DE10331990A1 - Welded aluminum structural component with metallic induced cracking - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) mit metallisch induzierter Rissabweichung, insbesondere für Flugzeuge, umfassend ein Hautfeld (2) sowie mindestens ein Verstärkungselement (3), das an dem Hautfeld (2) mittels Schweißen gegebenenfalls unter Verwendung eines Schweißzusatzstoffes befestigt ist, wobei das Hautfeld (2), das Verstärkungselement (3) und der Schweißzusatzstoff aus Aluminiumwerkstoffen bestehen und der Aluminiumwerkstoff zumindest einer der Komponenten Hautfeld (2), Verstärkungselement (3) und Schweißzusatzstoff 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, enthält, wodurch sich zwischen Hautfeld (2) und Verstärkungselement (3) eine metallurgische Feinkornzone ausbildet.The present invention relates to a welded aluminum structural component (1) with metallically induced crack propagation, in particular for aircraft, comprising a skin panel (2) and at least one reinforcing element (3) attached to the skin panel (2) by welding, optionally with the use of a welding additive is, wherein the skin panel (2), the reinforcing element (3) and the welding additive made of aluminum materials and the aluminum material at least one of the components skin panel (2), reinforcing element (3) and welding additive additionally 0.05-2 wt .-% of one or of several elements of the group consisting of zirconium (Zr), scandium (Sc), yttrium (Y), titanium (Ti), terbium (Tb), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta), vanadium (V ) and the lanthanides, whereby a metallurgical fine grain zone is formed between the skin panel (2) and reinforcing element (3).

Description

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.The The present invention relates to a welded aluminum structural component with metallic induced crack deviation according to the preamble of the claim 1, as well as an aircraft pressure hull according to claim 12, the at least Part consists of such an aluminum structural component.

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.in the Aircraft construction are aluminum structural components for pressure hull shells used in the consist essentially of skin field stringer connections, so far made with the manufacturing process riveting or gluing. Not only stringers are riveted to a skin field but also angle elements, so-called clips, which are suitable for mounting in Druckrumpfumfangsrichtung extending frames serve. The clips are known both on the skin and on the stringer riveted.

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.In Lately, has been for the production of large-area aluminum structural components for aircraft pressure hulls Laser welding for Established skin panel stringer connections enforced. such welded Hautfeld-Stringer compounds are advantageously distinguished from the previous connections made by riveting or gluing due to a lower weight and significantly reduced production times on.

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.In DE 196 39 667 For example, a method for laser beam welding profiles on large-sized structural aluminum components is described using two laser beams simultaneously guided to the weld from two sides by a seam-seeking system. A manufactured by laser beam welding aircraft shell part is eg off DE 198 44 035 known.

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.adversely at the welded and thus integral or monolithic aluminum structural components is the crack propagation. An in-skin field of welded skin-field stringer connection progressive crack not only cuts the skin field but also the stringer and weakens thus making the forest sustainable. Unlike riveted Structures in which a crack passes under the riveted stringer without extending to this is the welded aluminum structural component as complete monolithic structure, with cracks in the skin field the welded reinforcing elements Stringer, clips and the like immediately and unchecked sever. This problem currently exists with all using laser beams welded Aluminum structural components. by virtue of This disadvantage is currently, for example, the Airbus 318 only welded, monolithic structural components in the area of the pressure hull bottom shell e.g. made of AIMgSiCu materials (Al material type 6xxx, according to American Alloy designation) used, since in this area of the pressure hull no tensile stresses occur and fail-safe concepts (so-called "fail-safe" concepts) are not required are.

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.Consequently The present invention is based on the object, a welded aluminum structural component to create, at which the crack propagation on one at the skin field the reinforcing element fastened to the structural component is effectively prevented is, so it for a fail-safe "fail-safe" construction suitable is.

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.These Task is performed by a welded aluminum structural component solved, having a skin panel and at least one reinforcing element, the at the skin panel by welding optionally attached using a welding additive, where skin panel, reinforcing element and Welding additive made of aluminum materials and the aluminum material at least one of the components skin panel, reinforcing element and welding additive additionally 0.05-2% by weight one or more elements of the group consisting of zirconium (Zr), Scandium (Sc), yttrium (Y), titanium (Ti), terbium (Tb), hafnium (Hf), Niobium (Nb), tantalum (Ta), vanadium (V) and the lanthanides, thereby yourself between skin panel and reinforcing element forming a metallurgical fine grain zone.

