DE10138239C1 - Verfahren zur verzugsarmen herstellung einer metallenen Bauteil-Struktur - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur verzugsarmen Herstellung einer metallenen Bauteil-Struktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ihre Anwendung bezieht sich auf die Fertigung von geschweißten Fahrzeug-Strukturen, in der Hauptsache für ein Fahrzeug. Sie wird überall dort angewendet werden, wo man das Risiko der Entstehung eines Bauteilverzuges während des Zusammenfügens von metallenen Bauteilen durch Schmelzschweißen begrenzen wird. DOLLAR A Das Verfahren zur verzugsarmen Herstellung einer metallenen Bauteil-Struktur wird in drei Schritten umgesetzt. Zuerst wird vor der Anordnung zweier zu verbindender Bauteile wenigstens ein Bauteil autark einer temporären Vorbehandlung zur Veränderung von dessen Bauteil-Körperausgangstemperatur unterzogen, wodurch die beiden Bauteile vor der Druchführung des Schmelzschweißens jeweils eine unterschiedliche Bauteil-Körpertemperatur besitzen werden. Danach werden eine Auflagefläche eines ersten metallenen Bauteils und eine weitere Auflagefläche eines zweiten metallenen Bauteils aneinander liegend angeordnet. Darauffolgend werden die randnahen Bauteil-Bereiche zwischen den beiden (zu verbindenden) Bauteilen unter Anwendung von Wärme durch Schmelzschweißen stoffschlüssig und unlösbar zusammengefügt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur verzugsarmen Herstellung einer metallenen Bauteil- Struktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ihre Anwendung bezieht sich auf die Fertigung von geschweißten Fahrzeug-Strukturen, in der Hauptsache für ein Flugzeug. Sie wird überall dort angewendet werden, wo man das Risiko der Entstehung eines Bauteilverzuges während des Zusammenfügens von metallenen Bauteilen durch Schmelzschweißen begrenzen wird.

Einem sachkundigen Fachmann, der über geeignete Schweißverfahren für das Zusammenfügen von metallenen Bauteilen (Metallstücken) zu einer Bauteil-Struktur Bescheid weiß und sich mit ihnen auskennt, wird es bekannt sein, dass beim Schmelzschweißen neben der erwünschten Fügung oftmals (trotz aller Vorkehrungen) auch ein unerwünschter Verzug der geschweißten Bauteile (Metallstücke) oder von deren Teilbereichen entstehen wird. Als wesentliche Ursache hierfür gilt allgemein die Schrumpfung der Schmelze bei deren Abkühlung, welche durch den umgebenden Werkstoff (der Bauteile oder Metallstücke) behindert wird und somit auch zur Ausbildung von inhomogenen verteilten Eigenspannungen führt. In der Regel weist die Schweißnaht hierbei Zugeigenspannung auf, welche durch Druckeigenspannungen im restlichen Bauteil kompensiert werden, so dass sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Wenn die Form- und Lagetoleranzen des gewünschten Bauteiles in diesem Gleichgewichtszustand nicht eingehalten werden können, sind aufwendige mechanische Richtarbeiten unvermeidbar.

Außerdem wird in der DE 196 05 928 A1 ein gattungsgemäßes Verfahren beschrieben, bei dem während des Verschweißens die Bauteiltemperatur eines der Bauteile durch Kühlen beeinflusst wird. Danach wird insbesondere hinsichtlich der Anordnung nach der Fig. 2 dieser Druckschrift und deren Bilderläuterung sowie nach Anspruch 6 vorgesehen, dass an das betreffende Bauteil eine wärmeableitende Einrichtung, beispielsweise ein Kühlkupfer, angelegt wird. Eine vorherige Wärmebeeinflussung ist dort nicht vorgesehen.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bekannte Schweißverfahren für das Zusammenfügen von metallenen Bauteilen (Metallstücken) derweise zu verbessern, dass neben deren erwünschten Fügung eine verzugsarm geschweißte metallene Bauteil-Struktur umgesetzt wird, die nach Beendigung der Schweißarbeiten weitestgehend keinen Verzug der metallenen Bauteile (Metallstücke) aufweisen wird. Mit dem verbesserten Schweißverfahren soll eine deutliche Reduzierung des Aufwandes für mechanische Richtarbeiten und/oder Spannarbeiten an der geschweißten Bauteil-Struktur sowie eine deutlich verbesserte Einhaltung der Maßhaltigkeit der geschweißten Bauteile (Metallstücke) erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. In den weiteren Unteransprüchen sind zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Maßnahmen angegeben.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine verzogene metallene Bauteil-Struktur;

Fig. 2 eine verzugsarme metallene Bauteil-Struktur.

