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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil
mit metallisch induzierter Rissabweichung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, sowie einen Flugzeugdruckrumpf gemäß Anspruch 12, der zumindest
teilweise aus einem derartigen Aluminium-Strukturbauteil besteht.
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Im
Flugzeugbau sind Aluminium-Strukturbauteile für Druckrumpfschalen, die im
wesentlichen aus Hautfeld-Stringer-Verbindungen bestehen, bisher
mit dem Fertigungsverfahren Nieten oder Kleben hergestellt worden.
Dabei werden nicht nur Stringer an einem Hautfeld angenietet sondern
auch Winkelelemente, sogenannte Clips, die zur Befestigung von in
Druckrumpfumfangsrichtung verlaufenden Spanten dienen. Die Clips
werden dabei bekanntlich sowohl am Hautfeld als auch am Stringer
angenietet.
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In
letzter Zeit hat sich für
die Fertigung von großflächigen Aluminium-Strukturbauteilen
für Flugzeug-Druckrumpfschalen
das Laserstrahlschweißen zum
Herstellen von Hautfeld-Stringer-Verbindungen durchgesetzt. Derartige
geschweißte
Hautfeld-Stringer-Verbindungen zeichnen sich vorteilhafterweise gegenüber den
bisherigen mittels Nieten oder Kleben hergestellten Verbindungen
durch ein geringeres Gewicht und deutlich reduzierte Fertigungszeiten
auf.
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In
DE 196 39 667 ist beispielsweise
ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Profilen auf großformatigen
Aluminium-Strukturbauteilen beschrieben, bei dem zwei Laserstrahlen
verwendet werden, die von zwei Seiten gleichzeitig mittels Nahtsuchsystem
an die Schweißnaht
geführt
werden. Ein mittels Laserstrahlschweißen hergestelltes Flugzeug-Schalenteil
ist z.B. aus
DE 198 44 035 bekannt.
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Nachteilig
bei den geschweißten
und damit integralen bzw. monolithischen Aluminium-Strukturbauteilen
ist die Rissausbreitung. Ein im Hautfeld der geschweißten Hautfeld-Stringer-Verbindung
fortschreitender Riss durchtrennt nicht nur das Hautfeld sondern
auch den Stringer und schwächt
damit die Gesamtstruktur nachhaltig. Im Gegensatz zu genieteten
Strukturen, bei denen ein Riss unter dem angenieteten Stringer durchläuft ohne
sich auf diesen zu erstrecken, ist das geschweißte Aluminium-Strukturbauteil
als vollständig
monolithische Struktur zu betrachten, wobei Risse im Hautfeld die
aufgeschweißten
Verstärkungselemente
Stringer, Clips und dergleichen sofort und ungebremst durchtrennen.
Dieses Problem besteht zur Zeit bei allen mittels Laserstrahlen
geschweißten
Aluminium-Strukturbauteilen. Aufgrund
dieses Nachteils werden derzeit beispielsweise beim Airbus 318 lediglich
im Bereich der Druckrumpfunterschale geschweißte, monolithische Strukturbauteile
z.B. aus AIMgSiCu-Werkstoffen (Al-Werkstoff-Typ 6xxx, nach amerikanischer
Legierungsbezeichnung) verwendet, da in diesem Bereich des Druckrumpfes
keine Zugbeanspruchungen auftreten und ausfallsichere Konzepte (sogenannte „Fail Safe" Konzepte) nicht
erforderlich sind.
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Somit
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil
zu schaffen, bei dem die Rissausbreitung auf ein an dem Hautfeld
des Strukturbauteils befestigtes Verstärkungselement wirksam unterbunden
ist, so dass es für
eine ausfallsichere „Fail-Safe" Bauweise geeignet
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil
gelöst,
das ein Hautfeld sowie mindestens ein Verstärkungselement aufweist, das
an dem Hautfeld mittels Schweißen
gegebenenfalls unter Verwendung eines Schweißzusatzstoffes befestigt ist,
wobei Hautfeld, Verstärkungselement und
Schweißzusatzstoff
aus Aluminium-Werkstoffen bestehen und der Aluminium-Werkstoff zumindest
einer der Komponenten Hautfeld, Verstärkungselement und Schweißzusatzstoff
zusätzlich
0,05 – 2 Gew.-%
eines oder mehrerer Elemente der Gruppe be stehend aus Zirkon (Zr),
Scandium (Sc), Yttrium (Y), Titan (Ti), Terbium (Tb), Hafnium (Hf),
Niob (Nb), Tantal (Ta), Vanadin (V) und den Lanthaniden enthält, wodurch
sich zwischen Hautfeld und Verstärkungselement
eine metallurgische Feinkornzone bildet.
