DE102008041172A1

DE102008041172A1 - Leichtbaustruktur

Info

Publication number: DE102008041172A1
Application number: DE102008041172A
Authority: DE
Inventors: Rolf Bense; Steffen Biesek; Robert Alexander Goehlich; Karl-Hinrich Herbst; Michael Kreimeyer; Christian Kulik; Marco Pacchione
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-08-13
Also published as: DE102008041172B9; DE102008041172B4

Abstract

Offenbart ist eine Leichtbaustruktur, insbesondere für ein Flugzeug, die aus einer Vielzahl von mittels Schweißfügeverfahren verbindbaren Bauteilen gebildet ist. Erfindungsgemäß weist die Leichtbaustruktur eine im Fügebereich der zumindest einen Schweißverbindung gegenüber einer Dicke t1 des Bauteiles außerhalb des Fügebereiches entsprechend den Belastungen vergrößerte Bauteildicke t2 auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leichtbaustruktur, insbesondere für ein Flugzeug, die aus einer Vielzahl von mittels Schweißfügeverfahren verbindbaren Bauteilen gebildet ist.
Bei der derzeitigen Fertigung von großflächigen Strukturbauteilen, beispielsweise Rumpfschalen für Flugzeuge, werden Hautbleche bzw. Hautfelder maximal möglicher Größe zur Herstellung der Rumpfstruktur verwendet, um die Anzahl der Längs- und Querverbindungen und damit das Strukturgewicht des Flugzeugrumpfes zu minimieren. Die Hautbleche werden durch Anbringen von Stringern und Spantsegmenten zu Schalen und anschließend zu Sektionen zusammengefügt, die abschließend mittels einer Querverbindung zu der Rumpfstruktur verbunden werden, wobei als Fügeverfahren neben dem Nieten und Kleben auch Schweißverfahren, wie insbesondere das Reibrührschweißen (s. g. ”Friction Stir Welding”, FSW), eingesetzt werden, um durch Wegfall der Befestigungselemente eine Gewichtsreduzierung der Strukturbauteile bei verringertem fertigungstechnischem Aufwand zu erreichen.
Derartige Reibrührschweißvorrichtungen weisen einen Reibrührschweißkopf mit einem um seine Längsachse drehenden, einseitig oder beidseitig des Werkstückes eine Werkzeugschulter aufweisenden Schweißstift auf. Infolge der durch die Rotation des Schweißstiftes und des Schulterwerkzeuges erzeugten Reibungswärme wird das Material im Nahtbildungsbereich plastifiziert, wobei der rotierende Schweißstift die Verrührung, und damit eine Vermischung des Materials der Bauteile bewirkt. Die Werkzeugschultern ermöglichen eine einseitige oder beidseitige Glättung der Nahtoberfläche in einem Arbeitsgang. Um eine ausreichende Festigkeit in den Fügebereichen, d. h. im Bereich der Längs- und Querschweißnähte zu gewährleisten, ist eine entsprechend den Strukturbelastungen dimensionierte Blechdicke der Hautbleche erforderlich, so dass derartige Strukturbauteile ein hohes Strukturgewicht aufweisen.
Fertigungstechnisch ist ferner nachteilig, dass beim Zusammentreffen einer Quernaht mit einer Überlapp-Längsnaht ein Dickensprung entsteht, der nicht mittels einer Reibrührschweissnaht überbrückbar ist.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Leichtbaustruktur zu schaffen, bei der eine hohe mechanische Festigkeit bei minimalem Strukturgewicht und fertigungstechnischem Aufwand ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Leichtbaustruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur, insbesondere für ein Flugzeug, ist aus einer Vielzahl von mittels Schweißfügeverfahren verbindbaren Bauteilen gebildet. Erfindungsgemäß weist die Leichtbaustruktur im Fügebereich der zumindest einen Schweißverbindung eine gegenüber einer Dicke des Bauteiles außerhalb des Fügebereiches entsprechend den Belastungen vergrößerte Bauteildicke auf. Der Dickenverlauf wird vorzugsweise entsprechend dem Lastverlauf der Leichtbaustruktur ausgebildet, so dass eine, den hohen Ansprüchen an die Verbindungsqualität, insbesondere in der Luftfahrt, entsprechende Verbindung erreicht wird. Aufgrund der im Fügebereich an die Beanspruchung angepassten Bauteildicke, wird eine gewichtsoptimierte Struktur hoher Festigkeit ermöglicht. Dadurch sind gegenüber dem Stand der Technik großflächige Leichtbaustrukturen in der Montage, insbesondere in der so genannten ”Major Component Assembly” (MCA) und ”Final Assembly Line” (FAL) möglich.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zumindest ein Bauteil im Fügebereich der Schweißverbindung mit einer gegenüber einer Blechdicke des Bauteiles außerhalb des Fügebereiches entsprechend den Belastungen vergrößerten Blechdicke versehen.
