DE60313102T2

DE60313102T2 - Verfahren zum Reparieren eines Risses in einer Flugzeugkomponente durch Rührreibschweißen

Info

Publication number: DE60313102T2
Application number: DE60313102T
Authority: DE
Inventors: Rajesh Frontenac Talwar; Rigoberto Chesterfield Perez
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: JP4198021B2; KR101078492B1; DE60313102D1; US7000303B2; EP1413384A2; KR20040036544A; EP1413384B1; US20030217452A1; JP2004141966A; EP1413384A3; CN1500587A; CN1325219C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Beförderungssysteme der Luftfahrt und insbesondere ein Verfahren zum Reparieren eines Risses in einer Flugzeugkomponente, siehe auch US-A-5,697,544 .
Die Betriebslebensdauer eines Flugzeugs ist aktuell länger als in früheren Jahren und es ist vorhersehbar und es wird erwartet, dass sich die Betriebslebensdauer in Zukunft weiter verlängern wird. Die Betriebslebensdauer für viele Flugzeuge ist länger und daher werden Komponenten des Flugzeugs bei einem Betrieb des Flugzeugs über längere Zeitperioden eingesetzt, als es ursprünglich beabsichtigt und entworfen worden ist.
Aufgrund der längeren Betriebslebensdauer der Flugzeugkomponenten sind Bedenken bezüglich der Dauerfestigkeit der Komponenten diskutiert worden. Insbesondere sind eine Rissbildung, ein Anwachsen eines Risses und diesbezügliche Punkte in das Interesse gerückt worden. Eine sich erhöhende Ermüdung hat eine steigende Anzahl von sich entwickelnden Rissen und ein erhöhtes Ausmaß eines Wachstums von existierenden Rissen bei Flugzeugkomponenten verursacht. Eine Entstehung und ein Anwachsen von Rissen ist auch aufgrund einer potentiellen Unmöglichkeit, das Flugzeug zu betreiben, der Zeit und Kosten, welche eine Reparatur der Risse nach sich ziehen, und eines wiederholten Auftretens eines Anwachsen der Risse nach einer Reparatur von Belang. Eine Reparatur von Rissen sowohl bei einem militärischen als auch bei einem handelsüblichen Flugzeug ist kostspielig und im Allgemeinen ist eine Reparatur eines Risses nur eine vorübergehende Lösung.
Typischerweise wird ein Anwachsen eines Risses verhindert oder repariert, indem eine der folgenden Verfahren eingesetzt wird. Ein Verhindern eines Anwachsens eines Risses wird ermöglicht, indem ein Loch an jedem Ende des Risses gebohrt wird, was bisweilen als "Stoppbohren" bezeichnet wird. Ein Stoppbohren ist nur eine vorübergehende Lösung, wobei die Risse über die Zeit typischerweise wieder anwachsen, da ein Bereich, welcher den Riss umgibt, ermüdet und die zusätzlichen Löcher die Komponente weiter schwächen.
Ein Verfahren zum Reparieren eines Risses umfasst einen Einsatz einer Verbundstoffflickmasse bzw. eines Verbundstoffflickens, welche bzw. welcher durch Verwendung eines Strukturklebstoffes über und direkt auf den Riss aufgebracht wird und auf die interessierende Komponente geklebt wird und mit dieser eine Verbindung ausbildet. Die Verbundstoffflickmasse überträgt eine Belastung, welche normalerweise auf Abschnitte der Komponente in der Nähe ihrer Enden auftritt, auf Bereiche, welche den Riss umgeben. Der Klebstoff ist typischerweise ein Epoxydharz, kann aber auch in einer Form eines Klebers, einer Paste oder eines Klebebandes vorliegen. Die Verbundstoffflickmasse wird bevorzugt, wenn eine höhere Festigkeit für einen bestimmten strukturellen Bereich erwünscht wird.
Ein anderes Verfahren zum Reparieren eines Risses umfasst ein Aufbringen einer metallischen Flickmasse über dem Riss. Die metallische Flickmasse wird an der interessierenden Komponente mittels mehrerer Befestigungsmittel, wie z.B. Nieten oder Bolzen, befestigt, was arbeitsintensiv ist, wobei auch eine Verbindung mit der Komponente ausgebildet wird. Das metallische Material wird bevorzugt, wenn die interessierende Komponente bei einem Einsatz eingesetzt wird, welcher große Temperaturunterschiede aufweist. Bei Einsätzen mit großen Temperaturunterschieden wird es auch bevorzugt, dass die Flickmasse aus einem ähnlichen oder demselben Material wie demjenigen der Komponente ist, so dass die Komponente und die Flickmasse ähnliche Ausdehnungs- und Kontraktionseigenschaften aufweisen. Die Verbindung zwischen der Flickmasse und der Komponente widersteht Temperaturänderungen besser, wenn die Flickmasse und die Komponente aus einem ähnlichen Material sind.