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Diese
metallisch induzierte Feinkornzone bildet sich im Bereich der aufgeschmolzenen
und wieder erstarrten Schweißnahtzone
und damit bevorzugt zwischen Hautfeld und Schweißgut (= des während des
Schweißens
aufgeschmolzenen und nach dem Schweißen wieder erstarrten Werkstoffs,
der entweder aus Grundwerkstoff oder aus Grundwerkstoff und Schweißzusatzstoff
besteht) oder zwischen Verstärkungselement
und Schweißgut.
Dadurch wird vorteilhafterweise die Ausbreitung eines im Hautfeld
vorhandenen Risses auf das Verstärkungselement
wirksam unterbunden.
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Auf
Grund des gezielten Zulegierens der oben genannten Elemente wird
im Schweißgut
entlang der Aufschmelzlinie(n) ein schmaler Saum aus sehr feinen
Körnern
erzeugt, wenn im an- und aufgeschmolzenen Grundwerkstoff des Verstärkungselements,
Hautfeldes oder Schweißzusatzstoffes
die oben genannten Legierungselemente in der entsprechenden Menge
vorhanden sind. Auf Grund dieser Feinkornzone bildet ein im Hautfeld
fortschreitender Riss beim Auftreffen auf die Feinkornzone im Schweißgut statt
eines Risses im Verstärkungselement
ein oder zwei Nebenrisse, welche entlang der Fügeebene der Schweißverbindung
sehr langsam fortschreiten. Dies hat den großen Vorteil, dass das angeschweißte Verstärkungselement
in sich intakt bleibt und damit für eine längere Zeitdauer als lasttragender
Pfad zur Verfügung
steht.
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Die
Bildung der metallurgischen Feinkornzone auf Grund der zulegierten
Elemente beruht im wesentlichen darauf, dass beim Schweißvorgang
bestimmte intermetallische Phasen (stöchiometrische Verbindungen
der oben genannten Elemente mit dem Al-Grundwerkstoff (in der Regel
des Typs Al3X)), welche in den mit diesen
Elementen legierten Al-Werkstoffen vorhanden sind, im Bereich der
Aufschmelzgrenzfläche
nicht völlig
aufgeschmolzen und in der Schmelze aufgelöst werden. An der geschweißten Grenzfläche zwischen
Schweißgut
und Verstärkungselement
oder an der Grenzfläche
zwischen Schweißgut
und Hautfeld verbleiben z.B. nicht aufgeschmolzene, also feste AlZr
oder AlSc/Zr-Phasen, welche an der Grenzfläche in der Aufschmelzzone als
sogenannte heterogene Keime (Kristallisationskeime) während der
Erstarrung des Schweißgutes
wirken. Dieser, so entstandene, schmale Saum von sehr feinen, äquidistanten
Körnern
mit seinen besonderen kohäsiven
Eigenschaften bewirkt die gewollte, geänderte Rissausbreitung bzw.
Rissablenkung und verhindert so die ungewünschte, vorzeitige Schädigung des
Verstärkungselements.
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Hierbei
ist es von Vorteil, dass die Rissausbreitung sowohl in einer geschweißten Verbindung ohne
Verwendung eines Schweißzusatzstoffes
als auch in einer mittels Schweißzusatzstoffes geschweißten Verbindung
wirksam durch entsprechendes Zulegieren von Verstärkungselement
und/oder Hautfeld bzw. Zulegieren von Verstärkungselement, Hautfeld und/oder
Schweißzusatzstoff
erzielt wird. Dies ermöglich
eine flexible Verwendung der erfindungsgemäßen Idee.
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Zweckmäßig ist
dabei, dass als Aluminium-Werkstoffe für Hautfeld und Verstärkungselement Luftfahrtlegierungen
mit der grundsätzlichen
Chemie AlCu... (amerikanische Legierungsbezeichnung AA 2xxx), AlMg...