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.These Metallically induced fine grain zone forms in the area of the molten metal and again solidified weld zone and thus preferably between the skin field and weld metal (= the during the welding melted and re-solidified after welding material, either of base material or of base material and welding additive exists) or between reinforcing element and weld metal. This will advantageously the spread of a skin field existing crack on the reinforcing element effectively prevented.

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.Due to the selective alloying of the above-mentioned elements, a narrow seam of very fine grains is produced in the weld metal along the melting line (s) if the abovementioned alloying elements are present in the appropriate amount in the fused and molten base material of the reinforcing element, skin panel or welding additive , Due to this fine grain zone, a crack propagating in the skin field forms one or two side cracks when hitting the fine grain zone in the weld metal instead of a crack in the reinforcing element, which cracks very slowly along the joint plane of the welded joint progress. This has the great advantage that the welded reinforcing element remains intact in itself and is thus available as a load-bearing path for a longer period of time.

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.The formation of the metallurgical fine grain zone due to the alloyed elements is essentially based on the fact that the welding process certain intermetallic phases (stoichiometric compounds of the above elements with the Al-base material (usually of the type Al 3 X)), which in the with these Elements of alloyed Al materials are present, not completely melted in the area of the melting interface and dissolved in the melt. For example, molten, ie solid AlZr or AlSc / Zr phases, which remain at the interface in the melting zone as so-called heterogeneous nuclei (crystallization nuclei) during the solidification of the weld metal, remain at the welded interface between weld metal and reinforcing element or at the interface between weld metal and skin field Act. This narrow seam of very fine, equidistant grains with its special cohesive properties results in the desired, altered crack propagation or crack deflection and thus prevents undesired, premature damage to the reinforcing element.

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.in this connection it is advantageous that the crack propagation both in a welded connection without Use of a welding additive as well as in a welded by welding additive compound effective by appropriate alloying of reinforcing element and / or skin field or alloying of reinforcing element, skin panel and / or Welding additive is achieved. This allows a flexible use of the idea according to the invention.

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).Is appropriate doing that as aluminum materials for skin panel and reinforcing element aviation alloys with the fundamental Chemie AlCu ... (American alloyation AA 2xxx), AlMg ... (American alloy designation AA 5xxx, among which, for example AlMgSc alloys also fall), AlMgSi ... (American alloy designation AA 6xxx), AlZn ... (American alloy designation AA 7xxx) and / or other Al material systems (American alloy designations AA 8xxx and AA 4xxx) how to choose AlLi alloys. This are typical for the aviation certified alloys that are commonly used for manufacturing of aircraft pressure hulls be used. Thus, the present invention is common to all used in aviation or future developed alloys applicable, provided they are by adding the above Elements modified or adapted. As a material form this is true for forged materials (e.g., sheets, plates, etc.) and castings (e.g. Die casting, but also rheo or thixo casting).

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.Especially It is advantageous that any combination of the aviation alloy types listed above for skin field and reinforcing element are selected can, if at least one of the components skin field, reinforcing element and welding additive is modified according to alloy technology. In the case, that skin panel and reinforcing element are not modified, may alternatively also often from welding View necessary filler metal be modified as the third element in the overall system so that so the desired fine grain zone is formed, as explained above.

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.skin panel and reinforcing element for example from an identical or similar aerospace alloy type (e.g., AA 6xxx). The skin field, for example, can look like this the alloy 6013 and the reinforcing element consist of the alloy 6110 A, wherein the chemistry of the reinforcing element adjusted by adding Ti or Zr according to the invention is. Alternatively you can Skin panel and reinforcing element also from different aviation alloy types consist. The skin panel may be made of, for example, a 6xxx alloy consist (e.g., 6056) and the reinforcing element may be of the type 2xxx (e.g., 2195). In this case, the alloy 2195 is already defined by their classification in the American Al alloy key alloyed with Zr. Alternatively, for example, an AlMg6.3MnZrSc Welding additive used become. There are so many combinations of aviation alloy types is possible, The present invention is universal in aviation without bigger restrictions applicable to certain alloy types.

