WO2006119732A1 - Metallisches, integrales strukturbauteil mit verbesserter restfestigkeit - Google Patents

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WO2006119732A1
WO2006119732A1 PCT/DE2006/000769 DE2006000769W WO2006119732A1 WO 2006119732 A1 WO2006119732 A1 WO 2006119732A1 DE 2006000769 W DE2006000769 W DE 2006000769W WO 2006119732 A1 WO2006119732 A1 WO 2006119732A1
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WO
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structural
local zone
structural component
component according
structural elements
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PCT/DE2006/000769
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Palm
Vitus Holzinger
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Airbus Deutschland Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C1/00—Fuselages; Constructional features common to fuselages, wings, stabilising surfaces or the like
    • B64C1/06—Frames; Stringers; Longerons ; Fuselage sections
    • B64C1/064—Stringers; Longerons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C3/00—Wings
    • B64C3/26—Construction, shape, or attachment of separate skins, e.g. panels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C1/00—Fuselages; Constructional features common to fuselages, wings, stabilising surfaces or the like
    • B64C2001/0054—Fuselage structures substantially made from particular materials
    • B64C2001/0081—Fuselage structures substantially made from particular materials from metallic materials

Definitions

  • the invention relates to a metallic, integral structural component with improved residual strength according to the preamble of patent claim 1, as well as corresponding methods for its production.
  • the invention finds particular application in aeronautical engineering, for example reinforced skin panels by stiffening profiles.
  • skin panels are known to provide appropriate stiffening profiles.
  • the outer skin of the aircraft fuselage is reinforced in the longitudinal direction by stringer and in the circumferential direction with frames.
  • the joining method used are riveting or gluing, whereby a so-called differential construction is used.
  • integral structural components are known in which a direct connection between skin plate and stiffening profiles, for example by means of laser welding (DE 196 39 667 C1) or simultaneous extrusion of skin plate and stiffening profiles is produced.
  • integral structural components can also be produced by means of casting, forging, milling, sintering or other primary molding processes.
  • Integral structural components for example in the form of skin plate stringer structures, are used as fuselage shells in aircraft. As a result of static and cyclic mechanical stresses, cracks may form and spread in the reinforced skin sheet. In order to take account of damage states of this kind in the aircraft design, requirements for the (dynamic or cyclic)
  • the required damage tolerance behavior depends, among other things, on how a skin crack extending perpendicular to the stiffening behaves when it encounters it.
  • the Hautriss runs under the stiffener.
  • the stiffener remains undamaged and bridges the crack, so that as a positive effect, the crack is hindered in its further propagation.
  • the riveted or glued stiffeners act as a crack stopper or Rißverzögerer. Fracture progression in the fuselage panel is stopped or delayed because the crack tip is held together by the riveted or glued stiffener over a specified number of load cycles.
  • the residual strength of the brushed component remains at a high level, since the undamaged stiffener can continue to take over part of the overall static load.
  • the crack tip in the foot region of the stiffener splits into a skin crack and a stiffening crack, and both cracks spread in the subcomponents.
  • a stiffener damaged by a partial tearing has, in contrast to a differential stiffening profile, both reduced strength and reduced rigidity.
  • EP-A-1 291 279 and EP-A-1 166 950 that the damage tolerance behavior, in particular with regard to crack propagation and residual strength, is improved by targeted introduction of a separate component not by integral measures but by deliberately arranging a differential construction can.
  • EP 1 100 636 B1 proposes the thickening of the stiffening profile in the foot area.
  • DE-A-103 31 990 describes a narrow metal-induced fine grain zone to suppress the dynamic crack propagation, in order to produce a targeted crack deflection along the connecting line or weld seam of skin sheet and stiffening profile.
  • the crack problem is usually considered only in conjunction with local reinforcements, where attempts are made to arrest or deflect the crack by stress reduction, or to "crack" the cracks along an interface Reduction of the dynamic crack propagation, but not on the improvement of the behavior under static load.
  • Aircraft possible which also generate damage with considerable extent which can lead to the start abort or emergency braking. Again, the largest damage to be assumed in addition to a local deformation, the formation of one or more cracks (sometimes even hidden and thus not immediately recognizable), which in turn can have catastrophic consequences for man and machine in flight. Cracking or propagation is always critical if the aircraft structure is locally unable to suppress or delay such that the operational safety of the aircraft is still present.
  • the present invention has for its object to provide a metallic, integral structural component with improved residual strength, so that a better behavior is ensured under static loads.
  • a metallic structural component which comprises at least two integrally connected structural elements, in particular skin panel and reinforcing profiles, and which according to the invention is characterized in that it has a local zone which in the region of the transition from one structural element to another or in the immediate Located near the transition region and has a higher plasticity than the adjacent structural elements. It is irrelevant how the integral connection or the integral structural component manufacturing technology is produced, for example by means of welding, casting, forging, milling,
  • a crack impinging on such a zone with higher plasticity which is also referred to as a "soft” or “plastic” zone
  • a crack impinging on such a zone with higher plasticity which is also referred to as a "soft” or “plastic” zone
  • the energy in the crack tip is lowered due to the "soft” zone such that the unstable catastrophic crack propagation is prevented or at least the threshold decreases markedly or is shifted towards higher failure loads.
  • the soft material solidifies in front of the crack tip. Together, this leads to the survival of the integral structure, since the stiffening and thus load bearing element (in particular the stiffening profile) remains largely intact. The catastrophic crack propagation can thus be effectively prevented.
  • the local zone is formed along the entire longitudinal extension of the transition region.
  • the transition region generally denotes the region in which a structural element merges into another structural element or adjoins it. For a welded structure, this is the attachment area from one structural element to the other, which extends along the weld.
  • the structural component typically but not necessarily has a cross-sectional change in the transition region.
  • a stiffening profile which is attached for example by means of welding to a skin plate, thus advantageously extends the local area in the direction of the weld over its entire length. This ensures uniform properties of the structural component over its entire longitudinal extent.
  • the width S 0 of the local zone viewed in cross section extends over the entire cross-sectional width Si of at least one Structural element, in particular of the stiffening profile extends. In this way, the effect of the local zone is optimally utilized.
  • the length L 0 and width S 0 of the local zone prefferably have the condition 1/3 ⁇ S 0 ⁇ U ⁇ 10 ⁇ S 0 , where the length Lo and the width S 0 are a cross-sectional plane perpendicular to the longitudinal extent A of the transition region is defined.
  • the cross section of the local zone has a rectangular, square, trapezoidal cross-section, which is at least unilaterally thickened or constricted.
  • the local zone has a tensile strength R m of greater than 100 MPa, a yield strength R p0 , 2 greater than 80 MPa and an elongation at break ALO greater than 5%, the ratio of tensile strength R m and
  • Elongation limit R p o , 2 is greater than 1, 2, and the tensile strength R m of the local zone is smaller than the yield strength of the structural elements.
  • These properties are to be regarded as global properties; that is, the entire local zone and its specific property profile may also be due to an interaction between higher-strength and very low-solids materials. The softness or the "soft" behavior is therefore to be understood as an integral value.