(amerikanische Legierungsbezeichnung AA 5xxx, worunter beispielsweise
auch AlMgSc-Legierungen fallen), AlMgSi... (amerikanische Legierungsbezeichnung
AA 6xxx), AlZn... (amerikanische Legierungsbezeichnung AA 7xxx)
und/oder andere Al-Werkstoffsysteme (amerikanische Legierungsbezeichnungen
AA 8xxx und AA 4xxx) wie zum AlLi-Legierungen gewählt werden können. Dies
sind typische für
die Luftfahrt zertifizierte Legierungen, die üblicherweise für die Herstellung
von Flugzeugdruckrümp fen
verwendet werden. Somit ist die vorliegende Erfindung für alle üblicherweise
in der Luftfahrt eingesetzten oder zukünftig entwickelten Legierungen
anwendbar, vorausgesetzt, sie sind durch Zugabe der oben genannten
Elemente modifiziert oder angepasst. Als Werkstoffform gilt dies
für geschmiedete Werkstoffe
(z.B. Bleche, Platten etc.) und für Gusswerkstoffe (z.B. Feinguss,
Druckguss, aber auch Rheo- oder Thixo-Guss).
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Besonders
vorteilhaft ist, dass jede Kombination der oben aufgeführten Luftfahrt-Legierungs-Typen
für Hautfeld
und Verstärkungselement gewählt werden
kann, wenn zumindest eine der Komponenten Hautfeld, Verstärkungselement
und Schweißzusatzstoff
entsprechend legierungstechnisch modifiziert ist. Für den Fall,
dass Hautfeld und Verstärkungselement
nicht modifiziert sind, kann alternativ auch ein oft aus schweißtechnischer
Sicht notwendiger Schweißzusatzwerkstoff
als drittes Element in dem Gesamtsystem modifiziert werden, damit
so die angestrebte Feinkornzone entsteht, wie das voranstehend erläutert ist.
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Hautfeld
und Verstärkungselement
können beispielsweise
aus einem identischen bzw. ähnlichen Luftfahrt-Legierungs-Typ
(z.B. AA 6xxx) bestehen. Dabei kann das Hautfeld zum Beispiel aus
der Legierung 6013 und das Verstärkungselement
aus der Legierung 6110 A bestehen, wobei die Chemie des Verstärkungselements
durch Zugabe von Ti oder Zr entsprechend der Erfindung angepasst
ist. Alternativ können
Hautfeld und Verstärkungselement
auch aus verschiedenen Luftfahrt-Legierungs-Typen
bestehen. Das Hautfeld kann z.B aus einer Legierung vom Typ 6xxx
bestehen (z.B. 6056) und das Verstärkungselement kann vom Typ
2xxx (z.B. 2195) sein. In diesem Fall ist die Legierung 2195 schon
aufgrund ihrer Klassifizierung im amerikanischen Al-Legierungsschlüssel definiert
mit Zr legiert. Alternativ kann beispielsweise ein AlMg6.3MnZrSc
Schweißzusatzstoff verwendet
werden. Da so eine Vielzahl von Kombinationen von Luftfahrt-Legierungs-Typen
möglich ist,
ist die vorliegende Erfindung universell in der Luftfahrt, ohne
größere Einschränkungen
auf bestimmte Legierungs-Typen, anwendbar.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform sind
in dem Verstärkungselement
entlang der Fügeebene
der Schweißverbindung
eine Vielzahl von Bohrungen vorgesehen. Zweckmäßig ist dabei ein Bohrungsdurchmesser
von 2 bis 10 mm und ein Abstand der Bohrungsmittelpunkte von 4 bis
1000 mm. Die Bohrungsmittelpunkte haben einen Abstand zum angeschweißten Hautfeld
von vorzugsweise ≥ 1
mm bis ca. 15 mm. Durch die Anordnung von Bohrungen entlang der
Fügeebene
wird ein Ausbreiten des durch die metallurgische Feinkornzone in
Fügeebene
abgelenkten Risses vermindert, da die Nebenrisse beim Auftreffen
auf Bohrungen durch diese gestoppt werden.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass das erfindungsgemäße Aluminium-Strukturbauteil
nicht wie bisher lediglich für
die Unterschale eines Flugzeugdruckrumpfes verwendbar ist, sondern
dass auf Grund der verhinderten Rissausbreitung eine „Fail-Safe" Bauweise gewährleistet
ist, so dass das Aluminium-Strukturbauteil auch für die Oberschale und
Seitenschalen eines Flugzeugdruckrumpfes verwendbar ist. Das hat
den Vorteil, dass die geschweißte,
integrale Bauweise auf alle Bereiche des Flugzeugrumpfes ausgedehnt
werden kann, was wiederum weitere Fertigungskostenersparnisse ermöglicht.
