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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Randschichtverfestigung einer Bohrung, insbesondere in einem Leichtmetallbauteil, beispielsweise im Flugzeugbau.
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Im Leichtbau, wie beispielsweise in Flugzeugstrukturen, gibt es Stellen, an denen Bauteile, beispielsweise Aluminiumbauteile oder Bauteile aus anderen Leichtmetallen, aneinander durch Bolzenbefestigungen befestigt sind. Dazu wird durch Löcher oder Bohrungen in zwei Bauteilen ein Bolzen geführt, der die Verbindung zwischen den zwei Bauteilen herstellt. Solche Bolzenbefestigungen führen dazu, dass an speziell exponierten Stellen lokal hohe Krafteinleitungen an der Verbindungsstelle der Bauteile vorkommen, beispielsweise wenn im Flugzeugbau Triebwerke oder Flächen befestigt werden oder wenn externe Lasten zu tragen sind, wie z. B. Zusatztanks oder Waffen.
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Wenn solche exponierte Verbindungen belastet werden, die aus Bohrungslöchern in einem Leichtmetall, wie z. B. Aluminium, mit oftmals kreisrundem Querschnitt und einem Bolzenmaterial aus Eisen/Nickel (Fe-Ni) gebildet werden, ist mit Schwingungs- und Spannungs-Riss-Korrosion zu rechnen, was dazu führt, dass im Leichtmetall Risse entstehen, die sich in der Struktur fortpflanzen. Eine solche Rissfortpflanzung kann zum Strukturversagen des Bauteils führen und stellt insbesondere im Flugzeugbau ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.
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Bei metallischen Bauteilen mit unbehandelten Bohrungen, in denen solche exponierte Bolzenbefestigungen vorgenommen werden, kommt es abhängig von den für die Spannungs-Riss-Korrosion entscheidenden Parametern, nämlich Druck, Krafteinleitung und Schwingungsbelastung zu einem verhältnismäßig schnelles Versagen des Bauteils in Folge massiver Rissbildung, was zu einer deutlich verkürzten Lebensdauer dieser Bauteile führt.
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Es ist bekannt, dass die Rissentstehung an Bohrungen in metallischen Werkstoffen unterdrückt werden kann, indem Druckeigenspannungen (z. B. zur Vermeidung von Spannungs-Riss-Korrosion) in die Oberfläche der Bohrung eingebracht werden. Praktisch erreicht man dies beispielsweise durch plastische Verformung oder Aufweitung der Bohrung. Plastische Verformungen im Randbereich des Lochs können mit Hilfe mechanischer Verfahren, wie z. B. Kugelstrahlen, Aufdornen, Festwalzen oder Plasma-Schock-Verfahren (z. B. Laser-Plasma Shot Peening (LPSP)) erzeugt werden. Die Aufweitung mit Hilfe mechanischer Verfahren führt jedoch zu Inhomogenitäten der induzierten Druckeigenspannungen, was wiederum bei Belastung zu lokaler Rissbildung führen kann. Eine andere Möglichkeit, in der Randzone des Lochs im Leichtmetallbauteil eine Randverfestigung zu erreichen, ist es, in das zu verfestigende Loch eine Spule, die mit elektrischem Strom versorgt werden kann, einzuführen, gegebenenfalls umgeben durch eine Hülse oder einen Zylinderbolzen, und in der Spule kurze Strom- bzw. Spannungsimpulse zu induzieren. Dies führt dazu, dass in der die Spule umgebenden Hülse ebenfalls ein Strom induziert wird, der zu einem Magnetfeld führt. Die Magnetfelder der Spule und der Hülse stoßen sich gegenseitig ab, so dass die Hülse auf den Innenumfang des zu bearbeitenden Lochs trifft und dieses verfestigt. Nach der Behandlung wird die Hülse zusammen mit der Spule aus dem Loch entfernt. Zwischen der Hülse und der Bohrung kann ein Luftspalt vorhanden sein. Die durch dieses Verfahren aufgebrachten Druckeigenspannungen sind homogen verteilt.
