a porção de trave fique adjacente à segunda porção de alma.

Os blocos metálicos estão vantajosamente compostos de uma liga de alumínio e estes de preferência originam-se de peças grossas de metal de chapa, isto quer dizer, um metal de chapa que tem uma espessura maior do que ou igual a 12 mm, os quais são obtidos de ligas de alumínio de endurecimento estrutural. Em uma modalidade vantajosa da invenção, o primeiro bloco metálico é obtido de uma liga de alumínio da série 7XXX, e mais de preferência uma liga de alumínio incluída no grupo constituído por 7040, 7140, 7055, 7085, 7149, 7249, 7349, 7449. Em outra modalidade vantajosa da invenção, o primeiro bloco metálico é obtido de uma liga de alumínio que contém lítio, e mais de preferência uma liga de alumínio incluída no grupo constituído por 2050, 2094, 2098, 2195, 2196 e 2199. Em outra modalidade vantajosa da invenção, pelo menos uma peça monolítica (T) é obtida de uma liga de alumínio da série 2XXX e mais de preferência uma liga de alumínio incluída no grupo constituído por 2022, 2024, 2024A, 2027, 2056, 2139 ou uma liga de alumínio que contém lítio incluída no grupo constituído por 2050, 2094, 2098, 2195, 2196 e 2199.

Os processos de formação que podem ser utilizados na etapa (iii) incluem a rolagem, a extrusão, a estampagem por matriz, o forjamento e a usinagem. De preferência, a etapa (iii) é executada por usinagem. A montagem efetuada na etapa (iv) pode ser executada por qualquer método apropriado, especialmente aparafusamento, rebitamento, ligação por adesivo e soldagem. Os métodos de soldagem permitem que um elemento estrutural integral seja obtido, o que é vantajoso para a presente invenção, e estes compreendem a soldagem de oxiacetileno com metal de enchimento, soldagem de arco com eletrodos não consumíveis (TIG), solda- gem de ar com eletrodos de arame consumível ou soldagem semi-automática (MIG-MAG), soldagem de laser, soldagem de plasma, soldagem de feixe de elétrons, soldagem por agitação e fricção (FSW). Em uma modalidade vantajosa da invenção, a técnica de montagem utilizada é a soldagem por agitação e fricção.

No caso de moldagem por soldagem, um tratamento térmico pode ser executado, antes e/ou após a usinagem e/ou após a montagem sobre a(s) peça(s) (S) e/ou sobre a(s) peça(s) (T), de modo a obter o estado metalúrgico final mais adequado para as peças e para a região soldada. Um tratamento mecânico das soldas, por exemplo por jateamento de esferas, pode ser executado.

Uma etapa final na qual o elemento estrutural que resulta da etapa (iv) é usinado de modo a obter o elemento estrutural integral final pode opcionalmente ser executada. Esta etapa permite que quaisquer defeitos criados pela operação de soldagem sejam corrigidos e as dimensões exatas do elemento estrutural integral para a sua montagem na estrutura do avião sejam conseguidas. A figura 1 mostra um exemplo de uma vista em perspectiva de uma porção de longarina na forma de um C. O comprimento L1 da longarina é medido na direção longitudinal L que se estende da raiz da asa até a sua extremidade, a sua altura H1 é medida na direção transversal H que se estende da porção inferior da asa até a sua porção superior e a espessura E1 da longarina é medida na direção E a qual estende-se da borda de ataque da asa até a sua borda de fuga. Esta porção de longarina compreende um flange inferior (1), um flange superior (2) e uma alma (5). Os flanges inferior e superior são tipicamente planos e estendem-se em um plano o qual é tipicamente paralelo ao plano (E, L) na direção E até uma espessura E1 e na direção L até o comprimento L1. A alma (5) é tipicamente plana e estende-se substancialmente no plano (L, H) na direção H até a altura H1 e na direção L até o comprimento L1. Espaçadas em intervalos regulares, as traves (3) reforçam a alma (5). As traves (3) são elementos substancialmente perpendiculares à alma (5) as quais estendem-se na direção transversal H até uma altura próximo de ΗΊ próximo de H1 e na direção E até uma espessura E2 a qual é geralmente menor do que ou igual a E1. As alturas H1 e ΗΊ diferem basicamente de acordo com a espessura dos flanges. As formas das várias traves podem variar dentro da mesma peça. Algumas traves podem ser destinadas a serem presas nas nervuras e podem ter uma forma apropriada para esta utilização.

