Warum verwenden Flugzeuge Nieten und keine Schweißkonstruktion?

Kurze Antwort: Hochfeste Aluminiumlegierungen sind schwierig richtig zu schweißen. Aluminium ist ein so edles Material für Flugzeugstrukturen, dass das Nieten gerne in Kauf genommen wird.

Zwei Dinge sind wichtig:

1. Während Stahl einen Temperaturbereich hat, in dem er immer flüssiger wird, wechseln Aluminiumlegierungen innerhalb weniger Grad von fest zu flüssig. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit in Legierungen auf Eisenbasis geringer als in Aluminium, sodass das örtliche Erhitzen von Stahl das umgebende Material im Vergleich zu Aluminium kühler und fester hält. Während das Schweißen von dünnen Stahlblechen trivial ist, erfordert es bei Aluminium viel Erfahrung . Bei sehr dünnen Blechen sind spezielle Einrichtungen wie ein wassergekühlter Kupferrücken erforderlich, auf dem die Aluminiumbleche aufliegen, sodass ihre Rückseite gekühlt wird. Außerdem ist die Schmelztemperatur von Stahl und Titan hoch genug, um lange vor dem Schmelzen zu glühen, während Aluminium schmilzt, ohne dass Sie einen optischen Hinweis auf seine Temperatur erhalten.

2. Hochfestes Aluminium entsteht durch fortschreitende Alterung und Ausscheidungshärtung des Materials . Die üblichen Legierungen verwenden in der Aluminiummatrix dispergierte Kupferatome, die das Atomgitter lokal verzerren und verstärken. Wenn sie durch Schweißen erhitzt und schnell abgekühlt werden, würde die Kupferverteilung verändert und das Material um den Schweißbereich herum geschwächt. Die fertige Struktur noch einmal zu härten ist in den meisten Fällen eher unpraktisch, daher ist Nieten die bessere Alternative.

Eine dritte Spezialität ist die Oxidschicht auf Aluminium, die eine höhere Schmelztemperatur hat als das Grundmaterial. Sie benötigen ein AC- WIG -Schweißgerät, um die Aluminiumoxidschicht aufzubrechen, daher ist Ihre Auswahl an Schweißtechniken ziemlich begrenzt.

Außerdem sind genietete Strukturen leichter zu inspizieren und zu reparieren. Bei den meisten Reparaturen muss die Flugzeugstruktur für den Zugang entfernt werden, und eine genietete Struktur ist leichter zu zerlegen und nach der Reparatur mit etwas dickeren Nieten wieder zusammenzusetzen.

Meine Erfahrung mit Aluminiumschweißen endete bei 4 mm dicken Blechen; Während dickere leicht zu schweißen waren, habe ich es nie geschafft, dünnere zu schweißen. Sie sitzen vor Ihrer Struktur und erhitzen die Stelle, an der Sie mit dem Schweißen beginnen möchten. Durch den abgedunkelten Kopfschirm beobachtend, warten Sie, bis die Stelle unter dem Lichtbogen glänzend wird, was signalisiert, dass die Oberfläche zu schmelzen begonnen hat. Jetzt müssen Sie Ihren Schweißdraht wie verrückt hinzufügen, um zu verhindern, dass sich der Punkt weiter erhitzt, und den Punkt in Bewegung bringen. Wenn Sie dies nicht tun, haben Sie eine Sekunde später ein Loch unter Ihrem Lichtbogen, weil das Aluminium vollständig geschmolzen und abgefallen ist. Dies mit 2 mm Platten zu tun, war für mich eine reine Übung in Sinnlosigkeit - in dem Moment, in dem die Oberfläche glänzend wurde, fiel sie bereits ab.

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Danke an @voretaq7 für das Teilen des Links zum Rührreibschweißen in den Kommentaren! Dies wird durch eine präzise Positionierung der Teile und einen computergesteuerten Schweißkopf ermöglicht und wird in Zukunft breiter Anwendung finden. Eclipse Aerospace behauptet, dass es ihnen hilft, 60 % der Nieten in ihren Düsenflugzeugen zu vermeiden.

Das Schweißen hat zwei wesentliche Nachteile (1) es schwächt im Allgemeinen das Grundmaterial durch die Hitze in der betroffenen Zone und (2) die Verwendung einer einzelnen Komponente kann Risse verlieren, die beim Wechsel von einem Abschnitt zum nächsten stoppen. Ich habe eine Geschichte gehört, dass jemand (Lockheed?) die Verwendung von Diffusionsverklebungen versucht hatte, aber dann während der strukturellen Tests eine große Rissentwicklung erlitt.

Durch den Zugang zum Comet-Rumpf, der für die Druckprüfung des Wassertanks verwendet wurde (montiert an der Wand eines Labors am RAF College Cranwell), ist das Wachstum von Rissen deutlich erkennbar. In der Vergangenheit haben Ingenieure Löcher am Ende eines Risses gebohrt (wenn sie ihn gefunden haben), weil der vergrößerte Spitzenradius die Ausbreitungsgeschwindigkeit verlangsamt. Mein Vater und mein Pate waren in den 1930er, 40er und 50er Jahren beide Ingenieure bei Imperial Airways. (OK, der Name wurde in BOAC i 1940 geändert.)

Außerdem ist es fast unmöglich, die Unversehrtheit einer Schweißnaht zu testen, ohne sie zu beschädigen; wie die Streichholzfabrik, die zu 100 % testet und nur die aussendet, die funktionieren.

Ich frage mich nur, was in der Luftfahrt anders ist? Sind nicht Reparatur, Sicherheit, Gewicht und Aerodynamik mit einer Schweißkonstruktion besser?