Die WO-A-0176804 offenbart ein Verfahren zum Reparieren eines Risses in einer Komponente, welches ein Vorbereiten einer umgebenden Oberfläche des Risses zur Reparatur; und ein Rührreibschweißen eines ersten Abschnitts der Komponente auf einer ersten Seite des Risses zu einem zweiten Abschnitt der Komponente auf einer zweiten Seite des Risses, um einen geschweißten Rissbereich auszubilden, umfasst.
Obwohl die Reparaturverfahren haltbarer sind und für eine längere Zeitperiode als das Stoppbohrverfahren halten, sind sie auch nur vorübergehend. Daher repariert keines der vorab beschriebenen Verfahren Risse vollständig oder vermeidet Risse und die Risse beginnen eventuell wieder anzuwachsen.
Es wäre daher wünschenswert, eine robustere Reparaturtechnik für Risse bereitzustellen, welche eine permanentere Lösung zur Bildung von Rissen und zum Anwachsen von Rissen bereitstellt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Reparieren eines Risses in einer Flugzeugkomponente bereit, umfassend ein Vorbereiten einer den Riss umgebenden Oberfläche zum Reparieren; und ein Rührreibschweißen eines ersten Abschnittes der Komponente auf einer ersten Seite des Risses zu einem zweiten Abschnitt der Komponente auf einer zweiten Seite des Risses, um einen geschweißten Rissbereich auszubilden, gekennzeichnet durch ein Einführen eines behelfsmäßigen Verschlussstückes in ein existierendes Loch der Komponente; ein Rührreibschweißen des Risses; ein Lösen eines Rührreibschweißwerkzeuges in einer Mitte eines partiellen Ausgangsloches; und ein Entfernen des behelfsmäßigen Verschlussstückes von der Komponente.
Die vorliegende Erfindung weist mehrere Vorteile gegenüber existierenden Reparaturtechniken eines Risses auf. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie einen Schweißprozess zum Reparieren von Rissen bereitstellt, welcher ein Material der Komponente nicht schmelzt, wobei für eine minimale Verformung, für eine minimale Belastung und für eine minimale Veränderung von chemischen und physikalischen Eigenschaften der Komponente gesorgt wird.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie ein Verfahren zum Schweißen von Materialien bereitgestellt, welche einen Riss umgeben und welche herkömmlich als unschweißbar erachtet wurden.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Reparieren eines Risses bereit, welches haltbarer und beständiger als herkömmliche Reparaturtechniken ist.
Die vorliegende Erfindung selbst zusammen mit weiteren Aufgaben und einhergehenden Vorteilen wird am besten mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektivdarstellung eines Flugzeuges mit einer Komponente mit einem Riss gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 ist eine perspektivische Großaufnahme der Komponente gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
3 ist ein logisches Flussdiagramm, welches Verfahren zum Reparieren des Risses darstellt, wobei einige erfindungsgemäßen Ausführungsformen entsprechen;
4 ist eine Perspektivdarstellung eines beispielhaften Anschlussstücks, welches im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Schweißtechnik mit Anschlussstück eingesetzt wird;
5 ist eine perspektivische Großaufnahme eines partiellen Ausgangsloches von einem Rührreibschweißen des Risses von oben gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
6 ist eine perspektivische Großaufnahme der Komponente, welche ein Rührreibschweißen über ein existierendes Durchgangsloch hinaus gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
7 ist eine perspektivische Großaufnahme der Komponente, welche ein fertig gestelltes Durchgangsloch, welches an einem Ende des Risses gebohrt ist, gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
8 ist eine perspektivische Großaufnahme der Komponente, welche einen Einsatz eines Befestigungsmittels gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
9 ist eine perspektivische Großaufnahme der Komponente, welche eine Verwendung eines Anhängselmaterials gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt, wenn zu einer Kante der Komponente ein Rührreibschweißen ausgeführt wird; und
10 ist eine grafische Darstellung, welche mehrere Reparaturtechniken eines Risses gemäß mehrerer erfindungsgemäßer Ausführungsformen darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ein Verfahren zum Reparieren eines Risses einer Komponente eines Flugzeugs beschrieben wird, kann die vorliegende Erfindung für verschiedene Anwendungen ausgestaltet werden, welche umfassen: Beförderungsmittel der Luftfahrt, landbasierte Fahrzeuge, Fahrzeuge der Seefahrt oder andere Anwendungen, bei welchen es nach dem Stand der Technik bekannt ist, dass sie eine Reparatur eines Risses erfordern.
