DE102004054346A1

DE102004054346A1 - Verfahren zum Schweißen von Fügepartnern mittels stranggepresstem Formteil aus Schweißzusatzwerkstoff, sowie ein derartiges Formteil zur Verwendung beim Schweißen

Info

Publication number: DE102004054346A1
Application number: DE102004054346A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Heimerdinger; Roland Dr. Lang; Peter Dr. Müller-Hummel; Frank Dipl.-Ing. Palm
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2006-05-11
Also published as: GB0522782D0; GB2419836B; GB2419836A; ITMI20051868A1; US20060096959A1; FR2877598A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Fügepartnern mittels stranggepresstem Formteil aus Schweißzusatzwerkstoffen, sowie ein derartiges Formteil zur Verwendung beim Schweißen. DOLLAR A Aufgabe ist es hierbei, ein verbessertes Schweißverfahren zu schaffen, bei dem der Schweißzusatzstoff prozesssicher und reproduzierbar einbringbar ist, so dass eine verbesserte Prozesssicherheit sowie Reproduzierbarkeit beim Schweißen gewährleistet ist und eine wirtschaftlichere Fertigung möglich ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, das zwischen zu verbindende Fügepartner (1, 2) ein aus Schweißzusatzwerkstoff stranggepresstes Formteil (3; 30) derart angeordnet wird, dass es mit beiden Fügepartnern (1, 2) in Kontakt ist, wobei der Querschnitt des Formteils (3; 30) derart an die Geometrie zumindest eines der Fügepartner (1, 2) angepasst ist, dass das Formteil (3; 30) vor dem Schweißen formschlüssig mit dem zumindest einen Fügepartner (1, 2) verbunden wird und dass anschließend die Fügepartner (1, 2) durch Schweißen entlang des Formteiles (3; 30) miteinander verbunden werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Fügepartnern mittels stranggepresstem Formteil aus Schweißzusatzwerkstoff, insbesondere im T- oder Stumpfstoß, sowie ein derartiges Formteil zur Verwendung beim Schweißen.

Die Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen in der Schweißtechnik ist wohl bekannt. Allerdings ist beim klassischen, Dampfkapillar gestützten Laserstrahlschweißen von Aluminium-Werkstoffen ein großer Aufwand erforderlich, um den Schweißzusatzwerkstoff, der beispielsweise drahtförmig ausgebildet sein kann, zu positionieren, zuzuführen und einzubringen. Zudem ist ein großer Aufwand an Kontrollsystemen und Sensorik zur steten Überprüfung der Drahtzufuhr, insbesondere hinsichtlich Menge und Position, erforderlich. Ein falsch oder in Position bzw. Menge schwankend zugeführter Schweißzusatzdraht kann den Laserstrahl stören oder sogar unterbrechen, was Prozessinstabilitäten mit sich bringt. Des weiteren kann es bei einer ungleichmäßigen Durchmischung von Schweißzusatzdraht und Grundwerkstoffen) zu nicht reproduzierbaren Verbindungseigenschaften kommen. Schweißzusatzdrähte haben zudem den Nachteil, dass sie im Verhältnis zu ihrem Volumen eine relativ große Oberfläche haben, so dass schnell ungewollt Verunreinigungen oder Gase in das Schweißgut mit eingebracht werden, was in der Regel zu einer übermäßigen Porenbildung führt.

Darüber hinaus werden bekanntlich bandförmige Schweißzusatzwerkstoffe verwendet. Auch ein derartiges Band muss immer als ein dritter Gegenstand gehandhabt werden, da er mit keinem der Fügepartner fest verbunden ist. Noch dazu bedingt der geringe Querschnitt derartiger bandförmiger Schweißzusatzwerkstoffe große Handhabungsprobleme, da sich unter dem Eigengewicht das „weiche" Band unerwünscht verformen kann. Dies zwingt bei sehr langen Schweißnähten (> 1000 mm), wie sie beispielsweise in Flugzeugdruckrumpfschalen vorkommen, zu einer äußerst aufwändigen und teuren Handhabungstechnik. Somit ist die Positionierung des Bandes bezüglich der Fügeposition äußerst schwierig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Schweißverfahren zu schaffen, bei dem der Schweißzusatzwerkstoff prozesssicher und reproduzierbar einbringbar ist, so dass eine verbesserte Prozesssicherheit beim Schweißen gewährleistet ist und eine wirtschaftlichere Fertigung möglich ist.