  • the local zone is designed to be continuous or interrupted, so that an adjustment possibility is given depending on the application.
  • the local zone may be formed, for example, continuously or interrupted with openings.
  • the local zone in its property profile transitions gradient-shaped into the base material (s) of the structural element (s).
  • the local zone consists of metallic material and has forged, cast and / or sintered microstructure features.
  • the local zone is an integral part of the structural component.
  • the local zone is thus not a separate component which is to be introduced into the structural component, but is formed or introduced into the structural component by simple modification of the base material before, during or after the production of the integral structural component.
  • the local zone is expediently provided with local heating, thermo-mechanical processing, build-up welding or other rapid prototyping methods, co-extrusion, rolling or pressing into the structural component or into at least one of the structural elements, in particular into the stiffening profile before, during or after the integral joining of the structural elements recoverable. This represents a variety of different possibilities.
  • the local zone is arranged as an independent material element between the structural elements, which can be attached in an integral manner in particular by means of welding or soldering to the structural elements.
  • the local zone is formed in at least one of the structural elements, in particular in the stiffening profile, by bores, which may also be filled with a non-metal material.
  • the local zone is introduced into the structural component in such a way that after the integral connection of the structural elements, local heating or local thermomechanical processing (eg by means of rolling) takes place with passage of current (resistance heating).
  • at least one of the structural elements, in particular the stiffening profile is locally softened by heating or thermomechanical processing to form the local zone.
  • the local zone is introduced integrally in at least one structural element, in particular in the stiffening profile, by introducing or applying a separate material by means of build-up welding or other rapid prototyping methods.
  • the local zone is integrally formed by co-extrusion, rolling or pressing.
  • the structural elements which have been machined prior to the integral joining of the structural elements are subsequently joined integrally to one another by means of gluing, soldering, welding or other cohesive methods.
  • the local zone is integrally connected by a separate material element by means of soldering, welding or other cohesive methods with the structural elements, in particular skin panel and stiffening profile.
  • Fig. 1 is a schematic three-dimensional view of an integral
  • Structural component consisting of skin panel and stiffening profile, wherein between skin panel and stiffening profile according to the invention a local zone is formed;
  • FIGS. 2a-2e show various cross-sectional shapes of the local zone shown in FIG. 1;
  • FIG 3 shows a structural component according to the invention with a local zone formed by holes filled with non-metal.
  • a section of a metallic structural component 1 is shown in a schematic three-dimensional representation comprising a skin plate 2 and a stiffening profile 3, which is connected for example by welding, soldering or otherwise in an integral construction with the skin panel 2.
  • Another way of providing an integral structure is known to be the simultaneous extrusion of skin sheet 2 and stiffening profiles 3, but also methods such as casting, forging, milling, sintering and the like can be used to make an integral structure.
  • the reinforcing profiles 3 are typically stringers, frames, clips and the like, with only a single such stiffening profile 3 being shown in FIG. 1 for the sake of simplicity.
  • the invention will now be described by way of example only with reference to the welded skin sheet stiffening profile structure shown in FIG. Of course, the invention also applies to other, manufactured in integral construction structural components application.
  • a crack R is assumed in the skin sheet 2, which meets perpendicular to the stiffening profile 3 and this threatens. If the crack R encounters an unexpectedly high static load perpendicular to its direction of propagation, thus resulting in crack propagation, the local plasticizability in the region of the connection of the stiffening profile 3 to the skin sheet 2 is of great importance.
  • This region of the connection which results from the welded connection in the welded structural component 1 shown in FIG. 1, is generally referred to as the transition region.
  • the term transition region is intended to mean any transition from a first structural element to another structural element, regardless of the type of connection and regardless of the geometry of the transition. In the structural component shown in Fig. 1, the component 1 also has a cross-sectional change in this transition region.
  • the crack R propagating in the skin sheet 2 would split into a skin crack and a stiffening crack when hitting the connection or foot region of the stiffening profile 3, and both cracks would spread catastrophically in the individual structural elements 2, 3.
  • the stiffening profile 3, which has been damaged by a partial crack, has a reduced load carrying capacity in comparison with a stiffening profile attached in a differential manner, so that a failure of the structural component 1 would occur under the unexpectedly high static load. To prevent this failure and therefore the
  • the soft material of the local zone 4 solidifies in front of the crack tip, leading to the survival of the integral structure 1, since the stiffening and thus load bearing structural element, ie the stiffening profile 3, remains intact and The catastrophic crack propagation and the failure of the structural component 1 are eliminated.
  • the local zone 4 preferably extends along the entire longitudinal extent of the transitional area.
  • the longitudinal extent of the transition region extends in the welding direction, which is indicated in Fig. 1 with arrow A.
  • the local zone 4 is arranged in the connection region of skin sheet 2 and stiffening profile 3. Alternatively, however, the local zone 4 may also be located adjacent to this area, i. near the connection or transition area.
  • the local zone 4 has the following properties:
  • the ratio of tensile strength R m and yield strength R p o, 2 greater than 1, 2 and the tensile strength R m of the local zone 4 should be smaller than the yield strengths of the adjacent structural elements 2, 3.
  • the local zone 4 has basically a metallic material character and has forged, cast or sintered structural features, but may also consist of a combination of these features.
  • transition i. the property profile between the soft zone 4 and the base material or the base materials of the structural elements 2, 3 is not abrupt, but is usually due to the physical
  • FIG. 2 shows different cross-sectional geometries of the local zone 4 introduced into an integral structural component 1.
  • the local zone 4 expands from the stiffening profile 3 starting in the direction of skin plate 2 trapezoidal.
  • the local zone 3 has a minimum width So at the transition from the local zone 4 to the stiffening profile 3, which corresponds to the width S 1 of the reinforcing profile 3.
  • the local zone 4, starting from the stiffening profile 3, tapers trapezoidally in the direction of the skin sheet 2, that is to say just in the opposite direction as in the exemplary embodiment shown in FIG. 2a.
  • Fig. 2c shows a local zone 4 with egg clock-shaped constricted cross-section.
  • the local zone 4 at the transition to the respective structural elements 2 and 3 the same width So, which corresponds to the width Si of the stiffening profile 3.
  • the skin plate 2 is thickened foot-shaped in the connection region to the stiffening profile 3.
  • Fig. 2d shows a similar arrangement with a foot-shaped thickening as in Fig. 2c, but in which the local zone 4 has a constant width S 0 , which corresponds to the width Si of the stiffening profile 3 has.
  • the local zone 4 shown in FIG. 2d therefore has a rectangular or square cross section.
  • the embodiment shown in FIG. 2e is again a modification of the embodiment according to FIG. 2d, wherein the local zone 4 is unilaterally thickened in the width direction B (for example T-shaped).
  • the thickenings can be within the plastic zone 4, or even outside
  • the local zone 4 may be continuous or interrupted. It may be constricted or thickened throughout or locally. However, it can also be provided with openings (for example bores).
  • the local zone 4 may be introduced into the already fabricated integral structural component by defined heating of the transition region.
  • This heating is also known as "tempering" and has the effect of reducing the high strength of the base material while providing high ductility in the area of heating, all methods of local heating are conceivable for this heating Welding process can be exploited.