In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Betriebsparameter und Komponenten für eine konstruierte Ausführungsform beschrieben. Diese spezifischen Parameter und Komponenten sind als Beispiele enthalten und sollen nicht beschränkend ausgelegt werden.
In der folgenden Beschreibung meint auch der Begriff "Komponente" jede Fahrzeugkomponente, was ein Verkleidungsblech, eine Versteifung, einen Holm, eine Rippe oder eine andere Fahrzeugkomponente, welche nach dem Stand der Technik bekannt ist, umfasst. Die Komponente kann aus Aluminium, Magnesium, Stahl, Kupfer, Titan oder einer nickelbasierten Legierung, wie z.B. Inconel, ausgebildet sein. Das Aluminium kann verschiedene Serientypen aufweisen, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind, wie Aluminium der Serie 2000, 5000, 6000, 7000 und 8000. Die Komponente kann auch aus einem anderen Material ausgebildet sein, welches nach dem Stand der Technik bekannt ist.
Darüber hinaus setzt die Flugzeugindustrie insbesondere herkömmlicherweise unschweißbare Materialien bei einer Ausbildung von verschiedenen Komponenten aufgrund inhärenter Vorteile bei ihren physikalischen Eigenschaften ein. Die inhärenten Vorteile überwiegen erhöhte Kosten des herkömmlicherweise unschweißbaren Materials gegenüber preiswerteren schweißbaren Materialien. Zum Beispiel sind viele Verkleidungsbleche eines Flugzeugs aus Aluminium der Serien 2000 und 7000 gegenüber Aluminium 5000 und 6000 aufgrund von leichtgewichtigen und haltbaren Eigenschaften, welche darin enthalten sind, ausgebildet. Da das Aluminiummaterial der Serien 2000 und 7000 als unschweißbar bekannt gewesen ist, kann eine Komponente, welche aus solch einem Material ausgebildet ist und einen Riss aufweist, welcher eine Größe aufweist, welche groß genug ist, um eine Reparatur zu erfordern, entweder verschrottet werden oder eine der herkömmlichen vorab beschriebenen temporären Reparaturverfahren konnte versucht werden, um eine Lebensdauer der Komponente zu verlängern. Ein Ersatz von verschrotteten Flugzeugkomponenten ist kostspielig und daher unerwünscht. Daher stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Reparieren von Rissen in einer Komponente bereit, welche aus den vorab beschriebenen früherer unschweißbaren Materialien ausgebildet ist.
Mit Bezug auf 1 und 2 werden nun eine Perspektivdarstellung eines Flugzeugs 10 mit einer Komponente 12 mit einem Riss 14 und eine perspektivische Großaufnahme der Komponente 12 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt. Der Riss 14 befindet sich in einem oberen Verkleidungsblech 15 mit einer Oberseite 17 und einer Unterseite 19. Der Riss 14 erstreckt sich von einem Durchgangsloch 16 in der Komponente 12 und weist ein erstes Ende 18 und ein zweites Ende 20 auf. Der Riss 14 weist eine zugehörige umgebende Oberfläche 22 auf. Die Komponente 12 weist einen ersten Abschnitt 24 auf einer ersten Seite 26 des Risses 14 und einen zweiten Abschnitt 28 auf einer zweiten Seite 30 des Risses 14 auf. Die Komponente 12 kann, wie vorab erwähnt, ein Verkleidungsblech, wie es dargestellt, ist, sein oder kann irgendeine andere nach dem Stand der Technik bekannte Komponente sein.
Der dargestellte Riss 14 gilt nur für beispielhafte Zwecke; der Riss 14 kann an verschiedenen Stellen der Komponente 12 beginnen und enden. Der Riss 14 muss sich nicht von einem Loch erstrecken und kann sich zu einer Kante der Komponente, wie z.B. einer Kante 32, erstrecken. Der Riss 14 kann auch mehrere Verzweigungen aufweisen und kann verschiedene Größen und Formen besitzen.