Bei einer konkreten Ausführungsform ist die Schweißverbindung als eine Schweißstumpfnaht ausgebildet, wobei die zu verbindenden Bauteile eine gegenüber einer Blechdicke des Bauteiles außerhalb des Fügebereiches entsprechend den Belastungen vergrößerte Blechdicke aufweisen. Vorzugsweise ist die Blechdicke der Bau teile im Fügebereich identisch ausgebildet, so dass eine bündige Anlage erreicht wird.
Die Schweißverbindung kann alternativ oder zusätzlich zumindest eine Überlappungsnaht aufweisen.
Die Bauteile sind zur Ausbildung einer lastabhängigen Blechdicke vorzugsweise aus mehreren Blechen unterschiedlicher Dicke zusammengesetzt (”Tailored Blank”). Diese Lösung hat den Vorteil, dass die Bauteile nicht fertigungstechnisch aufwendig auf die gewünschte Blechdicke abgetragen werden müssen, um ein gewichtsoptimiertes Strukturbauteil zu erreichen.
Die Bauteile weisen bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel einen stufenförmigen Dickenverlauf auf, wobei die Blechdicke in Abhängigkeit der jeweiligen Last ortsabhängig ausgebildet ist.
Die Bauteile bilden erfindungsgemäß besonders bevorzugt ein Hautfeld einer Flugzeugrumpfstruktur aus, wobei Profilteile wie Stringer und/oder Spante zur Verstärkung des Hautfeldes aufbringbar sind. Hierbei wird es besonders bevorzugt, wenn sich der Bereich mit vergrößerter Blechdicke bis in einen Verbindungsbereich der Profilteile erstreckt. Die Spante sind mittels Verbindungsclips oder aufgrund des an die Belastung angepassten Dickenverlaufs der Hautbleche direkt an dem Hautfeld fixierbar.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die im Fügebereich vergrößerte Bauteildicke der Leichtbaustruktur durch zumindest ein Verstärkungsblech zur Ausbildung eines zusätzlichen Lastpfades erreicht. Als fertigungstechnisch besonders vorteilhaft hat es sich hierbei erwiesen, wenn die zu fügenden Bauteile im Fügebereich in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei das Verstärkungsblech die Endabschnitte der Bauteile zumindest abschnittsweise überlappt und mittels einer Schweißverbindung mit diesen verbunden ist. Die Hautbleche können hierbei beabstandet zueinander angeordnet sein, so dass ein toleranzkompensierendes Querstosskonzept erreicht wird.
Das zumindest eine Verstärkungsblech ist vorzugsweise als ein im Bereich der Stringerenden zurückgesetztes, die Stringerenden abschnittsweise umgreifendes Kammblech ausgebildet. Die Geometrie des Kammbleches ermöglicht einen Toleranzausgleich für die Quernaht ohne dabei die Nullausrichtung der Stringerenden verändern zu müssen, bzw. Verbindungselemente (Stringerkupplungen) zu verwenden. Die Kammbleche bilden einen Lastpfad aus und ermöglichen dadurch ein Auslaufen der Stringer vor dem Nahtbereich. Somit kann im Sektionsstoß auf eine Kupplung der Stringerenden mittels Verbindungselementen verzichtet werden. Zusätzlich können die Stringerenden einzelner oder aller gegenüberliegend angeordneter Stringer mittels Verbindungselementen verbunden sein. Dadurch kann eine nochmals verbesserte Bauteilfestigkeit und Ausfallsicherheit erreicht werden.
