DE102004045961B4

DE102004045961B4 - Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Clip-Außenhautverbindung für ein Flugzeug mittels Schweißen

Info

Publication number: DE102004045961B4
Application number: DE102004045961A
Authority: DE
Inventors: Jens Hackius; Rainer Kocik
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2024-09-23
Also published as: US20060065643A1; DE102004045961A1; US8413878B2; US20090277888A1

Abstract

Anordnung zum Herstellen einer geschweißten Clip-Außenhautverbindung für ein Flugzeug, aufweisend:
zu verschweißende Bauteile (5, 2), wobei eines der miteinander zu verschweißenden Bauteile (5, 2) eine Außenhaut (2) eines Flugzeugrumpfs (1) ist und das andere zu verschweißende Bauteil mindestens ein Clip (5) ist,
einen Schweißzusatzwerkstoff (13), der an einer Stelle der Außenhaut (2) vorpositioniert ist, an der die Bauteile. Außenhaut (2) und Clip (5) miteinander zu verschweißen sind, und der eine U-Profilform aufweist, wodurch er an die Bauform mindestens des Clips (5) angepasst ist,
der Clip (5) in die sich durch das U-Profil des Schweißzusatzwerkstoffes (13), ergebende Ausnehmung, eingesetzt ist, und
eine oder zwei Wärmequellen (11), mittels welchen der Schweißzusatzwerkstoff (13) derart behandelbar ist; dass Material derart aufschmelzbar ist, dass Clip (5) und Außenhaut (2) miteinander verschweißbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Clip-Außenhautverbindung für ein Flugzeug mittels Schweißen.
In Flugzeugen werden großflächige Innendruck belastete Luftfahrtstrukturen, insbesondere Rumpfschalenstrukturen mittels Niet-, Schweiß- oder Klebeverfahren gefügt. Dabei werden komplexe Rumpfschalenstrukturen, beispielsweise Clip-Haut-Verbindungen, primär durch Nieten gefügt.
Die genannte Niettechnologie hat jedoch den Nachteil, dass infolge von Blechüberlappungen zwischen Clip und Haut und durch eingebrachte Dichtmasse in der Fügezone das Gewicht von komplexen Rumpfschalenstrukturen zunimmt.
Als Alternative bietet sich das sogenannte Laserstrahlschweißen mit drahtförmigen Zusatzwerkstoff an. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt jedoch in der sehr geringen Zugänglichkeit des Schweißkopfes aufgrund der Schweißdrahtfördereinrichtung.
Ferner hat sich herausgestellt, dass bei dieser Lösung reduzierte Festigkeitseigenschaften der Schweißnaht im Vergleich zu denjenigen des Grundwerkstoffs auftreten, aufgrund von Werkstoffentfestigung infolge inhomogener Schweißgutdurchmischung bei drahtförmigen Zusatzwerkstoffen. Insbesondere im Anfangs- und Endbereich eines Clips verringern sich die mechanisch-technologischen Eigenschaften durch Risse, Kerben und Krater bei Verwendung von drahtförmigem Zusatzwerkstoff.
DE 610 819 beschreibt ein Verfahren zur Schweißung von Stumpfstößen, das insbesondere bei der Lichtbogenschweißung oder bei der Schweißung mit dem Sauerstoffazetylenbrenner verwendet wird. Ein Schweißdraht wird an die jeweiligen Enden der Stumpfstöße angeordnet.
DE 196 39 667 C1 beschreibt ein Verfahren zum Schweißen von Profilen auf großformatigen Aluminium-Strukturbauteilen mittels Laserstrahlen unter Verwendung eines das Strukturbauteil aufnehmbaren variierbaren Trägers, eines Rollenführungs- und Spannsystems zur Fixierung der Profile auf dem Strukturbauteil und eines Laserstrahl-Führungssystems, das von dem Rollenführungs- und Spannsystem entkoppelt ist.
