DE19844035C1 - Schalenbauteil für ein Flugzeug und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Schalenbauteil für ein Flugzeug und Verfahren zur Herstellung

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Abstract

Bei einem Schalenbauteil für ein Flugzeug, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem Hautblech, mehreren in Flugzeuglängsrichtung verlaufenden Stringern und quer zur Flugzeuglängsrichtung verlaufenden Spanten, wobei das Hautfeld im Bereich der Anschlußstellen zu den Stringern mit einem Schweißzusatzwerkstoff versehen ist und die Stringer auf das Hautblech in diesem Bereich angeschweißt sind, besteht die Erfindung darin, daß das Hautfeld im Bereich der Anschlußstellen zu den Spanten mit einem Schweißzusatzwerkstoff versehen ist, die Spante aus Spantfuß und Spantprofil bestehen, wobei der Spantfuß Ausschnitte für den Stringerdurchgang aufweist und zwischen den Ausschnitten eine Schweißverbindung vom Spantfuß zum Hautblech besteht und das Spantprofil mit dem jeweiligen Spantfuß verbunden ist. DOLLAR A Verfahren zur Herstellung des Schaulenbauteils sind ebenfalls beschrieben. DOLLAR A Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß ein Schalenbauteil für einen Flugzeugrumpf schweißgerecht ausgebildet ist und mit den angegebenen Maßnahmen und angegebenen Herstellungsverfahren der Aufwand an Fertigungszeit und Material reduziert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schalenbauteil für ein Flugzeug, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem Hautblech, mehrere in Flugzeuglängsrichtung verlaufende Stringer und quer zur Flugzeuglängsrichtung verlaufende Spante, wobei das Hautfeld im Bereich der Anschlußstellen zu den Stringern mit einem Schweißzusatzwerkstoff versehen ist und die Stringer auf das Hautblech in diesem Bereich angeschweißt sind.
Im Flugzeugbau ist es derzeit üblich, Schalenbauteile für die Rumpfstruktur, die im wesentlichen aus Rumpfhaut-Stringer-Verbindungen bestehen, hauptsächlich mit dem Fertigungsverfahren Nieten oder Kleben herzustellen. Für den weiteren Fertigungsschritt - das Montieren der Spante - werden an die Stringer Winkel­ elemente, sogenannte Clips, angenietet. Damit ist für die Herstellung von Strukturbauteilen als Haut-Stringer-Spant-Verbindung ein hoher Material- und Montageaufwand notwendig. Im Zuge der weiteren Flugzeugentwicklung ist es von hoher Bedeutung, eine Gewichtreduzierung an den Flugzeugen zu errei­ chen. Daher ist es notwendig, vom traditionellen Fügeverfahren des Nietens zu verbesserten Fügeverfahren zu gelangen, die solche Gewichtseinsparungen realisieren.
In der DE 196 39 667 ist ein Verfahren zum Schweißen von Profilen auf groß­ formatigen Aluminium-Strukturbauteilen mittels Laserstrahlen beschrieben. Solche Al-Strukturbauteile in Haut-Stringer-Bauweise können für die Herstellung einer Flugzeugrumpfschale verwendet werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Schalenbauteil für ein Flugzeug so auszubilden, daß es mit dem Fügeverfahren Schweißen hergestellt werden kann sowie ein Herstellungs­ verfahren für das Schalenbauteil anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1, 11 oder 26 genannten Maß­ nahmen gelöst.
Verfahren zur Herstellung eines Schalenbauteils gemäß der Patentansprüche 1, 11 bzw. 26 sind in den Ansprüchen 6, 21 bzw. 31 angegeben.
Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß ein Schalenbauteil für einen Flugzeug­ rumpf schweißgerecht ausgebildet ist und mit den angegebenen Maßnahmen der Aufwand an Fertigungszeit und Material reduziert werden kann.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Sie wer­ den nachstehend anhand der Fig. 1 bis 13 näher beschrieben. In den Figu­ ren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt
Fig. 1 ein Schalenbauteil für einen Flugzeugrumpf in einer ersten Ausführungs­ form,
Fig. 2 eine Rumpfhaut-Stringer-Verbindung der ersten Ausführungsform im Querschnitt,
Fig. 3 ein Spant für das Schalenbauteil,
Fig. 4 eine Stringer-Spantfuß-Verbindung in der Seitenansicht,
Fig. 5 das Schalenbauteil gemäß der ersten Ausführungsform in einer Explo­ sionsdarstellung,
Fig. 6 ein Schalenbauteil in einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 7 eine Rumpfhaut-Stringersteg-Verbindung der zweiten Ausführungsform des Schalenbauteils im Querschnitt,
Fig. 8 ein Stringer-Spant-Gitter der zweiten Ausführungsform des Schalenbau­ teils,
Fig. 9 eine Rumpfhaut-Stringersteg-Stringergurt-Verbindung der zweiten Aus­ führungsform des Schalenbauteils im Querschnitt,
Fig. 10 die Rumpfhaut-Spantgurt-Spantfuß-Verbindung der zweiten Ausführungsform des Schalenbauteils im Querschnitt,
Fig. 11 das Schalenbauteil gemäß der zweiten Ausführungsform in einer Explo­ sionsdarstellung,
Fig. 12 ein Schalenbauteil in einer dritten Ausführungsform und
Fig. 13 die Rumpfhaut-Spantgurt-Spantfuß-Verbindung der dritten Ausführungsform des Schalenbauteils im Querschnitt.