Erste Bauteile bilden bei einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung zumindest eine innere Blechhaut und zweite Bauteile eine äußere Blechhaut aus, die über eine als genietete, geklebte oder geschweißte Überlappungsverbindung ausgebildete Längsverbindung zu einer Sektion zusammengefügt sind. Die Sektionen sind vorzugsweise über eine als Schweißstumpfnaht ausgebildete Quernaht verbindbar, wobei der Fügebereich der ersten Blechhaut derart zurückgesetzt ist, dass die zweite Blechhaut im Wesentlichen bis zu einer Abschlusskante schweißbar ist. Vorzugsweise sind die äußeren Hautbleche im Bereich der Quernaht jeweils mit einer Ausklinkung versehen, die sich von einer Außenkante über die Abschlusskante der inneren Hautbleche erstreckt, so dass die Quernaht im Bereich der inneren Hautbleche unabhängig von der Quernaht der äußeren Hautbleche ausgebildet werden kann.
Fertigungstechnisch kann besonderes vorteilhaft eine Reibrührschweißvorrichtung mit zwei Werkzeugschultern (”Bobbin-Tool”) zum Fügen der Rumpfsektionen verwendet werden, die auf beiden Seiten der Leichtbaustruktur eine im Wesentlichen glatte Oberfläche erzeugt. Die Entnahme des zweischultrigen Reibschweißwerkzeuges nach der Bearbeitung kann vorteilhaft über die von den Ausklinkungen gebildete Ausnehmung erfolgen, so dass keine weiteren Durchbrüche erforderlich sind. In dem Bereich der Ausklinkungen ist vorzugsweise zumindest ein Dopplerblech zur Abdeckung der Ausnehmung vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird das Reibrührschweißen besonders bevorzugt, da Reibrührschweißverbindungen im Nahtbereich eine nahezu optimale Gefügestruktur aufweisen, die mit den ursprünglichen Materialeigenschaften der noch nicht gefügten Bauteile vergleichbar ist. Die Verbindung von Bauteilen mittels Reibrührschweißen ermöglicht daher die Herstellung von mechanisch hochbelastbaren Strukturen. Alternativ oder zusätzlich können Laserstrahlschweißverfahren und/oder Schmelzschweißverfahren verwendet werden.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine als Rumpfstruktur für Flugzeuge ausgebildete Leichtbaustruktur gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
2 eine Schnittdarstellung der Rumpfstruktur aus 1 im Bereich der auf Stoß verbundenen Sektionen,
3 eine Schnittdarstellung von durch Reibrührschweißen entlang ihrer Längskanten verbundener Bauteile gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine Draufsicht auf die Rumpfstruktur aus 1 im Bereich der Quernaht und die Hautbleche verbindenden Längsverbindungen,
5 eine Draufsicht einer Rumpfschale aus zwei durch ein Reibrührschweißverfahren entlang ihrer Längskanten verbundenen Bauteilen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus 5,
7 eine Draufsicht auf die mit einer weiteren Rumpfschale zu einer Rumpfsektion verbundene Rumpfschale aus 5,
8a eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A aus 7,
8b eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B aus 7 und
8c eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie C-C aus 7.
1 zeigt eine als Rumpfstruktur für Flugzeuge ausgebildete Leichtbaustruktur 1, aus Hautblechen 2, die mittels genieteten Längsverbindungen 4 zu sogenannten Rumpfschalen 6 und diese zu Sektionen 8a, 8b zusammengefügt sind. Die Sektionen 8a, 8b werden anschließend, wie in 1 schematisch angedeutet, über Querstöße 10 zur Rumpfstruktur 1 des Flugzeuges verbunden. Der Aufbau einer derartigen Rumpfstruktur 1 wird im Folgenden anhand der 1 bis 4 näher erläutert.