DE 198 44 035 C1 beschreibt ein Schalenbauteil für ein Flugzeug bestehend aus mindestens einem Hautblech, mehreren in Flugzeuglängsrichtung verlaufenden Stringern und quer dazu verlaufenden Spanten, wobei das Hautfeld mit einem Schweißzusatzmaterial als Depot versehen ist oder das Schweißzusatzmaterial während des Schweißvorganges als Draht mittels einer Drahtvorrichtung zugeführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung und eines Verfahrens zum Herstellen einer geschweißten Clip-Außenhaut für ein Flugzeug mittels Schweißen, wobei eine Schweißnaht verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist den Patentansprüchen 1, und 4 zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung (das System) zum Herstellen einer geschweißten Clip-Außenhaut für Flugzeuge enthält einen Schweißzusatzwerkstoff, der vor einem Schweißvorgang an einer Stelle positioniert wird, an der Bauteile miteinander zu verschweißen sind. Gemäß der Erfindung ist der eine U-Profilform aufweisende Schweißzusatzwerkstoff an die Bauform mindestens eines der Bauteile angepasst. Durch Verwendung einer Wärmequelle, beispielsweise eines Laserstrahls, wird das Material der Bauteile und der Schweißzusatzwerkstoff geschmolzen, um eine Verbindung miteinander einzugehen, so dass die Bauteile miteinander verschweißt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Schweißzusatzwerkstoff in einer U-Profilform ausgebildet, wenn zwei Wärmequellen verwendet werden, um an gegenüberliegenden Seiten des mindestens einen Bauteils, an das der Schweißzusatzwerkstoff bauweisenangepasst ist, eine Schweißnaht zur Verbindung der Bauteile zu bilden.
Wenn nur eine Wärmequelle verwendet wird, weist der Schweißzusatzwerkstoff beispielsweise eine L-Profilform auf, und an nur einer Seite des mindestens einen Bauteils, an das der Schweißzusatzwerkstoff bauweisenangepasst ist, wird eine Schweißnaht zur Verbindung der beiden Bauteile gebildet.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Clip-Außenhautverbindung für ein Flugzeug mittels Schweißen wird ein Schweißzusatzwerkstoff zuerst vor dem Schweißen an einer Stelle positioniert, an der die Bauteile miteinander zu verbinden sind. Der Schweißzusatzwerkstoff ist dabei vorzugsweise in seiner äußeren Form mindestens der Bauweise (Bauform) eines der Bauteile angepasst, und wird durch Verwendung einer Wärmequelle, beispielsweise ein Laserstrahl, derart behandelt, dass der Schweißzusatzwerkstoff schmilzt und die Bauteile miteinander verschweißt werden.
Der Schweißzusatzwerkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Bauform (Profil) aufweist, die der Bauform eines entsprechenden Bauteils, das zu verschweißen ist, angepasst ist. Beispielsweise weist der Schweißzusatzwerkstoff ein U-Profil oder ein L-Profil auf.
Gemäß der Erfindung werden fertigungstechnische Vorteile gegenüber drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffen erreicht durch ein vereinfachtes Fertigungskonzept für ein Gemäß der Erfindung werden fertigungstechnische Vorteile gegenüber drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffen erreicht durch ein vereinfachtes Fertigungskonzept für ein wirtschaftliches Schweißverfahren innerhalb komplexer Strukturen, da eine Drahtfördereinrichtung entfällt und der Schweißkopf eine höhere Zugänglichkeit aufweist.
Darüber hinaus ergeben sich fertigungstechnische Vorteile dadurch, dass ein geringerer Aufwand zur Qualitätssicherung erforderlich ist, aufgrund vereinfachter Prozesskontrolle hinsichtlich des Vorhandenseins von Zusatzwerkstoff im Schweißgut, da das Vorpositionieren innerhalb der Fügestelle keine Online-Kontrolle während des Schweißprozesses erfordert.
Darüber hinaus ergeben sich gemäß der Erfindung mechanisch-technologische Eigenschaftsverbesserungen der Schweißnaht durch eine geringere Kerbwirkung durch bauweisenangepasste Nahtgeometriegestaltung. Mit dem erfindungsgemäßen Zusatzwerkstoff lassen sich Risse, Kerben und Krater infolge inhomogener Schweißgutdurchmischung verhindern. Die verbesserte mechanisch-technologische Eigenschaft der Schweißnaht ergibt sich ebenfalls durch eine geringere Werkstoffentfestigung infolge geringerer Streckenenergie.
