Schweißen in der Luft- und Raumfahrtanwendung: Überblick über die aktuelle Forschung zu Schweißverfahren und deren Einsatzmöglichkeiten

In diesem Artikel geht der Autor auf die Bedeutung des Schweißens in der Luft- und Raumfahrtproduktion ein und erläutert, wie Laserschweißen, Roboterschweißen und zerstörungsfreie Prüfungen beim Bau von Flugzeugrahmen, beim Zusammenfügen von Triebwerkskomponenten und bei der Bewertung der Schweißnahtqualität an Flugzeugen eingesetzt werden, um die Spezifikationen und Standards der Branche zu erfüllen.

Schweißen in der Luft- und Raumfahrt: Metall-Metall-Verbindungen im XXI. Jahrhundert

Das Schweißen erweist sich als sehr kritisch in der Luft- und Raumfahrt Fertigungsindustrien. Von der Verbindung von Aluminiumhäuten, die die Außenhaut von Flugzeugrümpfen bilden, bis hin zu Anwendungen beim präzisen Schweißen verschiedener Komponenten von Düsentriebwerken unter Verwendung spezieller Legierungen, die den hohen Drücken und Temperaturen in den oberen Bereichen der Erdatmosphäre und darüber hinaus standhalten, ist das Schweißen von unschätzbarem Wert bei der Herstellung von Strukturen, die unter harten Bedingungen funktionieren.

Da die Nutzlast steigt und die Standards für die Treibstoffeffizienz immer strenger werden, entwickeln die Schweißer in der Luft- und Raumfahrtindustrie weiterhin innovative Verbindungstechniken, um leichtere und haltbarere Flugzeuge zu bauen. Dieser Artikel befasst sich mit fortschrittlichen Schweißtechniken und technischen Qualitäten, die in verschiedenen Bereichen der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz kommen - vom robotergestützten Schweißen von Tragflächen bis hin zu zerstörungsfreien Tests, die eine ordnungsgemäße, den wichtigsten Industriestandards entsprechende Schweißung garantieren.

Fortgeschrittene Schweißtechniken

Schweißen ist eine Form der Fertigung, bei der zwei oder mehr Materialien - meist Metalle oder Thermoplaste - durch Wärmeeinwirkung miteinander verbunden werden. Es wurden eine Reihe neuer, komplizierter Schweißverfahren entwickelt, um die spezifischen Anforderungen der modernen Industrie an die Verbindung und Fertigung zu erfüllen.

Lichtbogenschweißen

Das Lichtbogenschweißen ist eine der am häufigsten verwendeten Schweißtechniken. Dabei wird ein elektrischer Lichtbogen verwendet, um die nötige Hitze zu erzeugen, die zum Verbinden verschiedener Metalle wie Stahl und rostfreier Stahl. Einige fortschrittliche Lichtbogenschweißtechniken in der Luft- und Raumfahrt umfassen:

Argon-Schutzgasschweißen (ASMW)

Das WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas-Schweißen) liefert eine hohe Qualität Rührreibschweißen. Es verwendet eine nicht verbrauchbare Elektrode aus Wolfram, Schutzgas, das nicht mit den Komponenten reagiert, und Schweißzusatzwerkstoff. Die Form des Lichtbogens ermöglicht es, dünne Bleche zu verbinden und auch ungleiche Materialien zu verbinden.

Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW)

Eine davon ist das GMAW-Schweißen, das in der Luft- und Raumfahrt auch als Metall-Inertgasschweißen bekannt ist, bei dem ein Elektrodendraht verwendet wird, der automatisch zugeführt wird und die Schweißnaht im Vergleich zum SMF-Schweißen eine höhere Schweißgeschwindigkeit ermöglicht, obwohl es in der Fertigung für das Roboter- und Impulsschweißen eingesetzt werden soll.

MIG-Schweißen

MIG-Schweißen umfasst im Allgemeinen das Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), bei dem ein kontinuierliches Drahtvorschubsystem verwendet wird. Es handelt sich dabei um ein schnelles und äußerst flexibles Verfahren, das sich ideal für die Fertigung großer Mengen eignet. Einige wichtige MIG-Schweißen

Kurzschluss MIG

Das Kurzschluss-MIG verwendet eine niedrige Spannung und verursacht einen kurzzeitigen Kurzschluss zwischen dem Draht und dem Werkstück, um den Stromkreis zu schließen und den Lichtbogen zu zünden. Es ist für dünne Metalle und Bleche geeignet.