In 2 ist eine Schnittdarstellung der Rumpfstruktur 1 aus 1 im Bereich der durch ein Reibrührschweißverfahren auf Stoß verbundenen Sektionen 8a, 8b dargestellt, wobei während des Reibrührprozesses in einem Füge- oder Nahtbildungsbereich 12 mittels eines Schweißstiftes und beidseitig der Hautbleche 2a, 2b angeordneten Werkzeugschultern eine keilförmige Schweißstumpfnaht (Quernaht) 14 von außen, d. h. in 2 von unten, ausgebildet wurde. Erfindungsgemäß weist die Leichtbaustruktur 1 im Fügebereich 12 der Schweißverbindung eine gegenüber einer Dicke des Bauelements außerhalb des Fügebereiches entsprechend den Belastungen vergrößerte Bauteildicke auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind beide Hautbleche 2a, 2b im Fügebereich 12 der Schweißverbindung mit einer gegenüber einer Blechdicke t₁ der Hautbleche 2a, 2b außerhalb des Fügebereiches entsprechend den Belastungen vergrößerten Blechdicke t₂ versehen. Die Blechdicke t₂ der Hautbleche 2a, 2b im Fügebereich 12 ist identisch ausgebildet, so dass eine bündige Anlage erreicht wird. Der Dickenverlauf ist entsprechend dem Lastniveau etwa stufenförmig ausgeführt, so dass eine den hohen Ansprüchen an die Verbindungsqualität, insbesondere in der Luftfahrt, entsprechende Verbindung erreicht wird. Aufgrund der im Fügebereich 12 an die Beanspruchung angepassten Bauteildicke wird eine gewichtsoptimierte Struktur hoher Festigkeit ermöglicht.
Zur Verstärkung der Hautbleche 2a, 2b sind Profilteile wie Stringer 16a, 16b und Spante 18 vorgesehen. Die quer zur Flugzeuglängsachse verlaufenden, schema tisch angedeuteten Rumpfspante 18 sind mittels Verbindungsclips 20 an dem Hautfeld fixiert, wobei sich der Bereich mit vergrößerter Blechdicke t₂ bis in einen Verbindungsbereich der Profilteile 16a, 20 erstreckt. Aufgrund der Krafteinleitung in den Rumpfspant 18 ist der Verbindungsclip 20 in dem Bereich 12 mit großer Blechdicke t₂ angeordnet, wobei sich die Stringerenden 22a bis kurz vor die Schweißnaht 14 erstrecken. Die Blechdicke t₂ ist nach dem Stringerende 22 und dem Anschlussbereich des Verbindungsclips 20 stringerseitig auf die verringerte Blechdicke t₁ reduziert. Auf dem benachbarten Hautblech 2b enden die Stringer 16b aufgrund der ohne Spantanbindung reduzierten Belastung in einem Übergangsbereich 24 mit einer Zwischendicke t₃, die stufenförmig hin zu einem Anschlussbereich der Stringer 16b mit nochmals verringerter Blechdicke t₁ abnimmt. Die Stringerenden 22a, 22b sind entsprechend der Blechdickenverläufe gekröpft ausgeführt und liegen im Wesentlichen flächig an den Hautblechen 2a, 2b an. Die Hautbleche 2a, 2b sind zur Ausbildung der lastabhängigen Blechdicke vorzugsweise aus mehreren Blechen unterschiedlicher Dicke beispielsweise durch ein Schweißverfahren zusammengesetzt (”Tailored Blank”), so dass die Hautbleche 2a, 2b nicht fertigungstechnisch aufwendig auf die gewünschte Blechdicke abgetragen werden müssen, um ein gewichtsoptimiertes Strukturbauteil 1 zu erreichen.
Gemäß 3, die eine Schnittdarstellung von durch Reibrührschweißen verbundenen Hautblechen 2a, 2b gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, sind die Rumpfspante 18 bei dieser Ausführungsform aufgrund des an die Belastung angepassten Dickenverlaufs der Bauteile direkt, d. h. ohne Verbindungsclips, an dem Hautfeld befestigt. Der Spant 18 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer Nietverbindung mit dem Hautblech 2a in dem Bereich großer Blechdicke t₂ verbunden. Auf beiden Hautblechen 2a, 2b enden die Stringer 16a, 16b aufgrund der ohne Spantanbindung reduzierten Belastung in einem Übergangsbereich 24 mit der Zwischendicke t₃, die jeweils stufenförmig hin zu einem Anschlussbereich der Stringer 16a, 16b mit nochmals verringerter Blechdicke t₁ abnimmt.
Im Folgenden wird die Ausbildung der Quernaht 14 im Bereich einer Längsverbindung 4 anhand 4 beispielhaft erläutert, welche die Rumpfstruktur 1 aus 1 im Bereich der Quernaht 14 und einer die Hautbleche 2a–2d verbindenden Längsverbindung 4 zeigt.