Nun wird auch mit Bezug auf 3 ein logisches Flussablaufdiagramm dargestellt, welches ein Verfahren zum Reparieren des Risses 14 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt.
In Schritt 100 wird die umgebende Oberfläche 22 für eine Reparatur vorbereitet. Bei der Vorbereitung wird die umgebende Oberfläche von Partikeln, wie z.B. Staub, Dreck, Öl oder anderen Partikeln, welche ein Schweißen des Risses 14 negativ beeinflussen, befreit, wobei nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren eingesetzt werden.
In Schritt 102 wird, wenn ein Loch näherungsweise nah an einem Ende eines Risses existiert, wie z.B. das Loch 16, welches in der Nähe des ersten Endes 18 existiert, ein behelfsmäßiges Verschlussstück 40 in das Loch 16 eingeführt. Das Beispiel der 3 wird dargestellt, da Risse dazu neigen, anzuwachsen und sich im Allgemeinen von existierenden Löchern in einer Komponente erstrecken, da eine Komponentenstruktur im Allgemeinen in der Nähe einer Lochkante schwächer ist. Natürlich muss ein Riss nicht an einem Loch beginnen. Das behelfsmäßige Verschlussstück 40 ist in 4 am besten dargestellt. Das behelfsmäßige Verschlussstück 40 wird eingesetzt, um zu verhindern, dass ein Material der Komponente in das Loch 16 gebogen wird oder aus diesem oder durch dieses geschoben wird. Das behelfsmäßige Verschlussstück 40 kann aus einem ähnlichen Material wie demjenigen der Komponente 12 ausgebildet sein und kann verschiedene Größen und Formen aufweisen. Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Verschlussstück aus einem Material, welches einen höheren Schmelzpunkt aufweist, so dass das Verschlussstück 40 nicht während eines Rührreibschweißens der Komponente 12 an die Komponente geschweißt wird. Bei der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Verschlussstück 40 ähnlich geformt wie eine Form des Loches 16 und ist etwas größer, um fest in das Loch 16 zu passen. Das Loch 16 ist zum Beispiel kreisförmig in der Form mit einem Durchmesser D₁ und das Verschlussstück 40 ist zylindrisch mit einem Durchmesser D₂, welcher etwas größer als D₁ ist. Als eine Alternative zu dem Schritt 102 können Schritte 104–106 durchgeführt werden.
In Schritt 104 kann das existierende Loch 16 mit einem Rührreibschweißen mittels eines Verschlussstückes bearbeitet werden.
In Schritt 106 wird nach einem Abschluss des Rührreibschweißens mittels eines Verschlussstückes des Loches 16 eine äußere Oberfläche des Verschlussstückes und umgebende Oberflächen flach gearbeitet, wobei Verfahren nach dem Stand der Technik eingesetzt werden, um eine Oberfläche 22 in der Nähe des Loches 16 zu glätten.
In Schritt 108 wird ein Rührreibschweißwerkzeug, nicht dargestellt, eingesetzt, um ein Rührreibschweißen von dem ersten Abschnitt 24 zu dem zweiten Abschnitt 28 auszuführen, um einen geschweißten Rissbereich 50 auszubilden. Der geschweißte Rissbereich 50 weist eine Schweißlinse 52 auf, welche sich näherungsweise an derselben Stelle wie der Riss 14 befindet, wie es am besten in 5 dargestellt ist. In den folgenden 6, 7 und 8 ist die Schweißlinse 52 zur Vereinfachung als eine gebogene Linie dargestellt. Während eines Rührreibschweißens der Komponente 12 wird das Schweißwerkzeug entlang des Risses 14 bewegt, um den ersten Abschnitt 24 mit dem zweiten Abschnitt 28 zu verbinden, während mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird, was abhängig davon durchgeführt wird, ob der Riss 14 an einem Loch beginnt oder nicht. Ein Vorgang zwischen dem Rührreibschweißwerkzeug und dem Material der Komponente 12 erzeugt eine Reibungshitze, welche das Material erweicht aber nicht schmelzt. Das erhitzte Material oder plastifizierte Material wird dann zusammengeführt, um ein Stück zu erzeugen, wo es ursprünglich zwei gab, wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist. Nach Abschluss des Rührreibschweißens des Risses 14 kann ein Ausgangsloch 56 in der Komponente 12 existieren, abhängig davon, ob das Rührreibschweißwerkzeug fortfährt, zu einer Kante der Komponente 12 zu schweißen, wie es in Schritt 124 beschrieben ist.
