DE102010032402A1

DE102010032402A1 - Verfahren zum Verbinden von zwei Luftfahrzeugrumpfsegmenten mittels Rührreibschweißen

Info

Publication number: DE102010032402A1
Application number: DE102010032402A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Silvanus; Marco Pacchione; Stefan Elze
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2012-02-02
Also published as: EP2598277B1; WO2012013610A1; EP2598277A1; US20130206819A1

Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden von zwei Luftfahrzeugrumpfsegmenten (10a, 10b) sowie ein im Stoßbereich (11) der beiden Luftfahrzeugrumpfsegmente (10a, 10b) angeordnetes Versteifungsprofil (14) durch Rührreibschweißen mittels eines rotierenden Werkzeugs (18) ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckblech (20) oberhalb der Stoßstellen (11) auf die zu verbindenden Luftfahrzeugrumpfsegmente (10a, 10b) gebracht und nach dem Rührreibschweißen der Rest des Deckblechs (20) abgefräst wird. Dies ermöglicht dn bei den zu verbindenden Kanten, so dass sich die Maßtoleranzanforderungen an die Luftfahrzeugrumpfsegmente (10a, 10b) reduzieren lassen. Ferner lässt sich eine glatte Oberfläche im geschweißten Bereich erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei Luftfahrzeugrumpfsegmenten sowie ein im Stoßbereich der beiden Luftfahrzeugrumpfsegmente angeordnetes Versteifungsprofil durch Rührreibschweißen mittels eines rotierenden Werkzeugs.
Im Flugzeugbau insbesondere erlauben die Toleranzanforderungen der zu verbindenden Rumpfsegmente bisher meist keine Stumpfstoßschweißungen mittels Rührreibschweißens, weil die zu erwartenden Spalten eine Prozessdurchführung nicht ohne aufwändige zusätzliche Maßnahmen erlauben. Denn das schweißtechnische Verbinden von großen in einer Dimension gekrümmten (d. h. tonnenförmigen) Bauteilen miteinander, erfordert eine Spannmethode, bei der sich ein wesentlicher Teil der spantechnischen Bauteile im Inneren der Bauteile befindet und nach dem Schweißen mit erheblichem Aufwand wieder entfernt werden muss.
Daher werden Fügeverbindungen zwischen Luftfahrzeugrumpfsegmenten herkömmlicherweise im Überlappungsstoß durchgeführt, insbesondere über eine Überlappungs-Nietverbindung, bei der mehrere Nietreihen nebeneinander angeordnet werden.
Sofern ein Versteifungsprofil (z. B. ein Stringer) angebracht wird, so wird dieses Bauteil zusätzlich mit einer oder mehreren Nietreihen mitverbunden.
Aus der DE 10 2008 025 872 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem die Luftfahrzeugrumpfsegmente mittels Rührreibschweißens miteinander verbunden werden. Dabei kann ein Versteifungsprofil/Stringer beim Schweißprozess mit angeschweißt werden, wobei dieses als Gegenlager gegenüber der durch das rotierende Werkzeug erzeugten Druckkraft wirkt.
Der Nachteil dieses herkömmlichen Verfahrens besteht darin, dass die Bauteile relativ genau gefertigt werden müssen, denn Spalttoleranzen dürfen nicht größer sein als ca. 50% der Bauteildicke (ca. 1,3 mm), um die hohen Anforderungen an die Schweißqualität zu erfüllen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Oberfläche nach dem Schweißvorgang unregelmäßig bzw. rauh ist und daher die Anforderungen an eine glatte Aussenhaut des gebildeten Luftfahrzeugs nur mit erhöhtem Aufwand eingehalten werden können.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zum Verbinden von zwei Luftfahrzeugrumpfsegmenten anzugeben, das mit vermindertem Herstellungsaufwand im Hinblick auf die Maßtoleranzen gefertigt werden kann und eine Verbindung mit glatter Außenkontur der Schweißnaht erlaubt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Deckblech oberhalb der Stoßstellen auf die zu verbindenden Luftfahrzeugrumpfsegmente zu bringen, wobei nach dem Rührreibschweißen der Bereich des Deckblechs glatt gefräst wird.
Dies ermöglicht vorteilhafterweise zum einen die Überwindung signifikant größerer Spalttoleranzen, ohne dass die Schweißnahtqualität beeinträchtigt wird. Spaltbreiten im Bereich von 2 mm (bei ca. 3 mm dicken Werkstücken) lassen sich überbrücken. Damit lassen sich die Maßtoleranzanforderungen an die Luftfahrzeugrumpfsegmente reduzieren. Durch den nachfolgenden Fräsvorgang werden die Reste des Deckbleches entfernt und es läßt sich eine glatte Oberfläche im geschweißten Bereich erreichen. Ferner ergeben sich im Vergleich zu manchen herkömmlichen Rührreibschweißenverfahren ein Gewichtseinsparpotential sowie verbesserte Festigkeitseigenschaften.