Wie 4 zu entnehmen ist, bilden die Hautbleche 2a, 2b eine innere Blechhaut und die Hautbleche 2c und 2d eine äußere Blechhaut aus, wobei die Hautbleche 2a, 2c; 2b, 2d bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über die als genietete Überlappungsverbindung ausgebildete Längsverbindung 4 zu Sektionen 8a, 8b zusammengefügt wurden. Die Sektionen 8a, 8b sind über die als Schweißstumpfnaht 14a, 14b ausgebildete Quernaht verbunden, wobei der Fügebereich 12 der Hautbleche 2c, 2d derart zurückgesetzt ist, dass die Hautbleche 2a, 2b bis zu einer Abschlusskante 26 schweißbar sind. Hierzu sind die äußeren Hautbleche 2c, 2d im Bereich der Quernaht 14a, 14b jeweils mit einer Ausklinkung 28 versehen, die sich von einer Außenkante 30 über die Abschlusskante 26 der inneren Hautbleche 2a, 2b erstreckt, so dass die Quernaht 14a im Bereich der inneren Hautbleche 2a, 2b unabhängig von der Quernaht 14b der äußeren Hautbleche 2c, 2d ausgebildet werden kann. Fertigungstechnisch kann besonderes vorteilhaft eine Reibrührschweißvorrichtung mit zwei Werkzeugschultern zum Fügen der Rumpfsektionen 8a, 8b verwendet werden, die auf beiden Seiten der Leichtbaustruktur 1 eine im Wesentlichen glatte Oberfläche erzeugt. Die Entnahme des zweischultrigen Reibschweißwerkzeuges nach der Bearbeitung kann vorteilhaft über die von den Ausklinkungen 28 gebildete Ausnehmung erfolgen, so dass keine weiteren Durchbrüche erforderlich sind. Anschließend wird in dem Bereich der Ausklinkungen 28 ein etwa rechteckiges Dopplerblech 32 von einer Innenseite zur Abdeckung der Ausnehmung und Strukturverstärkung mittels einer Nietverbindung an der Struktur befestigt.
5 zeigt eine Draufsicht einer Rumpfschale 6a aus zwei durch ein Reibrührschweißverfahren entlang ihrer Längskanten verbundenen, als Hautbleche 2a, 2b einer Rumpfstruktur 1 eines Flugzeuges ausgebildeten Bauteilen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zur Versteifung der Rumpfschale 6a sind mehrere parallel angeordnete und sich in Richtung der Flugzeuglängsachse erstreckende Stringer 16 vorgesehen.
Wie insbesondere 6 zu entnehmen ist, die eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus 5 zeigt, ist die Längsverbindung bei diesem Ausführungsbeispiel als Überlappungsnaht 34 ausgebildet, wobei zumindest ein zu verbindendes Hautblech 2a, 2b eine gegenüber einer Blechdicke des Hautbleches außerhalb des Fügebereiches 12 entsprechend den Belastungen vergrößerte Blechdicke aufweist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Hautbleche 2a, 2b im Fügebereich 12 jeweils mit einer Aufdickung versehen, die eine Blechdicke t₂ aufweist. Die Blechdicke t₂ nimmt nach dem Fügebereich 12 etwa stufenförmig auf eine minimale Dicke t₁ ab und anschließend über mehrere Zwischenbereiche mit zunehmender Blechdicke lastabhängig zu. Im Bereich der Stringeranbindung ist die Blechdicke zur Verbesserung der Krafteinleitung ebenfalls vergrößert.
Die 7 zeigt eine Draufsicht auf die mit einer weiteren, Hautbleche 2c, 2d aufweisenden Rumpfschale 6b zu einer Rumpfsektion 8 verbundene Rumpfschale 6a aus 5. Die Leichtbaustruktur weist im Fügebereich 12 der Querverbindung 10 eine gegenüber einer Dicke des Bauelements außerhalb des Fügebereiches entsprechend den Belastungen vergrößerte Bauteildicke auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die im Fügebereich vergrößerte Bauteildicke der Leichtbaustruktur mittels einer Verstärkungsblechanordnung erreicht, die ein in 7 oberes Verstärkungsblech 36a und ein unteres Verstärkungsblech 36b zur Ausbildung eines Lastpfades aufweist. Die Verstärkungsbleche 36a, 36b sind als im Bereich der Stringerenden 22 zurückgesetzte, die Stringerenden 22 beabstandet umgreifende Kammbleche ausgebildet, die sich im Bereich des Längsstoßes überlappen (siehe 8c), wobei die Kammbleche 36a, 36b jeweils durch zwei jedem Hautblech 2a bis 2d zugeordnete, abschnittsweise parallel verlaufende Schweißnähte 38a, 38b mit den Hautblechen 2a–2d verbunden sind. Die stringerseitige Schweißnaht 38a ist jeweils entsprechend der Außenkontur der Kammbleche 36a, 36b im Bereich der Stringerenden 22 zurückgesetzt ausgebildet. Zusätzlich zu den Kammblechen 36a, 36b können die Stringerenden 22 einzelner oder aller einander gegenüberliegend angeordneter Stringer 16 mittels Verbindungselementen (Kopplungselemente) verbunden sein. Dadurch kann eine nochmals verbesserte Bauteilfestigkeit und Ausfallsicherheit erreicht werden.