  • the local zone can also be achieved by targeted remelting of a portion of the integral structure or along a bond line in the joint
  • the properties of the local zone are improved by the addition of a further material (for example filler material).
  • the local zone can also be introduced as an independent material with the properties defined above between the individual structural elements 2, 3 before the integral joining of the structural elements 2, 3.
  • the subsequent connection of the local zone 4 to the structural elements 2, 3 takes place by means of welding (or other cohesive methods, inter alia also using welding consumables) or soldering (possibly also here using a soldering additive material).
  • the local zone can also be attached to one or both structural elements 2, 3 via other near-net-shape methods before they are finally connected to the overall integral structure.
  • Such methods are e.g. the co-extruding, wherein the material of the reinforcing profile 3 and the material of the local zone 4 are pressed in one pass and thus diffusion-bonded, or the rolling or crimping of the corresponding materials.
  • the local zone 4 may also be provided by build-up welding or other so-called rapid prototyping methods on at least one of the connecting structural elements 2 and / or 3 are generated before the structural elements 2, 3 are in turn integrally connected to each other, for example by means of soldering or welding.
  • the local zone 4 is formed by bores 5 which are arranged in the stiffening profile 3 and which are filled with non-metal material (not shown).
  • the holes 5 in the longitudinal extension A are arranged one behind the other in the transition region between skin plate 2 and stiffening profile 3 in the stiffening profile 3.
  • the properties of the local zone 4 defined at the outset can also be achieved by means of such a combination, the properties being considered to be global for the local zone 4.
  • the plastic zone can also be created by the combination of several methods mentioned above, even if a method alone is sufficient to produce the desired "plasticization".
  • a stiffened plate of the material AA 7475 T73 was produced by milling (integral construction).
  • the stringer foot was "plasticized” by local heat input (eg diode laser)
  • the local heat input was monitored by means of online temperature measurement
  • the purpose of this measure is the local softening of the alloy AA 7475 T73 (about 500 MPa) by controlled overaging of the structure (strength then 250 - 300 Mpa) by briefly heating (3-5 sec) to 350 ° C + 10 ° C.
  • the result is a plastic zone with a tensile strength Rm ⁇ 300 MPa and an elongation A> 10%.
  • Another stiffened plate was made of a sheet of the alloy AA 6013 T6 and a stringer of the alloy AA 6110 A T6 by means of Laser beam welding made.
  • the stringer base was previously modified during production (coextrusion or composite extrusion) with a "soft” and easily weldable material (eg AISi7) .
  • This alloy also remains after passing through the production chain for the stringer (extrusion, solution heat treatment, stretching, heat aging).
  • the composite has a defined zone of well-deformable material ("plastic zone”), in which a crack can dissipate much of its energy (stress intensity) and thus a failure of the structure at a given load and crack length or -läge can be prevented.
  • the component can now carry a higher load for a given crack length or length than the component without this plastic zone.
  • the plastic zone can also be produced by defined slow welding, if this is the metallurgical AI materials used
  • the local plastic behavior can also be stimulated by introducing cross-sectional changes along the connecting line of the elements of a component (eg skin and stringer). These modify the stress distribution under external stress, so that in the case of an existing crack, the stress intensity can fall off due to curved local plastifications. So can be provoked by the arrangement of breakthroughs (eg holes) between the openings a local plastic behavior.
  • breakthroughs eg holes
  • the component was made of an AA 6013 T6 alloy by milling and drilling.

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Abstract

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für Flugzeuganwendungen ein metallisches, integrales Strukturbauteil mit verbesserter Restfestigkeit zu schaffen, so dass ein besseres Verhalten unter statischen Belastungen gewährleistet ist. Die Aufgabe wird durch ein metallisches Strukturbauteil gelöst, welches mindestens zwei Strukturelemente, insbesondere Hautblech (2) und Versteifungsprofile (3) umfasst, die integral miteinander verbunden sind, und dadurch gekennzeichnet ist, dass das Strukturbauteil (1) eine lokale Zone (4) aufweist, die im Bereich des Überganges von einem Strukturelement (2) zum anderen (3) oder in unmittelbarer Nähe des Übergangsbereiches angeordnet ist und eine höhere Plastizität als die angrenzenden Strukturelemente (2, 3) aufweist.

Description

Metallisches, integrales Strukturbauteil mit verbesserter Restfestigkeit
Die Erfindung betrifft ein metallisches, integrales Strukturbauteil mit verbesserter Restfestigkeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie entsprechende Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung findet insbesondere in der Luftfahrttechnik Anwendung, beispielsweise bei mittels Versteifungsprofilen verstärkten Hautblechen.
Ein Großteil der Flugzeugstrukturen, wie z.B. Rumpf und Flügel wird aus metallischen Werkstoffen hergestellt. Um primär Steifigkeits- und
Festigkeitsanforderungen zu erfüllen, werden bekanntlich Hautbleche mit entsprechenden Versteifungsprofilen versehen. Beispielsweise wird die Außenhaut des Flugzeugrumpfes in Längsrichtung durch Stringer und in Umfangsrichtung mit Spanten verstärkt. Als Fügeverfahren dienen das Nieten oder Kleben, wobei von einer sogenannten differentialen Bauweise gesprochen wird.
Daneben sind integrale Strukturbauteile bekannt, bei denen eine direkte Verbindung zwischen Hautblech und Versteifungsprofilen beispielsweise mittels Laserschweißen (DE 196 39 667 C1 ) oder gleichzeitigem Extrudieren von Hautblech und Versteifungsprofilen hergestellt wird. Derartige integrale Strukturbauteile können aber auch mittels Gießen, Schmieden, Fräsen, Sintern oder anderen Urformverfahren hergestellt werden.
Integrale Strukturbauteile, beispielsweise in Form von Hautblech-Stringer- Strukturen, werden als Rumpfschalen in Flugzeugen verwendet. Als Folge von statisch als auch zyklisch auftretenden mechanischen Belastungen können sich Risse in dem verstärkten Hautblech bilden und ausbreiten. Um Schädigungszustände dieser Art im Flugzeugentwurf zu berücksichtigen, werden sowohl Anforderungen an das (dynamische bzw. zyklische)
Rissfortschrittsverhalten als auch an das (quasi statische) Restfestigkeitsverhalten des Bauteils gestellt. Das geforderte Schadenstoleranzverhalten ist u.a. davon abhängig, wie sich ein senkrecht zur Versteifung ausbreitender Hautriss verhält, wenn er auf diese trifft.
Im Fall einer differentialen Bauweise läuft der Hautriss unter der Versteifung hindurch. Die Versteifung bleibt aber unbeschädigt und überbrückt den Riss, so dass als positiver Effekt der Riss in seiner weiteren Ausbreitung behindert wird. Bei einer solchen Differentialbauweise wirken die genieteten oder verklebten Versteifungen als Rissstopper bzw. Rissverzögerer. Der Rissfortschritt in der Rumpfbeplankung wird gestoppt bzw. verzögert, da die Rissspitze durch die genietete oder geklebte Versteifung über eine bestimmte Anzahl von Lastwechseln zusammengehalten wird. Gleichzeitig bleibt die Restfestigkeit des angerissenen Bauteils auf einem hohen Niveau, da die unbeschädigte Versteifung weiterhin ein Teil der statischen Gesamtlast übernehmen kann.