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Solche induzierten Druckeigenspannungen in der Randschicht von Löchern in Werkstücken relaxieren mit der Zeit, so dass die Versagenswahrscheinlichkeit um die beanspruchte Bolzenbefestigung zunimmt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem Löcher in metallischen Werkstoffen, insbesondere Bohrungslöcher oder Löcher mit im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt, randschichtverfestigt werden können, die zu einer langzeitstabilen Randschichtverfestigung führen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Randschichtverfestigung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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In dieser Anmeldung wird mit Bohrung jedes durch ein Werkstück führende Loch oder in ein Werkstück eingebrachte Loch, unabhängig von dessen Herstellungsverfahren und Querschnittsform, bezeichnet.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine zusätzliche Sicherheit in der Randschicht der Bohrung dadurch zu erhalten, dass eine metallische Hülse fest mit der Bohrlochwand flächig verschweißt wird. Die Hülse kann aus einem anderen Material als das Werkstück bestehen, wobei jedoch die Materialien schweißmetallurgisch verträglich sein müssen. Durch das Verschweißen der metallischen Hülse mit der Bohrlochwand durch ein pulsmagnetisches Verfahren oder durch Diffusionsschweißen wird erreicht, dass in der Bohrung an sich eine Randschichtaufweitung entsteht und gleichzeitig die Hülse mit der Bohrlochwand verschweißt wird. Somit ist die Hülse fest mit dem Bohrloch als Art Schutzauskleidung verbunden und bietet einem Haltebolzen, beispielsweise einem Fe-Ni-Bolzen, einen wesentlich höheren Widerstand als eine alleinig randschichtverfestigte Basislegierung.
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Die Verbindung zwischen Hülse und Bohrlochwand ist langzeitstabil, so dass die erhöhten Festigkeitseigenschaften einer Hülse während einer verlängerten Lebensdauer des Werkstücks ausgenutzt werden können. Das Verfahren ist auf alle Bauteilgeometrien und Bohrungsgrößen anwendbar, wobei gleichzeitig verhältnismäßig kostengünstige und härtbare Fe-Ni Basislegierungen für die Hülsen eingesetzt werden können und somit, ohne auf die Leichtbaueigenschaften von einer beispielsweise Aluminiumbasislegierung zu verzichten, die erhöhten Festigkeitseigenschaften der Hülse ausgenutzt werden können. Im Hinblick auf die Bauteilgeometrien oder Bauteilbohrungsgrößen, ebenso wie Querschnittsformen, die von der runden Querschnittsform abweichen können, gibt es keine Einschränkungen.
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Unter pulsmagnetischer Verschweißung wird ein Verfahren verstanden, bei dem durch eine Ringspule, die innenliegend und konzentrisch sowie koaxial zu einer Bohrung und einer in die Bohrung eingesetzten Hülse ist, ein Strom induziert wird. Der Strom wird in Form von kurzen Strom- bzw. Spannungsimpulsen durch die Spule geleitet. Dadurch werden in der die Spule umgebenden Hülse Wirbelströme derart induziert, dass sich die Magnetfelder abstoßen. Bei starrer Fixierung der Spule in dem gekoppelten metallischen Werkstück wirken in dem Werkstück so hohe Kräfte, dass ein plastischer, irreversibler Verformungsprozess der Randschicht, dessen Dicke durch die Eindringtiefe des magnetischen Felds vorgegeben ist, auftritt. Damit werden Druckeigenspannungen induziert. Die Spule kann vor zugsweise an sich in einen metallischen Zylinder eingebettet sein, so dass auf die Hülse eine gleichmäßigere radiale Kraftverteilung wirkt.
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Vorzugsweise ist ein solcher Zylinder mit einem Trennmittel, insbesondere einem festen Trennmittel wie z. B. Teflon, beschichtet, was verhindert, dass sich ungewollter Weise der Zylinder mit der Hülse in der Bohrung verbindet oder lokal verschweißt.
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Statt des pulsmagnetischen Verfahrens kann auch ein Diffusionsschweißverfahren verwendet werden. Allerdings ist es hier erforderlich, dass die Teile in der festgelegten Anordnung in eine Vakuumumgebung gebracht werden und erwärmt werden. Außerdem lassen sich, anders als beim pulsmagnetischen Verfahren, im Hinblick auf den Schmelzpunkt deutlich verschiedene Materialien nicht gut miteinander verbinden. Hinzu kommt, dass durch die aufgebrachte Wärme die Festigkeit der Teile ohne Änderung der Mikrostruktur des Materials verändert werden kann.
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Damit eine flächige Verschweißung der Hülse mit dem Innenumfang der Bohrung entsteht, ist es erforderlich, dass die Hülse in die Bohrung derart eingebracht wird, dass die Hülse passgenau und lagefest während des gesamten Verschweißungsvorgangs in der Bohrung ist.