Sprühlichtbogen MIG

Bei höheren Spannungen und Drahtvorschubgeschwindigkeiten überträgt der Sprühlichtbogen MIG das Metall im Sprühmodus und nicht im Kurzschlussmodus. Es trägt das Schweißgut schnell auf und wird in automatisierten Prozessen mit hoher Auftragung verwendet.

WIG-Schweißen

Das WIG-Schweißen bietet aufgrund der nicht verbrauchten Wolframelektrode und des Schutzgases eine hervorragende Schweißqualität und -kontrolle. Einige fortschrittliche WIG-Schweißtechniken in der Luft- und Raumfahrt umfassen:

Gepulstes WIG

Gepulstes WIG verwendet eine hochentwickelte Stromquelle, die den Strom während des Lichtbogens schnell pulsiert. Ultraschallschweißen in der Luft- und Raumfahrt. Es hat eine höhere Schweißgeschwindigkeit als herkömmliches WIG und liefert saubere, spritzerfreie Schweißnähte in allen Positionen auf einer Vielzahl von Materialien.

Widerstandsschweißen

Kontaktschweißverfahren erzeugen Wärme durch die Zirkulation von Strom zwischen mindestens zwei sich berührenden Teilen der Werkstücke. Es gibt sie: ElektronenstrahlschweißenModerne Kontrollsysteme haben das Mikroschweißen und neue Verbindungsdesigns ermöglicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die kontinuierliche Innovation beim Schweißen in der Luft- und Raumfahrttechnik die kreativen Möglichkeiten für Design und Fertigung in vielen Branchen erweitert hat. Neue Materialien verschieben auch die Grenzen zuverlässiger und effizienter Verbindungstechniken.

Automatisierte Schweißsysteme

Automatisierte Schweißsysteme Aufgrund des ständigen Drucks, höhere Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig dem Produktionsdruck gerecht zu werden, werden zunehmend automatisierte Schweißtechnologien eingesetzt. Hier sind einige wichtige automatisierte Schweißtechnologien für die Luft- und Raumfahrt:

Roboter-Schweißen

Unter Roboterschweißen versteht man ein Verfahren, bei dem ein Roboter zum Schweißen eingesetzt wird. Roboter sorgen für Konsistenz, schützen die Arbeiter ergonomisch vor gefährlichen Bereichen und ermöglichen eine 24/7-Fertigung mit Robotern. MIG-, WIG-, Plasma- und Laserschweißen in der Luft- und Raumfahrt sind die häufigsten Anwendungen von Robotersystemen für Karosserie- und Rahmenteile in der Automobilindustrie, für Haushaltsgeräte, Rohre und andere Fließbandteile. Die robotergestützte Nahtverfolgung bietet flexible Bahnvorgaben und eine einstellbare, zeitlich synchronisierte Abfolge für verschiedene Metallauftragsaufgaben in schwer zugänglichen Bereichen.

Laserschweißen

Beim Laserschweißen wird der elektrische Lichtbogen durch einen fokussierten Laserstrahl ersetzt, um die Komponenten zu schweißen. Beim WIG-Schweißen ist die Wärmeeinflusszone klein und sehr schmal, während der Einbrand im Vergleich zu anderen Verfahren tief ist. Ein Lasersystem erfordert eine geringere Wärmezufuhr, was dazu beiträgt, die thermische Verformung zu reduzieren. Die häufigsten Anwendungen von Laserschneiden in der Automobilherstellung das Verbinden von Metallteilen für die Herstellung von Stoßfängern und Fahrgestellmodulen. Es eignet sich auch ideal zum Punktschweißen in der Luft- und Raumfahrt für Laptops, Mobiltelefone und andere elektronische Geräte.

Plasma-Schweißen

Plasmaschweißen ist schneller als Laserschweißen und verwendet einen eingeschränkten Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem in einem atmosphärischen Gas eingeschlossenen Werkstück. Das ionisierte Gasplasma überträgt die Wärmeenergie sehr effizient. In Karosseriewerkstätten wird in der Regel das Plasmaschneiden verwendet, bevor das Robotersteckschweißen durchgeführt wird. Tragbar Plasmaschneiden Systeme sind auch vielseitig für Schweißaufgaben in der Metallverarbeitung einsetzbar. Zu den modernen Plasmaschweißtechnologien gehört das vollautomatische Schlüssellochschweißen, das tief in dicke Materialien eindringt.