Es gibt mehrere Vorteile des Rührreibschweißens des Risses 14 gegenüber herkömmlichen Reparaturtechniken. Bei dem Rührreibschweißen tritt kein Schmelzen des Materials auf, weshalb eine Verformung, eine Restbelastung und eine Änderung von mechanischen Eigenschaften der Komponente 12 minimiert werden. Der geschweißte Rissbereich 50 weist mechanische Eigenschaften auf, welche dicht bei denjenigen der ursprünglichen Komponente 12, bevor der Riss 14 aufgetreten war, liegen. Ein Rührreibschweißen erfordert nur einen einzigen Schweißgang über dem Riss 14 im Vergleich zu herkömmlichen Schweißtechniken, welche mehrere Gänge erfordern, wodurch Zeit und Kosten, welche mit einer Reparatur des Risses verbunden sind, minimiert werden. Mehrere andere Vorteile sind auch mit dem Rührreibschweißen verbunden, einschließlich keiner Anforderung nach einem Füllmaterial, einem reduzierten Gewicht einer geschweißten Komponente, einer erhöhten Wiederholbarkeit und verschiedener anderer Vorteile, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind.
Bei dem Rührreibschweißen wird eine Schmiedelast während des Schweißens aufgebracht, welcher durch einen Unterstützungsbalken (nicht dargestellt) entgegengewirkt wird. In Situationen, wenn entweder ein Unterstützungsbalken nicht eingesetzt werden kann, oder wenn ein Unterstützungsbalken aufgrund von Fabrikationskosten nicht praktikabel eingesetzt werden kann, kann das Rührreibschweißen unter Verwendung eines Doppelansatzwerkzeugs oder eines Trommelwerkzeugs bewerkstelligt werden. Der Einsatz eines Trommelwerkzeugs vermeidet die Anforderung nach einem Unterstützungsbalken. Ein Unterstützungsbalken kann eingesetzt werden, wenn die Komponente 12 entfernt wird und außerhalb des Flugzeugs 10 repariert wird. Um eine Reparatur der Komponente 12 an Ort und Stelle zu ermöglichen, kann das Trommelwerkzeug (ebenfalls nicht dargestellt) eingesetzt werden. Das Trommelwerkzeugs weist zwei Ansätze auf, einen zum Aufbringen einer Belastung auf die Oberseite 17 und einen anderen zum Aufbringen einer Belastung auf die Unterseite 19 der Komponente 12. Eine gleiche und entgegenwirkende Belastung wird durch den Ansatz bei der Obersei te, welche in eine nach unten gerichtete Richtung gepresst wird, und durch den Ansatz bei der Unterseite, welche in eine nach oben gerichtete Richtung gezogen wird, aufgebracht, wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist.
Nach Abschluss des Schritts 108 existiert das Loch 16 nicht länger, sondern vielmehr existiert eine Vertiefung oder ein partielles Loch 56, welches eine ähnliche Abmessung, wie diejenige des ursprünglich existierenden Loches 16 aufweisen kann oder nicht. Das Ausgangsloch 56 kann auch eine ausgezackte Kante 54 aufweisen, welche eine relativ große Belastungssteigerung aufweist. Das Ausgangsloch 56 und die ausgezackte Kante 54 sind am besten in 5 dargestellt. Je höher die Belastungsverstärkung ist, desto wahrscheinlicher ist, dass eine Rissbildung oder ein Anwachsen eines Risses auftritt.
Um zu schweißen und das Auftreten eines Ausgangsloches 56 nach Beendigung des Rührreibschweißens des Risses 14 zu verhindern, kann ein zurückziehbares Rührreibschweißwerkzeug eingesetzt werden. Das zurückziehbare Rührreibschweißwerkzeug kann unabhängig davon eingesetzt werden, ob der Riss 14 an einem Loch beginnt oder nicht. Das Rührreibschweißen beginnt entweder an einem Ende 18 oder 20 und das Schweißen wird über dasjenige Ende 18 oder 20 ausgeweitet, wo das Schweißen nicht begonnen wurde. Das zurückziehbare Rührreibschweißwerkzeug kann das Schweißen auch in einem existierenden Loch, wie z.B. dem Loch 16, beginnen oder kann das Schweißen an einem Ende, wie z.B. dem Ende 20, wo kein Loch existiert, beginnen.
In Schritt 110 wird, wenn das behelfsmäßige Verschlussstück 40 verwendet wird, das Rührreibschweißwerkzeug in einer Mitte 60 des Ausgangsloches 56 gelöst.