Im Gegensatz dazu teilt sich im Fall einer integralen Bauweise die Rissspitze im Fußbereich der Versteifung in einen Hautriss und einen Versteifungsriss auf, und beide Risse breiten sich in den Teilkomponenten aus. Eine durch einen Teilanriss geschädigte Versteifung besitzt im Gegensatz zu einem differential angebrachten Versteifungsprofil prinzipiell sowohl eine reduzierte Festigkeit als auch eine reduzierte Steifigkeit. Dadurch erfolgt kein effektives Zusammenhalten des Hautrisses, so dass dieser in seiner weiteren Ausbildung unzureichend behindert wird. Dieses Verhalten führt zu einer verminderten Restfestigkeit und zu einem ungünstigen Rissfortschrittsverhalten.
Zur Verbesserung des Rissfortschrittsverhaltens kommen bisher Aufdickungen und Verstärkungen zum Einsatz.
In EP-A-1 323 631 wird zur Verbesserung des Rissfortschrittsverhaltens integraler Strukturen die Verwendung einer separaten Komponente, die in das Versteifungsprofil zur Bildung einer internen Grenzfläche eingebracht ist, vorgeschlagen.
Ferner ist in EP-A-1 291 279 und EP-A-1 166 950 beschrieben, dass durch gezieltes Einbringen eines separaten Bauteils nicht durch integrale Maßnahmen, sondern durch gezieltes Anordnen einer Differentialbauweise, das Schadenstoleranzverhalten, insbesondere hinsichtlich Rissfortschritt und Restfestigkeit, verbessert werden kann.
Darüber hinaus schlägt EP 1 100 636 B1 die Aufdickung des Versteifungsprofils im Fußbereich vor.
DE-A-103 31 990 beschreibt zur Unterbindung der dynamischen Rissausbreitung eine schmale metallisch induzierte Feinkornzone, um eine gezielte Rissablenkung entlang der Verbindungslinie bzw. Schweißnaht von Hautblech und Versteifungsprofil hervorzurufen.
Folglich wird im Stand der Technik die Rissproblematik meist nur in Verbindung mit lokalen Verstärkungen betrachtet, wobei man versucht den oder die Risse durch Spannungsreduktion aufzuhalten oder abzulenken, oder die Risse entlang einer Grenzfläche „totlaufen" lässt. Zudem richten sich die bekannten Lösungen primär auf die Reduzierung des dynamischen Rissfortschrittes, nicht aber auf die Verbesserung des Verhaltens unter statischer Belastung.
Neben dynamischen Lasten während des Flugbetriebes gibt es im Flugzeug viele Bereiche, deren Dimensionierung durch statische Lasten (bzw. Lastannahmen) erfolgen oder welche teilweise für die Flugzeugzulassung nachgewiesen werden müssen. Dies ist beispielsweise der Restfestigkeitsnachweis über die tragbaren Lasten in einer Druckrumpfstruktur in Gegenwart eines „großen Risses". Zudem sind in Notsituationen oder bei Unfällen statische Belastungen im bzw. am
Flugzeug möglich, die ebenfalls Schäden mit beträchtlichem Ausmaß erzeugen können, was zum Startabbruch oder zu einer Notbremsung führen kann. Auch hier ist die größte anzunehmende Schädigung neben einer lokalen Verformung die Ausbildung eines oder mehrere Risse (teilweise sogar verdeckt und somit nicht sofort erkennbar), die im Flugbetrieb wiederum katastrophale Folgeeffekte für Mensch und Maschine haben können. Die Rissbildung bzw. -ausbreitung ist immer dann kritisch, wenn die Flugzeugstruktur lokal nicht in der Lage ist, diese zu unterdrücken oder derart zu verzögern, dass die Betriebssicherheit des Flugzeuges noch gegeben ist. Heutige metallische Flugzeugstrukturen, sofern sie aus integral gefrästen, geschweißten bzw. gegossenen Elementen aufgebaut sind, haben diesbezüglich ein inhärentes Problem. Ihre hochfesten Werkstoffe (AI, Ti, zukünftig vielleicht auch Mg) besitzen zwar gute bis sehr gute statische Festigkeitseigenschaften, müssen jedoch wegen ihrer nur begrenzten Duktilität vor Rissen lokal geschützt werden, da solche Risse unter Einwirkung hoher statischer Lasten ungebremst und katastrophal wachsen können. Diese lokale Rissempfindlichkeit (bzw. Kerbempfindlichkeit) ist in einer Flugzeugstruktur vor allem immer in den Bereichen, in denen Versteifungsprofile an ein Hautblech angebunden werden, d.h. in der Regel an Querschnittsänderungen, gegeben.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein metallisches, integrales Strukturbauteil mit verbesserter Restfestigkeit zu schaffen, so dass ein besseres Verhalten unter statischen Belastungen gewährleistet ist.
Die Aufgabe wird durch ein metallisches Strukturbauteil gelöst, welches mindestens zwei integral miteinander verbundene Strukturelemente, insbesondere Hautblech und Verstärkungsprofile, umfasst, und sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass es eine lokale Zone aufweist, die im Bereich des Überganges von einem Strukturelement zum anderen oder in unmittelbarer Nähe des Übergangsbereiches angeordnet ist und eine höhere Plastizität als die angrenzenden Strukturelemente aufweist. Dabei ist es unerheblich, wie die integrale Verbindung bzw. das integrale Strukturbauteil fertigungstechnisch erzeugt wird, beispielsweise mittels Schweißen, Gießen, Schmieden, Fräsen, Sintern oder anderen Urformverfahren.
Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil ein Riss, der auf eine derartige Zone mit höherer Plastizität, was nachfolgend auch als „weiche" oder „plastische" Zone bezeichnet wird, auftrifft, durch lokale Verformungen einen Großteil seiner Energie abbauen und „abstumpfen". Mit anderen Worten, die Energie in der Rissspitze wird aufgrund der „weichen" Zone derart abgesenkt, dass die instabile katastrophale Rissausbreitung verhindert wird oder zumindest die Schwelle dazu merklich abnimmt bzw. zu höheren Versagenslasten hin verschoben wird. Gleichzeitig verfestigt sich der weiche Werkstoff vor der Rissspitze. Zusammen führt dies zum Überleben der integralen Struktur, da das versteifende und somit Last tragende Element (insbesondere das Versteifungsprofil) weitgehend intakt bleibt. Die katastrophale Rissausbreitung kann somit wirksam verhindert werden.