Um den Betrachter einen visuellen Eindruck von einer verzogenen Bauteil-Struktur 3 zu vermitteln, die man häufig nach dem Abschluss von Laserschweißarbeiten an zwei über eine Schweißnaht (hier: Längsnaht) verbundenen metallenen Bauteilen 1, 2 vorfindet, wird in der Fig. 1 eine derweise verzogene metallene Bauteil-Struktur 3 beispielhaft vorgestellt. Dabei wird die Seitenwand eines zweiten metallenen Bauteils 2, bspw. die Seitenwand eines Stringers, die lotrecht stehend auf der Oberfläche eines ersten metallenen Bauteils 1, bspw. auf einem Hautfeld, angeordnet wird, gezeigt, die im Bereich von deren Bauteilauflage (Oberflächenauflage) lasergeschweißt sind. Beide Bauteile 1, 2 werden über eine Schweißnaht 5, welche die randnahen Bauteilbereiche zwischen den aneinander liegenden Bauteilen 1, 2 stofflich und mechanisch fest verbindet, zusammengefügt. Deutlich erkennt man den nicht gewünschten Bauteileverzug beider Bauteile 1, 2 (beider Fügepartner), die beide aus den eingangs erwähnten Nachteilen durch bspw. die lasergeschweißte Verbindung konkav gekrümmt werden. Sofern man die dermaßen erhaltene Bauteil-Struktur 3 qualitätsgerecht (also - ohne Bauteilverzug) weiter verwenden möchte, sind aufwendige Richt- und/­ oder Spannarbeiten unvermeidbar, wobei die Einhaltung der Maßhaltigkeit der geschweißten Bauteil- Struktur außerhalb weiterer Betrachtungen bleibt.

Ähnlich dem vorangestellten Sachverhalt wird es einen Fachmann auf dem Gebiet der Schweißtechnik wohl kaum überraschen, wenn (allgemein) beim Schmelzschweißen von aneinander (neben- oder aufeinander) gelegenen metallenen Bauteilen 1, 2, deren randnahen Bauteil-Bereiche, bspw. an oder nahe deren Berührungsstellen (Auflagestellen), stoffschlüssig und mechanisch fest (unlösbar) zu einer Bauteil-Struktur 3 verbunden werden sollen, neben der erwünschten Fügung (Schweißnahtverbindung) oftmals (trotz aller Vorkehrungen) auch ein unerwünschter Verzug der geschweißten Bauteile 1, 2 (Metallstücke) oder von deren Teilbereichen entstehen wird.

Um diesen ungewünschten Zustand abzustellen, wird nachfolgend ein Verfahren beschrieben, dessen Endprodukt man nach der Fig. 2 (günstigenfalls ohne Bauteileverzug) in Gestalt einer nicht verzogenen Bauteil-Struktur 4 betrachten kann. Im praktischen Anwendungsfall wird man verfahrensgemäß eine verzugsarmen Herstellung der Bauteile-Struktur 4 anstreben, die eine (im Vergleich der Fig. 1) wesentliche Verringerung des Bauteileverzuges der schmelzgeschweißten Bauteile 1, 2 aufweisen wird.

Die verzugsarme Herstellung einer metallenen Bauteil-Struktur 4, die aus zwei metallenen Bauteilen 1, 2 besteht, deren randnahen Bauteil-Bereiche, bspw. an den oder nahe der Berührungsflächen (Auflageflächen - im Bereich ihrer vorgesehenen [gegenseitigen] Auflage) eng aneinander liegen bzw. zueinander aufliegen, welche stoffschlüssig und mechanisch fest (unlösbar) miteinander verbunden werden sollen, wird man (allgemein) mit den folgenden Verfahrensschritten realisieren.

Gemäß einem ersten Verfahrensschritt werden ein erstes und ein zweites Bauteil 1, 2, die beide mit einer Schmelzschweißnaht stofflich und unlösbar (mechanisch fest) verbunden werden, einer Temperatur-Vorbehandlung unterzogen. Dabei werden beide Bauteile 1, 2, sofern vorgesehen, autark dem Einfluß einer externen Temperaturquelle ausgesetzt.

Im Einzelfall wird es ausreichend sein, wenn das zweite Bauteil 2 autark einer (ggf. temporären) Vorbehandlung zur Veränderung von dessen Bauteil-Körperausgangstemperatur unterzogen wird.