Daneben kann das Gesamtstrukturgewicht weiter gesenkt werden, was
verbesserte Betriebskosten von Flugzeugen mit sich bringt.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass das an dem Hautfeld angeschweißte Verstärkungselement
nicht nur ein Stringer sondern auch Clips und/oder Schubkämme sein
können.
Daneben kann das Verstärkungselement
auch ein Spant sein, der bekanntlich bei Kleinflugzeugen direkt
an dem Hautfeld befestigt ist. Bei großen Flugzeugen werden dagegen
die Spante an entsprechenden Clips angeord net, die wiederum sowohl
mit dem Hautfeld als auch mit dem Stringer befestigt sind. Die Verstärkungselemente
können
alternativ draht-, matrix-, faserverstärkt oder dergleichen sein.
Somit ist die vorliegende Erfindung weder auf bestimmte Verstärkungselemente
oder Teilbereiche im Flugzeug noch auf einen bestimmten Flugzeugtyp
beschränkt.
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Zweckmäßig ist
es ferner, dass das Verstärkungselement
sowohl durch Laserstrahlschweißen, Lichtbogenschweißen als
auch durch andere Schmelzschweißverfahren
an dem Hautfeld befestigbar ist. Somit besteht auch hinsichtlich
des Schweißverfahrens
keine Beschränkung,
was die vorliegende Erfindung universell und flexibel einsetzbar
macht.
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Alternativ
kann das geschweißte
Bauteil nach dem Schweißen
einer, aus verschiedenen Teilschritten aufgebauten Wärmenachbehandlung
zur Eigenschaftsoptimierung unterzogen werden. Diese kann beispielsweise
bei einer Temperatur von 50 – 450°C für eine Dauer
von 15 – 1500
Minuten erfolgen.
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Das
erfindungsgemäße, geschweißte Aluminium-Strukturbauteil
findet insbesondere in Flugzeugen Anwendung, wo es zumindest teilweise
Unter-, Ober- und/oder
Seitenschalen des Druckrumpfes bildet.
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An
Hand der beigefügten
Abbildungen wird die Erfindung im Folgenden in näheren Einzelheiten beschrieben.
In den Abbildungen sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Es
zeigen:
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1 in schematischer Darstellung
die Rissausbreitung bei bisherigen, aus dem Stand der Technik bekannten
geschweißten
Aluminium-Strukturbauteilen;
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2 in schematischer Darstellung
die Rissausbreitung bei einem Aluminium-Strukturbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ein Aluminium-Strukturbauteil
gemäß 2 mit im Verstärkungselement
angeordneten Bohrungen;
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4 ein Schliffbild einer
Aufschmelzgrenzfläche
eines Aluminium-Strukturbauteils
mit nicht modifiziertem Grundwerkstoff gemäß dem Stand der Technik;
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5 ein Schliffbild einer
Aufschmelzgrenzfläche
eines laserstrahlgeschweißten
Aluminium-Strukturbauteils mit erfindungsgemäß modifiziertem Grundwerkstoff
(Werkstoff 1);
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6 ein Schliffbild einer
Aufschmelzgrenzfläche
eines laserstrahlgeschweißten
Aluminium-Strukturbauteils mit erfindungsgemäß modifiziertem Grundwerkstoff
(Werkstoff 2); und
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7 ein Schliffbild einer
Aufschmelzgrenzfläche
eines lichtbogengeschweißten
(WIG-Verfahren) Aluminium-Strukturbauteils mit erfindungsgemäß modifiziertem
Grundwerkstoff (Werkstoff 3).
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1 zeigt in schematischer
dreidimensionaler Darstellung ein Aluminium-Strukturbauteil 1, das ein
Hautfeld 2 sowie mindestens ein Verstärkungselement 3 aufweist.
In 1 ist aus Gründen der
besseren Übersicht
lediglich ein einziges Verstärkungselement 3 dargestellt.
