Im Flugzeugbau sind Aluminium-Strukturbauteile für Druckrumpfschalen, die im Wesentlichen aus Hautfeld-Stringer- (Clip)-Verbindungen bestehen, bisher mit dem Fertigungsverfahren Nieten oder Kleben hergestellt worden. Dabei werden sowohl Stringer-als auch Winkelelemente, sogenannte Clips, die zur Befestigung von in Druckrumpfumfangsrichtung verlaufenden Spante dienen, an dem Hautfeld befes- tigt.

In jüngster Zeit hat sich für die Fertigung von großflächigen Aluminium- Strukturbauteilen für Flugzeug-Druckrumpfschalen das Laserschweißen als Her- stellungsverfahren durchgesetzt. Derartige geschweißte Hautfeld-Stringer- (Clip)- Verbindungen zeichnen sich vorteilhafterweise gegenüber den bisherigen mittels Nieten oder Kleben hergestellten Verbindungen durch ein geringeres Gewicht und deutlich reduzierte Fertigungszeiten aus.

In DE 196 39 667 ist beispielsweise ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Profilen auf großformatigen Aluminium-Strukturbauteilen beschrieben, bei dem zwei Laserstrahlen verwendet werden, die von zwei Seiten gleichzeitig mittels Nahtsuchsystem an die Schweißnaht geführt werden. Ein mittels Laserstrahl- schweißen hergestelltes Flugzeug-Schalenteil ist z. B. aus DE 198 44 035 bekannt.

Gegenwärtig werden bei der Herstellung von Aluminium-Strukturbauteilen in Flug- zeuglängsrichtung verlaufende Verstärkungselemente (= Stringer) unter Verwen- dung von Schweißzusatzwerkstoffen am Hautfeld angeschweißt. Der draht-oder folienförmige Schweißzusatzwerkstoff muss dabei während des Laserschweißens in geeigneter Weise zugeführt werden und dient zur Unterdrückung der Heißriss- bildung während des Verschweißens.

In Zukunft sollen auch die quer dazu verlaufenden Versteifungselemente (= Span- te) bzw. die zum Befestigen der Spante notwendigen blechförmigen Verbindungs- beschläge, die sogenannten Clips bzw. Schubkämme, direkt an die Druckrumpf- haut geschweißt werden. Dies ist jedoch bisher sehr problematisch, da sämtliche zur Zeit verwendeten Blechwerkstoffe nur mit Schweißzusatzwerkstoffen rissarm geschweißt werden können. Auf Grund der schwierigen geometrischen Verhält- nisse ist das Zuführen des Schweißzusatzwerkstoffes allerdings problematisch und fertigungstechnisch sehr aufwendig. Damit ist in der Regel die Herstellung nicht fertigungssicher durchführbar.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil zu schaffen, das fertigungstechnisch vereinfacht und mit hoher Fertigungssicherheit auch bei komplizierten geometrischen Verhältnis- sen herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil mit Alumi- nium-Guss-Werkstoffelementen gelöst, das ein Hauffeld sowie mindestens ein Verstärkungselement aufweist, an dem mindestens ein Verbindungselement an- gebracht ist, über welches das Verstärkungselement mittels Schweißen an dem Hauffeld befestigt ist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verbindungsele- ment aus einem Aluminium-Guss-Werkstoff besteht.

Erfindungsgemäß liefert der Aluminium-Guss-Werkstoff selbst den zur Unterdrü- ckung einer Heißrissbildung während des Schweißens erforderlichen metallischen Schweißzusatzwerkstoff, so dass auf die Verwendung und Zuführung von zusätz- lichen Schweißzusatzwerkstoffen gänzlich verzichtet werden kann. Damit verein- facht sich das Fertigungsverfahren drastisch, so dass es zu signifikanten Kosten- einsparungen bei der Herstellung kommt. Zudem lässt sich die Fertigungssicher- heit beim Schweißen erheblich steigern, da auf Grund der lokalen geometrischen Restriktion die Nachführung und exakte Zuordnung eines Schweißzusatzwerkstof- fes entfällt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die schweißgestützte, integrale Bauweise weiter ausgedehnt werden kann, und somit prinzipiell auf alle Bereiche des Flug- zeugrumpfes erstreckt werden kann. Dies führt zu einer weiteren Senkung des Strukturgewichtes sowie reduzierten Betriebskosten, da genietete Strukturen gänzlich ersetzt werden können.