Zweckmäßigerweise ist die lokale Zone entlang der gesamten Längserstreckung des Übergangsbereiches ausgebildet. Der Übergangsbereich bezeichnet dabei ganz allgemein den Bereich in dem ein Strukturelement in ein weiteres Strukturelement übergeht bzw. an dieses angrenzt. Bei einer geschweißten Struktur ist dies der Anbindungsbereich von einem Strukturelement an das andere, der sich entlang der Schweißnaht erstreckt. Dabei weist das Strukturbauteil typischerweise aber nicht zwingend eine Querschnittsänderung im Übergangsbereich auf. Bei einem Versteifungsprofil, das beispielsweise mittels Schweißen an einem Hautblech befestigt ist, erstreckt sich somit vorteilhafterweise die lokale Zone in Richtung der Schweißnaht über deren gesamte Länge. Dadurch werden gleichmäßige Eigenschaften des Strukturbauteils über dessen gesamte Längserstreckung gewährleistet.
Besonders zweckmäßig ist es, dass die im Querschnitt betrachtete Breite S0 der lokalen Zone sich über die gesamte Querschnittsbreite S-i zumindest eines Strukturelementes, insbesondere des Versteifungsprofils, erstreckt. Auf diese Weise wird die Wirkung der lokalen Zone optimal ausgenutzt.
Besonders vorteilhaft ist es, dass für die Länge L0 und Breite S0 der lokalen Zone die Bedingung 1/3 x S0 < U < 10 x S0 gilt, wobei durch die Länge Lo und die Breite S0 eine Querschnittsebene senkrecht zur Längserstreckung A des Übergangsbereiches definiert ist.
Zweckmäßigerweise weist der Querschnitt der lokalen Zone einen rechteckigen, quadratischen, trapezförmigen, zumindest einseitig aufgedickten oder eingeschnürten Querschnitt auf.
Vor allem ist es von Vorteil, dass die lokale Zone eine Zugfestigkeit Rm von größer 100 MPa, eine Dehngrenze Rp0,2 von größer 80 MPa und eine Bruchdehnung ALO von größer 5 % aufweist, wobei das Verhältnis von Zugfestigkeit Rm und
Dehngrenze Rpo,2 größer als 1 ,2 ist, und die Zugfestigkeit Rm der lokalen Zone kleiner als die Dehngrenzen der Strukturelemente ist. Diese Eigenschaften sind als globale Eigenschaften zu betrachten; d.h., dass die gesamte lokale Zone und ihr spezielles Eigenschaftsprofil auch durch eine Wechselwirkung zwischen höher festeren und sehr niedrig festen Werkstoffen entstehen kann. Die Weichheit bzw. das „weiche" Verhalten ist demnach als integraler Wert zu verstehen.
Zweckmäßig ist es, dass die lokale Zone durchgehend oder unterbrochen ausgebildet ist, so dass eine Anpassungsmöglichkeit je nach Anwendungsfall gegeben ist. Die lokale Zone kann beispielsweise durchgehend oder unterbrochen mit Durchbrüchen ausgebildet sein.
Ferner ist es zweckmäßig, dass die lokale Zone in ihrem Eigenschaftsprofil gradientenförmig in den/die Grundwerkstoff/e des/der Strukturelemente/s übergeht. Vorteilhafterweise besteht die lokale Zone aus metallischem Werkstoff und weist geschmiedete, gegossene und/oder gesinterte Gefügemerkmale auf.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die lokale Zone integraler Bestandteil des Strukturbauteils. Die lokale Zone ist damit keine separate Komponente, die in das Strukturbauteil einzubringen ist, sondern wird durch einfache Modifikation des bzw. der Grundwerkstoffe vor, während oder nach dem Herstellen des integralen Strukturbauteils in dieses eingeformt bzw. eingebracht.
Zweckmäßigerweise ist die lokale Zone mit lokaler Erwärmung, thermomechanischer Bearbeitung, Auftragsschweißen oder anderen Rapid Prototyping Verfahren, Ko-Extrusion, Walzen oder Verpressen in das Strukturbauteil oder in mindestens eines der Strukturelemente, insbesondere in das Versteifungsprofil vor, während oder nach dem integralen Verbinden der Strukturelemente einbringbar. Dies stellt eine Vielzahl an verschiedenen Möglichkeiten dar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die lokale Zone als eigenständiges Werkstoffelement zwischen den Strukturelementen angeordnet, das insbesondere mittels Schweißen oder Löten an die Strukturelemente in integraler Weise anbringbar ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die lokale Zone in mindestens einem der Strukturelemente, insbesondere in dem Versteifungsprofil, durch Bohrungen, die auch mit einem Nichtmetall-Werkstoff gefüllt sein können, gebildet.
Gemäß einem ersten bevorzugten Verfahren wird die lokale Zone in das Strukturbauteil derart eingebracht, dass nach dem integralen Verbinden der Strukturelemente eine lokale Erwärmung oder lokale thermomechanische Bearbeitung (z.B. mittels Rollieren) unter Stromdurchleitung (Widerstandserwärmung) erfolgt. Gemäß einem alternativen Verfahren wird vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente zumindest eines der Strukturelemente, insbesondere das Versteifungsprofil, zur Ausbildung der lokalen Zone durch Erwärmung oder thermomechanische Bearbeitung lokal entfestigt.
Gemäß einem weiteren Verfahren wird die lokale Zone vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente zumindest in ein Strukturelement, insbesondere in das Versteifungsprofil, durch Einbringen oder Auftragen eines separaten Werkstoffes mittels Auftragsschweißen oder anderen Rapid Prototyping Verfahren in integraler Weise eingebracht.
Gemäß einem weiteren Verfahren wird vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente zumindest an ein Strukturelement, insbesondere an das Versteifungsprofil, die lokale Zone durch Ko-Extrusion, Walzen oder Verpressen in integraler Weise angeformt.
Zweckmäßigerweise werden die vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente bearbeiteten Strukturelemente anschließend mittels Kleben, Löten, Schweißen oder anderen stoffschlüssigen Verfahren integral miteinander verbunden.
Gemäß einem alternativen Verfahren wird die lokale Zone durch ein separates Werkstoffelement mittels Löten, Schweißen oder anderen stoffschlüssigen Verfahren mit den Strukturelementen, insbesondere Hautblech und Versteifungsprofil, integral verbunden.
Gemäß einem weiteren alternativen Verfahren zum Einbringen der lokalen Zone in das erfindungsgemäße Strukturbauteil werden vor oder nach dem integralen Verbinden der Strukturelemente zur Ausbildung der lokalen Zone in mindestens ein Strukturelement, insbesondere in das Versteifungsprofil, Bohrungen eingebracht, die zum Beispiel mit einem Nichtmetall-Werkstoff gefüllt werden.
Weitere Ausbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachstehend anhand der Figuren 1 - 3 beschrieben. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines integralen
Strukturbauteils, bestehend aus Hautblech und Versteifungsprofil, wobei zwischen Hautblech und Versteifungsprofil erfindungsgemäß eine lokale Zone ausgebildet ist;
Fig. 2a - 2e verschiedene Querschnittsformen der in Fig. 1 gezeigten lokalen Zone;
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil mit einer lokalen Zone, die durch mit Nichtmetall gefüllte Bohrungen ausgebildet ist.