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.According to one alternative embodiment in the reinforcing element along the joining plane the welded joint provided a variety of holes. Appropriately is a bore diameter from 2 to 10 mm and a distance of the bore centers from 4 to 1000 mm. The drill centers have a distance to the welded skin field of preferably ≥ 1 mm to approx. 15 mm. Due to the arrangement of holes along the joining plane is a spreading of the through the metallurgical fine grain zone in joining plane deflected tear reduced, since the side cracks on impact to be stopped by drilling through these.

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.It is particularly advantageous that the aluminum structural component according to the invention can not be used as previously only for the lower shell of an airplane fuselage, but that on Because of the prevention of crack propagation, a "fail-safe" construction is ensured, so that the aluminum structural component can also be used for the upper shell and side shells of an airplane fuselage, which has the advantage that the welded, integral construction can be extended to all areas of the aircraft fuselage In addition, the overall structure weight can be further reduced, resulting in improved operating costs of aircraft.

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.One Another advantage is that the welded to the skin panel reinforcing element not just a stringer but also clips and / or push combs can. In addition, the reinforcing element Also a bulkhead, which is known for small aircraft directly attached to the skin panel. For large aircraft will be against the rib attached to corresponding clips angeord net, in turn, both attached to the skin panel as well as to the stringer. The reinforcing elements can alternatively be wire, matrix, fiber reinforced or the like. Thus, the present invention is not limited to particular reinforcing elements or subregions in the aircraft nor on a particular type of aircraft limited.

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.Is appropriate it further that the reinforcing element both by laser welding, arc welding as also by other fusion welding processes attachable to the skin panel. Thus, there is also with regard to of the welding process no restriction, what the present invention can be used universally and flexibly power.

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.alternative can the welded Component after welding one, built up of different steps heat post-treatment for property optimization. This can for example at a temperature of 50 - 450 ° C for a duration from 15 - 1500 Minutes.

Das erfindungsgemäße, geschweißte Aluminium-Strukturbauteil findet insbesondere in Flugzeugen Anwendung, wo es zumindest teilweise Unter-, Ober- und/oder Seitenschalen des Druckrumpfes bildet.The According to the invention, welded aluminum structural component finds particular application in aircraft where it is at least partially Lower, upper and / or Side shells of the pressure hull forms.

An Hand der beigefügten Abbildungen wird die Erfindung im Folgenden in näheren Einzelheiten beschrieben. In den Abbildungen sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.At Hand of the attached Illustrations of the invention will be described in more detail below. In the figures, the same components with the same reference numerals Mistake.

Es zeigen:It demonstrate:

1 in schematischer Darstellung die Rissausbreitung bei bisherigen, aus dem Stand der Technik bekannten geschweißten Aluminium-Strukturbauteilen; 1 in a schematic representation of the crack propagation in previous, known from the prior art welded aluminum structural components;

2 in schematischer Darstellung die Rissausbreitung bei einem Aluminium-Strukturbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung; 2 in a schematic representation, the crack propagation in an aluminum structural component according to the present invention;

3 ein Aluminium-Strukturbauteil gemäß 2 mit im Verstärkungselement angeordneten Bohrungen; 3 an aluminum structural component according to 2 with arranged in the reinforcing element holes;

4 ein Schliffbild einer Aufschmelzgrenzfläche eines Aluminium-Strukturbauteils mit nicht modifiziertem Grundwerkstoff gemäß dem Stand der Technik; 4 a micrograph of a reflow interface of an aluminum structural component with unmodified base material according to the prior art;

5 ein Schliffbild einer Aufschmelzgrenzfläche eines laserstrahlgeschweißten Aluminium-Strukturbauteils mit erfindungsgemäß modifiziertem Grundwerkstoff (Werkstoff 1); 5 a micrograph of a melting interface of a laser-welded aluminum structural component with inventively modified base material (material 1);