In Fig. 1 ist ein Schalenbauteil 1 für einen Flugzeugrumpf ersichtlich. Ein Flug­ zeugrumpf besteht im wesentlichen aus mehreren Sektionen, die sich wiederum aus mehreren vorgefertigten Schalenbauteilen zusammensetzen. Das vorgefer­ tigte Schalenbauteil 1 in einer ersten Ausführungsform besteht im wesentlichen aus einem vorgeformten Hautblech 2, welches zur Verstärkung mit in Flug­ zeuglängsrichtung verlaufenden Stringern 3 versehen ist. In Flugzeugquerri­ chtung sind in Abständen Spante 4 und 4' angeordnet. Die Spante 4 und 4' dienen im Flugzeugrumpf unter anderem zur Lasteinleitung aus den Leitwerken. In der gezeigten Ausführungsform sind sowohl die Stringer 3 als auch die Spantanschlüsse 4 mit dem Hautblech 2 verschweißt. Das Hautblech 2 ist dafür einseitig plattiert, mit einer Plattierschicht aus Schweißzusatzmaterial. Das Hautblech muß aus einem schweißgeeigneten Strukturwerkstoff bestehen, wie beispielsweise eine Al-Mg-Si-Legierung oder eine Al-Li-Legierung. Um der späteren Kontur der Schale zu entsprechen, wird das Blech tiefgezogen. Die Blechseite mit dem Schweißzusatzmaterial, der späteren Hautinnenseite, muß auf dem Tiefziehklotz aufliegen. Dann findet eine Verformung in Spantrichtung sowie bei sphärischen Bauteilen auch in Stringerrichtung statt. Nur in den Anschlußbereichen der Stringerstege 3 und den Spantanschlüssen 4 und 4' wird das Schweißzusatzmaterial benötigt, sodaß das Restmaterial durch chemi­ sches Abtragen entfernt werden kann. Die so entstandenen Sockel 5 aus Schweißzusatzmaterial (siehe Fig. 2) bilden auf dem Hautblech 2 ein gitter­ artiges Gebilde 5A. Dieses Depot an Schweißzusatzmaterial ist für eine ein­ wandfreie Schweißnahtausbildung ohne Rissbildung notwendig. Als Schweißzu­ satzmaterial wird beispielsweise AlSi12 verwendet.
Es können aber auch andere bekannte Methoden zum Aufbringen des Schweiß­ zusatzmaterials an die für das Schweißen vorgesehenen Stellen am Hautblech Anwendung finden. Eine Zuführung von Zusatzwerkstoff während des Schweißvorganges mittels einer Drahtvorrichtung ist eine solche. Auch eine Kombination von Schweißzusatzmaterial als Depot mit der Zuführung von Schweißzusatzmaterial als Draht ist eine weitere Möglichkeit.
Die weiteren Arbeitsschritte zur Herstellung der Haut-Stringer-Spant-Verbindung (Rumpfschale 1) werden im folgenden beschrieben.
In Fig. 2 ist im Ausschnitt ein Querschnitt einer Hautblech-Stringer-Verbin­ dung 6 ersichtlich. Auf das Hautblech 2 werden im ersten Arbeitsschritt die längsverlaufenden Stringer 3 aufgeschweißt. Als Stringer 3 kommt vorzugs­ weise ein Strangpreßhalbzeug mit Hammerkopfprofil 8 zum Einsatz. Der Strin­ gersteg 7 steht senkrecht auf dem Hautblech 2. Die Fügeebene 9 der Bauteile Hautblech 2 und Stringer 3 ist einerseits durch den Sockel 5 mit dem Schweiß­ zusatzmaterial und andererseits durch die dem Hammerkopf 8 abgewandte Stirnfläche des Stringerstegs 7 gebildet. Für das Verschweißen vom Haut­ blech 2 und Stringersteg 7 ist der Einsatz eines CO2-Lasers vorgesehen. Mittels einer hier nicht gezeigten Andrückvorrichtung (gezeigt ist eine Andrückvor­ richtung 27 in Fig. 7) wird der Stringer 3 auf dem Hautblech 2 fixiert. Es wird vorzugsweise eine Doppelkehlnaht bzw. eine Doppel-HV-Naht als Fügeverbin­ dung geschweißt.