In Schritt 112 wird dann das behelfsmäßige Verschlussstück 40 von der Komponente 12 entfernt, wenn das existierende Loch 16 im Durchmesser größer als der Durchmesser eines Stiftes des Rührreibschweißwerkzeugs ist. Das Verschluss stück 40 wird entfernt, indem das Verschlussstück 40 von der Komponente 12 ausgebohrt wird.
Wie es bei einem Rührreibschweißen bekannt ist, verbleibt das Ausgangsloch 56, wo das Rührreibschweißwerkzeug von der Komponente 12 weggezogen wird. Das Ausgangsloch 56 kann an derselben Stelle wie das existierende Loch 16 vorhanden sein. Das Rührreibschweißwerkzeug kann aus dem existierenden Loch 16 gezogen werden oder kann irgendwo sonst herausgezogen werden, wenn das Loch 16 ursprünglich nicht existiert, mit anderen Worten, wenn der Riss 14 nicht an einem Loch beginnt. Das verbleibende Ausgangsloch 56 kann abhängig von der Anwendung von Belang sein oder nicht. Die vorliegende Erfindung sorgt diesbezüglich für eine Anpassungsfähigkeit, indem das Ausgangsloch 56 in der Komponente 12 belassen, zugeschweißt, größer gebohrt oder nicht ausgebildet werden kann, wie es im Folgenden weiter beschrieben wird.
In Schritt 114 kann das Ausgangsloch 56 vergrößert werden und durch die Komponente 12 erweitert werden, um so ein nachbearbeitetes Loch 58 zu erzeugen, indem über dem Ausgangsloch 56 durch die Komponente 12 gebohrt wird. Das nachbearbeitete Loch 58 ist am besten in 6 dargestellt und weist eine glatte kreisförmige Kante 59 im Gegensatz zu der ausgezackten Kante 54 auf, wodurch eine Belastungsverstärkung des Ausgangsloches 56 verringert wird.
In Schritt 116 kann, wenn der Durchmesser des Rührreibschweißstiftes größer als der Durchmesser des existierenden Loches 16 ist, dann das Rührreibschweißen durch und über das existierende Loch 16, welches durch einen gestrichelten Kreis 16' in 7 dargestellt ist, bis zu einem partiellen Ausgangsloch 56' fortgesetzt werden, da nach dem Rührreibschweißen das existierende Loch 16 nicht länger existiert.
In Schritt 118 können nach Beendigung der Schritte 108, 112, 114 oder 116 das existierende Loch 16 und die Ausgangslöcher 56 und 56' ähnlich wie bei Schritt 114 größer gebohrt werden, um eine Belastungsverstärkung zu verringern. Nach Abschluss des Schrittes 118 kann der Schritt 120 oder der Schritt 124 ausgeführt werden.
In Schritt 120 kann sich, stattdessen dass das nachbearbeitete Loch 58 einfach verbleibt, ein Befestigungsmittel 72 mit einer Scheibe 74 durch das nachbearbeitete Loch 58 erstrecken und an der Komponente 12 befestigt werden, wie es am besten in 8 dargestellt ist. Die Kombination aus dem Befestigungsmittel 72 und der Scheibe 74 verringert Belastungen auf einer Kante 59 des nachbearbeiteten Loches 58 und unterstützt, dass verhindert wird, dass der ursprüngliche Riss 14 wieder anwächst, und verhindert das Auftreten von einem zusätzlichen Riss, welcher von dem nachbearbeiteten Loch 58 anwächst. Natürlich kann das Befestigungsmittel verschiedene Typen und Bauweisen aufweisen, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind.
In Schritt 122 wird, wenn das zurückziehbare Rührreibschweißwerkzeug über das Ende 18 oder 20 hinaus schweißt, dieses langsam von der Komponente 12 entfernt, während ein Druck auf der Komponente 12 belassen wird und das Ausgangsloch 56 zugeschweißt wird. Für eine weitere Erläuterung des zurückziehbaren Rührreibschweißwerkzeugs wird auf das US-Patent Nr. 5,697,544 verwiesen.