Aus der JP 2004261895 A oder der EP 1 790 425 A1 sind Rührreibschweißverfahren unter Verwendung von Deckblechen an sich bekannt, aber die endgültigen Oberflächen nach der Beendigung des Schweißvorgangs sind uneben, so dass die Anwendbarkeit bei der Verbindung von Luftfahrzeugrumpfsegmenten zu unerwünschten Strömungserscheinungen an diesen Stoßstellen führt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Deckblech eine Breite auf, die größer ist als der Durchmesser des Werkzeugs, so dass beim Rührreibschweißen beiderseits des Werkzeugs Randstreifen des Deckblechs verbleiben. Beim nachfolgenden Fräsvorgang werden diese verbleibenden Randstreifen mit abgefräst. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass sich an den Rändern des Deckbleches keine unerwünschten Verformungen bilden, so dass eine glatte Kontur nach dem Fräsvorgang gewährleistet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Deckblech mit einer Wandstärke verwendet, die etwa der Dicke der zu verbindenden Rumpfsegmente, also etwa von 3 bis 5 mm, entspricht. Bei dieser Wandstärke wird einerseits genügend Material in den Spalt zwischen den Stoßstellen gepresst, um eine ausreichende Verbindung der beiden Stoßstellen zu bewirken, andererseits verbleibt Material oberhalb der Oberfläche der eigentlichen Luftfahrzeugrumpfsegmente, das im anschließenden Fräsvorgang entfernt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Bearbeitungsvorgang mit dem Werkzeug mindestens einmal wiederholt. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass der gesamte Fügevorgang auf zwei Schweißvorgänge aufgeteilt werden kann, so dass größere Spaltbreiten überbrückt werden können, da die transportierte Menge des Füllmaterials aus dem Deckblech im Spalt erhöht wird und dieser nach dem ersten Schweißvorgang bereits teilweise gefüllt ist.
Gemäß noch einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Deckblech verwendet, das mittig einen Materialstreifen aufweist, der beim Schweißvorgang in den Spalt zwischen den Stoßstellen eingepresst wird. Hierbei wird die erforderliche Materialmenge zum Füllen des Spaltes durch den am Deckblech angeformten Materialstreifen bereitgestellt. Dabei dient das Deckblech weniger als Materialspender sondern vielmehr zur Positionierung des Materialstreifens im Spalt. Dadurch ist es nicht erforderlich, dass das Werkzeug eine zusätzliche spaltfüllende Aufgabe übernimmt, so dass Schweißvorgänge mit geringerer Eintauchtiefe möglich sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert.
Dabei zeigt:
1: eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Verfahrensschrittes des Verbindungsverfahrens;
2: eine schematische perspektivische Darstellung eines zweiten Verfahrensschrittes des Verbindungsverfahrens;
3: eine schematische perspektivische Darstellung des Verfahrensproduktes.
In 1 sind in einer schematischen perspektivischen Darstellung zwei Luftfahrzeugrumpfsegmente 10a, 10b dargestellt, die zwei miteinander zu verbindende Stoßstellen 11 aufweisen, die über diese Stoßstellen bis auf einen fertigungstechnisch verbleibenden Spalt 12 aneinanderstoßen.
Auf der einen Seite dieses Spaltes 12 ist ein Versteifungsprofil 14, beispielsweise ein Stringer, angeordnet, dessen Verbindungsflanke direkt auf dem Bereich des Spaltes 12 zwischen den beiden Luftfahrzeugrumpfsegmenten 10a, 10b aufliegt. Beiderseits des Versteifungsprofils 14 sind ferner zwei Stützelemente 16 vorgesehen, die zum einen als Gegenlager für ein Werkzeug 18 als auch zur Führung und Fixierung des Versteifungsprofils 14 beim Schweißvorgang dienen.
Gegenüberliegend zum Verstärkungsprofil 14 wird der Spalt 12 durch ein Deckblech 20 abgedeckt, das mittig oberhalb des Spaltes 12 angeordnet wird. Zur Durchführung des Rührreibschweißvorgangs rotiert das Werkzeug 18 (mit einer Drehzahl von etwa 500–2000 1/min) und wird mittels nicht dargestellter Einrichtungen mit erheblicher Kraft im Bereich von 10 kN und mehr gegen das Deckblech 20 gepresst, wobei sich dieses Deckblech 20 erwärmt und plastisch verformt und dessen Material teilweise in den Spalt 12 gedrückt wird. Das Werkzeug 18 wird gleichzeitig in der mit 22 bezeichneten Richtung entlang der Erstreckung des Spaltes 12 bewegt, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 500–4000 mm/min. Wenn der Schweißvorgang abgeschlossen ist, also das Werkzeug 18 die gesamte Länge des Spaltes 12 entlang gefahren ist, kann ein zweiter Schweißvorgang erfolgen, also das Werkzeug 18 kann entweder in der gleichen oder der entgegengesetzten Richtung, mit der gleichen oder entgegengesetzten Drehrichtung bewegt werden.
In 2 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1. 2 zeigt einen zweiten Bearbeitungsschritt, wobei mit dem Bezugszeichen 30 der beim Schweißvorgang plastifizierte Bereich dargestellt ist. Vom Deckblech 20 (1) sind dann nur noch zwei Randstreifen 32 übrig, während der mittlere Bereich durch das Werkzeug 18 in den Spalt 12 gepresst wurde. Mittels eines Fräsers 34 erfolgt ein Bearbeitungsvorgang, bei dem die beiden Randstreifen 32 als auch der über die Oberfläche der beiden Luftfahrzeugrumpfsegmente 10a, 10b hinausragende Bereich der Schweißnaht 30 abgefräst wird.
3 zeigt das Ergebnis des Prozesses nach Beendigung des Fräsvorganges, bei dem nur noch ein integrales Luftfahrzeugrumpfsegment 10 vorhanden ist mit einem glatt gefrästen Schweißbereich 30, wobei das Versteifungsprofil 14 nunmehr integraler Bestandteil des Luftfahrzeugrumpfsegments 10 ist. Der gefräste Schweißbereich 30 kann selbstverständlich nachfolgend nachpoliert werden, um die Oberflächengüte weiter zu verbessern.
Sowohl die Luftfahrzeugrumpfsegmente 10a, 10b als auch das Deckblech 20 bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff, üblicherweise eine im Luftfahrbereich verwendete Aluminiumlegierung, beispielsweise die im Luft- und Raumfahrtbereich häufig verwendete Legierung EN AW-2024.
Bezugszeichenliste