Vorteile des automatisierten Schweißens

Die Automatisierung von Schweißverfahren bietet viele Vorteile gegenüber manuellen Methoden. Roboter garantieren konsistente, wiederholbare Schweißnähte und ermöglichen das Schweißen in der Luft- und Raumfahrt in jeder Position. Die kontinuierliche Überwachung und Kontrolle der Variablen trägt zur Sicherung der Schweißqualität bei. Automatisierte Anlagen erhöhen auch die Sicherheit der Mitarbeiter, da sie sich nicht in gefährlichen Umgebungen aufhalten müssen. Die Präzision, die Geschwindigkeit und die geringere Variabilität des automatisierten Schweißens sind für die Großserienfertigung in allen Branchen von entscheidender Bedeutung. Insgesamt verbessern automatisierte Schweißsysteme die Produktivität und die Qualität von Teilen für anspruchsvolle Fertigungsanwendungen.

Exotische Legierungen

Die Materialwissenschaft entwickelt ständig neue exotische Metalllegierungen, die für spezielle Anwendungen optimiert sind, bei denen herkömmliche Materialien nicht die erforderlichen Eigenschaften aufweisen. Hier sind einige Beispiele für neuartige technische Legierungen:

Legierungen für die Luft- und Raumfahrt

Legierungen für die Luft- und Raumfahrt werden entwickelt, um den Belastungen von Düsentriebwerken und dem Schweißen von Teilen in großer Höhe gerecht zu werden. Superlegierungen aus Titan und Nickel verfügen über eine höhere Streckgrenze und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen als herkömmliche Stähle. Hochentwickelte Verbundwerkstoffe werden aufgrund ihres hohen Festigkeits- und Gewichtsverhältnisses auch in einigen Luftfahrtanwendungen eingesetzt und haben Metalllegierungen verdrängt.

Medizinische Legierungen

Kobalt-Chrom- und Titan-Implantat-Legierungen zum Beispiel ermöglichen medizinische Geräte um sicher in lebendes Knochengewebe integriert zu werden, ohne Aussicht auf Korrosion oder Toxizität. Nitinol-Legierungen mit Formgedächtnis behalten eine bestimmte Form bei und werden in minimal-invasive chirurgische Instrumente eingebaut. Neue Materialien, so genannte metallische Gläser, besitzen die Festigkeit, das geringe Gewicht und die Biokompatibilität, die für medizinische Anwendungen ideal sind.

Korrosionsbeständige Legierungen

Legierungen mit Molybdän, Wolfram oder Nickel bieten eine hervorragende Beständigkeit gegen Salzwasser oder chemische Angriffe für Anwendungen in der Schifffahrt sowie in der Öl- und Gasindustrie. Superlegierungen, die Chrom, Aluminium und Yttrium enthalten, ermöglichen es den Komponenten, den heißen, korrosiven Umgebungen in Chemieanlagen und Zellstofffabriken zu widerstehen.

Durch die Entwicklung neuer Legierungen auf mikroskopischer Ebene werden die kreativen Grenzen der Materialwissenschaft immer weiter ausgedehnt. Maßgeschneiderte exotische Legierungen eröffnen Möglichkeiten für Anwendungen, die an die Grenzen der Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit unter extremen Bedingungen gehen.

Schweißen in der Luft- und Raumfahrt

Das Schweißen spielt in der Luft- und Raumfahrtindustrie eine entscheidende Rolle, wo hochfeste und leichte Materialien zuverlässig verbunden werden müssen. Spezielle Schweißtechniken sind erforderlich, um Strukturen herzustellen, die auch unter gefährlichen Bedingungen einsatzfähig sind.

Rumpf Montage

Der Druckrumpf besteht in der Regel aus Aluminiumlegierungsblechen, die in der Luft- und Raumfahrt durch automatisiertes Schmalspurschweißen verbunden werden, was die Herstellung großer einteiliger Flugzeugschalen ermöglicht. Techniken wie das Laserstrahlschweißen sorgen für saubere, hochfeste Nähte.

Motor Komponenten

Das Zusammenschweißen von Scheiben, Wellen und Schaufeln aus Superlegierung trägt dazu bei, dass Wasserstrahltriebwerke den extremen Temperaturen in den Brennkammern standhalten. Für das Schmelzschweißen rotationssymmetrischer Teile innerhalb enger Toleranzen werden in der Regel spezielle WIG-Verfahren eingesetzt.