In Fig. 1 ist in schematisch dreidimensionaler Darstellung ein Ausschnitt eines metallischen Strukturbauteils 1 dargestellt, das ein Hautblech 2 sowie ein Versteifungsprofil 3 umfasst, das beispielsweise mittels Schweißen, Löten oder auf andere Art in integraler Bauweise mit dem Hautblech 2 verbunden ist. Eine weitere Möglichkeit der Schaffung einer integralen Struktur ist bekanntlich das gleichzeitige Extrudieren bzw. Strangpressen von Hautblech 2 und Versteifungsprofilen 3, aber auch Verfahren wie beispielsweise Gießen, Schmieden, Fräsen, Sintern und dergleichen können zum Herstellen einer integralen Struktur verwendet werden. Die Verstärkungsprofile 3 sind typischerweise Stringer, Spante, Clips und dergleichen, wobei in Fig. 1 zur vereinfachten Darstellung lediglich ein einzelnes derartiges Versteifungsprofil 3 gezeigt ist. Nachstehend soll die Erfindung lediglich beispielhaft anhand der in Fig. 1 dargestellten geschweißten Hautblech- Versteifungsprofil-Struktur beschrieben werden. Selbstverständlich findet die Erfindung auch bei anderen, in integraler Bauweise hergestellten Strukturbauteilen Anwendung.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips wird ein Riss R in dem Hautblech 2 angenommen, der senkrecht auf das Versteifungsprofil 3 trifft und dieses bedroht. Falls der Riss R auf eine unerwartete hohe statische Last senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung trifft, es somit zu einer Rissverlängerung kommt, ist die lokale Plastifizierbarkeit im Bereich der Anbindung des Versteifungsprofils 3 am Hautblech 2 von großer Bedeutung. Dieser Bereich der Anbindung, der bei dem in Fig. 1 gezeigten geschweißten Strukturbauteil 1 sich durch die Schweißverbindung ergibt, wird verallgemeinert als Übergangsbereich bezeichnet. Der Begriff Übergangsbereich soll dabei jeden Übergang von einem ersten Strukturelement zu einem weiteren Strukturelement bezeichnen, unabhängig von der Art der Verbindung und unabhängig von der Geometrie des Überganges. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Strukturbauteil weist das Bauteil 1 zudem eine Querschnittsänderung in diesem Übergangsbereich auf.
Ohne weitere Vorkehrungen würde der sich im Hautblech 2 ausbreitende Riss R beim Auftreffen auf den Anbindungs- bzw. Fußbereich des Versteifungsprofils 3 in einen Hautriss und einen Versteifungsriss aufteilen, und beide Risse würden sich in den einzelnen Strukturelementen 2, 3 katastrophal ausbreiten. Das durch einen Teilriss geschädigte Versteifungsprofil 3 besitzt eine reduzierte Lasttragfähigkeit im Vergleich zu einem differential angebrachten Versteifungsprofil, so dass unter der unerwartet hohen statischen Last ein Versagen des Strukturbauteils 1 eintreten würde. Um dieses Versagen zu verhindern und folglich das
Restfestigkeitsverhalten unter statischen Lasten zu verbessern, weist das Strukturbautei! 1 eine lokale Zone 4 auf, die im Übergangsbereich von Hautfeld 2 und Versteifungsprofil 3 angeordnet ist und eine höhere Plastizität als die angrenzenden Strukturelemente 2, 3 aufweist. Dadurch wird der Riss R, wenn er auf die „weiche" bzw. „plastische" Zone 4 trifft oder in ihren Wirkungsbereich kommt, durch lokale Verformung einen Großteil seiner Energie
(Spannungsintensität) abbauen und dadurch „abstumpfen". Gleichzeitig verfestigt der weiche Werkstoff der lokalen Zone 4 vor der Rissspitze. Zusammen führt dies zum Überleben der integralen Struktur 1 , da das versteifende und somit Last tragende Strukturelement, d.h. das Versteifungsprofil 3, intakt bleibt und den Rest des Bauteils entlasten kann. Die katastrophale Rissausbreitung und das Versagen des Strukturbauteils 1 bleiben aus.
Die geometrischen Abmessungen der lokalen Zone 4 sowie deren metallurgische Eigenschaften (Festigkeit, Streckgrenze, Dehnung bzw. Duktilität) werden nachfolgend beschrieben.
Um gleichmäßige Eigenschaft über das gesamte Strukturbauteil 1 zu gewährleisten, erstreckt sich die lokale Zone 4 vorzugsweise entlang der gesamten Längserstreckung des Übergangsbereiches. Die Längserstreckung des Übergangsbereiches verläuft dabei in Schweißrichtung, die in Fig. 1 mit Pfeil A bezeichnet ist. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Strukturbauteil 1 ist die lokale Zone 4 im Anbindungsbereich von Hautblech 2 und Versteifungsprofil 3 angeordnet. Alternativ kann die lokale Zone 4 aber auch benachbart zu diesem Bereich angeordnet sein, d.h. in der Nähe des Anbindungs- bzw. Übergangsbereiches.
Für die Querschnittsabmessungen der lokalen Zone, d.h. für die in Fig. 1 dargestellte Breite S0 und Länge L0 der lokalen Zone 4 gilt folgende Relation:
1/3 x S0 < L0 < 1O x S0. Die Querschnittsebene, aufgespannt durch die Größen S0 und L0 steht dabei senkrecht zur Längserstreckung A des Übergangsbereiches.
Ferner weist die lokale Zone 4 folgende Eigenschaften auf:
a) Zugfestigkeit (Rm) > 100 MPa b) Dehngrenze (Rpo,2) > 80 MPa (bezogen auf L0 der plastischen Zone) c) Bruchdehnung (ALo) > 5 %.
Gleichzeitig sollte das Verhältnis von Zugfestigkeit Rm und Dehngrenze Rpo,2 größer als 1 ,2 und die Zugfestigkeit Rm der lokalen Zone 4 kleiner als die Dehngrenzen der angrenzenden Strukturelemente 2, 3 sein. Diese Eigenschaften gelten global für die lokale Zone 4, d.h. die Eigenschaften müssen nicht konstant über die gesamte Zone erfüllt sein, sondern es ist auch ausreichend, dass durch eine Wechselwirkung zwischen höher festen und sehr nieder festen Werkstoffen diese mechanischen Eigenschaften global erfüllt sind.
Die lokale Zone 4 hat grundsätzlich einen metallischen Werkstoffcharakter und besitzt geschmiedete, gegossene oder gesinterte Gefügemerkmale, kann aber auch aus einer Kombination dieser Merkmale bestehen.