Darüber hinaus lassen sich mit der Erfindung auch prozesstechnische Vorteile erzielen, da der Laserschweißprozess durch gleichmäßige Verteilung des Zusatzwerkstoffs über den gesamten Nahtquerschnitt stabilisiert wird, was zu einer geringeren Prozessporosität in der Schweißnaht führt. Die erhöhte Prozesssicherheit kann durch nahezu beliebig anpassbare Querschnittsabmessungen des Zusatzwerkstoffs erreicht werden.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei gleiche Komponenten in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Es zeigen:
1 eine perspektivische Teilansicht eines Flugzeugrumpfes zur Verdeutlichung einer genieteten Clip-Haut-Verbindung gemäß dem Stand der Technik,
2 eine perspektivische Teilansicht und Seitenansicht einer geschweißten Clip-Haut-Verbindung gemäß dem Stand der Technik,
3 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zur Herstellung einer geschweißten Struktur, und eine Querschnittsansicht der Schweißnaht,
4A eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zur Herstellung einer geschweißten Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4B eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zu Herstellung einer weiteren geschweißten Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 perspektivische Ansichten von Profilformen eines bauweisenangepassten Schweißzusatzwerkstoffs, und
6 eine Querschnittsansicht einer Schweißnaht mit bauweisenangepasstem profiliertem Schweißzusatzwerkstoff.
1 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Flugzeugrumpfes 1 zur Verdeutlichung einer genieteten Clip-Haut-Verbindung gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt eine Außenhaut 2 des Flugzeugrumpfes 1, auf der eine Mehrzahl von Stringern 3 angeordnet sind. Quer zur Längsrichtung der Stringer 3 ist ein montiertes Spantprofil 4 gezeigt. Das Spantprofil 4 erstreckt sich üblicherweise über mehrere Stringer 3 in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung eines Stringers 3 verläuft. Das Spantprofil 4 ist mittels einer Clip-Haut-Verbindung an der Außenhaut 2 des Flugzeugrumpfes 1 durch eine Mehrzahl von Nieten 6 befestigt.
Bei der in 1 gezeigten Clip-Haut-Verbindung erfolgt zwischen dem Clip 5 und der Außenhaut 2 des Flugzeugrumpfes 1 eine Blechüberlappung, was zu einer Zunahme des Gewichts der Flugzeugstruktur führt. Darüber hinaus muss bei einer derartigen Clip-Haut-Verbindung in der Fügezone eine Dichtmasse eingebracht werden, was weitere Gewichtsnachteile zur Folge hat.
2 zeigt eine perspektivische Teil- und Seitenansicht einer geschweißten Clip-Haut-Verbindung gemäß dem Stand der Technik. Die 2 unterscheidet sich von der 1 lediglich dadurch, dass anstelle der Niete 6 zwischen der Außenhaut 2 und dem Clip 5 eine Schweißnaht 7 vorgesehen ist. Schweißnaht 7 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Kontaktfläche zwischen dem Clip 5 und der Außenhaut 2 des Flugzeugrumpfes 1.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung 8 zur Herstellung der in 2 gezeigten geschweißten Struktur, und eine Querschnittsansicht einer gebildeten Schweißnaht.
In 3 ist beispielhaft gezeigt, wie ein Stringer 3 mit der Außenhaut 2 eines Flugzeugrumpfes verschweißt wird. In gleicher Weise ist es möglich, auch direkt den Clip 5 mit der Außenhaut 2 des Flugzeugrumpfes zu verschweißen.
Gemäß der in 3 gezeigten Anordnung 8 wird während des Schweißvorgangs mittels einer Drahtfördereinrichtung 9 ein Schweißzusatzwerkstoff-Draht 10 kontinuierlich zugeführt. Eine Wärmequelle 11 sendet beispielsweise einen Laserstrahl 12 an eine Stelle, an der der Stringer 3 mit der Außenhaut 2 zu verschweißen ist. Bei der in 3 gezeigten Anordnung bewegt sich vorzugsweise die Wärmequelle 11 bzw. der Laserstrahl 12 entlang vorbestimmter Stellen, an denen eine Schweißnaht zu bilden ist.