In Fig. 3 ist ein Spant 4 als Einzelheit dargestellt. Der Spant 4 besteht aus Spantprofil 10 und Spantfuß 11. Um die Zugänglichkeit der Schweißverbindung zu realisieren, ist diese Trennung in Spantprofil 10 und Spantfuß 11 notwendig. Das Spantprofil 10 weist einen Außengurt 10A und einen Innengurt 10B auf. Der Innengurt 10B ist hier als T-Profil ausgebildet. Möglich wäre aber auch eine L-förmige Profilform. Am Spantfuß 11 sind Ausschnitte 12 vorgesehen, die für die Stringer 3 des stringerverstärkten Hautbleches 2 als Durchgang dienen.
In Fig. 4 ist der Spantfuß 11 als Fügeverbindung mit dem Stringer 3 ersichtlich. Der Spantfuß 11 wird sowohl mit der stringerverstärkten Rumpfhaut 2 und der dem Hammerkopf 8 abgewandten Seite des Stringersteges 7 verschweißt. Eine Schweißnaht 13 als Fügeverbindung ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei ist zu be­ achten, daß für den Zuschnitt der Ausschnitte 12 am Spantfuß 11 die Krüm­ mung der Schale zu berücksichtigen ist. Die Anschlußflächen zwischen Spant­ fuß 11 und Stringersteg 7, die mittels der Schweißnaht 13 miteinander ver­ bunden werden, müssen parallel liegen.
Es ist aber auch möglich, die Ausschnitte 12 beispielsweise so trapezförmig zu gestalten, daß zwischen Spantfuß 11 und Stringersteg 7 keine Berührungs­ punkte auftreten. In einem solchen Fall wäre der Spantfuß 11 nur mit der Rumpfhaut 2 verschweißt, wobei ein zusätzlicher Stringerstützwinkel vorsehbar wäre.
In Fig. 5 ist das Schalenbauteil 1 der ersten Ausführungsform in einer Explo­ sionsdarstellung gezeigt. Anhand dieser Darstellung kann die Montagereihenfol­ ge zur Herstellung des Schalenbauteils 1 erläutert werden. Im ersten Schritt wird die Rumpfhaut 2 mit einem Gitter 5A aus Schweißzu­ satzmaterial versehen. Näheres dazu ist bereits in der Erläuterung zur Fig. 1 beschrieben. Die Stringer 3 werden auf das vorgeformte Rumpfhautblech 2 geschweißt, wobei die längsverlaufenden Sockel 5 mit Schweißzusatzmaterial vom Gitter 5A die Anschlußflächen dieser Fügeverbindung bilden. Nachdem die Schweißverbindung zwischen Rumpfhaut 2 und Stringer 3 hergestellt wurde und damit die Hautblech-Stringer-Verbindung 6 entstanden ist (siehe Fig. 2), werden die Spantfüße 11 sowohl mit der Rumpfhaut 2 als auch mit dem Strin­ gersteg 7 verschweißt, wie bereits näher in der Fig. 4 erläutert wurde. Als nächster Schritt werden die Spantprofile 10 mit den bereits am stringerver­ stärkten Hautblech 2 angebrachten Spantfüßen 11 verbunden. Diese separat vorgefertigten Spantprofile 11 sind vorzugsweise auch mittels einer einseitig bzw. beidseitig ausgeführten Stumpfnahtschweißverbindung an den Spantfü­ ßen 11 angeordnet. Aus Stabilitätsgründen ist am Spantprofil 10 der in Spant­ richtung durchlaufende Außengurt 10A angeordnet. Das Spantprofil 10 kann mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden. So ist eine Möglichkeit die Fertigung aus streckgezogenem Sprangpreßprofil als Halbzeug oder die Ferti­ gung aus geschweißten oder genieteten Teilen in Differentialbauweise.
In Fig. 6 ist ein fertig montiertes Schalenbauteil 20 für einen Flugzeugrumpf in einer zweiten Ausführungsform ersichtlich. Es besteht im wesentlichen aus einem vorgeformten Hautblech 2, auf die längsverlaufende Stringerstege 21 aufgeschweißt sind. Die Stringerstege 21 müssen in Längsrichtung der Kontur des Hautbleches 2 entsprechen, um einen minimalen Abstand zwischen den Anschlußflächen von Hautblech 2 und Stringersteg 21 einzuhalten. Dafür können die Stringerstege 21 konturgenau zugeschnitten werden ohne eine nachfolgende Weiterbehandlung. Alternativ dazu können die Stringerstege gerade zugeschnitten werden und anschließend in Stringerrichtung streckgezo­ gen werden, um eine der Rumpfhaut 2 entsprechende Kontur zu erhalten. Auf die Stringerstege 21 wird ein Stringer-Spant-Gitter 22 aufgeschweißt. Das Stringer-Spant-Gitter 22 ist gebildet aus Stringergurten 23 und Spantgurten 24 und 24'. Spantelemente 25 und 25' sind in Querrichtung des Schalenbauteils 20 an den Spantgurten 24 angeordnet.