Das Hautfeld 2 bildet auf bekannte Weise einen Teil eines
Flugzeugdruckrumpfes, wobei das Verstärkungselement 3 ein
Stringer ist, der in Flugzeuglängsrichtung
an dem Hautfeld befestigt ist. Hautfeld- Stringer-Verbindungen sind aus dem Stand
der Technik wohlbekannt, so dass auf eine weitere detaillierte Beschreibung
verzichtet werden kann.
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In 1 ist das Verstärkungselement 3 exemplarisch
als Stringer dargestellt, selbstverständlich gilt die folgende Erläuterung
auch für
andere Verstärkungselemente,
die ans Hautfeld geschweißt werden,
wie beispielsweise Clips oder Schubkämme. Bekanntlich werden Clips
zur Befestigung von in Umfangsrichtung des Flugzeugdruckrumpfes
verlaufenden Spanten verwendet und sind sowohl mit dem Stringer
als auch mit dem Hautfeld verschweißt. An Stelle mehrerer einzelner
Clips kann ebenso auf bekannte Weise ein Schubkamm benutzt werden.
Da bei Kleinflugzeugen bekanntlich die Spante direkt an dem Hautfeld
befestigt werden, kann das in 1 schematisch
dargestellte Verstärkungselement
auch ein Spant sein.
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Das
in 1 dargestellte Hautfeld 2 des
Aluminium-Strukturbauteils 1 besteht aus einem Aluminium-Werkstoff,
der aus einem der luftfahrtzertifizierten Legierungs-Typen 2xxx, 4xxx,
5xxx, 6xxx, 7xxx und 8xxx ausgewählt
ist. Als Beispiel für
eine 6xxx-Hautfeldlegierung sei die Legierung 6013 (Hautfeld) genannt.
Das in 1 als Stringer
ausgeführte
Verstärkungselement 3 besteht
ebenso aus einem Aluminium-Werkstoff, der aus denselben Luftfahrt-Legierungs-Typen
wie die Hautfeldlegierung ausgewählt
ist (z.B. 6110A).
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In 1 ist ferner ein sich in
dem Hautfeld 2 ausbreitender Riss dargestellt, der sich
in Richtung des Verstärkungselementes 3 ausbreitet.
Dies ist durch den von rechts nach links verlaufenden Pfeil A schematisch
dargestellt. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten geschweißten Strukturbauteilen teilt
sich der Riss A in zwei Teilrisse B, C auf, wenn der fortschreitende
Riss A auf das Verstärkungselement 3 trifft,
wobei der eine Teilriss B (gestrichelt dargestellt) unter dem Verstärkungselement 3 in
dem Hautfeld 2 weiterwandert. Der andere Teilriss führt zu einem
Durchtrennen des Verstärkungselementes 3, was
durch den Pfeil C dargestellt ist. Mit anderen Worten, bei den bisherigen
mittels Schweißen
hergestellten monolithischen Aluminium-Strukturbauteilen setzt sich
ein Riss im Hautfeld 2 auf die aufgeschweißten Verstärkungselemente 3 ungebremst
fort und durchtrennt diese. Dies hat zur Folge, dass das Verstärkungselement 3,
das als lasttragender Pfad nicht mehr zur Verfügung steht, die Festigkeit
der Gesamtstruktur nicht mehr aufrecht erhalten kann, was das Ersetzen
des Strukturbauteils erforderlich macht. Damit kann diese Hautfeld-Verstärkungselement-Verbindung
nicht dort verwendet werden, wo ausfallsichere („Fail Safe") Konzepte (z.B. Flugzeugseiten- und
Oberschalen) erforderlich sind.
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2 zeigt in analoger Weise
ein geschweißtes
Aluminium-Strukturbauteil 1, das wie in 1 ein Hautfeld 2 sowie mindestens
ein Verstärkungselement 3 aufweist,
wobei wiederum lediglich ein einzelnes Verstärkungselement 3 in
Form eines Stringers dargestellt ist. Wie bei den bekannten geschweißten, monolithischen
Strukturbauteilen gemäß 1 besteht das Hautfeld 2 sowie
das Verstärkungselement 3 aus
Aluminium-Werkstoffen (z.B. Legierungen vom Typ 2xxx, 4xxx, 5xxx,
6xxx, 7xxx und 8xxx), nun aber mit der erfindungsgemäß geänderten bzw.
angepassten Chemie. Dabei können
Hautfeld 2 und Verstärkungselement 3 aus
identischen oder verschiedenen Legierungs-Typen bestehen. Als Beispiel
sei folgende Werkstoffpaarung genannt: Das Hautfeld 2 besteht
aus der 6xxx-Legierung 6013 und das Verstärkungselement besteht aus der
2xxx-Legierung 2195. In diesem Fall enthält die Legierung 2195 den Legierungsbestandteil
Zr.