6 ein Schliffbild einer Aufschmelzgrenzfläche eines laserstrahlgeschweißten Aluminium-Strukturbauteils mit erfindungsgemäß modifiziertem Grundwerkstoff (Werkstoff 2); und 6 a micrograph of a reflow interface of a laser-welded aluminum structural component with inventively modified base material (material 2); and

7 ein Schliffbild einer Aufschmelzgrenzfläche eines lichtbogengeschweißten (WIG-Verfahren) Aluminium-Strukturbauteils mit erfindungsgemäß modifiziertem Grundwerkstoff (Werkstoff 3). 7 a micrograph of a reflow interface of an arc-welded (TIG) aluminum structural component with inventively modified base material (material 3).

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. 1 shows a schematic three-dimensional representation of an aluminum structural component 1 that is a skin field 2 and at least one reinforcing element 3 having. In 1 is for reasons of clarity only a single reinforcing element 3 shown. The skin field 2 forms in a known manner a part of an aircraft fuselage, wherein the reinforcing element 3 a stringer attached to the skin panel in the aircraft longitudinal direction. Skin panel stringer connections are well known in the art, so further detailed description can be omitted.

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.In 1 is the reinforcing element 3 By way of example, the following explanation applies to other reinforcing elements that are welded to the skin, such as clips or push combs. As is known, clips are used for fastening ribs extending in the circumferential direction of the aircraft pressure hull and are welded to both the stringer and the skin panel. Instead of several individual clips can also be used in a known manner, a shear comb. As is known in small aircraft, the bulkhead are attached directly to the skin field, which can be in 1 also shown reinforcing element to be a frame.

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).This in 1 illustrated skin area 2 of the aluminum structural component 1 consists of an aluminum material selected from one of the aviation-certified alloy types 2xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx and 8xxx. An example of a 6xxx skin field alloy is alloy 6013 (skin field). This in 1 designed as a stringer reinforcing element 3 It also consists of an aluminum material selected from the same aviation alloy types as the skin-field alloy (eg 6110A).

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.In 1 is also a in the skin field 2 spreading crack, extending in the direction of the reinforcing element 3 spreads. This is shown schematically by the arrow A running from right to left. In the welded structure components known from the prior art, the crack A divides into two partial cracks B, C, when the progressive crack A on the reinforcing element 3 where the one partial section B (shown in dashed lines) under the reinforcing element 3 in the skin field 2 moves on. The other partial crack leads to a severing of the reinforcing element 3 , which is represented by the arrow C. In other words, with the previous monolithic aluminum structural components produced by welding, a crack is present in the skin field 2 on the welded reinforcing elements 3 continue unchecked and cut through them. This has the consequence that the reinforcing element 3 , which is no longer available as a load-bearing path that can no longer maintain the strength of the overall structure, which requires the replacement of the structural component. Thus, this skin panel reinforcing element connection can not be used where fail-safe concepts (eg, aircraft side and top shells) are required.

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. 2 shows in a similar manner a welded aluminum structural component 1 that like in 1 a skin field 2 and at least one reinforcing element 3 having, in turn, only a single reinforcing element 3 is shown in the form of a stringer. As in the known welded, monolithic structural components according to 1 is the skin field 2 and the reinforcing element 3 from aluminum materials (eg alloys of the type 2xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx and 8xxx), but now with the invention modified or adapted chemistry. It can skin field 2 and reinforcing element 3 consist of identical or different alloy types. As an example, the following material pairing is called: The skin field 2 consists of the 6xxx alloy 6013 and the reinforcing element consists of the 2xxx alloy 2195. In this case, the alloy 2195 contains the alloying element Zr.

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.According to the invention, the aluminum material of the reinforcing element 3 and / or the dermal field 2 additionally 0.05-2% by weight of one or more elements of the group consisting of zirconium (Zr), scandium (Sc), yttrium (Y), titanium (Ti), terbium (Tb), hafnium (Hf), niobium (Nb) , Tantalum (Ta), Vanadin (V) and lanthanides. This special modification of the reinforcing element material causes causes after welding at the interface between weld metal and reinforcing element 3 and / or at the interface between the weld metal and the skin field 2 directly from the welding process forms a metallurgical fine grain zone.