Die einzelnen Arbeitsschritte zur Herstellung des Schalenbauteils 20 werden im folgenden näher beschrieben.
In Fig. 7 ist eine Rumpfhaut-Stringersteg-Verbindung 26 gezeigt. Auf der Rumpfhaut 2 stehen senkrecht die Stringerstege 21. Für eine solche Verbin­ dung 26 ist - wie schon in den Fig. 1 und 2 beschrieben - ein Sockel 5 aus Schweißzusatzwerkstoff auf der Rumpfhaut 2 an der entsprechenden An­ schlußstelle zum Stringersteg 21 vorgesehen. Mittels einer Andrückvorrich­ tung 27, die eine Andrückrolle 28 und ein Rollenpaar 29 zur Führung des Strin­ gerstegs 21 aufweist, wird die für das Verschweißen notwendige Fixierung des Stringerstegs 21 auf der Rumpfhaut 2 erreicht. Das Verschweißen von Rumpf­ haut 2 und Stringersteg 21 erfolgt mittels eines CO2-Lasers, der mit einer hohen Fügegeschwindigkeit arbeitet. Als Schweißverbindung ist vorzugsweise eine Doppelkehlnaht bzw. Doppel-HV-Naht vorgesehen.
In Fig. 8 ist das Stringer-Spant-Gitter 22 als Einzelheit gezeigt. Mehrere längs­ verlaufende Stringergurte 23 und zwei querverlaufende Spantgurte 24 und 24' bilden das Gitter 22. Das Halbzeug für das Stringer-Spant-Gitter 22 ist - wie für die in Fig. 1 beschriebene Rumpfhaut 2 - ein Blech mit aufplattiertem Schweiß­ zusatz. Das Blech wird bedarfsweise tiefgezogen, wobei die Blechseite mit dem Schweißzusatzmaterial nicht auf dem Tiefziehblock aufliegt. Es kann entspre­ chend der Geometrie des Schalenbauteils 20 in Spant- und in Stringerrichtung verformt werden. Die Kontur des Bleches für das Stringer-Spant-Gitter 22 muß der Kontur der Rumpfhaut 2 entsprechen, um eine parallel liegende Fügeebene zwischen Stringersteg 21 und Stringergurt 23 zu erreichen. Das Stringer-Spant- Gitter 22 wird aus dem Blech ausgeschnitten. Erfindungsgemäß kann mit diesem Stringer-Spant-Gitter 22 erreicht werden, daß Stringersteg 21 und Stringergurt 23 in einem Vorgang, ohne den Schweißvorgang durch kreuzende Bauteile zu behindern, miteinander verschweißt werden.
Eine solche Verbindung ist im Querschnitt in der Fig. 9 gezeigt. Mit dem Laser- Schweißgerät 30 wird durch den Stringergurt 23 hindurch in den Stringer­ steg 21 hineingeschweißt. Schweißzusatzmaterial 31 ist auf der Unterseite des Stringergurtes 23 aufgebracht und steht an der Schweißstelle zur Verfügung. Als Schweißnaht 32 der Stringergurt-Stringersteg-Verbindung ist vorzugsweise eine I-Naht (vergleiche Detail X) vorzusehen.
In Fig. 10 ist die Verbindung zwischen Rumpfhaut 2, Spantgurt 24 und Spant­ element 25 im Querschnitt ersichtlich. Das Spantelement 25 als separates, vorgefertigtes Bauteil besteht im wesentlichen aus einem Fußteil 33 und einem Spantsteg 34. Das Fußteil 33 ist auf den Sockel 5 aus Schweißzusatzmaterial senkrecht aufgesetzt und mittels einer Doppelkehlnaht bzw. Doppel-HV-Naht 35 mit der Rumpfhaut 2 verbunden. Für eine solche Verbindung ist ein Sockel 5 aus Schweißzusatzwerkstoff auf der Rumpfhaut 2 an der entsprechenden An­ schlußstelle zum Fußteil 33 vorgesehen. Das Spantelement 25 ist darüber hinaus mit dem Spantgurt 24 verschweißt. Diese Verbindung zwischen Stirn­ fläche des Spantgurtes 24 und Spantsteg 34 ist vorzugsweise als HV-Schweiß­ naht 36 ausgebildet. Die Stirnfläche des Spantgurtes 24 ist in dieser Ausfüh­ rungsform als Anschlag- und Anschlußfläche für das Spantelement 25 vor­ gesehen.