Wird der allgemein betrachtete Fall zur Umsetzung dieser Maßnahme weiter verfolgt, dann sollte darauf geachtet werden, dass beide Bauteile 1, 2 - vor der Ausführung von deren stoffschlüssigen Schmelzschweiß-Verbindung durch Legung einer Schweißnaht 5, die bspw. im Bereich der Auflagestellen (Berührungsstellen) der beiden Bauteile 1, 2 (durch Bauteilauflage) später gelegt wird, - jeweils eine unterschiedliche Bauteil-Körpertemperatur annehmen werden, die bis zum Beginn des Schmelzschweißens annähernd konstant gehalten werden kann. Diese betreffende Bauteil-Körper­ temperatur kann konstant sein, muss aber nicht.

Wie bereits angedeutet - wird es ausreichend sein, dass vor der gegenseitigen Auflage der beiden Bauteile 1, 2 wenigstens ein(es der beiden) Bauteil(e) 1, 2 autark einer (bspw. temporären) Vorbehandlung zur Veränderung von dessen Bauteil-Körperausgangstemperatur unterzogen wird. Auf das Endprodukt nach der Fig. 2 bezogen - wird vorgesehen, dass nur das zweite Bauteil 2, bspw. ein an der metallenen Außenhaut zu schweißender Stringer), der erwähnten Temperatur-Vorbehandlung zur Veränderung von dessen Bauteil-Körperausgangstemperatur auf eine um beispielsweise 20°C niedriger gelegene Bauteil-Körpertemperatur unterzogen wird. Das erste Bauteil 1 (die Außenhaut) soll seine (ihre) Bauteil-Körperausgangstemperatur (Raumtemperatur [der während des Schweißens benutzten Räumlichkeit]) beibehalten. Demnach werden diese beiden Bauteile 1, 2 vor der Durchführung des eigentlichen Schmelzschweiß-Vorganges jeweils eine unterschiedliche Bauteil- Körpertemperatur besitzen, die bis zum Beginn des Schmelzschweißens annähernd konstant gehalten werden kann. Diese betreffende Bauteil-Körpertemperatur kann konstant sein, muss aber nicht.

Nach einem zweiter Schritt wird die Auflagefläche des ersten Bauteils 1 und die Auflagefläche des zweiten Bauteils 2 aneinander (respektive aufeinander) liegend angeordnet. Anderenfalls wird jeweils eine Seitenfläche des ersten Bauteils 1 derjenigen des zweiten Bauteils 2 nebeneinander liegend positioniert, die sich möglichenfalls (oder nahezu) berühren werden, sofern diese seitlich gelegenen Flächen eng anliegend positioniert werden.

Darauffolgend werden in einem dritten Schritt die randnahen Bauteil-Bereiche zwischen den zu verbindenden Bauteilen 1, 2 bspw. an deren Auflagestellen (Berührungsbereichen) unter Anwendung von Wärme stoffschlüssig und unlösbar (mechanisch fest) durch Schmelzschweißen zusammengefügt.

Diese Maßnahmen nach dem zweiten und dritten Schritt werden üblicherweise bei jedem Schmelzschweiß-Vorgang erledigt. Sofern diesen Schritten nicht die Umsetzung des ersten Schrittes vorgelagert wird, wird man - wie vorerwähnt - eine verzogene Bauteilstruktur 3, wie in der Fig. 1 gezeigt, befürchten müssen.

An dieser Stelle wird erwähnt, dass sich die Bauteil-Körperausgangstemperatur auf eine mittlere Temperatur bezieht, die etwa einer Raumtemperatur entsprechen wird.

Zurückkommend auf den ersten Schritt dieses Herstellungsverfahrens wird noch hinzugefügt, dass man die Bauteil-Körperausgangstemperatur des ersten Bauteils 1, sofern - wie vorher angedeutet - nur dieses vorteilhafterweise vorbehandelt wird, bis zum Beginn des Schmelzschweißens durch Kühlung um beispielsweise 20°C auf eine tiefer gelegene Bauteil-Körpertemperatur verringern wird, während dessen eben die Bauteil-Körperausgangstemperatur des zweiten Bauteils 2 unverändert bleiben wird. Dabei wird allgemein beabsichtigt, dass das zweite Bauteil 2 beispielsweise eine um 20°C höher gelegene Bauteil-Körpertemperatur im Vergleich der Bauteil-Körpertemperatur des ersten Bauteils 1 aufweisen wird, wobei (in dieser Situation) die Bauteil-Körpertemperatur des zweiten Bauteils 2 demnach (ungünstigenfalls) auch dem Niveau der Bauteil-Körperausgangstemperatur entsprechen kann.