Die Aufgabe richtet sich insbesondere auf eine verbesserte und kostengünstigere schweißtechnische Herstellung von Aluminium-Strukturen für die Luftfahrttechnik.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Schweißen, insbesondere im T- oder Stumpfstoß, gelöst, das sich dadurch auszeichnet, dass zwischen zu verbindende Fügepartner ein aus Schweißzusatzwerkstoff stranggepresstes Formteil derart angeordnet wird, dass es mit beiden Fügepartnern in Kontakt ist, wobei der Querschnitt des Formteils derart an die Geometrie zumindest eines der Fügepartner angepasst ist, dass das Formteil vor dem Schweißen formschlüssig mit dem zumindest einen Fügepartner verbunden wird, und dass anschließend die Fügepartner durch Schweißen entlang des Formteiles miteinander verbunden werden.

Durch die Verwendung eines stranggepressten Formteils aus Schweißzusatzwerkstoff ist eine formschlüssige, reproduzierbare Positionierung des Schweißzusatzwerkstoffes möglich, so dass zum einen die Prozessführung vereinfacht wird, da entsprechende Positionier- und Steuervorrichtungen zum Zuführen des Schweißzusatzwerkstoffes nicht erforderlich sind, und zum anderen die Reproduzierbarkeit der Schweißverbindung deutlich verbessert wird. Damit sind vorteilhafterweise auch höhere Prozessgeschwindigkeiten möglich, was die Produktivität steigert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass weniger Ausschuss produziert wird und der Umfang an Nachbearbeitung deutlich sinkt, wodurch insgesamt die Fertigungskosten gesenkt werden.

Durch die an die Geometrie der bzw. zumindest eines Fügepartner(s) angepasste Form kann das Formteil durch einfaches Aufschieben sowie entsprechender Klemmwirkung mit den bzw. dem zumindest einen Fügepartner(n) formschlüssig verbunden werden. Die formschlüssige Verbindung gewährleistet, dass sich Formteil und Fügepartner auch ohne oder bei unterbrochener Kraftübertragung nicht lösen.

Beim Erzeugen einer T-Stoß-Verbindung ist es zweckmäßig, ein Formteil zu verwenden, welches mit lediglich einer Aussparung versehen ist, die an die Geometrie eines der Fügepartner zur formschlüssigen Verbindung angepasst ist.

In diesem Fall wird das Formteil mit seiner Aussparung auf den entsprechenden Fügepartner aufgeschoben und dann derart bezüglich des zweiten Fügepartners positioniert bzw. gehalten, dass das Formteil quasi auf dem zweiten Fügepartner aufliegt.

Beim Verbinden zweier Fügepartner im Stumpfstoß ist es besonders vorteilhaft, ein Formteil zu verwenden, welches zwei Aussparungen aufweist, deren Form jeweils an die der Fügepartner zur formschlüssigen Verbindung angepasst ist. Dabei wird das Formteil derart zwischen den beiden Fügepartnern angeordnet, dass es durch jeweiliges Aufschieben auf die Fügepartner mit diesen formschlüssig verbunden ist.

Besonders vorteilhaft ist es, dass das Schweißen mittels Laserstrahlschweißen erfolgt. Darüber hinaus können selbstverständlich auch andere bekannte Schmelzschweiß-Verfahren verwendet werden.

Die vorliegende Aufgabe wird auch durch ein stranggepresstes Formteil aus Schweißzusatzwerkstoff gelöst, welches beim Schweißen verwendet wird, das sich dadurch auszeichnet, dass es zumindest eine erste Aussparung aufweist, die an die Geometrie eines ersten Fügepartners angepasst ist, so dass es durch Aufschieben auf den ersten Fügepartner und entsprechende Klemmwirkung formschlüssig mit diesem verbindbar ist.