In Fig. 11 ist das Schalenbauteil 20 der zweiten Ausführungsform in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Anhand dieser Darstellung kann die Montagerei­ henfolge zur Herstellung des Schalenbauteils 20 erläutert werden. Dabei wird für die Vorbereitung der Rumpfhaut 2 und die Verbindung zwischen Rumpfhaut 2 und Stringerstege 21 wie bei der Fertigung der Schale 1 der ersten Ausführungform vorgegangen. Es wird dazu auf die obigen Ausführun­ gen verwiesen.
Im ersten Schritt wird die Rumpfhaut 2 mit einem Gitter 5A aus Schweißzu­ satzmaterial versehen. Die Stringerstege 21 werden auf das vorgeformte Rumpfhautblech 2 geschweißt, wobei die längsverlaufenden Sockel 5 mit Schweißzusatzmaterial vom Gitter 5A die Anschlußflächen dieser Fügever­ bindung bilden. Nachdem die Schweißverbindung zwischen Rumpfhaut 2 und Stringersteg 21 hergestellt wurde und damit die Hautblech-Stringer-Verbin­ dung 26 entstanden ist (siehe Fig. 7), wird ein Stringer-Spant-Gitter 22 auf die Stringerstege 21 aufgeschweißt, wie bereits näher in der Fig. 9 erläutert wur­ de. Als nächsten Schritt werden die Spantelemente 25 und 25' an den vor­ gesehenen Stellen mit ihrem Fußteil 33, 33' am stringerverstärkten Hautblech 2 angeschweißt. Dazu muß das Fußteil 33 bzw. 33' mit Durchbrüchen 37 und 37' versehen sein, die für die Stringerstege 21 ausreichend Platz lassen. Die Stringerdurchbrüche 37 sind vorzugsweise trapezförmig ausgeführt. Die Spantelemente 25 und 25' mit ihren Spantstegen 34 und 34' werden weiterhin mit der entsprechenden Stirnfläche der Spantgurte 24 und 24' verschweißt. Zum Erreichen einer höheren Stabilität kann es notwendig sein, am Spantele­ ment 25 bzw. 25' einen Versteifungsgurt 38 bzw. 38' vorzusehen. Das separat vorgefertigte Spantelement 25 kann mit unterschiedlichen Ver­ fahren hergestellt werden. So ist eine Möglichkeit die Fertigung aus einem streckgezogenen Sprangpreßprofil oder einem Frästeil als Halbzeug oder die Fertigung aus geschweißten oder genieteten Teilen in Differentialbauweise.
In der Fig. 12 ist ein Schalenbauteil 40 in einer dritten Ausführungsform ge­ zeigt. Das Schalenbauteil 40 stellt eine Variante zur zweiten Ausführungsform dar, welche ebenfalls das Stringer-Spant-Gitter 22 mit dem Vorteil einer durch­ gehenden Schweißnaht nutzt. Damit können je Stringergurt 23 bzw. Spantgurt 24, 24' die Schweißnähte in einem Vorgang gefertigt werden, was die Ferti­ gungszeit senkt.
Das gezeigte Schalenbauteil 40 ist in der Fig. 12 ohne eine sphärische Krüm­ mung dargestellt. Möglich ist aber auch ein Krümmung in Stringerrichtung und/oder in Spantrichtung. Dies hängt davon ab, an welcher Stelle im Flug­ zeugrumpf das Schalenbauteil 40 eingesetzt werden soll. Es wird deshalb auf die Fig. 7 bis 9 und deren Beschreibung verwiesen, da die in diesen Figuren gezeigten Merkmale auch auf das Schalenbauteil 40 zutreffen. Neben den Strin­ gerstegen 21 sind beim Schalenbauteil 40 Spantstege 41 und 41' vorgesehen, die ebenfalls auf die Rumpfhaut 2 aufgeschweißt werden müssen, bevor das Stringer-Spant-Gitter 22 angefügt werden kann. Stringerstege 21 und Spant­ stege 41, 41' bilden ein Steggitter 45. Da die Schweißebene bei den Stringer­ stegen 21 und den Spantstegen 41 und 41' zum Stringer-Spant-Gitter 22 gleich ist, kann das Durchschweißen durch Stringergurte 23 und Spantgurte 24 mit den gleichen Schweißvorrichtungen erfolgen (siehe auch Fig. 9). Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform des Schalenbauteils 20 ist beim Schalenbauteil 40 aber kein einteiliges Spantelement 25 bzw. 25' vorgesehen, welches am Spantgurt 24 seitlich angeschweißt wird. Vielmehr ist eine Tren­ nung in Spantsteg 41, 41' und Spantkopf 42, 42' vorgenommen worden, die jeweils symmetrisch am Spantgurt 24 angeordnet sind. In der Fig. 12A ist ein vergrößerter Ausschnitt des Schalenbauteils 40 gezeigt. Dieser Ausschnitt läßt den Stringersteg 21, den Spantsteg 41 sowie den Stringergurt 23 und den Spantgurt 24 erkennen. Auf den Spantgurt 24 ist der Spantkopf 42 symme­ trisch angeordnet.