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Erfindungsgemäß sind dem
Aluminium-Werkstoff des Verstärkungselementes 3 und/oder
des Hautfeldes 2 zusätzlich
0.05 – 2 Gew.-%
eines oder mehrerer Elemente der Gruppe bestehend aus Zirkon (Zr),
Scandium (Sc), Yttrium (Y), Titan (Ti), Terbium (Tb), Hafnium (Hf),
Niob (Nb), Tantal (Ta), Vanadin (V) und den Lanthaniden zulegiert.
Durch diese spezielle Modifikation des Verstärkungselement werkstoffes wird
bewirkt, dass sich nach dem Schweißen an der Grenzfläche zwischen Schweißgut und
Verstärkungselement 3 und/oder
an der Grenzfläche
zwischen Schweißgut
und Hautfeld 2 direkt aus dem Schweißprozess heraus eine metallurgische
Feinkornzone bildet.
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Die
Rissausbreitung ist in 2 wiederum schematisch
dargestellt, wobei der sich im Hautfeld 2 ausbreitende
Riss durch den von rechts nach links verlaufenden Pfeil A' dargestellt ist.
Der Riss A' schreitet
im Hautfeld 2 fort, trifft auf das Verstärkungselement 3 oder
besser gesagt auf den Feinkornsaum und wird dort in einen oder mehrere
Nebenrisse C', C'' aufgespaltet. Der ursprüngliche
Riss (gestrichelt dargestellt; Pfeil B') schreitet im Hautfeld 2 fort,
wobei er unter dem Verstärkungselement 3, wie
in einer genieteten Struktur, durchwandert. Die Nebenrisse C', C'' schreiten nun aber entlang der Fügeebene
der Schweißverbindung
Hautfeld-Verstärkungselement
sehr langsam fort. Eine Übertragung bzw.
Ausbreitung des Risses A' auf
das Verstärkungselement 3,
was bisher zu einem Durchtrennen des Verstärkungselementes 3 führte, tritt
hier nicht auf. Folglich bleibt das Verstärkungselement 3 hier als
Verstärkungselement
in sich intakt, d.h. das Verstärkungselement
ist vom Riss unbeeinflusst und bleibt damit lasttragfähig und
somit redundant, was den Erfordernissen einer „Fail-Safe" Bauweise entspricht. Somit kann das
geschweißte,
monolithische Strukturbauteil nicht nur länger verwendet werden, sondern
im Flugzeugdruckrumpf auch dort verwendet werden, wo derartige „Fail-Safe"-Konzepte unverzichtbar
sind, wie beispielsweise in der Druckrumpfoberschale oder in den
Druckrumpfseitenschalen.
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Um
das Fortschreiten der Nebenrisse C', C'' entlang der Fügeebene
weiter zu reduzieren bzw. zu stoppen, können in dem Verstärkungselement 3 zusätzliche
Bohrungen 4 vorgesehen sein, die entlang der Fügeebene,
benachbart zum angeschweißten Hautfeld 2,
angeordnet sind (3).
Der Abstand a der Bohrungsmittelpunkte zum Hautfeld 2 beträgt dabei
typischerweise ≥ 1
mm bis ca. 15 mm, bei einem Bohrungsdurchmesser D von 2 – 10 mm
und einem Abstand d der Bohrungsmittelpunkte von 4 – 1000 mm.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
das in 2 bzw. 3 dargestellte
geschweißte Strukturbauteil
durch Anschweißen
des Verstärkungselements 3 an
das Hautfeld 2 auf bekannte Weise unter Verwendung eines
Schweißzusatzstoffes
hergestellt werden. Die im Zusammenhang mit 2 beschriebene Rissausbreitung kann in
analoger Weise durch Zulegieren der obengenannten Elemente bewirkt
werden. Hierbei reicht es aus, dass nur der Schweißzusatzstoff
erfindungsgemäß modifiziert
wird. Alternativ können
aber auch zusätzlich Verstärkungselement 3 und/oder
Hautfeld 2 zulegiert werden. Selbstverständlich ist
es auch möglich
einen nicht modifizierten Schweißzusatzstoff (z.B. AlSi12) zu
verwenden. Dann muss aber zur wirksamen Verhinderung der Rissausbreitung,
wie oben beschrieben, das Verstärkungselement 3 und/oder
das Hautfeld 2 erfindungsgemäß modifiziert sein.