Flügel Montage

Tragflächen gehören zu den größten geschweißten Strukturen in Flugzeugen. Sowohl konventionelle GMAW- als auch fortschrittliche Reibrührschweißtechniken werden eingesetzt, um mehrere Aluminium-Strangpressprofile und -Holme zu steifen, leichten Flügeln zusammenzufügen, die sich unter aerodynamischen Belastungen biegen können.

Die sorgfältige Kontrolle von Variablen wie Wärmezufuhr und Eigenspannungen ist entscheidend, um fehlerfreie Schweißnähte zu gewährleisten, die jahrzehntelangen Druckzyklen standhalten. Insgesamt ermöglicht das Schweißen in der Luft- und Raumfahrttechnik den Zusammenbau großer metallischer Flugzeugzellen und zuverlässiger Komponenten für die Schweißtechnik in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Qualitätskontrolle

NDT-Methoden

Eine Vielzahl von zerstörungsfreien Prüfverfahren (NDT), darunter Farbeindringverfahren, Röntgenstrahlen, Ultraschall und Wirbelstrom, werden eingesetzt, um mögliche Defekte in kritischen Flugzeugschweißnähten zu beurteilen, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. ZfP-Techniker kennen sich mit den Inspektionsergebnissen besonders gut aus und sind in der Lage garantieren geschweißte Verbindungen zu den Entwürfen wie nötig.

Codes zum Schweißen

Alle Schweißarbeiten in der Luft- und Raumfahrt müssen den strengen Standards entsprechen, die in Schweißvorschriften von Organisationen wie AWS und ISO festgelegt sind. Qualifizierungstests belegen, dass Schweißer und Verfahren die Vorschriften einhalten. So wird ein konsistentes, fehlerfreies Schweißen gewährleistet, das für leichte und dennoch haltbare Flugstrukturen geeignet ist.

Fazit

Das Schweißen spielt in der Luft- und Raumfahrtindustrie eine unverzichtbare Rolle bei der Fertigung. Roboter- und Laserschweißen haben eine stärkere Automatisierung der Produktionslinien für Flugzeuge ermöglicht, während Spezialtechniken wie das Reibrührschweißen die Integrität kritischer Komponenten gewährleisten. Der Einsatz fortschrittlicher Legierungen erweitert die Grenzen des Strukturdesigns durch Eigenschaften wie Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit. Die Gewährleistung, dass jede Schweißnaht den Standards der Luft- und Raumfahrt entspricht, ist für die Sicherheit von größter Bedeutung und erfordert eine spezielle ZfP-Auswertung und die Einhaltung der Schweißvorschriften der Industrie in der Luft- und Raumfahrt. Da die Nachfrage nach Flugreisen steigt, werden Innovationen in der Luft- und Raumfahrtindustrie und in der Fügetechnik auch weiterhin zu einer treibstoffeffizienteren, vielseitigeren und kostengünstigeren Flugzeugherstellung beitragen. Die Zukunft der zivilen und militärischen Luftfahrt hängt von schnellen Qualitätsschweißlösungen ab.

FAQs

Warum ist die Qualitätskontrolle beim Schweißen in der Luft- und Raumfahrt so wichtig?

Selbst kleinste Schweißfehler können in großen Höhen oder bei hohen Temperaturen zu Rissen oder Ausfällen führen. Die zerstörungsfreie Prüfung hilft, Fehler zu entdecken, die die strukturelle Integrität über Jahrzehnte hinweg beeinträchtigen könnten.

Benötigen Schweißer eine spezielle Zertifizierung für die Luft- und Raumfahrt?

Ja, das Schweißen in der Luft- und Raumfahrt ist eine hochqualifizierte Arbeit, die Qualifikationstests und Zertifizierungen nach strengen Branchenvorschriften erfordert. Schweißer müssen ein gründliches Verständnis der Dokumentationsanforderungen, Materialien, Techniken und Qualitätsstandards nachweisen.

Welche zukünftigen Trends zeichnen sich in der Luft- und Raumfahrt ab?

Zu den aufkommenden Technologien gehören eine verstärkte Automatisierung durch Roboter, fortschrittliches Laser-Hybridschweißen, neue Nischenmetalllegierungen und Echtzeit-Fehlerüberwachungssysteme. Leichte Verbundwerkstoffe verdrängen auch einige metallische Komponenten, um die Treibstoffeffizienz zu verbessern.