Bevorzugt besteht das Verbindungselement aus einer AIMg-Guss-Verbindung mit <BR> <BR> 3-10 Gew. -% Mg, einer AlSi-Guss-Verbindung mit 5-20 Gew. -% Si, einer A) Cu-<BR> Guss-Verbindung mit 3-15 Gew. -% Cu oder einer AlZi-Guss Verbindung mit 4-<BR> 20 Gew. -% Zi. Diese Gusswerkstoffe stellen sicher, dass der zum gussarmen Schweißen erforderliche Schweißzusatzstoff durch den Werkstoff des Verbin- dungselements selbst gespendet wird, so dass ein separates Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffes nicht nötig ist.

Bevorzugt wird ein Verbindungselement aus einem derartigen Aluminium-Guss- Werkstoff verwendet, das mittels Druckguss-, Feinguss-oder Sandguss-Verfahren bzw. Thixo-oder Rheo-Casting hergestellt ist. Diese Herstellungsverfahren ge- währleisten, dass das Gussgefüge einen geringen Restgasgehalt aufweist und somit eine gute Schweißeignung hat.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestehen Hautfeld und Verstärkungs- element jeweils aus lufffahrtzertifizierten Aluminium-Legierungen, wie beispiels- weise Legierungen vom Typ 2xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx und/oder 8xxx (gemäß amerikanischer Legierungsbezeichnung). Dabei sind beliebige Werkstoffkombina- tionen möglich, so dass die erfindungsgemäße Struktur flexibel für Luftfahrtan- wendungen geeignet ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Verbindungsele- ment, welches aus dem Aluminium-Guss-Werkstoff besteht, ein Clip oder Schub- kamm, und das Verstärkungselement ist ein Spant, an dem der Clip bzw. Schub- kamm mittels Nieten angebracht ist. Selbstverständlich können auch andere Ver- bindungsverfahren zum Befestigen des Verbindungselementes an dem Verstär- kungselement verwendet werden, wie beispielsweise Kleben, Schweißen etc.

Das erfindungsgemäße, geschweißte Aluminium-Strukturbauteil findet insbeson- dere in Flugzeugen Anwendung, wo es zumindest teilweise Unter-, Ober- und/oder Seitenschalen des Druckrumpfes bildet.

Anhand der beigefügten Abbildung wird die Erfindung im Folgenden in näheren Einzelheiten beschrieben.

Es zeigt : Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Aluminium-Strukturbauteil in Form einer Hautfeld-Stringer-Clip-Verbindung.

Fig. 1 zeigt ein geschweißtes Aluminium-Strukturbauteil 1 in Form einer Hautfeld Stringer-Clip-Verbindung. Das Strukturbauteil 1 weist ein Hautfeld 2 auf, an dem eine Vielzahl von Verstärkungselementen 3a, 3b angebracht ist. Die Verstär-

kungselemente 3a sind sogenannte Stringer, die in Längsrichtung eines Flug- zeugdruckrumpfes verlaufen. In Fig. 1 sind drei Stringer 3a an dem Hauffeld 2 mit- tels Laserschweißen befestigt. Bekanntlich weist ein derartiges Aluminium- Strukturbauteil 1 zur Verwendung in Flugzeugdruckrümpfen neben den Stringern auch sogenannte Spante auf, die in Druckrumpfumfangsrichtung verlaufende Ver- stärkungselemente darstellen. In Fig. 1 ist ein einzelner derartiger Spant 3b dar- gestellt, der mittels Verbindungselement 4 an dem Hautfeld 2 befestigt ist. Das in Fig. 1 dargestellte Verbindungselement 4 ist als sogenannter Schubkamm ausge- bildet, der über mehrere Stringer 3a hinweg läuft. Selbstverständlich können auch nichtübergreifende Einzelelemente in Form von sogenannten Clips verwendet werden. Typischerweise werden die Verbindungselemente 4 (Clips bzw. Schub- kamm) mit dem Spant durch Nieten verbunden, was auch in Fig. 1 dargestellt ist.

Anschließend wird das Verbindungselement 4 an seiner dem Spant 3b gegenü- berliegenden Seite mit dem Hautfeld 2 verschweißt, um somit ein stabiles bzw. verstärktes Aluminium-Strukturbauteil 1 zu schaffen.

Um die Heißrissbildung während des Schweißens zu unterdrücken, wird bisher separat ein Schweißzusatzwerkstoff zugeführt, meist in Form eines Drahtes oder einer Folie. Dabei ergibt sich auf Grund der komplexen Geometrie, insbesondere in den Eckbereichen A, das Problem, dass der Laserschweißkopf nur unter sehr großen Schwierigkeiten prozesssicher arbeiten kann. Zusätzlich wird die Positio- nierung des Schweißzusatzwerkstoffes durch die bereits zuvor angeschweißten Stringer 3a erheblich behindert. Damit besteht eine sehr große Gefahr, dass be- sonders in den schon ohnehin gefährdeten Eckbereichen (lokale Spannungsüber- höhung im Betriebsfall), die Verbindung nicht heißrissfrei geschweißt werden kann.

Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verbindungselement 4 verwendet wird, das aus einem Aluminium-Guss-Werkstoff besteht. Der Alumi-

nium-Guss-Werkstoff kann ein etablierter oder neuer bzw. weiterentwickelter Werkstoff sein. Auf Grund der Materialauswahl des Verbindungselementes 4 wird gewährleistet, dass der für eine zuverlässige und heißrissarme Schweißung erfor- derliche Schweißzusatzwerkstoff durch das Verbindungselement 4 selbst gespen- det wird. Es verringert sich die Gefahr der Heißrissbildung und gewährleistet damit mehr Fertigungssicherheit, da immer genügend Schweißzusatzwerkstoff vor Ort ist. Ferner ist die Schweißprozessführung vereinfacht, da kein Schweißzusatz- werkstoff mehr nachgeführt oder vorpositioniert werden muss. Gleichzeitig werden die Fertigungskosten für das Verbindungselement durch endkonturnahe Herstel- lung reduziert. Zudem besteht bei passender Werkstoffauswahl die Möglichkeit der Wärmenachbehandlung des Aluminium-Strukturbauteiles 1 (nicht formgebend oder auch formgebend bis hin zur Kriechumformung (s. auch AlMgSc- Werkstofftechnik)), welche die Eigenschaften in der Schweißnaht und ihren Ein- flussbereich verbessern kann, beispielsweise hinsichtlich Festigkeit, Eigenspan- nungen etc.

Vorzugsweise besteht das Verbindungselement 4 aus einem AIMg-Guss- <BR> <BR> Werkstoff mit ca. 3-10 Gew. -% Mg, dem zusätzlich 0-2 Gew. -% Mn, Si, Sc (er- satzweise Zr, Ti, Y, Tb, Hf, Nb, Ta, V und/oder den Lanthaniden) Cu, Ag und/oder Fe beigemengt sein kann. Die Lanthaniden sind dabei bevorzugt Cer (Ce), Neo- dym (Nd), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho) und/oder Erbium (Er).

Alternativ kann das Verbindungselement 4 aus einem AlSi-Guss-Werkstoff mit 5- <BR> <BR> 20 Gew. -% Si bestehen, dem 0-5 Gew. -% Mg, Cu, Fe und/oder Mn beigemengt sein können.

Gemäß einer weiteren Alternative wird ein AICu-Guss-Werkstoff mit 3-15 Gew.- % Cu verwendet. Diesem können 0-5 Gew. -% Mg, Ag, Cu, Fe, Ti oder Mn bei- gemengt sein.

Gemäß einer weiteren Alternative besteht das Verbindungselement 4 aus einer <BR> <BR> AlZi-Verbindung mit 4-20 Gew. -% Zi, dem Mg, Ag, Cu oder andere bzw. weitere bei AIZn-Legierungen gebräuchliche Elemente beigemengt sein kann.

Zur weiteren Eigenschaftsverbesserung können natürlich diese Gusswerkstoffe noch klassische, etablierte Legierungszugaben enthalten, welche eine Verfeine- rung des Gefüges bewirken (z. B. Sr bei A ! Si-Legierungen, Be bei AlMg- Legierungen oder TiB2 zur allgemeinen Kornfeinung).

Das Hautfeld 2 und das Verstärkungselement 3 bestehen aus bekannten luftfahrt- zertifizierten Aluminium-Legierungen. Die luftfahrtzertifizierten Legierungen sind beispielsweise Legierungen vom Typ 2xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx und/oder 8xxx.

Nach amerikanischer Legierungsbezeichnung sind dies AICu-Legierungen (2xxx), A) Mg-Legierungen (6xxx), AlMgSi-Legierungen (7xxx), AIZn-Legierungen (8xxx) bzw. andere Werkstoffsysteme.

BEISPIELE : Im Folgenden werden einige erfindungsgemäße Beispiele für die Werkstoffpaa- rung HautfeldNerbindungselement aufgeführt und mit dem Stand der Technik verglichen :

1. Beispiel : Stand der Technik : Hautfeldwerkstoff : AA 6013 T4 oder T6 (AA 6013 = AlMg1 Cu0. 8Si0. 75Mn0. 5) Clip : AA 6013 T4 oder T6 Der Clip wurde mittels Laserstrahlen unter Verwendung des Schweißzusatzwerk- stoffes AA 4047 (A) Si12) heißrissfrei an das Hautfeld geschweißt. Der Schweiß- nahtwerkstoff enthält somit eine Mischung der drei Komponenten mit folgender Zusammensetzung : ~ Al Si2-4 MgO. 3-0.6 Cu0. 2-0.4.