Auch wird es ausreichen, dass zumindestens eine zonale Kühlung (örtlich begrenzte Kühlung) des bis an den Auflagebereich (Anlagebereich) des ersten Bauteils 1 randseitlich angrenzenden Bauteilbereiches vorgenommen wird. Es wird dann vorgesehen, dass die Kühlung mit einer (externen) Kühlquelle, von der aus eine Kühltemperatur (bspw. - wie vorgesehen - nur) auf das erste Bauteil 1 bis zum Erreichen der gewünschten Bauteil-Körpertemperatur übertragen wird, umgesetzt wird. Diese Kühlung wird günstigenfalls mit einem Trockeneis durchgeführt, das dem Außenbereich des ersten Bauteils 1 aufgelegt wird. Wegen der gewünschten hohen Qualität der (in der Fig. 2 vorgestellten) geschweißten Bauteil-Struktur 4 wird vorgeschlagen, dass die Auflagestellen (Berührungsstellen) der beiden Bauteile 1, 2 durch Laserstrahlschweißen (auch wegen der hohen Geschwindigkeit während des Schweißvorganges) verbunden werden.

Zurückkommend auf die Darstellung der Bauteil-Struktur 4 nach der Fig. 2 wird ergänzt, dass dort eine als Rumpfschale ausgebildete Bauteilstruktur mit einem als Stringer ausgebildeten erstes Bauteil 1 und einem als metallene Außenhaut ausgeführten zweiten Bauteil 2 gezeigt wird, die durch Laserstrahlschweißen des (lotrecht mit einer Seitenwand auf der Außenhaut stehenden) Stringers an dieser Außenhaut hergestellt wird.

Außerdem wird ergänzt, dass durch die geringe Temperaturdifferenz von beispielsweise 20°C die verstärkte Temperaturerhöhung des Stringers während des Laserstrahlschweißens kompensiert wird, wenn entsprechend geringe Wärmeeinbringungen und somit auch geringe mittlere Erwärmungen in Verbindung mit den großen Massendifferenzen beider Bauteile 1, 2 auftreten werden.

Demnach wird ein Verfahren zur verzugsarmen Herstellung einer metallenen Bauteilstruktur 4 vorgestellt, mit welchem eine wesentliche Verringerung des Bauteilverzugs erreichbar wird. Anwenden wird man dieses Verfahren überall dort, wo eine weitere Ursache zur Entstehung des Bauteilverzuges gegenüber einem Model mit Zugeigenschaften, wie hinsichtlich der Fig. 1 vorgestellt, dominant ist. Bei bestimmten Bauteilen, beispielsweise bei im Flugzeugbau gefertigten Rumpfschalen, wo der Stringer mittels Laserstrahlschweißen an die Flugzeug-Außenhaut geschweißt wird, wird der resultierende Bauteilverzug offenbar wesentlich dadurch verursacht, dass die beiden (zu verbindenden) Fügepartner im Verlauf des Schweißprozesses eine (ungewünschte) thermische Längenausdehnung erfahren. Hierdurch wird ein zweiter Fügepartner, bspw. der Stringer, in einem thermisch gedehnten Zustand am ersten Fügepartner, bspw. am Hautfeld, festgeschweißt. Ursache hierfür ist eine stärkere Erwärmung des zweiten Fügepartners gegenüber dem ersten Fügepartner aufgrund seiner geringeren Masse und die spanntechnische Möglichkeit des zweiten Fügepartners zur ungehinderten thermischen Ausdehnung. Bei der Erkaltung wird eine verstärkte Schrumpfung des zweiten Fügepartners stattfinden und hierdurch der wesentliche Verzug dieses Bauteils in Längsrichtung entstehen.

Zusammenfassend wird bei dem Verfahren zur verzugsarmen Herstellung einer metallenen Bauteilstruktur 4 der resultierende Bauteilverzug - beispielsweise beim Laserstrahlschweißen von Rumpfschalen - dadurch verringert, dass beide Fügepartner unterschiedliche Ausgangstemperaturen aufweisen werden. Beispielsweise kann die mittlere Temperatur des Stringers vor dem Schmelz­ schweißen durch Trockeneis um 20°C verringert werden. Bereits durch (diese) geringe(n) Temperaturdifferenzen kann somit die verstärkte Temperaturerhöhung des zweiten Fügepartners (des Stringers) kompensiert werden, wenn entsprechend geringe Wärmeeinbringungen (und somit auch geringe mittlere Erwärmungen) beim Schmelzschweißen (Laserstrahlschweißen) in Verbindung mit den großen Massedifferenzen der beiden Fügepartner (Stringer und Hautfeld) auftreten.