In 3 ist eine zweite Wärmequelle 11 gezeigt, die auf der gegenüberliegenden Seite des Stringers 3 ebenfalls eine Schweißverbindung (Schweißnaht) zwischen dem Stringer 3 und der Außenhaut 2 bildet. Obwohl nicht gezeigt, ist es selbstverständlich, dass auch auf der gegenüberliegenden Seite zur Bildung der Schweißnaht eine Drahtfördereinrichtung (nicht gezeigt) angeordnet sein kann.
4A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung (eines Systems) zur Herstellung einer geschweißten Struktur gemäß der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Anordnung 8 unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Anordnung dadurch, dass keine Drahtfördereinrichtung notwendig ist. Ein Schweißzusatzwerkstoff 13 mit bauweisenangepasster Geometrie (in diesem Fall an die Bauform des Stringers 3 angepasst sowie an die Bauform der Außenhaut 2) wird an der Stelle vorpositioniert, an der eine Schweißnaht zu bilden ist. Der Schweißzusatzwerkstoff 13 kann auch nur an die Bauweise (Bauform) des Stringers 3 oder Clips 5 angepasst sein.
Gemäß dem in 4A gezeigten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Anordnung zwei Wärmequellen 11 auf, die einen Laserstrahl 12 aussenden, um den Stringer 3 und die Außenhaut 2 mittels zwei Schweißnähten 7 (in der Figur ist nur eine gezeigt) zu verbinden. Es ist selbstverständlich, dass je nach Belastungsanforderung auch nur eine Schweißnaht 7 gebildet werden kann.
Bei der in 4B gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird anstelle des Stringers 3 der Clip 5 auf die Außenhaut 2 geschweißt, indem der erfindungsgemäße bauweisenangepasste Schweißzusatzwerkstoff 13 vorpositioniert wird. Die in 4B gezeigten Stringer 3 sind entweder gemäß der in 4A gezeigten Anordnung mit der Außenhaut 2 verschweißt oder anderweitig, beispielsweise durch Niete (nicht in der Figur gezeigt) an der Außenhaut 2 befestigt.
5 verdeutlicht Profilformen eines bauweisenangepassten Schweißzusatzwerkstoffs.
5 zeigt ein U-Profil 13a, welches verwendet wird, um ein beidseitiges Schweißen mit zwei Laserstrahlen durchzuführen. Gemäß der Erfindung wird der Stringer 3 oder der Clip 5 in die durch das U-Profil gebildete Ausnehmung eingesetzt (die Ausnehmung ist an die Bauform des Stringers 3 oder des Clip 5 angepasst) und über die gegenüberliegende Fläche des U-Profils, die beispielsweise an die Bauform der Außenhaut 2 angepasst ist, mit der Außenhaut 2 in Kontakt gebracht. Durch einen Laserstrahl wird Material derart aufgeschmolzen, dass die zu verbindenden Bauteile, in diesem Fall der Stringer 3 oder der Clip 5 und die Außenhaut 2 miteinander verschweißt werden.
Gemäß einem alternativen Beispiel weist der Schweißzusatzwerkstoff ein L-Profil 13b auf. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein einseitiges Schweißen mit einem Laserstrahl möglich, wobei nur eine Schweißnaht 7 gebildet wird.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Schweißnaht, die gebildet wird, wenn ein Bauweisen angepasster profilierter Schweißzusatzwerkstoff gemäß der Erfindung verwendet wird. Wie in 6 deutlich zu erkennen, wird eine Schweißnaht 7 mit guten mechanischen Eigenschaften ohne Risse, Kerben und Krater infolge einer homogenen Schweißgutdurchmischung mit dem Zusatzwerkstoff 13 gebildet. Mit anderen Worten, der profilierte bauweisenangepasste Schweißzusatzwerkstoff 13 wird durch den Laserstrahl aufgeschmolzen und geht mit dem aufgeschmolzenen Material des Stringer 3 bzw. des Clip 5 und dem aufgeschmolzenen Material der Außenhaut 2 eine Verbindung ein, um eine Schweißnaht 7 zu bilden.