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Zur
näheren
Erläuterung
des metallurgischen Effekts, der an der Grenzfläche zwischen dem Hautfeld 2 und
dem angeschweißten
Verstärkungselement 3 auftritt,
sei auf die 4 bis 7 verwiesen.
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4 zeigt ein Schliffbild
einer Aufschmelzgrenzfläche
eines Aluminium-Strukturbauteils
mit nicht modifiziertem Grundwerkstoff gemäß dem Stand der Technik. Das
Aluminium-Strukturbauteil ist eine laserstrahlgeschweißte Verbindung
des Werkstoffes 6013, wobei ein Schweißzusatzwerkstoff des Typs AlSi12
verwendet wurde. Im unteren Bereich der 4 ist das Hautfeld 2 und im
oberen Bereich ist das Schweißgut
zu sehen. Entlang der Aufschmelzlinie, die in 4 mit Pfeilen markiert ist, ist keine
Feinkorngrenze sondern nur eine stengelartige (dendritische) Erstarrung
in Richtung Schweißnahtmitte
zu finden.
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5 zeigt ein Schliffbild
einer Aufschmelzgrenzfläche
eines laserstrahlgeschweißten
Aluminium-Strukturbauteils mit erfindungsgemäß modifiziertem Grundwerkstoff.
Das Verstärkungselement
besteht aus dem Werkstoff 2195, welcher zusätzlich ca. 0,12 Gew.-% Zirkon
(Zr) als Legierungsbestandteil enthält. Beim Schweißen wurde
ein Schweißzusatzwerkstoff
des Typs AlSi12 verwendet. Im unteren Bereich der 5 ist das Schweißgut und im oberen Bereich
ist das Verstärkungselement
zu sehen. Ferner ist in 5 ein
mehr oder minder schmaler Saum der Feinkornzone (markiert mit Pfeilen)
zu erkennen, der sich entlang der Aufschmelzlinie erstreckt.
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In
analoger Weise zeigt 6 die
Ausbildung einer Feinkornzone entlang einer Aufschmelzlinie in einer
mittels Schweißzusatzstoff
geschweißten Verbindung
des Werkstoffes 2098 (Verstärkungselement).
Auch in diesem Fall enthält
der Verstärkungselement-Werkstoff
ca. 0,12 Gew.-% Zirkon (Zr) als Legierungsbestandteil. Die Ausbildung
der Feinkornzone ist wiederum mit Pfeilen markiert, wobei das Schweißgut im
unteren Bereich der 6 und
das Verstärkungselement
im oberen Bereich zu sehen ist.
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7 zeigt einen Querschliff
einer lichtbogengeschweißten
Verbindung des Werkstoffs AlMgLiZnSc (1424). Beim Schweißen wurde
ein Schweißzusatzwerkstoff
des Typs AlMg6.3MnZrSc verwendet. In diesem Fall enthält der Grundwerkstoff des
Hautfeldes die Elemente Sc (ca. 0,25 Gew.-%) und Zr (ca. 0,08 Gew.-%)
als Legierungsbestandteil. Der Schweißzusatzwerkstoff enthält ebenfalls
diese Legierungselemente. Wiederum bildet sich im Bereich der Aufschmelzlinie
eine Feinkornzone aus.
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Beispiel gemäß Stand
der Technik:
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Eine übliche Werkstoffpaarung
für Hautfeld und
Stringer ist die Kombination AA 6013 T6 (Hautfeld) und AA 6110A
T6 (Stringer). Die Legierung AA 6013 T6 der Firma Alcoa weist folgende
Zusammensetzung auf: 0,90 Gew.-% Magnesium (Mg), 0,72 Gew.-% Kupfer
(Cu), 0,36 Gew.-% Mangan (Mn), 0,27 Gew.-% Eisen (Fe) sowie Rest
Aluminium. Die Legierung AA 6110A T6 der Firma Otto Fuchs ist der Legierung
6013 sehr ähnlich.