Ferner ist der Übergang, d.h. das Eigenschaftsprofil zwischen der weichen Zone 4 und dem Grundwerkstoff bzw. den Grundwerkstoffen der Strukturelemente 2, 3 nicht abrupt, sondern erfolgt in der Regel aufgrund der physikalischen
(metallurgischen) Randbedingungen während der Herstellung mehr oder minder gradientenförmig, auch wenn er in der Fig. 1 abrupt dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt unterschiedliche Querschnittsgeometrien der in ein integrales Strukturbauteil 1 eingebrachten lokalen Zone 4. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a erweitert sich die lokale Zone 4 vom Versteifungsprofil 3 ausgehend in Richtung Hautblech 2 trapezförmig. Dabei weist die lokale Zone 3 eine minimale Breite So am Übergang von lokaler Zone 4 zum Versteifungsprofil 3 auf, die der Breite S1 des Verstärkungsprofils 3 entspricht. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b verjüngt sich die lokale Zone 4 ausgehend vom Versteifungsprofil 3 in Richtung Hautblech 2 trapezförmig, also gerade umgekehrt wie in dem in Fig. 2a gezeigten Ausführungsbeispiel. Aber auch hier erstreckt sich die lokale Zone 4 zunächst über die gesamte Breite Si des Verstärkungsprofils 3 (d.h. S0 = S-i), bevor sie in Richtung Hautblech 2 abnimmt. Fig. 2c zeigt eine lokale Zone 4 mit eieruhrförmig eingeschnürtem Querschnitt. Dabei weist die lokale Zone 4 am Übergang zu den jeweiligen Strukturelementen 2 und 3 die gleich Breite So auf, die der Breite Si des Versteifungsprofils 3 entspricht. Zudem ist das Hautblech 2 im Anbindungsbereich zum Versteifungsprofil 3 hin fußförmig aufgedickt. Fig. 2d zeigt eine ähnliche Anordnung mit fußförmiger Aufdickung wie Fig. 2c, bei der die lokale Zone 4 jedoch eine konstante Breite S0, die der Breite Si des Versteifungsprofils 3 entspricht, aufweist. Die in Fig. 2d dargestellte lokale Zone 4 weist demnach einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Die in Fig. 2e dargestellte Ausführungsform ist wiederum eine Modifikation der Ausführungsform gemäß Fig. 2d, wobei die lokale Zone 4 einseitig in Breitenrichtung B aufgedickt ist (beispielsweise T-förmig). Die Aufdickungen können innerhalb der plastischen Zone 4, oder auch außerhalb liegen,
Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen kann die lokale Zone 4 durchgängig oder auch unterbrochen ausgebildet sein. Sie kann mit Einschnürungen oder Aufdickungen durchgängig oder lokal versehen sein. Sie kann aber auch mit Durchbrüchen (z.B. Bohrungen) versehen sein.
Hinsichtlich der Einbringung der lokalen Zone 4 in das Strukturbauteil 1 gibt es verschiedene Möglichkeiten: Die lokale Zone kann zum Beispiel in das bereits gefertigte integrale Strukturbauteil durch definiertes Erwärmen des Übergangsbereiches eingebracht werden. Dieses Erwärmen wird auch als „Anlassen" bezeichnet und hat den Effekt, dass die hohe Festigkeit des Grundwerkstoffes zurückgeht und gleichzeitig eine hohe Duktilität im Bereich der Erwärmung entsteht. Für dieses Erwärmen sind alle Methoden der lokalen Erwärmung denkbar. Alternativ kann auch die Erwärmung während des Schweißvorganges ausgenutzt werden.
Die lokale Zone kann auch durch gezieltes Umschmelzen eines Bereiches der integralen Struktur oder entlang einer Verbindungslinie in der zu fügenden
Integralstruktur erzeugt werden, ggf. werden dabei die Eigenschaften der lokalen Zone durch Zugabe eines weiteren Werkstoffes (z.B. Schweißzusatz-Werkstoff) verbessert.
Die lokale Zone kann aber auch als eigenständiger Werkstoff mit den oben definierten Eigenschaften zwischen die einzelnen Strukturelemente 2, 3 vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente 2, 3 eingebracht werden. Die anschließende Anbindung der lokalen Zone 4 an die Strukturelemente 2, 3 erfolgt mittels Schweißen (oder anderen stoffschlüssigen Verfahren, u.a. auch unter Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen) oder Löten (ggf. auch hier unter Verwendung eines Lötzusatz-Werkstoffes).
Die lokale Zone kann auch über andere endkonturnahe Verfahren an eines oder an beide Strukturelemente 2, 3 angebracht werden, bevor diese schließlich zur Gesamtintegralstruktur verbunden werden. Solche Verfahren sind z.B. das Ko- extruieren, wobei der Werkstoff des Verstärkungsprofils 3 und der Werkstoff der lokalen Zone 4 in einem Durchgang verpresst und so diffusionsverbunden werden, oder das Verwalzen oder Verquetschen der entsprechenden Werkstoffe.
Alternativ kann die lokale Zone 4 auch durch Auftragsschweißen oder andere sogenannte Rapid Prototyping Verfahren auf zumindest einem der zu verbindenden Strukturelemente 2 und/oder 3 erzeugt werden, bevor die Strukturelemente 2, 3 wiederum beispielsweise mittels Löten oder Schweißen integral miteinander verbunden werden.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines integralen Strukturbauteils 1 , bei dem die lokale Zone 4 durch in dem Versteifungsprofil 3 angeordnete Bohrungen 5, die mit Nichtmetall-Werkstoff gefüllt sind (nicht dargestellt), ausgebildet ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Bohrungen 5 in Längserstreckung A hintereinander im Übergangsbereich zwischen Hautblech 2 und Versteifungsprofil 3 in dem Versteifungsprofil 3 angeordnet. Auch durch eine derartige Kombination können die eingangs definierten Eigenschaften der lokalen Zone 4 erzielt werden, wobei die Eigenschaften als für die lokale Zone 4 global betrachtet gelten.
Die plastische Zone kann auch durch die Kombination mehrerer oben genannter Methoden erzeugt werden, auch wenn schon eine Methode für sich alleine ausreichend ist, die angestrebte „Plastifizierung" zu erzeugen.
Beispiele:
1 ) Eine versteifte Platte aus dem Werkstoff AA 7475 T73 wurde mittels Fräsen hergestellt (Integralbauweise). Der Stringerfuß wurde durch lokale Wärmeeinbringung (z.B. Diodenlaser) „plastifiziert". Die lokale Wärmezufuhr wurde mittels online Temperaturmessung überwacht. Ziel dieser Maßnahme ist die lokale Entfestigung der Legierung AA 7475 T73 (ca. 500 MPa) durch kontrollierte Überalterung des Gefüges (Festigkeit dann 250 - 300 Mpa) durch eine kurzzeitige Erwärmung (3 - 5 sek) auf 350° C + 10° C. Es resultiert eine plastische Zone mit einer Zugfestigkeit Rm < 300 MPa und einer Dehnung A > 10%.
2) Es wurde eine weitere versteifte Platte aus einem Blech der Legierung AA 6013 T6 und einem Stringer der Legierung AA 6110 A T6 mittels Laserstrahlschweißen hergestellt. Der Stringerfuß wurde vorher während der Herstellung (Ko-Extrusion bzw. Verbundstrangpressen) mit einem „weichen" und gut schweißbaren Material (z.B. AISi7) modifiziert. Diese Legierung bleibt auch nach Durchlaufen der Herstellungskette für den Stringer (Strangpressen, Lösungsglühen, Recken, Warmauslagern - zur Festigkeitssteigerung) weich und gut verformbar. Nach dem Laserstrahlschweißen besitzt der Verbund eine definierte Zone aus gut verformbaren Material („plastische Zone"), in der ein Riss einen Großteil seiner Energie (Spannungsintensität) abbauen kann und somit ein Versagen der Struktur bei gegebener Belastung und Risslänge bzw. -läge verhindert werden kann. Anders formuliert kann nun das Bauteil bei gegebener Risslänge bzw. -läge eine höhere Last tragen, als das Bauteil ohne diese plastische Zone.