Obwohl die Erfindung im vorangegangenen unter Bezugnahme auf einen Anwendungsbereich betreffend die Verkehrstechnik, insbesondere Luftfahrt, beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass ein U-profilförmiger Schweißzusatzwerkstoff für jegliche Anwendungsbereiche anwendbar ist, bei denen Bauteile miteinander verschweißt werden müssen. Die in den Ausführungsbeispielen genannte U-Profilform hängt von den Bauformen der zu verschweißenden Bauteile ab. Speziell erfolgt im wesentlichen eine Anpassung an die Oberfläche der Bereiche der Bauteile, die miteinander zu verschweißen sind.

1: Flugzeugrumpf
2: Außenhaut
3: Stringer
4: Spantprofil
5: Clip
6: Nieten
7: Schweißnaht
8: System/Anordnung
9: Drahtfördereinrichtung
10: Schweißzusatzwerkstoff-Draht
11: Wärmequelle
12: Laserstrahl
13: Schweißzusatzwerkstoff
13a: U-Profil
13b: L-Profil

Claims

Anordnung zum Herstellen einer geschweißten Clip-Außenhautverbindung für ein Flugzeug, aufweisend: zu verschweißende Bauteile (5, 2), wobei eines der miteinander zu verschweißenden Bauteile (5, 2) eine Außenhaut (2) eines Flugzeugrumpfs (1) ist und das andere zu verschweißende Bauteil mindestens ein Clip (5) ist, einen Schweißzusatzwerkstoff (13), der an einer Stelle der Außenhaut (2) vorpositioniert ist, an der die Bauteile. Außenhaut (2) und Clip (5) miteinander zu verschweißen sind, und der eine U-Profilform aufweist, wodurch er an die Bauform mindestens des Clips (5) angepasst ist, der Clip (5) in die sich durch das U-Profil des Schweißzusatzwerkstoffes (13), ergebende Ausnehmung, eingesetzt ist, und eine oder zwei Wärmequellen (11), mittels welchen der Schweißzusatzwerkstoff (13) derart behandelbar ist; dass Material derart aufschmelzbar ist, dass Clip (5) und Außenhaut (2) miteinander verschweißbar sind.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei zwei Wärmequellen (13) einsetzbar sind, um an gegenüberliegenden Seiten des mindestens einen Bauteils (5) eine Schweißnaht (7) zur Verbindung der Bauteile (2, 5) zu bilden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die zumindest eine Wärmequelle (11) ein Laserstrahl (12) ist.
Verfahren zum Herstellen einer Clip-Außenhautverbindung für ein Flugzeug mittels Schweißen, mit folgenden Merkmalen: dass als eines der zu verschweißenden Bauteile (5, 2) eine Außenhaut (2) eines Flugzeugrumpfs (1) verwendet wird und dass als anderes zu verschweißendes Bauteil mindestens ein Clip (5) verwendet wird, dass ein Schweißzusatzwerkstoff (13), der eine U-Profilform aufweist, wodurch er an die Bauform mindestens des Clips (5) angepasst ist, vor dem Schweißen an einer Stelle der Außenhaut (2) vorpositioniert wird, an der die Bauteile Außenhaut (2) und Clip (5) miteinander verbunden werden sollen, dass der Clip (5) in die sich durch das U-Profil des Schweißzusatzwerkstoffes (13) ergebende Ausnehmung eingesetzt wird, dass eine oder zwei Wärmequellen (11) positioniert werden, dass der Schweißzusatzwerkstoff (13) derart behandelt wird, dass Material derart aufgeschmolzen wird, dass Clip (5) und Außenhaut (2) miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei zwei Wärmequellen (11) verwendet werden, um an gegenüberliegenden Seiten des mindestens einen Bauteils (5) eine Schweißnaht zur Verbindung der Bauteile (2, 5) zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei als zumindest eine Wärmequelle (11) jeweils ein Laserstrahl eingesetzt wird.