Para um elemento estrutural produzido por usinagem, existe uma continuidade de material entre as traves (3) e a alma (5).

Um interrompedor de rachaduras (4) pode opcionalmente ser adicionado a uma distância H2 do flange inferior, a qual é geralmente mais curta do que a distância H3 entre o interrompedor de rachaduras e o flange superior. O propósito do interrompedor de rachaduras (4) é de impedir que as rachaduras as quais apareceram na porção inferior, a qual é a mais sujeita às tensões de tração, propaguem na porção superior. Para um elemento estrutural produzido por usinagem, existe uma continuidade de material entre o interrompedor de rachaduras (4) e a alma (5). A figura 2 mostra uma vista em perspectiva de uma porção de longarina (30) que compreende duas traves de acordo com a invenção. Esta porção não é limitante e pode ser alongada de tal modo a incluir o número n de traves necessárias para a fabricação da longarina completa. Neste exemplo, a longarina de acordo com a invenção compreende duas peças, uma primeira peça monolítica (S) e uma segunda peça (T), as quais foram montadas. A alma (5) é constituída por duas porções de alma (51) e (52) que originam das peças (S) e (T), respectivamente, e posicionadas extremidade contra extremidade ao longo de seu comprimento comum inteiro L1, assim cooperando para formar a alma (5). De preferência, a alma desta peça de acordo com a invenção é sólida. As peças (S) e (T) estão individualmente descritas nas figuras 3 e 4. De acordo com a invenção, a peça (S) é produzida de um bloco que tem um limite de elasticidade sob compressão mais alto do que aquele do bloco utilizado para produzir a peça (T). Vantajosamente, a peça (T) pode ser produzida de um bloco que tem um fator de intensidade de tensão Kapp mais alto do que aquele do bloco utilizado para produzir a peça (S). Em uma modalidade vantajosa da invenção, a peça (S) é composta da liga σ enquanto que a peça (T) é composta da liga τ, a liga σ sendo favorável para obter altas propriedades mecânicas estáticas e a liga τ sendo favorável para obter uma alta tolerância a danos. As traves (3) formam uma parte integral da peça monolítica (S) de modo a obter as propriedades mecânicas mais favoráveis para o conjunto. A figura 3 assim mostra que as traves (3) as quais são substancialmente perpendiculares e adjacentes à porção de alma (51) estendem-se além da porção de alma (51) na direção H. Tipicamente, o elemento de trave (3) estende-se na direção da altura H até uma altura ΗΊ próximo de H1. A porção de alma (51) estende-se na direção H até uma altura H4 do flange superior (2) de tal modo que uma porção de trave, de altura ΗΊ - H4 estende-se além da porção de alma (51). De preferência, a distância H4 é maior do que H1/2 de modo a ter uma alma a qual é constituída principal mente pelo elemento que tem a mais alta resistência à compressão. Em uma modalidade vantajosa da invenção, as traves (3) são constituídas inteiramente pela liga σ. Na extremidade das traves (3), uma peça de alongamento (31) que estende-se na direção E até uma altura próxima de E1 pode opcionalmente facilitar prender na peça (T). É especificamente vantajoso ter uma trave com um alto limite de elasticidade sob compressão porque as tensões aplicadas nas traves são principalmente tensões de compressão associadas com as forças que tendem a mover a superfície superior e a superfície inferior uma na direção da outra e com as tensões diagonais.