Sollen zwei Fügepartner im Stumpfstoß miteinander verbunden werden, ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das stranggepresste Formteil zudem eine zweite Aussparung aufweist, deren Form entsprechend an die Geometrie des zweiten Fügepartners angepasst ist, so dass es durch Aufschieben und der damit einhergehenden Klemmwirkung mit beiden Fügepartner formschlüssig verbindbar ist.

Ferner ist es zweckmäßig, dass die äußere Form des Formteiles die Geometrie einer zu erzeugenden Schweißnaht abbildet. Dies vereinfacht den Schweißprozess und verbessert die Qualität der zu erzeugenden Schweißverbindung.

Beim Erzeugen einer T-Stoßverbindung ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Formteil einen im wesentlichen dreiecksförmigen Querschnitt mit gleichschenkligen Seiten aufweist, wobei zwischen den gleichschenkligen Seiten eine im wesentlichen u-förmige erste Aussparung ausgebildet ist. Selbstverständlich kann auch ein Formteil mit asymmetrischem, dreieckigem Querschnitt verwendet werden, d.h. die Seitenlänge sowie die Winkel sind beliebig wählbar.

Ferner ist es zweckmäßig, dass die erste Aussparung symmetrisch ausgebildet bzw. angeordnet ist, so dass eine symmetrische Schweißverbindung erzeugt werden kann.

Für die Verbindung zweier Fügepartner im Stumpfstoß ist es vorteilhaft, dass das stranggepresste Formteil einen Querschnitt aufweist, der dem eines doppelten T-Profils ähnlich ist.

Zweckmäßigerweise sind dabei die durch das im wesentlichen doppelte T-Profil gebildeten Aussparungen an die Geometrie der jeweiligen Fügepartner angepasst. Die Aussparungen verlaufen dabei in Längsrichtung des Formteils.

Zudem ist es zweckmäßig, dass das einem doppelten T-Profil ähnlich ausgebildete Formteil nach außen im wesentlichen dreiecksförmig ausgewölbt ist, wodurch die Geometrie der Schweißnaht nachgebildet wird, was sich positiv auf die zu erzeugende Schweißnaht auswirkt.

Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Formteils ist kein zusätzlicher Schweißzusatzwerkstoff erforderlich, so dass eine schwierig handzuhabende Zuführung und Positionierung des Schweißzusatzwerkstoffes entfällt, was die Prozesstechnik deutlich verbessert und eine reproduzierbare Schweißverbindung schafft.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der nachstehenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische, dreidimensionale Darstellung einer ersten Ausführungsform zum Erzeugen einer T-Stoßverbindung; und
2 eine schematische, dreidimensionale Ansicht einer weiteren Ausführungsform zum Erzeugen einer Stumpfstoßverbindung.
1 zeigt in schematischer, dreidimensionaler Darstellung eine T-Stoßverbindung zweier Fügepartner 1, 2. Zwischen den Fügepartnern 1, 2 ist ein Formteil 3 angeordnet, welches mittels Strangpressen hergestellt ist und aus einem beliebigen Schweißzusatzwerkstoff besteht. Der Schweißzusatzwerkstoff kann beispielsweise eine AlSi₁₂-, AlSi₅- oder AlMg₅- Legierung sein. Darüber hinaus können selbstverständlich auch andere, als Schweißzusatzwerkstoffe geeignete Legierungen verwendet werden. Durch das Herstellen des Formteils 3 mittels Strangpressen wird auf einfache und effektive Weise eine bestimmte Form in das Formteil 3 eingebracht, wodurch wiederum ein reproduzierbares und formschlüssiges Anordnen des für eine hochqualitative Schweißverbindung erforderlichen Schweißzusatzwerkstoffes möglich ist.
Wie aus 1 zu ersehen ist, ist die Form des Formteils 3 an den ersten Fügepartner 1 (z.B. ein Stringer oder Spant) angepasst. Das Formteil 3 weist einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt mit gleichschenkligen Seiten 3a, 3b auf, wobei zwischen den gleichschenkligen Seiten 3a, 3b eine Aussparung 4 vorgesehen ist, die an die Form des ersten Fügepartners 1 für eine formschlüssige Verbindung angepasst ist. Die Aussparung 4 weist dabei eine im wesentlichen u- bzw. rechteckförmige Gestalt auf. Selbstverständlich kann auch ein Formteil mit asymmetrischem Querschnitt verwendet werden.
Zum Verschweißen der Fügepartner 1, 2 wird das Formteil 3 zunächst durch Aufschieben der Aussparung 4 auf eine Seite des ersten Fügepartners 1 mit diesem formschlüssig verbunden. Die Klemmwirkung der Aussparung 4 reicht dabei zur Befestigung am ersten Fügepartner 1 aus, so dass sich die Verbindung auch ohne oder bei unterbrochener Kraftübertragung nicht löst. Anschließend wird der erste Fügepartner 1 mit dem daran angeklemmten Formteil 3 so positioniert bzw. gehalten, dass das Formteil 3 mit seiner zwischen den gleichschenkligen Seiten 3a, 3b liegende Seite 3c auf dem zweiten Fügepartner 2 (z.B. ein Hautfeld) aufliegt. Gegebenenfalls wird der erste Fügepartner 1 bzw. das Formteil 3 mit geeigneten Mitteln fixiert, um ein Verrutschen zu vermeiden. Danach werden die Fügepartner 1, 2 durch Schweißen entlang des Formteils 3, d.h. entlang der in 1 mit Bezugsziffer 5 bezeichneten Richtung, verschweißt. Dabei wird durch den im wesentlichen dreiecksförmigen Querschnitt des Formteils 3 quasi die Form der zu erzeugenden Schweißnaht abgebildet.
2 zeigt in schematischer, dreidimensionaler Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die beiden Fügepartner 1, 2 im Stumpfstoß miteinander zu verbinden sind. Wie bei der Ausführungsform gemäß 1, ist zwischen den beiden Fügepartnern 1, 2 ein Formteil angeordnet, dass nachfolgend mit Bezugsziffer 30 bezeichnet ist. Das Formteil 30 besteht wiederum aus einem beliebigen Schweißzusatzwerkstoff und wird mittels Strangpressen hergestellt, um ein einfaches Anpassen an die Form der zu verbindenden Fügepartner 1, 2 zu ermöglichen. Der Querschnitt des Formteils 30 ist dabei einem doppelten T-Profil ähnlich ausgebildet, was durch den in 2 schraffierten Bereich schematisch angedeutet ist. Durch die im wesentlichen doppelt T-förmige Ausgestaltung werden in Längsrichtung des Formteils 30 verlaufende Aussparungen 40, 50 gebildet, die jeweils an die Form der zu verbindenden Fügepartner 1, 2 angepasst sind. Die Aussparungen 40, 50 sind zur Aufnahme der Fügepartner 1, 2 im wesentlichen u-förmig bzw. rechteckförmig ausgebildet. Zudem ist die äußere Form des Formteils 30 an die Form einer zu erzeugenden Schweißnaht angepasst. Hierzu ist das Formteil 30 beidseitig nach außen dreiecksförmig aufgewölbt. Diese Aufwölbungen sind in 2 mit Bezugsziffer 60 bezeichnet und schließen sich an die Seiten des Formteils an, die zu den mit den Aussparungen 40, 50 versehenen Seiten rechtwinklig geneigt sind. Der Querschnitt des Formteils 30 gleicht damit einem Doppelpfeil, dessen Spitzen durch die dreiecksförmigen Aufwölbungen 60 gebildet werden.
Zum Verschweißen der Fügepartner 1, 2 im Stumpfstoß wird das Formteil 30 zwischen den beiden Fügepartnern 1, 2 derart angeordnet, dass es mit beiden Fügepartnern 1, 2 formschlüssig in Verbindung steht. Hierzu wird das Formteil 30 mit seiner ersten Aussparung 40 auf den ersten Fügepartner 1 und mit seiner zweiten Aussparung 50 entsprechend auf den zweiten Fügepartner 2 aufgeschoben. Durch die Klemmwirkung zwischen Aussparungen 40 bzw. 50 und Fügepartnern 1 bzw. 2 ist eine formschlüssige Verbindung gewährleistet. Anschließend werden die Fügepartner 1, 2 durch Schweißen entlang des Formteils 30, d.h. in Richtung des Pfeils 5, miteinander verbunden. Durch die dreiecksförmigen Aufwölbungen 60 des Formteils 30 ist quasi die Form einer zu erzeugenden Schweißnaht nachgebildet, was für eine gute Fügeverbindung vorteilhaft ist.
Die in Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Schweißverfahren werden insbesondere in der Luftfahrttechnik beim Anbringen von Verstärkungselementen an Hautfeldern oder bei der Herstellung anderer Aluminium-Strukturen verwendet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schweißzusatzwerkstoffes entfällt eine separate und damit schlecht reproduzierbare Zuführung des Schweißzusatzwerkstoffes, so höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich sind. Zudem verringern sich die Fertigungskosten, da weniger Ausschuss produziert und der Umfang der Nacharbeiten reduziert wird.