Wie den 8a und 8b zu entnehmen ist, die Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinie A-A bzw. B-B aus 7 zeigen, hat es sich als fertigungstechnisch besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die zu fügenden Hautbleche 2a, 2c im Fügebe reich 12 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei das Kammblech 36a die Endabschnitte der Hautbleche 2a, 2c innenseitig abschnittsweise überlappt und mittels der Schweißverbindung 38 mit diesen verbunden ist. Die Leichtbaustruktur weist dadurch im Fügebereich der Querverbindung 10 eine gegenüber einer Dicke t₁ des Bauelements außerhalb des Fügebereiches entsprechend den Belastungen vergrößerte Bauteildicke t₂ auf. Ferner ist die Blechdicke der Hautbleche 2a, 2c im Verbindungsbereich ohne Stringeranbindung gegenüber der Blechdicke t₁ jeweils auf eine Blechdicke t₃ erhöht (vgl. 8a). Die Verbindung der Hautbleche 2b, 2d erfolgt entsprechend über das Kammblech 36b, so dass eine diesbezügliche Erläuterung entbehrlich ist.
Gemäß 8c, die eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie C-C aus 7 zeigt, wird mittels einer Dopplerlasche aus den Kammblechen 36a, 36b eine lochfreie Rumpfschale erreicht. Das Kammblech 36a verläuft hierzu im Fügebereich in einer gemeinsamen Ebene mit dem Hautblech 2b, wobei ein Endabschnitt des Kammbleches 36a von dem Kammblech 36b überlappt wird und mit diesem und dem Hautblech 2a über eine Längschweißnaht 40 verbunden ist, so dass eine geschlossene Struktur ausgebildet ist. Das Kammblech 36b ist weiterhin mittels einer Längsschweißnaht 42 mit dem Hautblech 2b verbunden.
Die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur ist nicht auf das beschriebene Reibrührschweißverfahren beschränkt, vielmehr können unterschiedliche aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannte Schweißfügeverfahren, wie das Laserstrahlschweißen oder Schmelzschweißen, Verwendung finden. Das Reibrührschweißen wird jedoch erfindungsgemäß besonders bevorzugt, da Reibrührschweißverbindungen im Nahtbereich eine nahezu optimale Gefügestruktur und dadurch eine hohe statische und dynamische Festigkeit aufweisen.
Offenbart ist eine Leichtbaustruktur 1, insbesondere für ein Flugzeug, die aus einer Vielzahl von mittels Schweißfügeverfahren verbindbaren Bauteilen 2 gebildet ist. Erfindungsgemäß weist die Leichtbaustruktur 1 eine im Fügebereich 12 der zumindest einen Schweißverbindung gegenüber einer Dicke t₁ des Bauteiles außerhalb des Fügebereiches 12 entsprechend den Belastungen vergrößerte Bauteildicke t₂ auf.

1: Rumpfstruktur
2: Hautblech
4: Längsverbindung
6: Rumpfschale
8: Sektion
10: Querstoß
12: Fügebereich
14: Schweißstumpfnaht (Quernaht)
16: Stringer
18: Spant
20: Verbindungsclip
22: Stringerende
24: Übergangsbereich
26: Abschlusskante
28: Ausklinkung
30: Außenkante
32: Dopplerblech
34: Überlappungsnaht
36: Verstärkungsblech
38: Schweißnaht
40: Längsschweißnaht
42: Längsschweißnaht

Claims

Leichtbaustruktur, insbesondere für ein Flugzeug, die aus einer Vielzahl von mittels Schweißfügeverfahren verbindbaren Bauteilen (2, 6) gebildet ist, gekennzeichnet durch eine im Fügebereich (12) der zumindest einen Schweißverbindung gegenüber einer Dicke t₁ des Bauteiles (2; 6) außerhalb des Fügebereiches (12) entsprechend den Belastungen vergrößerte Bauteildicke t₂.
Leichtbaustruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bauteil (2a, 2b, 2c, 2d) im Fügebereich (12) der Schweißverbindung eine gegenüber einer Blechdicke t₁ des Bauteiles (2a, 2b, 2c, 2d) außerhalb des Fügebereiches (12) entsprechend den Belastungen vergrößerte Blechdicke t₂ aufweist.
Leichtbaustruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung zumindest eine Schweißstumpfnaht (14) aufweist, wobei die zu verbindenden Bauteile (2a, 2b, 2c, 2d) eine gegenüber einer Blechdicke t₁ des Bauteiles (2a, 2b, 2c, 2d) außerhalb des Fügebereiches (12) entsprechend den Belastungen vergrößerte Blechdicke t₂ aufweisen.
Leichtbaustruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung zumindest eine Überlappungsnaht (34) aufweist, wobei zumindest ein zu verbindendes Bauteil (2a, 2b) eine gegenüber einer Blechdicke t₁ des Bauteiles (2a, 2b) außerhalb des Fügebereiches (12) entsprechend den Belastungen vergrößerte Blechdicke t₂ aufweist.
Leichtbaustruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bauteil (2a, 2b, 2c, 2d) zur Ausbildung einer lastabhängigen Blechdicke aus mehreren Einzelblechen zusammengesetzt ist (Tailored Blank).
Leichtbaustruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2a, 2b, 2c, 2d) eine Rumpfschale (6) eines Flugzeuges ausbilden, wobei Profilteile, wie insbesondere Stringer (16) und/oder Spante (18), zur Verstärkung der Rumpfschale (6) vorgesehen sind.
Leichtbaustruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich mit vergrößerter Bauteildicke t₂ bis in einen Verbindungsbereich der Profilteile (16, 18) erstreckt.
Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Spant (18) im Bereich des Fügebereichs (12) befestigt ist.
Leichtbaustruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im Wesentlichen stufenförmigen, lastabhängigen Dickenverlauf.
Leichtbaustruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fügebereich (12) zumindest ein Verstärkungsblech (36a, 36b) zugeordnet ist.
Leichtbaustruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Bauteile (6a, 6b) im Fügebereich (12) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei Verstärkungsbleche (36a, 36b) die Randbereiche der Bauteile (6a, 6b) zumindest abschnittsweise überlappen und mittels einer Schweißverbindung mit diesen verbunden sind.
Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile mit Stringern (16) verstärkte Hautbleche (2a, 2b, 2c, 2d) eines Flugzeuges sind, wobei die Verstärkungsbleche (36a, 36b) im Bereich der Stringerenden (22) zurückgesetzte, die Stringerenden (22) abschnittsweise umgreifende Kammbleche sind.
Leichtbaustruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stringerenden (22) gegenüberliegend angeordneter Stringer (16) mittels Verbindungselementen verbindbar sind.
Leichtbaustruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2a, 2b, 2c, 2d) zumindest eine innere Blechhaut und eine äußere Blechhaut ausbilden, die mittels einer als Überlappungsverbindung ausgebildeten Längsverbindung (4) zu einer Sektion (8a, 8b) zusammengefügt sind, wobei die Sektionen (8a, 8b) durch eine Quernaht (14) verbindbar sind und der Fügebereich einer Blechhaut derart zurückgesetzt ist, dass die zweite Blechhaut bis zu einer Abschlusskante (26) schweißbar ist.
Leichtbaustruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißfügeverfahren ein Reibrührschweißverfahren, Laserstrahlschweißverfahren und/oder Schmelzschweißverfahren verwendet wird.
Leichtbaustruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest zweischultrige Reibrührschweißvorrichtung zum Fügen verwendet wird, wobei ein Durchbruch zur Entnahme des Werkzeuges nach der Bearbeitung mittels mindestens einem Dopplerblech (32) verschließbar ist.