In Schritt 124 kann, wenn ein Riss in einer Richtung, welche zu einer Kante der Komponente gerichtet ist, geschweißt wird, das Rührreibschweißwerkzeug zum Beispiel fortfahren, den ersten Abschnitt 24 an den zweiten Abschnitt 28 bis zu der Kante 32 zu verschweißen, um ein Auftreten eines Loches zu verhindern, wo das Rührreibschweißwerkzeug von der Komponente 12 gelöst wird. Ein Anhängsel 80 bzw. ein Anhängselmaterial, welches aus einem ähnlichen Material wie demjenigen der Komponente 12 ausgebildet ist, wird gegen die Kante 32 gefügt und das Rührreibschweißen wird in das Anhängsel hinein verlängert, so dass ein partielles Ausgangsloch eher in dem Anhängsel 80 ausgebildet wird als in der Komponente 12, wie es am besten in 9 dargestellt ist. Das Anhängsel wird dann von der Komponente 12 entfernt, wobei Verfahren eingesetzt werden, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind. Das Anhängsel kann verschiedene Größen und Formen aufweisen und kann aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind.
Obwohl die mechanischen Eigenschaften des geschweißten Rissbereiches 50 dicht bei denjenigen der ursprünglichen Komponente 12 ohne den Riss 14 liegen, kann ein Schritt 126 durchgeführt werden, um die Festigkeit des geschweißten Rissbereiches 50 zu erhöhen.
In Schritt 126 kann, um den geschweißten Rissbereich 50 weiter zu verstärken, eine Flickmasse 78 über dem geschweißten Rissbereich 50 aufgebracht werden, welcher näherungsweise einen Bereich umfasst, wo der Riss 14 existierte. Die Flickmasse 78 kann aus einem Verbundmaterial, einem metallisch Material oder einem anderen nach dem Stand der Technik bekannten Material bestehen. Wenn ein Verbundmaterial verwendet wird, kann die Flickmasse 78 an die Komponente 12 geklebt werden, wobei ein strukturelles Verbindungsmaterial, welches nach dem Stand der Technik bekannt ist, verwendet wird. Wenn ein metallisches Material verwendet wird, kann die Flickmasse 78 vernietet, geschweißt oder mit der Komponente gekoppelt werden, wobei einige andere Befestigungs- oder Verbindungstechniken, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind, eingesetzt werden. Das Verbundmaterial kann eingesetzt werden, wenn eine höhere Festigkeit für einen gegebenen strukturellen Bereich erwünscht wird. Das metallische Material wird bevorzugt, wenn die interessierende Komponente bei einer Anwendung eingesetzt wird, welche große Temperaturunterschiede aufweist.
Die vorab beschriebenen Schritte sollen als verdeutlichendes Beispiel aufgefasst werden. Die Schritte können innerhalb des Umfangs der Ansprüche sequenziell, synchron oder in einer anderen Reihenfolge abhängig von der Anwendung durchgeführt werden.
Nun wird mit Bezug auf 10 eine grafische Darstellung gezeigt, welche mehrere Reparaturtechniken für Risse gemäß mehrerer erfindungsgemäßer Ausführungsformen darstellt. Die grafische Darstellung zeigt eine Risslänge gegenüber aufgebrachten Belastungszyklen für mehrere Probestücke oder metallische Teststreifen, nicht dargestellt, welche jeweils einen ähnlichen Riss aufweisen und repariert sind, wobei erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.
Zwei anfängliche angenäherte Risslängen sind dargestellt, 0,5'' und 0,05''. Kurven mit einer anfänglichen Risslänge 0,05'' entsprechen Probestücken, welche keine Risse oder Risslängen von einer Länge bis zu 0,05'' aufweisen, welche die kleinste Risslänge ist, die entdeckt werden kann. Eine erste Referenzausgangskurve A und eine zweite Referenzausgangskurve B sind für beide anfänglichen Risslängen eines ersten Probestückes mit der anfänglichen Risslänge 0,5'' bzw. einem zweiten Probestück mit der anfänglichen Risslänge 0,05'' dargestellt. Wenn eine Flickmasse auf das erste Probestück aufgebracht wird, ist das Probestück in der Lage einen erhöhten Umfang von Belastungszyklen zu widerstehen als ohne die Flickmasse, wie es durch eine Kurve C relativ zu der Kurve A dargestellt ist. Wenn das Rührreibschweißen auf dem ersten Probestück eingesetzt wird, wird der 0,5''-Riss auf einen Riss reduziert, welcher in der Länge gleich oder kleiner als 0,05'' ist und das Probestück ist in der Lage einer größeren Anzahl von Belastungszyklen zu widerstehen, wie es durch eine Kurve D relativ zu der Kurve A dargestellt ist. Die Anzahl der Zyklen, welche ein Teil aushalten kann, bei welchem das Rührreibschweißen ausgeführt ist, repräsentiert durch die Kurve D, ist jedoch geringer als die Anzahl der Zyklen für das zweite Probestück mit einer anfänglichen Risslänge 0,05'' ohne ein durchgeführtes Rührreibschweißen. Wenn darüber hinaus sowohl ein Rührreibschweißen eingesetzt wird, um einen Riss zu minimieren oder zu eliminieren, als auch eine Flickmasse auf das Probestück aufgebracht wird, wie es durch eine Kurve E mit dem ersten Probestück dargestellt ist, ist das Probestück in der Lage einer erhöhten Anzahl von Belastungszyklen zu widerstehen, als entweder bei einem Aufbringen einer Flickmasse oder bei einem Rührreibschweißen des Risses.