Claims

Verfahren zum Schweißen von Fügepartnern mittels stranggepresstem Formteil aus Schweißzusatzwerkstoff, insbesondere im T- oder Stumpfstoß, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zu verbindende Fügepartner (1, 2) ein aus Schweißzusatzwerkstoff stranggepresstes Formteil (3; 30) derart angeordnet wird, dass es mit beiden Fügepartnern (1, 2) in Kontakt ist, wobei der Querschnitt des Formteils (3; 30) derart an die Geometrie zumindest eines der Fügepartner (1, 2) angepasst ist, dass das Formteil (3; 30) vor dem Schweißen formschlüssig mit dem zumindest einen Fügepartner (1, 2) verbunden wird, und dass anschließend die Fügepartner (1, 2) durch Schweißen entlang des Formteiles (3; 30) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (3; 30) durch Aufschieben auf den zumindest einen Fügepartner (1, 2) und entsprechende Klemmwirkung mit dem zumindest einen Fügepartner (1, 2) formschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formteil (3; 30) verwendet wird, welches zumindest eine erste Aussparung (4; 40) aufweist, die an die Geometrie des ersten Fügepartners (1) zur formschlüssigen Verbindung angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formteil (30) verwendet wird, welches ferner eine zweite Aussparung (50) aufweist, die an die Geometrie des zweiten Fügepartners (2) zur formschlüssigen Verbindung angepasst ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (1, 2) mittels Schmelzschweißverfahren, insbesondere Laserstrahlschweißen, verbunden werden.
Stranggepresstes Formteil (3; 30) aus Schweißzusatzwerkstoff zur Verwendung beim Schweißen, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest eine erste Aussparung (4; 40) aufweist, deren Form an die Geometrie eines ersten Fügepartners (1) angepasst ist, so dass es durch Aufschieben auf den ersten Fügepartner (1) und entsprechende Klemmwirkung formschlüssig mit dem ersten Fügepartner (1) verbindbar ist.
Stranggepresstes Formteil (30) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine zweite Aussparung (50) aufweist, deren Form an die Geometrie eines zweiten Fügepartners (2) derart angepasst ist, dass es durch Aufschieben und entsprechende Klemmwirkung auch mit dem zweiten Fügepartner (2) formschlüssig verbindbar ist.
Stranggepresstes Formteil (3; 30) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Form des Formteiles (3; 30) die Geometrie einer zu erzeugenden Schweißnaht abbildet.
Stranggepresstes Formteil (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es einen im wesentlichen dreiecksförmigen Querschnitt mit gleichschenkligen Seiten (3a, 3b) aufweist, wobei zwischen den gleichschenkligen Seiten (3a, 3b) eine im wesentlichen u-förmige erste Aussparung (4) ausgebildet ist.
Stranggepresstes Formteil (3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen u-förmige erste Aussparung (4) symmetrisch angeordnet ist.
Stranggepresstes Formteil (30) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen einem doppelten T-Profil ähnlichen Querschnitt aufweist.
Stranggepresstes Formteil (30) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch das doppelte T-förmige Profil in Längsrichtung des Formteils (30) verlaufende Aussparungen (40, 50) ausgebildet sind, welche einen im wesentlichen u-förmigen Querschnitt aufweisen.
Stranggepresstes Formteil (30) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (30) nach außen weisende dreiecksförmige Aufwölbungen (60) aufweisen.