In Fig. 13 ist im Querschnitt ein Ausschnitt vom Schalenbauteil 40 gezeigt. Ersichtlich ist mit Blick in Richtung Spantsteg 41 die Schweißverbindung 43 zwischen Rumpfhaut 2 mit Schweißzusatzsockel 5 und Spantsteg 41, vorzugs­ weise eine Doppelkehlnaht-Schweißverbindung bzw. Doppel-HV-Naht. Der Spantgurt 41 ist mit einer I-Naht auf dem Spantsteg 24 verschweißt. Der Spantkopf 42, der symmetrisch auf dem Spantgurt 24 angeordnet ist, ist mittels einer Doppelkehlnaht bzw. Doppel-HV-Naht 44 auf dem Spantgurt 24 verschweißt (vergleiche Detail Z).
Bezugszeichenliste
1
- Schalenbauteil
2
- Hautblech
3
- Stringer
4
- Spante
5
- Sockel mit Schweißzusatzwerkstoff
5
A- Gitter des Schweißzusatzwerkstoffes
6
- Hautblech-Stringer-Verbindung
7
- Stringersteg
8
- Stringerprofil (Hammerkopfprofil)
9
- Fügeebene der Bauteile
10
- Spantprofil
10
A- Außengurt am Spantprofil
10
B- Innengurt am Spantprofil
11
- Spantfuß
12
- Ausschnitte im Spantfuß
13
- Schweißnaht: Stringer-Spantanschluß
20
- Schalenbauteil (zweite Ausführungsform)
21
- Stringersteg
22
- Stringer-Spant-Gitter
23
- Stringergurt
24
- Spantgurt
25
- Spantelement
26
- Rumpfhaut-Stringersteg-Verbindung
27
- Andrückvorrichtung
28
- Andrückrolle
29
- Rollenpaar
30
- Laser-Schweißgerät
31
- Schweißzusatzmaterial
32
- Schweißnaht der Stringergurt-Stringersteg-Verbindung
33
- Fußteil vom Spantelement
34
- Spantsteg
35
- Doppelkehlnaht
36
- V-Naht
37
- Durchbruch im Fußteil
38
- Versteifungsgurt
40
- Schalenbauteil (dritte Ausführungsform)
41
- Spantstege
42
- Spantkopf
43
- Schweißverbindung
44
- "
45
- Steggitter

Claims (38)

1. Schalenbauteil (1) für ein Flugzeug, im wesentlichen bestehend aus minde­ stens einem Hautblech (2), mehrere in Flugzeuglängsrichtung verlaufende Stringer (3) und quer zur Flugzeuglängsrichtung verlaufende Spante (4, 4'), wobei das Hautfeld (2) im Bereich der Anschlußstellen zu den Stringern mit einem Schweißzusatzwerkstoff (5) versehen ist und die Stringer (3) auf das Hautblech (2) in diesem Bereich (5) angeschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Hautfeld (2) im Bereich der Anschluß­ stellen zu den Spanten (4, 4') mit einem Schweißzusatzwerkstoff (5) ver­ sehen ist, die Spante (4, 4') aus Spantfuß (11) und Spantprofil (10) beste­ hen, wobei der Spantfuß (11) Ausschnitte (12) für den Stringerdurchgang aufweist und zwischen den Ausschnitten (12) eine Schweißverbindung vom Spantfuß (11) zum Hautblech (2) besteht und das Spantprofil (10) mit dem jeweiligen Spantfuß (11) verbunden ist.
2. Schalenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzwerkstoff in Form eines Schweißzusatzsockels (5) auf dem Hautblech (2) angeordnet ist.
3. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spantausschnitt (12) geometrisch so gestaltet ist, daß der durch den Ausschnitt (12) hindurchgeführte Stringer (7) eine Anschlußfläche zu einer Seitenwand des Ausschnittes (12) aufweist und eine Schweißverbin­ dung (13) zwischen Stringersteg (7) und Spantfuß (11) vorgesehen ist.
4. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spantausschnitt (12) geometrisch so gestaltet ist, daß der durch den Ausschnitt (12) hindurchgeführte Stringer (7) berührungslos zum Spantfuß (11) ist.
5. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stringer (3) aus einem Strangpreßhalbzeug mit Hammerkopfprofil herge­ stellt sind.