No caso opcional no qual o elemento estrutural de acordo com a invenção contém um interrompedor de rachadura (4), o último é de preferência usinado na peça (S). A figura 4 mostra a peça (T) cuja porção de alma (52) é de comprimento L1 e de altura H5 de modo que a soma H4 + H5 seja substancialmente igual a H1.

Existem três regiões distintas de contato entre as peças (T) e (S) : a região (21) onde as porções de alma (51) da peça (S) e (52) da peça (T) estão em um contato de extremidade contra extremidade na direção L, a região (22) onde a porção de trave (3) que se estende além da porção de alma (51) está em contato com a porção de alma (52) da peça (T) na direção H e a região (23) onde a extremidade da trave da peça (S) está em contato com o flange inferior (1) da peça (T) na direção E. Um cordão de solda, o qual é de preferência obtido por soldagem por agitação e fricção, pode ser produzido nas regiões (21), (22), e (23). A soldagem da região (21) corresponde a uma solda de topo na direção L e a uma solda em forma de T na junção com cada trave, as soldas das regiões (22) e (23) correspondem a soldas em forma de T nas direções H e E, respectivamente. A figura 5 é uma vista no plano (H, L) da porção de longarina (30) da figura 2. As posições das seções mostradas em detalhes nas figuras 6 e 7 estão representadas na figura 5. A figura 6a é um corte no plano (E, L) na posição (F-F) de uma longarina de acordo com um exemplo da invenção. Esta é uma vista na direção do flange inferior (1), o contorno do qual está representado. Neste plano, a trave (3) originada da peça (S) enquanto que a porção de alma (52) originada da peça (T). Uma solda produzida na região (22) na direção H contribui para a montagem das peças (S) e (T). A figura 6b é um corte no plano (E, L) na posição (E-E) de uma longarina de acordo com um exemplo da invenção. Esta é uma vista na direção do flange inferior (1), o contorno do qual está representado. Nesta posição, a porção de alma (51) e a trave (3) ambas originam da peça (S). A figura 6c é um corte no plano (E, L) na posição (D-D) do interrompedor de rachaduras (4) de uma longarina de acordo com um exemplo da invenção. Esta é uma vista na direção do flange inferior (1), o contorno do qual está representado. O interrompedor de rachaduras (4) e a trave (3) ambos originam da peça (S). A figura 7a é um corte no plano (E, H) na posição (A-A) de uma longarina de acordo com um exemplo da invenção. Esta é uma vista na direção de uma trave (3), o contorno do qual está representado. A peça (S) está em contato de extremidade contra extremidade com a peça (T) na região (21). A figura 7b é um corte no plano (E, H) na posição (B-B) de uma trave (3), de uma longarina de acordo com um exemplo da invenção. Este corte mostra que a trave (3) origina da peça (S) e que esta está soldada na peça (T) em três regiões diferentes: (21), (22) e (23), nas direções L, H e E.

No caso de soldagem por agitação e fricção, uma vantagem técnica adicional da invenção é obtida devido à solda (21). Porque as soldas obtidas por soldagem por agitação e fricção atuam como interrompedores de rachaduras, no modo do interrompedor de rachaduras (4). Este efeito de soldagem por agitação e fricção está descrito, por exemplo, por R. John (R. John, K. V. Jata, K. Sadananda, International Journal of Fatigue 15 (2003) 939 - 948). A solda (21) portanto impede que as rachaduras criadas na peça (T) propaguem para a peça (S). O cordão de solda obtido por soldagem por agitação e fricção (21) pode permitir que a utilização de um interrompedor de rachaduras seja dispensada. As rachaduras geralmente aparecem no flange inferior e propagam dentro da alma. O cordão de solda obtido por agitação e fricção (21) está posicionado suficientemente distante do flange inferior para que as tensões não sejam muito grandes mas suficientemente próximo para parar rapidamente as rachaduras; vantajosamente a posição escolhida está próxima da linha neutra da asa. De preferência, a distância H4 está entre (2/3) ΊΗ1 e (5/6) *H1.