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.The crack propagation is in 2 again shown schematically, where in the skin 2 spreading crack is represented by the right-to-left arrow A '. The crack A 'progresses in the skin field 2 continues, hits the reinforcing element 3 or rather on the fine grain seam and is there split into one or more side cracks C ', C''. The original crack (dashed lines, arrow B ') progresses in the skin field 2 continuing under the reinforcing element 3 like in a riveted structure. However, the side cracks C ', C "progress very slowly along the joining plane of the welded joint skin field reinforcing element. A transmission or propagation of the crack A 'on the reinforcing element 3 , which so far to a severing of the reinforcing element 3 led, does not occur here. Consequently, the reinforcing element remains 3 Here, as a reinforcing element in itself intact, ie the reinforcing element is unaffected by the crack and thus remains load capacity and thus redundant, which meets the requirements of a "fail-safe" construction Thus, the welded, monolithic structural component can be used not only longer, but in the aircraft fuselage also be used where such "fail-safe" concepts are indispensable, such as in the pressure hull top shell or in the Druckrumpfseitenschalen.

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.In order to further reduce or stop the progression of the subsidiary cracks C ', C "along the joining plane, in the reinforcing element 3 additional holes 4 be provided along the joining plane, adjacent to the welded skin panel 2 , are arranged ( 3 ). The distance a of the bore centers to the skin field 2 is typically ≥ 1 mm to about 15 mm, with a bore diameter D of 2 - 10 mm and a distance d of the bore centers of 4 - 1000 mm.

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.According to a further embodiment, the in 2 respectively. 3 illustrated welded structural component by welding the amplifier kung elements 3 to the skin field 2 be prepared in a known manner using a welding additive. The related to 2 described crack propagation can be effected in an analogous manner by alloying the above elements. It is sufficient that only the welding additive is modified according to the invention. Alternatively, however, additional reinforcing element 3 and / or skin field 2 be alloyed. Of course it is also possible to use a non-modified welding additive (eg AlSi12). Then, to effectively prevent the crack propagation, as described above, the reinforcing member must be used 3 and / or the skin panel 2 be modified according to the invention.

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.For a more detailed explanation of the metallurgical effect occurring at the interface between the skin panel 2 and the welded reinforcing element 3 occurs, be on the 4 to 7 directed.

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. 4 shows a micrograph of a reflow interface of an aluminum structural component with unmodified base material according to the prior art. The aluminum structural component is a laser welded connection of material 6013, using a filler alloy of the AlSi12 type. At the bottom of the 4 is the skin field 2 and in the upper area the weld metal can be seen. Along the reflow line, the in 4 marked with arrows, there is no fine grain boundary but only a stem-like (dendritic) solidification towards the center of the weld.

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. 5 shows a micrograph of a reflow interface of a laser-welded aluminum structural component with inventively modified base material. The reinforcing element consists of the material 2195, which additionally contains about 0.12 wt .-% zirconium (Zr) as an alloying ingredient. During welding, a welding filler material of the type AlSi12 was used. At the bottom of the 5 is the weld metal and in the upper part of the reinforcing element can be seen. Furthermore, in 5 a more or less narrow hemisphere of the fine grain zone (marked with arrows) can be seen, which extends along the Aufschmelzlinie.

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.In an analogous way shows 6 the formation of a fine grain zone along a Aufschmelzlinie in a weld welded by means of welding compound of the material 2098 (reinforcing element). Also in this case, the reinforcing element material contains about 0.12 wt .-% zirconium (Zr) as an alloying ingredient. The formation of the fine grain zone is again marked with arrows, the weld metal in the lower part of the 6 and the reinforcing element can be seen in the upper area.

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. 7 shows a transverse section of an arc-welded connection of the material AlMgLiZnSc (1424). During welding, a welding filler material of the type AlMg6.3MnZrSc was used. In this case, the base material of the skin field contains the elements Sc (about 0.25 wt .-%) and Zr (about 0.08 wt .-%) as an alloying ingredient. The filler metal also contains these alloying elements. Again, a fine grain zone forms in the area of the melting line.