Daher erhöht die Kombination aus Rührreibschweißen und dem Aufbringen der Flickmasse die Betriebslebensdauer der Komponente sogar gegenüber dem Ausgangsmaterial. Ein Einsatz sowohl des Rührreibschweißens als auch ein Aufbringen der Flickmasse ermöglicht, dass die Betriebslebensdauer einer Komponente möglicherweise mehr als verdoppelt wird, abhängig von der Komponente und der Anwendung.
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren zum Reparieren eines Risses einer Komponente mit einer erhöhten Haltbarkeit als bei vorherigen Reparaturtechniken bereit. Eine Komponente der vorliegenden Erfindung, bei welcher zusätzlich zu der aufgebrachten Flickmasse, ein Rührreibschweißen ausgeführt ist, ist in der Lage einer größeren Anzahl von Flugzyklen zu widerstehen, wodurch eine produktive Lebenszeit der Komponente verlängert wird.
Die vorab beschriebene Vorrichtung und das vorab beschriebene Verfahren kann durch den Fachmann für verschiedene Anwendungen ausgestaltet werden, umfassend: Anwendungen der Luftfahrt, Anwendungen für landbasierte Fahrzeuge oder andere Anwendungen, für welche nach dem Stand der Technik bekannt ist, dass sie eine Reparatur eines Risses erfordern. Die vorab beschriebene Erfindung kann auch verändert werden, ohne von dem Umfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Reparieren eines Risses (14) in einer Komponente (12), umfassend: – Vorbereiten einer umgebenden Oberfläche (22) des Risses (14) zum Reparieren; und – Rührreibschweißen eines ersten Abschnittes (24) der Komponente (12) auf einer ersten Seite (26) des Risses (14) zu einem zweiten Abschnitt (28) der Komponente (12) auf einer zweiten Seite (30) des Risses (14), um einen geschweißten Rissbereich (50) auszubilden, gekennzeichnet durch – Einführen eines behelfsmäßigen Verschlussstückes in ein existierendes Loch der Komponente (12); – Rührreibschweißen des Risses (14); – Lösen eines Rührreibschweißwerkzeuges in einer Mitte eines partiellen Ausgangsloches (56); und – Entfernen des behelfsmäßigen Verschlussstückes von der Komponente (12).
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: – Aufbringen einer Flickmasse (78) über dem geschweißten Rissbereich (50); und – Verbinden der Flickmasse (78) mit der Komponente (12).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter ein andauerndes Rührreibschweißen der Komponente (12) zu einer Kante (32) der Komponente (12), wobei ein zusätzliches Anhängselmaterial verwendet wird, umfassend.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 weiter ein Einführen eines Befestigungsmittels in mindestens ein Loch in der Komponente (12) umfassend.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, weiter ein Schweißen von mindestens einem Loch in der Komponente (12) mittels eines zurückziehbaren Stiftwerkzeuges umfassend.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, weiter ein Rührreibschweißen mittels eines Verschlussstückes von mindestens einem Loch in der Komponente (12) umfassend.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das Rührreibschweißen des ersten Abschnittes (24) zu dem zweiten Abschnitt (28) umfasst: – Beginnen des Rührreibschweißens an einem ersten Ende (18) des Risses (14); – Rührreibschweißen zu einem zweiten Ende (20) des Risses (14); und – Weiterführen des Rührreibschweißens über ein existierendes Loch bei dem zweiten Ende (20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, weiter ein Bohren eines Durchgangsloches in die Komponente umfassend, um mindestens ein Loch zu vergrößern oder zu erweitern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das Rührreibschweißen ein Verwenden eines doppelseitigen Werkzeugs umfasst, um eine gleiche und entgegengesetzte Belastung auf Seiten der Komponente (12) aufzubringen.