Erfindungsgemäße Werkstoffpaarung : Hauffeldwerkstoff : AA 6013 T4 oder T6 (AA 6013 = AlMg1 Cu0. 8Si0. 75Mn0. 5) Clip : A357 T4 oder T6 (A357 = AlSi7Mg0. 6) Das Verbindungselement wurde mittels Laserstrahlschweißen ohne Verwendung eines zusätzlichen Schweißzusatzwerkstoffes an das Hautfeld angeschweißt. Der Werkstoff der Schweißnaht enthält dann eine Mischung aus den zwei Komponen- ten und weist folgende Zusammensetzung auf : ~ AlSi3-4 Mg0. 3-0. 6CuO. 1-0.2....

Ohne Einschränkung ist es möglich, eine heißrisssichere Verbindungen darzustel- len, wobei die Restriktion des bisher erforderlichen Zuführens eines Schweißzu- satzwerkstoffes umgangen wird. Hierzu muss lediglich gewährleistet sein, dass der AlSi7Mg0. 6 Guss-Clip mit einem Gussverfahren hergestellt wird, welches eine gute Schweißeignung (geringer Restgasgehalt des Gussgefüges) ermöglicht. Dies können das Feingussverfahren HERO bzw. SOPHIA, welche für die Luftfahrt qua- lifiziert sind, aber auch andere neue Druckgussverfahren, wie beispielsweise Thi- xo-oder Rheo-Casting sein.

2. Beispiel : Stand der Technik : Hauffeldwerkstoff : AA 2024 T3 (AA 2024 = Al Cu4.5 Mg2 Mn) Clip : AA 2024 T3 Laserstrahl geschweißt (heißrissfrei) mit Schweißzusatzwerkstoff : a) AA 4047 (AISi12) b) AA 2319 (AlCu6Mn), oder besser c) GUS 1217 (AlCu10Sc) Der Schweißnahtwerkstoff besteht aus einer Mischung der drei Komponenten : a) Al Si2-4 Cu0. 6-1.2 MgO. 2-0.4...... b) Al Cu 5-6 MgO. 4-0.8 Mn...... c) Al Cu 6-8 Mg0. 2-0. 4 Mn......

Erfindungsgemäße Werkstoffpaarung : Hautfeldwerkstoff : AA 2024 T3 (AA 2024 = Alu4. 5Mg2Mn) Clip : a) A360 T6 (A360 = AlSi10MgO. 3) b) A201 T6 (A201 = Alu4. 5TiAg) c) AlCu6 bzw. AlCu10Sc Das Verbindungselement wurde wiederum ohne Verwendung eines zusätzlichen Schweißzusatzwerkstoffes an das Hauffeld angeschweißt. Der Werkstoff der Schweißnaht ist eine Mischung aus den vorgenannten Komponenten : a) AlSi3-4 Cu0. 8-1. 4 Mg0. 4-0.6 b) AICu3-4Mg0. 4-0.6 c) AICu4-7Mg0. 3-0.5 Als Herstellungsverfahren dienen die gleichen wie unter Beispiel 2 aufgeführt.

3. Beispiel : Stand der Technik Hautfeldwerkstoff : AlMg4. 0MnScZr Clip : AlMg4. 0MnScZr Laserstrahl-geschweißt (heißrissfrei) mit Schweißzusatzwerkstoff : AA 5025 (AA 5025 = AlMg5Sc0. 3) Der Schweißnahtwerkstoff besteht aus einer Mischung der drei Komponenten : A) Mg4-5Mn0. 2-0. 4Sc0. 2-0.3......

Erfindungsgemäße Werkstoffpaarung : Hautfeldwerkstoff : AlMg4. 0MnScZr Clip : a) AlMg3. 0-5. 0MnScZr b) A ! Mg3. 0-5. 0SiMn (Sc-frei) Der Clip wurde ohne Verwendung eines Schweißzusatzwerkstoffes am Hautfeld angeschweißt. Der Schweißnahtwerkstoff enthält eine Mischung aus den zwei Komponenten mit folgender Zusammensetzung : AlMg3. 5-5. 0MnScZr.

Wie zuvor muss hier gewährleistet sein, dass das Guss-Verbindungselement mit einem Gussverfahren hergestellt wurde, welches eine gute Schweißeignung er- möglicht. Bei Sc-haltigen AlMg-Gusswerkstoffen bietet sich neben den Fein-und Sandguss-Verfahren besonders auch das Rheo-Casting-Verfahren an, da so über die besondere Wärmeführung ein mit Sc übersättigter Mischkristall nach dem Gie- ßen erzielt werden kann.