Beispiel gemäß Stand der Technik:Example according to stand of the technique:

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
A common combination of materials for the dermis and stringer is the combination AA 6013 T6 (skin panel) and AA 6110A T6 (stringer). Alcoa alloy AA 6013 T6 has the following composition: 0.90% by weight of magnesium (Mg), 0.72% by weight of copper (Cu), 0.36% by weight of manganese (Mn), 0 , 27 wt .-% iron (Fe) and the balance aluminum. The alloy AA 6110A T6 from Otto Fuchs is very similar to the alloy 6013. Both alloys contain no additions according to the invention. It is found only low levels of Ti (<< 0.05%), since these alloys during casting a so-called grain fine (TiB2 wire) is added, with the aim of processing reasons, the grain size in the casting material as small as possible. This is a practice that has been established for decades in the production of Al semi-finished products. From these two materials called stringerversteifte skin fields were now produced. By means of Nd-YAG laser beam welding, three stringers were welded on (Stringer Nos. 1, 2 and 3, respectively). The following process parameters were used:
  • - Nd-YAG laser with 400 μm fiber optic cable
  • - focal length f = 150 mm => ∅ focus = 300 μm
  • - Laser power: 2300 watts
  • - Welding speed V Schw = 2100 mm / min
  • - Welding filler material SZW = AlSi12

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.These The panels thus produced were then placed on a tensile testing machine tested for their cyclic crack propagation behavior. It was of primary interest how the crack behaves when he meets the stringer. For this purpose, centered in the sample a crack is introduced (e.g., by sawing), the middle stringer (No. 2) has also already been severed. Under cyclic load Then it came to the crack extension (transverse to the load direction). Dependent on from the string pitch hit the crack (or both partial cracks of the left and right half of the sample) Stringer No. 1 and No. 3. The progressive crack severed stringers # 1 and # 3, and then the component collapsed in the testing machine.

Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung:Example according to the present Invention:

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.A material combination according to the invention is, for example, a standard aviation material for the skin field (Alloy Type AA 2524 according to the American Alloy Code, an AlCu4Mg2Mn) and a Zr-containing (approximately 0.12% by weight) stringer material AA 2195 (AlCu4Li1 MgAgZr). In a similar way to the previous example, a Stringer-stiffened skin panel with three stringers (Nos. 1, 2 and 3) was produced with identical process parameters without using a welding additive. The presence of the Zr in the Stringer alloy forms a narrow seam with fine, equidistant grains at the interface between Stringer base material and weld metal and thus redirects the attacking cracks. The crack does not grow into the stringer and the stringer can still maintain its load-bearing function. In corresponding investigations of the crack propagation behavior in a tensile test machine, wherein in turn the middle stringer (No. 2) was cut through, for example, by sawing, it was found that stringer No. 1 and No. 3 are not severed.

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.As further examples of the base materials of reinforcing element and / or skin panel are from DE 198 38 017 . DE 198 38 018 and DE 198 38 015 listed alloys that can be combined with base materials of any of the aforementioned aviation alloy types.

Claims (13)

Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) mit metallisch induzierter Rissabweichung, insbesondere für Flugzeuge, umfassend ein Hautfeld (2) sowie mindestens ein Verstärkungselement (3), das an dem Hautfeld (2) mittels Schweißen gegebenenfalls unter Verwendung eines Schweißzusatzstoffes befestigt ist, wobei das Hautfeld (2), das Verstärkungselement (3) und der Schweißzusatzstoff aus Aluminiumwerkstoffen bestehen und der Aluminium-Werkstoff zumindest einer der Komponenten Hautfeld (2), Verstärkungselement (3) und Schweißzusatzstoff 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 enthält, wodurch sich zwischen Hautfeld (2) und Verstärkungselement (3) eine metallurgische Feinkornzone ausbildet.Welded aluminum structural component ( 1 ) with metallically induced crack deviation, in particular for aircraft, comprising a skin area ( 2 ) and at least one reinforcing element ( 3 ) attached to the skin panel ( 2 ) is attached by welding, if appropriate using a welding additive, wherein the skin field ( 2 ), the reinforcing element ( 3 ) and the welding additive consist of aluminum materials and the aluminum material at least one of the components skin field ( 2 ), Reinforcing element ( 3 ) and welding additive additionally 0.05-2% by weight of one or more elements of the group consisting of zirconium (Zr), scandium (Sc), yttrium (Y), titanium (Ti), terbium (Tb), hafnium (Hf) , Niobium (Nb), tantalum (Ta), vanadium (V) and the lanthanides, resulting in 2 ) and reinforcing element ( 3 ) forms a metallurgical fine grain zone. Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die metallurgische Feinkornzone im Bereich der aufgeschmolzenen und wieder erstarrten Schweißnahtzone bildet.Welded aluminum structural component ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the metallurgical fine grain zone forms in the region of the melted and re-solidified weld zone. Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumwerkstoffe für Hautfeld (2) und Verstärkungselement (3) Luftfahrt-Legierungen vom Typ 2xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx und/oder 8xxx sind.Welded aluminum structural component ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the aluminum materials for skin panel ( 2 ) and reinforcing element ( 3 ) Are aviation alloys of the type 2xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx and / or 8xxx. Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hautfeld (2) und das Verstärkungselement (3) aus einem identischen Luftfahrt-Legierungs-Typ bestehen.Welded aluminum structural component ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the skin panel ( 2 ) and the reinforcing element ( 3 ) consist of an identical aviation alloy type. Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hautfeld (2) und das Verstärkungselement (3) aus verschiedenen Luftfahrt-Legierungs-Typen bestehen.Welded aluminum structural component ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the skin panel ( 2 ) and the reinforcing element ( 3 ) consist of different aerospace alloy types. Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die Lanthaniden insbesondere Cer (Ce), Neodym (Nd), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho) und/oder Erbium (Er) sind.Welded aluminum structural component ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the lanthanides in particular cerium (Ce), neodymium (Nd), europium (Eu), gadolinium (Gd), dysprosium (Dy), holmium (Ho) and / or erbium (He is. Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (3) und/oder das Hautfeld (2) aus geschmiedeten, stranggepressten und/oder gegossenen Aluminium-Werkstoffen bestehen.Welded aluminum structural component ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the reinforcing element ( 3 ) and / or the skin panel ( 2 ) consist of forged, extruded and / or cast aluminum materials. Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 – 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verstärkungselement (3), entlang der Fügeebene der Schweißverbindung, eine Vielzahl von Bohrungen (4) vorgesehen ist.Welded aluminum structural component ( 1 ) according to any one of claims 1-7, characterized in that in the reinforcing element ( 3 ), along the joining plane of the welded joint, a plurality of holes ( 4 ) is provided. Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen Teil einer Unterschale, einer Oberschale und/oder einer Seitenschale eines Flugzeugdruckrumpfes bildet.Welded aluminum structural component ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that it forms at least part of a lower shell, an upper shell and / or a side shell of an aircraft pressure hull. Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (3) ein Stringer, Spant, Clip und/oder Schubkamm ist.Welded aluminum structural component ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the reinforcing element ( 3 ) is a stringer, frame, clip and / or shear comb. Geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (3) durch Laser strahlschweißen, Lichtbogenschweißen oder einem anderen Schmelzschweißverfahren an dem Hautfeld (2) befestigt ist.Welded aluminum structural component ( 1 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the reinforcing element ( 3 ) by laser beam welding, arc welding or another fusion welding process on the skin field ( 2 ) is attached. Flugzeugdruckrumpf, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Unter-, Ober- und/oder Seitenschalen zumindest teilweise aus dem Aluminium-Strukturbauteil (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 besteht.Aircraft pressure hull, characterized in that its lower, upper and / or side shells are at least partially made of the aluminum structural component ( 1 ) according to one of claims 1 to 11. Flugzeugdruckrumpf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Verstärkungselementen (3) an dem Hautfeld (2) des Aluminium-Strukturbauteils (1) mittels Laserstrahlschweißens befestigt ist.Aircraft pressure hull according to claim 12, characterized in that a plurality of Ver strengthening elements ( 3 ) on the skin field ( 2 ) of the aluminum structural component ( 1 ) is fixed by means of laser beam welding.
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