6. Verfahren zur Herstellung eines Schalenbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit folgenden Schritten:
  • 1. das Hautblech (2) wird an den Anschlußstellen von den Stringern (3) und den Spanten (4, 4') mit Schweißzusatzwerkstoff versehen,
  • 2. die Stringerstege (3) werden an das Hautblech (2) geschweißt,
  • 3. der Spantfuß (11) wird mit dem stringerverstärkten Hautblech (2) ver­ schweißt,
  • 4. das Spantprofil (10) wird an den Spantfuß (11) geschweißt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzwerkstoff auf das Hautblech (2) plattiert wird und bis auf ein Gitter (5A) mit Schweißzusatzwerkstoff der Schweißzusatzwerkstoff chemisch abgetragen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Schweißzusatzwerkstoffes als Draht mittels einer Drahtzuführvorrichtung dem Hautblech (2) im Bereich der Schweißstellen zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hautblech (2) zum Erreichen der sphärisch gekrümmten Fläche in Spant- und/oder Stringerrichtung tiefgezogen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der jeweiligen Anschlußfläche vom Ausschnitt (12) des Spantfußes (11) und Stringersteg (7) eine Schweißverbindung (13) gefügt wird.
11. Schalenbauteil (20) für ein Flugzeug, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem Hautblech (2), mehrere in Flugzeuglängsrichtung ver­ laufende Stringer (3) und quer zur Flugzeuglängsrichtung verlaufende Span­ te, wobei das Hautfeld (2) im Bereich der Anschlußstellen zu den Stringern mit einem Schweißzusatzwerkstoff (5) versehen ist und die Stringer (3) auf das Hautblech (2) in diesem Bereich (5) angeschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Hautfeld (2) im Bereich der Anschluß­ stellen zu den Spanten mit einem Schweißzusatzwerkstoff versehen ist, die Stringer (3) als Stringerstege (21) ausgebildet sind, ein Stringer-Spant-Gitter (22) bestehend aus Stringergurte (23) und Spantgurte (24) vorgesehen ist, wobei die Stringergurte (23) an den Stringerstegen (21) mittels einer Schweißverbindung (32) angebracht sind und die Spante jeweils aus einem einteiligen Spantelement (25, 25') gebildet sind, wobei das Spantelement (25, 25') im wesentlichen aus einem Spantsteg (34) und einem mit Durch­ brüchen (37) versehenem Fußteil (33) besteht und mit dem Fußteil (33) am Hautblech (2) und mit dem Spantsteg (34) an der Stirnseite des Spantgurtes (24) angeordnet ist.
12. Schalenbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzwerkstoff in Form eines Schweißzusatzsockels (5) auf dem Hautblech (2) angeordnet ist.
13. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (37, 37') im Fußteil (33) geometrisch so gestaltet sind, daß der durch einen Durchbruch (37) hindurchgeführte Stringersteg (21) berührungslos zum Fußteil (33) ist.
14. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Hautblech (2) in Spant- und/oder Stringerrichtung sphärisch gekrümmt ist.
15. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Stringer-Spant-Gitter (22) im Anschlußbereich an die Stringerstege (21) und an die Spantstege (34) mit Schweißzusatzwerkstoff versehen ist.
16. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Stringer-Spant-Gitter (22) entsprechend der Krümmung des Hautble­ ches (2) in Spant- und/oder Stringerrichtung sphärisch gekrümmt ist.
17. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißverbindung (32) zwischen Stringersteg (21) und Stringergurt (23) des Stringer-Spant-Gitters (22) eine I-Naht ist.
18. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Spantelement (25) mit seinem Fußteil (33) an der Rumpfhaut (2) mittels einer Doppelkehlnaht bzw. DHV-Naht (35) verschweißt ist.
19. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Spantelement (25) mit seinem Spantsteg (34) an der Stirnseite des Spantgurtes (24) mittels einer HV-Naht (36) verschweißt ist.
20. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Spantelement (25) am Spantsteg (34) mit einem Versteifungsgurt (38) versehen ist.