Ich dachte nur, ich würde es mit einer anderen Sache erweitern, die häufig verwendet wird (von der Sie vielleicht wissen oder nicht, da sie weniger offensichtlich ist): Klebstoffe .

Es verbindet zwar nicht das Material an sich wie das Schweißen, geht aber in die gleiche Richtung, verändert aber im Gegensatz zum Schweißen im Allgemeinen die Materialeigenschaften nicht. Industrieklebstoffe wie Epoxid können bei richtiger Anwendung unglaublich stark sein.

Dieses PDF von Henkel bietet eine riesige Produktpalette, ebenso wie diese Übersicht von 3M Aerospace.

Zunächst einmal haben die meisten Flugzeuge viele geschweißte Komponenten, aber das sind meistens die Rahmen-/Strukturkomponenten. Die Haut wird normalerweise aus zwei Gründen genietet (1) es ist viel einfacher, eine genietete Platte zu entfernen oder zu ersetzen, und (2) die Verbindungsstelle zwischen Haut und Struktur ist in vielen Fällen nicht zugänglich. Mit anderen Worten, die Haut muss mit dem Rahmen verbunden werden. Das bedeutet, dass der Schweißer in der Lage sein müsste, auf diese Verbindung zuzugreifen. Selbst wenn Sie Zugang zu der Fuge hätten, wäre es nur eine Nahtschweißung, dann müssten Sie an der Außenfläche erneut schweißen, um die Stoßfugen zwischen den Platten abzudichten. Dann müssten Sie diese Dichtungen schleifen. Sehr zeitaufwändig und teuer und wahrscheinlich sowieso nicht stärker als Nieten.

Bedenken Sie auch, dass sich Flugzeuge während des Fluges ständig biegen. Dies wird verheerende Auswirkungen auf Schweißverbindungen haben und möglicherweise zu Rissen in einer dünnen Verbindung führen (was Hautverbindungen sein werden). Nieten sind viel freundlicher zu beweglichen Teilen, weil sie ein wenig nachgeben.

Normalerweise möchten Sie viel Oberfläche für die Schweißnaht, und mit einem dünnen Abschnitt ist es schwierig, dies zu erreichen. Aus diesem Grund wäre es eigentlich viel besser, die Haut zu löten oder zu löten, als sie zu schweißen.

Abgesehen davon ist es sehr gut möglich, ein Flugzeug in Schweißkonstruktion zu konstruieren, ähnlich wie bei einem Auto, das sogenannte "Punktschweißnähte" verwendet. Dies kann noch geschehen, aber die Flugzeugindustrie ist noch nicht so weit.

Auf der Suche nach Vergleichen zwischen Nieten und Schweißnähten bin ich auf diesen Thread gestoßen. Meine Neugier wurde geweckt, als ich „The night the Fitz ging unter“ / von Hugh E. Bishop in Zusammenarbeit mit Dudley Paquette las. Paquette (Kapitän der Wilfred Sykes, als die Edmund Fitzgerald unterging) kritisierte Schweißnähte in Schiffen, die seit einem Vergleich von Schweißnähten und Nieten fast zum Standard geworden sind, als die Marine versuchte, zu entscheiden, wie U-Boote gebaut werden sollten. Die Marine kam zu dem Schluss, dass Schweißnähte viel stärker waren als Nieten, also fingen sie an, U-Boote und danach so ziemlich alle großen Boote zu schweißen. Paquette traute ihnen nicht, weil ein großes Boot viel „funktioniert“ (biegt und verwindet), besonders in Stürmen, und Schweißnähte so starr sind, dass dort, wo sich ein genieteter Bereich mit dem Rest des Schiffes biegen würde, eine Schweißnaht richtig platzen würde offen.

Ich bin mir nicht ganz sicher, wie es auf Flugzeuge anwendbar ist, aber es zeigt, dass "Boote und Schiffe es tun" möglicherweise kein so starkes Argument ist, wie die Leute vielleicht denken.

In der Raffinerieindustrie; Schweißen ist nicht einfach, und das gilt für Stahl, der viel einfacher zu schweißen ist als Aluminium und Titan. Der ASME Boiler and Pressure Vessel Code hat einen ganzen Abschnitt (Abschnitt 5), der die Anforderungen und Bedingungen für das Schweißen von Raffineriestählen definiert. Eines der größten Probleme für jedes Metall ist die Wärmeeinflusszone (HAZ). Das Metall in der HAZ hat den gesamten Temperaturbereich vom Schmelzen bis zum Nichts erlebt. Bei Aluminium befinden sich das Schweißgut und ein Teil der HAZ im niedrigsten Festigkeitszustand . Ich werde mich kurz fassen. Um das Aluminium wieder auf Festigkeit zu bringen, müsste die gesamte geschweißte Struktur lösungsgeglüht (auf etwa 900 F erhitzt) und schnell abgekühlt werden (wie in Wasser). Dann bei etwa 300 F gealtert. Dies ist der übliche T 6 -Zustand. Betrachten Sie die Probleme, die gesamte Struktur im heißen Zustand zu stützen, und das Aluminium hat die Festigkeit von Käse. Und dann in Wasser abschrecken. Titan hat seine eigenen einzigartigen Schweißprobleme.

Wie andere angemerkt haben, liegt es an den Eigenschaften von Aluminium. Ich möchte hinzufügen, dass es gute Alternativen zur Verwendung von Aluminium gibt, aber die einzige, die sowohl hinsichtlich der Leistung als auch des Preises machbar ist, ist Magnesium.

Der raketengetriebene XP-79 von Northrop verwendete beispielsweise eine geschweißte Monocoque-Struktur aus Magnesium.