As figuras 8 e 9 mostram sobre as duas faces um exemplo de uma peça de acordo com a invenção que compreende oito traves (3). As soldas (22) para cada trave estão mostradas na figura 9.

Em uma modalidade vantajosa da invenção, o elemento estrutural compreende somente duas peças monolíticas, uma peça (S) e uma peça (T) as quais são montadas por soldagem.

Em outra modalidade da invenção, a peça (T) está formada por duas peças (Ta) e (Tb), as quais são vantajosamente montadas por soldagem. Esta modalidade é econômica porque permite que a peça (T) seja produzida utilizando um mínimo de material em forma não trabalhada, por exemplo composto de liga τ. A figura 10 mostra um exemplo de uma peça produzida de acordo com este método. A peça (Ta) compreende a porção de alma (52), e as peças (Ta) e (Tb) cooperam para formar o flange inferior (1). Uma solda adicional na direção longitudinal L (24), paralela à solda (21) e perpendicular às soldas (22) e (23), é produzida de modo a montar as peças (Ta) e (Tb). Em uma modalidade vantajosa, a peça (Ta) é montada com a peça (S) antes da montagem de (Tb) com (Ta) e (S) e as soldas são portanto produzidas na ordem (21), (22), (24) e (23).

De acordo com um exemplo da invenção, uma placa composta de liga σ é fundida de acordo com os métodos conhecidos da pessoa versada na técnica. De preferência, a liga σ é uma liga de endurecimento estrutural que permite que propriedades mecânicas estáticas melhoradas (R02, Rm) sejam obtidas. Em uma modalidade vantajosa da invenção, esta liga σ é uma liga de alumínio da série 7XXX, e mais de preferência uma liga de alumínio incluída no grupo constituído por 7040, 7055, 7140, 7085, 7149, 7249, 7349, 7449. Em outra modalidade vantajosa da invenção, esta liga σ é uma liga de alumínio que contém lítio, e mais de preferência uma liga de alumínio incluída no grupo constituído por 2094, 2195, 2196 e 2199. A placa obtida é homogeneizada, reaquecida, rolada a quente, colocada dentro de uma solução, temperada e opcionalmente sujeita a uma tensão de tração de acordo com as condições conhecidas da pessoa versada na técnica, de modo a obter uma chapa grossa que tem as dimensões desejadas. A chapa grossa obtida é então usinada de modo a obter uma peça (S), além disso, uma placa de liga de alumínio τ é fundida de acordo com os métodos conhecidos da pessoa versada na técnica. De preferência a liga de alumínio τ é uma liga de alumínio que tem propriedades de tolerância a danos melhoradas, tais como a tenacidade ou a resistência à propagação de rachaduras de fadiga. Em uma modalidade vantajosa da invenção, a liga de alumínio τ é uma liga de alumínio da série 2XXX e mais de preferência uma liga de alumínio incluída no grupo constituído por 2024, 2024A, 2056, 2098. A placa de liga de alumínio τ é homogeneizada, convertida em alta temperatura e opcionalmente em baixa temperatura de modo a obter uma chapa grossa que tem as dimensões desejadas. A chapa grossa de liga τ é então usinada de modo a obter a peça (T). Em outro exemplo de acordo com a invenção, a peça (T) é obtida por extrusão de um lingote de liga τ.

As peças (S) e (T) são então posicionadas uma em relação à outra de modo que as porções de alma (51) e (52) cooperam para forma a alma (5) e são mantidas no lugar por um dispositivo apropriado. As soldas (21) : a solda de topo entre as porções de alma (51) e (52) das peças (S) e (T) na direção L, (22): a solda em forma de T entre a trave (3) e a porção de alma da peça (T) (51), e (23): a solda em forma de T entre a trave (3) e o flange (1) da peça (T), são então produzidas por soldagem por agitação e fricção. Em geral, existe somente uma solda do tipo (21) cujo comprimento é o comprimento da peça final, enquanto existe uma solda do tipo (22) e uma solda do tipo (23) por trave. Em uma modalidade vantajosa da invenção, a soldagem por agitação e fricção é utilizada para produzir estas soldas. A ordem na qual as soldas (21), (22) e (23) são produzidas não é crítica mas os inventores observaram que é vantajoso produzir as soldas na ordem (21), (22) , e (23).