21. Verfahren zur Herstellung eines Schalenbauteils nach einem der Ansprüche 11 bis 20, mit folgenden Schritten:
  • 1. das Hautblech (2) wird an den Anschlußstellen von den Stringerstegen (21) und den Spantelementen (25, 25') mit Schweißzusatzwerkstoff ver­ sehen,
  • 2. die Stringerstege (21) werden an das Hautblech (2) geschweißt,
  • 3. der Stringergurt (23) des Stringer-Spant-Gitters (22) wird am Stringersteg (21) mittels einer I-Naht (32) geschweißt,
  • 4. das Spantelement (25) wird mit seinem Fußteil (33) am Hautblech (2) mittels einer Schweißnaht (35), vorzugsweise eine Doppelkehlnaht, gefügt und
  • 5. das Spantelement (25) wird mit seinem Spantsteg (34) an der Stirnseite des Spantgurtes (24) mittels einer Schweißnaht (36), vorzugsweise eine HV-Naht, gefügt.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzwerkstoff auf das Hautblech (2) plattiert wird und bis auf ein Gitter (5A) mit Schweißzusatzwerkstoff der Schweißzusatzwerkstoff chemisch abgetragen wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Schweißzusatzwerkstoffes als Draht mittels einer Drahtzuführvorrichtung dem Hautblech (2) im Bereich der Schweißstellen zugeführt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Hautblech (2) zum Erreichen der sphärisch gekrümmten Fläche in Spant- und/oder Stringerrichtung tiefgezogen wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Stringer-Spant-Gitter (22) zum Erreichen der sphärisch gekrümmten Fläche in Spant- und/oder Stringerrichtung tiefgezogen wird.
26. Schalenbauteil (40) für ein Flugzeug, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem Hautblech (2), mehrere in Flugzeuglängsrichtung ver­ laufende Stringer und quer zur Flugzeuglängsrichtung verlaufende Spante, wobei das Hautfeld (2) im Bereich der Anschlußstellen zu den Stringern mit einem Schweißzusatzwerkstoff versehen ist und die Stringer auf das Haut­ blech (2) in diesem Bereich angeschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Hautfeld (2) im Bereich der Anschluß­ stellen zu den Spanten mit einem Schweißzusatzwerkstoff versehen ist, die Stringer als Stringerstege (21) ausgebildet sind und die Spante einen Spant­ steg (41) und einen Spantkopf (42) aufweisen, die Stringerstege (21) und Spantstege (41) im Bereich des mit Schweißzusatzwerkstoff versehenen Gitters (5A) am Hautblech (2) aufgeschweißt sind, ein Stringer-Spant-Gitter (22) bestehend aus Stringergurte (23) und Spantgurte (24) vorgesehen ist, wobei die Stringergurte (23) an den Stringerstegen (21) und die Spantgurte (24) an den Spantstegen (41) mittels einer Schweißverbindung (32) ange­ bracht sind und der jeweilige Spantkopf (42) auf dem jeweiligen Spantgurt (24) mittels einer Schweißverbindung (44) angeordnet ist.
27. Schalenbauteil nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzwerkstoff in Form eines Schweißzusatzsockels (5) auf dem Hautblech (2) angeordnet ist.
28. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißverbindung (32) zwischen Stringergurt (23) und Stringersteg (21) sowie zwischen Spantgurt (24) und Spantsteg (41) eine I-Naht ist.
29. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Spantkopf (42) symmetrisch auf dem Spantgurt (24) angeordnet ist.
30. Schalenbauteil nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Spantkopf (42) mit dem Spantgurt (24) mittels einer Doppelkehlnaht oder DHV-Naht (44) verbunden ist.
31. Verfahren zur Herstellung eines Schalenbauteils nach einem der Ansprüche 26 bis 30, mit folgenden Schritten:
  • 1. das Hautblech (2) wird an den Anschlußstellen von den Stringerstegen (21) und den Spantelementen (25, 25') mit Schweißzusatzwerkstoff ver­ sehen,
  • 2. die Stringerstege (21) und die Spantstege (34) werden im Bereich des Schweißzusatzwerkstoffes an das Hautblech (2) geschweißt, wobei Strin­ gerstege (21) und Spantstege (34) ein Steggitter (45) bilden,
  • 3. der Stringergurt (23) und der Spantgurt (24) des Stringer-Spant-Gitters (22) werden am Stringersteg (21) bzw. Spantsteg (41) mittels einer I-Naht (32) geschweißt,
  • 4. der Spantkopf (42) wird am jeweiligen Spantgurt (24) mit einer Schweiß­ verbindung (44), vorzugsweise eine Doppelkehlnaht, angeschweißt.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzwerkstoff auf das Hautblech (2) plattiert wird und bis auf ein Gitter (5A) mit Schweißzusatzwerkstoff der Schweißzusatzwerkstoff chemisch abgetragen wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Schweißzusatzwerkstoffes als Draht mittels einer Drahtzuführvorrichtung dem Hautblech (2) im Bereich der Schweißstellen zugeführt wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Hautblech (2) zum Erreichen der sphärisch gekrümmten Fläche in Spant- und/oder Stringerrichtung tiefgezogen wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Stringer-Spant-Gitter (22) zum Erreichen der sphärisch gekrümmten Fläche in Spant- und/oder Stringerrichtung tiefgezogen wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß als Schweißverfahren das CO2-Laserschweißen verwendet wird.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß als Schweißverfahren Festkörper-Laserschweißen verwendet wird.
38. Schalenbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hautblech (2) aus einem schweißgeeigneten Strukturwerkstoff besteht.
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