Beide Legierungen enthalten keine erfindungsgemäßen Zugaben. Man findet nur
geringe Gehalte an Ti (<< 0.05 %), da diesen Legierungen
beim Abgießen
ein sogenannter Kornfeiner (TiB2-Draht) zugegeben wird, mit dem
Ziel, aus verarbeitungstechnischen Gründen die Korngröße im Gussmaterial
möglichst
klein einzustellen. Dies ist eine seit Jahrzehnten etablierte Praxis
bei der Herstellung von Al-Halbzeugen. Aus beiden genannten Werkstoffen
wurden nun sogenannte stringerversteifte Hautfelder hergestellt.
Mittels Nd-YAG Laserstrahlschweißens wurden drei Stringer aufgeschweißt (Stringer
Nr. 1, 2 bzw. 3). Folgende Prozessparameter kamen dabei zum Einsatz:
- – Nd-YAG
Laser mit 400 μm
Lichtleit-Faser
- – Brennweite
f = 150 mm => ∅ Fokus
= 300 μm
- – Laserleistung:
2300 Watt
- – Schweißgeschwindigkeit
Vschw = 2100 mm/min
- – Schweißzusatzwerkstoff
SZW = AlSi12
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Diese
so hergestellten Paneele wurden dann auf einer Zugprüfmaschine
hinsichtlich ihres zyklischen Rissfortschrittsverhaltens getestet.
Dabei war von vorrangigem Interesse, wie sich der Riss verhält, wenn
er auf den Stringer trifft. Zu diesem Zweck wurde in der Probe mittig
ein Riss eingebracht (z.B. durch Einsägen), wobei der mittlere Stringer
(Nr. 2) ebenfalls bereits durchtrennt wurde. Unter zyklischer Belastung
kam es dann zur Rissverlängerung
(quer zur Lastrichtung). In Abhängigkeit
von der Stringerteilung traf der Riss (bzw. beide Teilrisse der
linken und rechten Probenhälfte)
auf die Stringer Nr. 1 und Nr. 3. Der fortschreitende Riss durchtrennte
die Stringer Nr. 1 und Nr. 3, und danach kollabierte das Bauteil
in der Prüfmaschine.
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Beispiel gemäß der vorliegenden
Erfindung:
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Eine
erfindungsgemäße Werkstoffpaarung ist
z.B. ein Standard-Luftfahrtwerkstoff für das Hautfeld (Legierungstyp
AA 2524 nach amerikanischem Legierungschlüssel, eine AlCu4Mg2Mn) und
ein Zr-haltiger (ca. 0,12 Gew.-%) Stringerwerkstoff AA 2195 (AlCu4Li1
MgAgZr). In analoger Weise zum vorherigen Beispiel wurde mit identischen
Prozessparametern ein Stringer-versteiftes Hautfeld mit drei Stringern
(Nr. 1, 2 und 3) ohne Verwendung eines Schweißzusatzstoffes hergestellt.
Durch das Vorhandensein des Zr in der Stringerlegierung bildet sich
an der Grenzfläche
zwischen Stringer-Grundwerkstoff und Schweißgut ein schmaler Saum mit
feinen, äquidistanten
Körnern
aus und lenkt so die angreifenden Risse um. Der Riss wächst nicht
in den Stringer hinein und der Stringer kann somit seine lasttragende Funktion
noch aufrecht erhalten. Bei entsprechenden Untersuchungen des Rissfortschrittsverhaltens
in einer Zugprüfmaschine,
wobei wiederum der mittlere Stringer (Nr. 2) z.B. durch Einsägen durchtrennt
wurde, zeigte sich, dass Stringer Nr. 1 und Nr. 3 nicht durchtrennt
werden.
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Als
weitere Beispiele für
die Grundwerkstoffe von Verstärkungselement
und/oder Hautfeld seien die aus
DE
198 38 017 ,
DE 198
38 018 und
DE 198 38
015 bekannten Legierungen aufgeführt, die mit Grundwerkstoffen
aus einem der eingangs erwähnten
typischen Luftfahrt-Legierungs-Typen kombiniert werden können.