3) Die plastische Zone kann auch durch definiertes langsames Schweißen erzeugt werden, wenn dies die verwendeten AI-Werkstoffe aus metallurgischer
Sicht zulassen (z.B. keine Heißrissentstehung beim Schweißen oder die Ausbildung von unerwünschten Korrosionsempfindlichkeiten). Dabei ist es vorteilhaft aber nicht zwingend notwendig, wenn zu beiden Seiten der Schweißnaht durch Materialanhäufungen sogenannte Wärmesenken vorhanden sind. Wie schon im Beispiel 1) führt die Wärmezufuhr zur definierten Überalterung der definiert entfestigten AI-Luftfahrtlegierung. In dieser Zone ist dann die Festigkeit deutlich reduziert und die Verformbarkeit deutlich erhöht.
4) Das lokale plastische Verhalten kann auch dadurch stimuliert werden, dass entlang der Verbindungslinie der Elemente eines Bauteils (z.B. Haut und Stringer) definiert Querschnittsveränderungen eingebracht werden. Diese modifizieren unter äußerer Belastung die Spannungsverteilung, so dass bei einem vorhandenen Riss die Spannungsintensität durch gewölbte lokale Plastifizierungen abfallen kann. So kann durch die Anordnung von Durchbrüchen (z.B. Bohrungen) zwischen den Durchbrüchen ein lokales plastisches Verhalten provoziert werden. Damit kann im Belastungsfall in Gegenwart eines Risses dessen Spannungsintensität so weit gesenkt werden, dass ein katastrophales Versagen (instabiles, statisches Risswachstum) nicht eintritt bzw. zu größeren Lasten hin verschoben wird. Grundvoraussetzung ist hier, dass die Dimensionierung der Durchbrüche und ihrer Abstände bzw. Lage bei gegebener Belastung und RisslängeA-lage eine Überschreitung der Streckgrenze der eingesetzten Werkstoffe zwischen den Durchbrüchen bzw. in ihrem Umfeld bewirken. Nur so kann die Plastifizierung genutzt werden. Im vorliegenden Fall wurde das Bauteil aus einer Legierung AA 6013 T6 durch Fräsen und Bohren hergestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Metallisches Strukturbauteil insbesondere für Flugzeuge, umfassend mindestens zwei Strukturelemente, insbesondere Hautblech (2) und Versteifungsprofile (3), die integral miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (1 ) eine lokale Zone (4) aufweist, die im Bereich des Überganges von einem Strukturelement (2) zum anderen (3) oder in unmittelbarer Nähe des Übergangsbereiches angeordnet ist und eine höhere Plastizität als die angrenzenden Strukturelemente (2, 3) aufweist.
2. Strukturbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) sich entlang der gesamten Längserstreckung A des Übergangsbereiches erstreckt.
3. Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite S0 der lokalen Zone (4) sich über die gesamte Breite Si zumindest eines Strukturelementes, insbesondere des Versteifungsprofils (3), erstreckt.
4. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Länge L0 und Breite S0 der lokalen Zone (4) folgende Bedingung gilt: 1/3 x S0 < Lo < 10 x So
5. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) einen rechteckigen, quadratischen, trapezförmigen, aufgedickten oder eingeschnürten Querschnitt aufweist.
6. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) folgende Eigenschaften hat: a) Zugfestigkeit (Rn) > 100 MPa b) Dehngrenze (Rpo,2) > 80 MPa c) Bruchdehnung (AL0) > 5 %, wobei das Verhältnis von Zugfestigkeit (Rm) und Dehngrenze (Rp0,2) größer als 1 ,2 ist, und die Zugfestigkeit (Rm) der lokalen Zone (4) kleiner als die Dehngrenzen der Strukturelemente (2, 3) ist.
7. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) durchgehend oder unterbrochen ausgebildet ist.
8. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) gradientenförmig in den/die Grundwerkstoff/e des/der Strukturelemente/s (2, 3) übergeht.
9. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) aus metallischem Werkstoff besteht und geschmiedete, gegossene und/oder gesinterte Gefügemerkmale aufweist.
10. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) integraler Bestandteil des Strukturbauteils (1 ) ist.
11. Strukturbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) mittels lokaler Erwärmung, thermomechanischer Bearbeitung, Auftragsschweißen oder anderen Rapid Prototyping Verfahren, Ko-Extrusion, Walzen oder Verpressen in das Strukturbauteil oder in mindestens ein
Strukturelement, insbesondere in das Versteifungsprofil (3), vor, während oder nach dem intergalen Verbindung der Strukturelemente (2, 3) einbringbar ist.
12. Strukturbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) als eigenständiges Werkstoffelement zwischen den Strukturelementen (2, 3) angeordent ist, und insbesondere mittels Schweißen oder Löten an die Strukturelemente (2, 3) anbringbar ist.
13. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) in mindestens einem der
Strukturelemente, insbesondere in dem Versteifungsprofil (3), durch Bohrungen (5), die mit einem Nichtmetall-Werkstoff gefüllt sind, gebildet ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) nach dem integralen
Verbinden der Strukturelemente (2, 3) mittels lokaler Erwärmung oder lokaler thermomechanischer Bearbeitung in das Strukturbauteil (1) eingebracht wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem integralen Verbinden der
Strukturelemente (2, 3) zumindest eines der Strukturelemente, insbesondere das Versteifungsprofil (3), zur Ausbildung der lokalen Zone (4) durch Erwärmung oder thermomechanische Bearbeitung lokal entfestigt wird.
16. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente (2, 3) zumindest in ein Strukturelemente, insbesondere in das Versteifungsprofil (3), durch Einbringen oder Auftragen eines separaten Werkstoffes mittels Auftragsschweißen oder anderen Rapid Prototyping Verfahren in integraler Weise eingebracht wird.
17. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente (2, 3) zumindest an ein Strukturelement, insbesondere an das Versteifungselement (3), die lokale Zone (4) durch Ko-Extrusion, Walzen oder Verpressen in integraler Weise angeformt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (2, 3) anschließend mittels Kleben, Löten, Schweißen oder anderen stoffschlüssigen Verfahren integral miteinander verbunden werden.
19. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Zone (4) durch ein separates Werkstoffelement, welches mittels Löten, Schweißen oder anderen stoffschlüssigen Verfahren mit den Strukturelementen, insbesondere Hautblech (2) und Versteifungsprofil (3), integral miteinander verbunden wird.
20. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem integralen Verbinden der Strukturelemente, insbesondere von Hautblech (2) und Versteifungsprofilen (3), zur Ausbildung der lokalen Zone (4) in mindestens ein Strukturelement, insbesondere in das Versteifungsprofil (3), Bohrungen (5) eingebracht werden, die mit einem Nichtmetall-Werkstoff gefüllt werden.
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