Mit dem Verfahren zur verzugsarmen Herstellung einer metallenen Bauteilstruktur 4 wird eine wirtschaftliche Möglichkeit angegeben, (online) verzugsarme geschweißte Strukturen herzustellen. Durch eine deutliche Reduzierung der Richtarbeiten oder deren Wegfall werden wesentliche Kosteneinsparungen möglich. Weiterhin wird die Maßhaltigkeit der beiden geschweißten Bauteile 1, 2 durch die geminderte Ausdehnung des zweiten Bauteils 2 wesentlich verbessert. Vorangegangene Bearbeitungsvorgänge am zweiten Bauteil 2, beispielsweise das Einbringen von Auffädelbohrungen oder Fräsungen am Stringer, befinden sich nach dem Schmelzschweißen (Laserstrahlschweißen) auch an der in der Bauteilzeichnung vorgegebenen Position.

Weitere Kosteneinsparungen sind bei der Spanntechnik möglich. Entstehen beim Fügen keine oder nur geringe Spannungen im Bauteil, kann der Spannaufwand, bspw. durch den Einsatz leichterer Vorrichtungen, reduziert werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur verzugsarmen Herstellung einer metallenen Bauteil-Struktur, bei dem eine Auflagefläche eines ersten metallenen Bauteils (1) und eine weitere Auflagefläche eines zweiten metallenen Bauteils (2) aneinander liegend angeordnet werden, darauffolgend die randnahen Bauteil-Bereiche zwischen den beiden Bauteilen (1, 2) unter Anwendung von Wärme durch Schmelzschweißen stoffschlüssig und unlösbar zusammengefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Anordnung der beiden Bauteile (1, 2) wenigstens ein Bauteil (1, 2) autark einer Vorbehandlung zur Veränderung von dessen Bauteil-Körper­ ausgangstemperatur unterzogen wird, wodurch die Bauteile (1, 2) vor der Durchführung des Schmelzschweißens jeweils eine unterschiedliche Bauteil-Körpertemperatur besitzen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bauteile (1, 2) autark einer temporären Vorbehandlung zur Änderung von deren Bauteil-Körperausgangstemperatur unterzogen werden, wodurch die Bauteile (1, 2) vor der Durchführung des Schmelzschweißens jeweils eine unterschiedliche Bauteil-Körpertemperatur aufweisen werden, die bis zum Beginn des Schmelzschweißens annähernd konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteil-Körperausgangs­ temperatur des ersten Bauteils (1) bis zum Beginn des Schmelzschweißens durch Kühlung auf eine tiefer gelegene Bauteil-Körpertemperatur verringert wird und die Bauteil-Körperausgangs­ temperatur des zweiten Bauteils (2) unverändert bleiben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteil-Körperausgangs­ temperatur des zweiten Bauteils (2) bis zum Beginn des Schmelzschweißens durch Erwärmung auf eine höher gelegene Bauteil-Körpertemperatur angehoben wird und die Bauteil-Körperausgangs­ temperatur des ersten Bauteils (1) unverändert bleiben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindestens eine zonale Kühlung des ersten Bauteils (1) vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindestens eine zonale Erwärmung des zweiten Bauteils (2) vorgenommen wird.

T. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung mit einer Kühlquelle, von der aus eine Kühltemperatur auf das erste Bauteil (1) bis zum Erreichen der gewünschten Bauteil-Körpertemperatur übertragen wird, umgesetzt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mit einer Wärmequelle, von der aus eine durch Erwärmung übertragene Temperatur auf das zweite Bauteil (2) bis zum Erreichen der gewünschten Bauteil-Körpertemperatur übertragen wird, umgesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung oder die Erwärmung mit Hilfe eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums, das dem Außenbereich des ersten oder des zweiten Bauteils (1, 2) zugeführt wird, durchgeführt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteil- Körperausgangstemperatur auf eine mittlere Temperatur, die etwa einer Raumtemperatur entsprechen wird, bezogen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen beider Bauteile (1, 2) sich in engem Kontakt befinden werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die randnahen Bauteil-Bereiche zwischen den beiden Bauteilen (1, 2) durch Laserstrahlschweißen zusammengefügt werden.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Rumpfschale ausgebildete Bauteilstruktur mit einem als Stringer ausgebildeten erstes Bauteil (1) und einem als Außenhaut ausgeführten zweiten Bauteil (2) durch Laserstrahlschweißen des Stringers an die Außenhaut hergestellt wird, wobei durch eine erzeugte Temperaturdifferenz zwischen den Fügepartnern die verstärkte Temperaturerhöhung des Stringers während des Laserstrahlschweißens kompensiert wird, wenn entsprechend geringe Wärmeeinbringungen und somit auch geringe mittlere Erwärmungen in Verbindung mit den großen Massendifferenzen beider Bauteile (1, 2) auftreten werden.