10a, b: Luftfahrzeugrumpfsegment
12: Spalt
14: Versteifungsprofil
16: Stützelemente
18: Werkzeug
20: Deckblech
22: Richtung
30: plastifizierter Bereich
32: Randstreifen
34: Fräser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008025872 A1 [0005]
JP 2004261895 A [0011]
EP 1790425 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN AW-2024 [0026]

Claims

Verfahren zum Verbinden von zwei Luftfahrzeugrumpfsegmenten (10a, 10b) sowie ein im Stoßbereich (11) der beiden Luftfahrzeugrumpfsegmente (10a, 10b) angeordnetes Versteifungsprofit (14) durch Rührreibschweißen mittels eines rotierenden Werkzeugs (18), dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckblech (20) oberhalb der Stoßstellen (11) auf die zu verbindenden Luftfahrzeugrumpfsegmente (10a, 10b) gebracht wird und nach dem Rührreibschweißen der Rest des Deckblechs (20) abgefräst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckblech (20) eine Breite aufweist, die größer ist als der wirksame Durchmesser des Werkzeugs (18), so dass beim Rührreibschweißen beiderseits des Werkzeugs (18) Randstreifen (32) des Deckbleches (20) verbleiben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckblech (20) mit einer Wandstärke verwendet wird, die etwa der Wandstärke der zu verbindenden Bauteile entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckblech (20) mit einer Wandstärke von 3–5 mm verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsvorgang mit dem Werkzeug (18) mindestens einmal wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckblech (20) verwendet wird, das mittig einen angeformten Materialstreifen aufweist, der beim Schweißvorgang in den Spalt (12) zwischen den Stoßstellen eingepresst wird.