Após a montagem, uma usinagem final da peça montada (30) é executada de modo a obter as dimensões exatas desejadas.

De preferência, o elemento estrutural obtido pelo método de acordo com a invenção é uma longarina de asa.

Em outra modalidade vantajosa, o elemento estrutural obtido pelo método de acordo com a invenção é um componente de fuselagem.

Claims (24)

1. Método para fabricar um elemento estrutural destinado à construção aeronáutica, tipicamente uma longarina de asa que compreende uma alma que se estende substancialmente em um plano (L, H), L sendo a direção longitudinal e H sendo a direção transversal, a alma tendo um comprimento L1 e uma altura H1, o elemento estrutural sendo destinado a ser sujeito à tensão de dobramento por um momento perpendicular ao dito plano (L, H), e um ou mais elementos de trave (3) adjacentes os quais são substancialmente perpendiculares à alma e os quais estendem-se na direção transversal, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas (i) pelo menos um primeiro e um segundo blocos metálicos são tornados disponíveis, o limite de elasticidade sob compressão do primeiro bloco metálico sendo maior do que aquele do segundo bloco metálico, (ii) o primeiro bloco metálico é usinado de tal modo a obter uma primeira peça monolítica usinada (S) a qual compreende uma primeira porção de alma (51) que tem um comprimento L1 e uma altura H4 menor do que H1 e pelo menos um elemento de trave (3) o qual é substancialmente perpendicular e adjacente à primeira porção de alma e cuja altura ΗΊ, a qual é substancialmente igual a H1, é tal que uma porção de trave de altura ΗΊ -H4 estende-se além da primeira porção de alma (51), (iii) é preparada, pela formação do segundo bloco metálico, pelo menos uma segunda peça (T) que compreende pelo menos uma segunda porção de alma (52) de comprimento L1 e altura H5 que se estende na direção da altura H até uma altura H5, de modo que a soma H4 + H5 seja substancialmente igual a H1, (iv) a primeira peça monolítica (S) e a segunda peça (T) são montadas colocando as porções de alma (51) e (52) extremidade contra extremidade ao longo de seu comprimento comum inteiro L1, de modo que a porção de trave fique adjacente à segunda (52) porção de alma.

2. Método de fabricação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o método de montagem utilizado na etapa (iv) é a soldagem.

3. Método de fabricação de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o método de soldagem utilizado é a soldagem por agitação e fricção.

4. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as ligas utilizadas para produzir as peças (S) e (T) são diferentes.

5. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os blocos metálicos são compostos de liga de alumínio.

6. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o primeiro bloco metálico é obtido de uma liga de alumínio da série 7XXX.

7. Método de fabricação de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o primeiro bloco metálico é obtido de uma liga de alumínio incluída no grupo constituído por 7040, 7140, 7055, 7085, 7149, 7249, 7349, 7449.

8. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o primeiro bloco metálico é obtido de uma liga de alumínio incluída no grupo constituído por 2050, 2094, 2098, 2195, 2196 e 2199.

9. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma peça monolítica (T) é obtida de uma liga de alumínio da série 2XXX.

10. Método de fabricação de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma peça monolítica (T) é obtida de uma liga de alumínio incluída no grupo constituído por 2022, 2024, 2024A, 2027, 2056, 2139.

11. Método de fabricação de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma peça monolítica (T) é obtida de uma liga de alumínio incluída no grupo constituído por 2050, 2094, 2098, 2195, 2196 e 2199.

12. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que todos os elementos de trave (3) estão integralmente produzidos no bloco metálico que tem o limite de elasticidade mais alto sob compressão.

13. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o elemento estrutural é obtido pela soldagem de duas peças monolíticas (S) e (T).

14. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o elemento estrutural é uma longarina de asa.

15. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o elemento estrutural é um componente de fuselagem.

16. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de que um tratamento térmico é executado antes e/ou após a usinagem e/ou após a montagem sobre a(s) peça(s) (S) e/ou sobre a(s) peça(s) (T).

17. Método de fabricação de acordo com uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa final na qual o elemento estrutural integral que resulta de (iv) é usinado de modo a obter um elemento estrutural integral final.

18. Elemento estrutural destinado à construção aeronáutica, tipicamente uma longarina de asa que compreende uma alma que estende-se substancialmente em um plano (L, H), L sendo a direção longitudinal que estende-se da raiz da asa até a sua extremidade, e H sendo a direção transversal que estende-se da porção inferior da asa até a sua porção superior, a alma tendo um comprimento L1 e uma altura H1, e um ou mais elementos de trave (3) os quais são adjacentes e substancialmente perpendiculares à alma e os quais estendem-se na direção transversal, caracterizado pelo fato de que, a) o elemento estrutural compreende pelo menos uma primeira peça monolítica (S) e uma segunda peça (T), b) o limite de elasticidade sob compressão do bloco metálico utilizado para produzir o elemento (S) é maior do que aquele do bloco metálico utilizado para produzir o elemento (T), c) a primeira peça (S) compreende uma primeira porção de alma substancialmente plana (51) de comprimento L1 e altura H4 menor do que H1 e pelo menos um elemento de trave (3) o qual é substancialmente perpendicular e adjacente à primeira porção de alma e cuja altura ΗΊ, a qual é substancialmente igual a H1, é tal que uma porção de trave de altura ΗΊ -H4 estende-se além da primeira porção de alma, d) a segunda peça (T) que compreende pelo menos uma segunda porção de alma substancialmente plana (52) de comprimento L1 e altura H5 tal que a soma H4 + H5 seja substancialmente igual a H1, e) a primeira peça monolítica (S) e a segunda peça (T) são colocadas lado a lado de tal modo que as porções de alma (51) e (52) fiquem extremidade contra extremidade ao longo de seu comprimento comum inteiro L1, e a porção de trave que estende-se além da primeira porção de alma fique adjacente à segunda porção de alma.

19. Elemento estrutural integral de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que os elementos monolíticos (S) e (T) são montados por soldagem e de preferência por soldagem por agitação e fricção.

20. Elemento estrutural integral de acordo com a reivindicação 18 ou 19, caracterizado pelo fato de que compreende um flange inferior (1) e um flange superior (2) os quais são tipicamente planos e os quais estendem-se em um plano o qual é tipicamente paralelo ao plano (E, L) na direção E até a espessura E1 e na direção L até o comprimento L1.

21. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma trave (3) compreende na sua extremidade uma porção alongada (31) a qual estende-se na direção E até uma espessura substancialmente igual a E1.

22. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que os elementos monolíticos (S) e (T) são montados por pelo menos três tipos de solda: pelo menos uma solda de topo (21) a qual é paralela à direção L e a qual permite que as porções de alma (51) e (52) sejam montadas pelo menos uma solda em forma de T (22) a qual é paralela à direção H e a qual permite que os elementos (3) e (52) sejam montados, e pelo menos uma solda em forma de T (23) a qual permite que os elementos (1) e (31) sejam montados.

23. Elemento estrutural de acordo com uma das reivindicações 20 a 22, caracterizado pelo fato de que uma peça (Ta) compreende a porção de alma (52) e coopera com uma peça (Tb) para formar o flange inferior (1).

24. Elemento estrutural de acordo com uma das reivindicações 18 a 23, caracterizado pelo fato de que a parte monolítica (S) compreende um interrompedor de rachaduras (4) em um plano (E, L).