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Daher sind die metallische Hülse und die Bohrungsinnenwand bzw. die Lochinnenwand mit einem Mittel versehen, um die Hülse in die Bohrung pass- und lagegenau einzusetzen und für eine sichere, unveränderliche Relativ-Positionierung der Bohrung und der Hülse während des Verschweißungsprozesses zu sorgen. Dieses Mittel kann beispielsweise durch eine Verzahnung mit im Querschnitt dreiecksförmigen Zähnen, im Querschnitt rechteckigen Zähnen oder einem oder mehreren Zähnen mit geeigneter anderer Formgebung gestaltet sein. Auch Nut-Feder-Profile oder Ähnliches sind anwendbar. Die genaue Fixierung der Hülse und der Bohrung zueinander während des Verschweißungsvorgangs muss sichergestellt und soweit stabilisiert sein, dass Kraftwirkungen des pulsmagnetischen Verfahrens, die aufgrund nicht toleranzfreier Spulen- bzw. Zylindergeometrien und Hülsengeometrien entsprechend nicht homogen sind und somit während des pulsmagnetischen Verfahrens zu einem Drehmoment tangential zur Hülsenwand führen, die relative Positionierung von Hülse und Bohrung nicht aufheben. Wenn dieses Drehmoment dazu führen kann, dass die Hülse sich gegenüber der Bohrung verdreht, führt dies zu einer nicht flächigen sondern nur lokalen Verschweißung. Darüber hinaus würden dann möglicherweise während des Verschweißungsvorgangs bereits vorher hergestellte Schweißverbindungen wieder getrennt werden, was ebenfalls zu einer nicht gleichmäßigen flächigen Verschweißung zwischen Hülse und Bohrung führen würde. Im nachfolgenden Betrieb könnten in solchen ungleichmäßigen und inhomogenen Verschweißungsbereichen möglicherweise Scherbelastungen dazu führen, dass sich die Hülse von der Bohrung trennt.
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Entsprechend muss durch geeignete Mittel, wie z. B. die in axialer Richtung laufende Verzahnung entlang der Hülsenaußenwand mit zumindest einem vorspringenden Zahn und zumindest einer entsprechenden Ausnehmung in der Bohrungsinnenwand, sichergestellt werden, dass eine solche Relativdrehung der Elemente nicht auftritt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung ist es möglich, nicht vorbehandelte Bohrungen bzw. Löcher einer Randschichtverfestigungsbehandlung zu unterwerfen, die zu einem dauerhaften, stabilen, verfestigten Einsatzloch für einen Bolzen führt. Die Löcher sind nicht auf spezielle Geometrien festgelegt. Neben kreisrunden Bohrungen können auch andere Löcher bzw. Lochquerschnitte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden. Je nach Ausprägung der Form der Lochquerschnitte und der Hülse insbesondere der Querschnitte in einer Schnittebene senkrecht ur Axialrichtung, beispielsweise in einer polygonalen Form, ist es nicht erforderlich, zusätzliche Mittel zum lagegenauen Fixieren des Hülse zum Loch vorzusehen. Vielmehr übernehmen in diesem Fall die Außen- bzw. Innengeometrien von Hülse und Loch diese Funktion und sind als solche Mittel anzusehen.
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Darüber hinaus sollte sichergestellt werden, dass bei in das Loch eingesetzter Hülse möglichst kein Zwischenraum zwischen der Hülsenaußenwand und der Lochinnenwand vorhanden ist. Ein solcher Zwischenraum könnte bei Anwendung des pulsmagnetischen Verfahrens dazu führen, dass eine ungleichmäßige Verformung der Hülse und damit eine ungleichmäßige Verschweißung erzielt wird. Außerdem könnte ein zu starker Aufprall der Hülse auf das Werkstück während des pulsmagnetischen Verfahrens zu einer Beschädigung des Werkstücks führen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand eines im 1 dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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In 1 ist ein Werkstück 10, beispielsweise ein Flugzeugstrukturbauteil aus einer Aluminiumlegierung, gezeigt, durch das eine kreisförmige Bohrung 12 reicht. Die Bohrung 12 dient bei Verwendung des Werkstücks beispielsweise dazu, ein weiteres Strukturbauteil mittels eines Bolzens an dem Werkstück 10 zu befestigen, beispielsweise eine Triebwerksaufhängung an einem Flugzeugbauteil.
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Die Bohrung 12, die einen kreisrunden Querschnitt senkrecht zur Richtung ihrer Achse A hat, hat als Mittel zur lagegenauen Festlegung der Bohrung 12 zu einer Hülse 20 mehrere im Querschnitt dreiecksförmige Nuten, die als Innenverzahnung 14 wirken und die entlang ihres Umfangs verteilt sind und sich in Axialrichtung A entlang der Gesamtlänge der Bohrung 12 erstrecken. In 1 sind zwei solcher Nuten sichtbar.
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In die Bohrung 12 des Werkstücks 10 ist die Hülse 20 aus beispielsweise einer Eisen/Nickel-Legierung eingesetzt. Die Hülse 20 an sich kann randschichtgehärtet sein, wobei insbesondere auf der Innenseite der Hülse 20, die bei der Verwendung des Werkstücks 10 in Berührung mit einem (nicht dargestellten) Bolzen kommt, eine Randschichthärtung bevorzugt wird. Die Hülse 20 weist an ihrem Außenumfang an entsprechenden Positionen zu den Nuten ebenfalls dreiecksförmige, sich in Axialrichtung A erstreckende Vorsprünge auf, die als Außenverzahnung 22 wirken. Anzahl und Lage der Vorsprünge stimmen mit denen der Nuten überein.
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Dabei ist festzuhalten, dass in der perspektivischen Ansicht gemäß 1 die Zwischenräume zwischen der Hülse 20 und dem Werkstück 10 übertrieben dargestellt sind, ebenso wie die Zwischenräume zwischen dem (später zu beschreibenden) Zylinder 30 und der Hülse 20. Um eine möglichst gute, homogene flächige Verschweißung zwischen der Hülse 20 und dem Werkstück 10 zu erzielen, wird es bevorzugt, dass der Außenumfang der Hülse 20 möglichst unmittelbar anliegend am Innenumfang der Bohrung 12 ist, wenn die Hülse 20 in die Bohrung 12 eingeführt ist und die Hülse 20 eine Länge hat, die derjenigen der Bohrung 12 entspricht.
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Durch die Wechselwirkung zwischen den Vorsprüngen an der Hülse 20 und den Ausnehmungen in der Bohrung 12 wird auch bei Belastung mit einem Drehmoment um die Achse A die Hülse 20 nicht relativ zu dem Werkstück 10 verdreht. Somit kann während des pulsmagnetischen Verfahrens zum Verbinden der Hülse 20 mit dem Werkstück 10 eine solche Verdrehung ausgeschlossen werden und aufgrund der während des gesamten Verfahrens unveränderten Lage von Hülse 20 und Bohrung 12 zueinander eine gute Flächenverschweißung sichergestellt werden.
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Zum Verbinden der Hülse 20 mit dem Werkstück 10 wird ebenfalls koaxial zu der Hülse 20 und der Bohrung 12 des Werkstücks 10 eine Spule 32, die in einen Zylinder 30 aus metallischem Material eingebettet ist, in die Öffnung der Hülse 20 eingeführt. Wenn die Spule 32 mit kurzen, pulsierenden Spannungs- bzw. Strompulsen beaufschlagt wird, werden in der Hülse 20 Wirbelströme derart induziert, dass sich die durch die Spule 32 und die in der Hülse 20 erzeugten Magnetfelder abstoßen. Dadurch bewegt sich die Hülse 20 nach außen, wenn die Spule 32 im Zylinder 30 lagefest ist. Durch die Tatsache, dass die Hülse 20 gegen die Bohrungswand der Bohrung 12 stößt, wirken in dem gekoppelten metallischen Werkstück so hohe Kräfte, dass ein plastischer irreversibler Verformungsprozess der Randschicht, dessen Dicke durch die Eindringtiefe des magnetischen Felds vorgegeben ist, auftritt. Somit werden gleichmäßige Druckeigenspannungen im Randbereich der zylindrischen Bohrung 12 aufgebaut. Dadurch, dass die Spule 32 in den Zylinder 30 eingebettet ist, entsteht eine gleichmäßige Kraftverteilung in radialer Richtung.
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Die Außenoberfläche 31 des Zylinders 30 wird vor dem Einführen in die Öffnung der Hülse 20 vorzugsweise mit einem Trennmittel, beispielsweise einem festen Trennmittel, wie Teflon, beschichtet. Somit kann sichergestellt werden, dass sich die Hülse 20 während des pulsmagnetischen Verfahrens nicht mit dem Zylinder 30 verbindet. Aufgrund der Aufprallwirkung zwischen der Hülse 20 und der Innenwandung der Bohrung 12 verschweißen diese miteinander über die gesamte Fläche der Bohrungsinnenwandung. Somit kann die Hülse 20 fest mit dem Werkstück 10 verbunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkstück
- 12
- Bohrung
- 14
- Innenverzahnung
- 20
- Hülse
- 22
- Außenverzahnung
- 30
- Zylinder
- 31
- Außenoberfläche
- 32
- Spule
- A
- Achse
