FSW von Militärfahrzeugen


Rührreibschweißen von Alumininumpanzerplatten

Friction stir welding of a 3 inch (75 mm) armoured aluminium plate.

Rührreibschweißen einer 75 mm dicken Aluminiumpanzerplatte[1]

   

© US Army

   


Das U.S. Army Research Laboratory, bekannt als ARL, ist eine von sieben Organisationen, die das U.S. Army Research, Development and Engineering Command bilden. Es hat seinen Sitz auf dem Aberdeen Proving Ground, Maryland, und bewertete 2013 unabhängig die Qualität von Rührreibschweißnähten, um sicherzustellen, dass die Anforderungen der Armee hinsichtlich ballistischem Schutzniveau, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit erfüllt werden.

   

Die militärischen Spezifikationen enthalten Mindestannahmewerte für ballistische, mechanische und chemische Eigenschaften für verschiedene Blechdicken von Panzerplatten. Die Analyse hat zu einem signifikanten Schutzvorteil geführt, da die Aluminiumlegierung AA 7017 im Vergleich zu der älteren AA 7039 zu geringerem Abplatzen auf der Innenseite führt. Eine Panzerplatte muss nicht nur das Projektil aufhalten, sondern auch die kinetische Energie abschwächen, um Personen oder ein Objekt zu schützen.[1]

      

The Army Materiel Command's top civilian John B. Nerger, Executive Deputy to the Commanding General of the Army Material Command, was shown the FSW machine at the Rock Island Arsenal Joint Manufacturing and Technology Center on 14 December 2012.

Der oberste Zivilist des Army Materiel Command, John B. Nerger, Executive Deputy to the Commanding General of the Army Material Command, ließ sich am 14. Dezember 2012 die FSW-Maschine im Rock Island Arsenal Joint Manufacturing and Technology Center zeigen.[2]

© US Army

   

RIA-JMTC Commander, Col. James O. Fly, demonstrates the flatness of FSWed plates to the Department of Army Inspector General, Lt. Gen. Peter M. Vangjel, during a visit to the Rock Island Arsenal Joint Manufacturing and Technology Center on 31 January 2013

Der Kommandant des RIA-JMTC, Oberst James O. Fly, demonstriert dem General­inspek­teur des Heeres, Generalleutnant Peter M. Vangjel, am 31. Januar 2013  wäh­rend eines Besuchs im Rock Island Arsenal Joint Manufactu­ring and Techno­logy Center die Ebenheit von FSW-Platten.[3]

© US Army
   


OSD-Finanzmittel werden verwendet, um ausgereifte Technologien oder Produkte zu testen und zu evaluieren, die die U.S. Army beschaffen möchte. Seit 1980 besteht die Aufgabe des Foreign Comparative Testing Program (FCT) der U.S. Army darin, "hier und jetzt" einsetzbare Lösungen zu finden und zu bewerten, die den betrieblichen Anforderungen entsprechen, unabhängig von der Herkunft dieser Technologie.

     

Wenn ein Projektil auf die Vorderseite der Platte trifft, sendet es eine Druckwelle durch die Platte. Die Druckwelle trifft auf die Rückseite der Platte und wird als Zugwelle reflektiert. Wenn die von der Welle entwickelten Zugspannungen höher sind als die Zugfestigkeit des Materials, bricht ein großes Stück des Materials, größer als das Kaliber des Projektils, ab. Auch wenn das Projektil in der Platte stecken geblieben ist, fliegt ein Stück Material mit Restenergie, das Schäden verursachen kann, in einem Prozess, der als Abplatzung oder Spallation bezeichnet wird, von der Rückseite ab.

   

Die Schweißbarkeit von Aluminiumlegierungen ist entscheidend, um die ballistische Leistung von leichten Militärfahrzeugen zu erreichen, da viele der Merkmale der Chemie und Wärmebehandlung einer Legierung, die zu einer verbesserten Festigkeit und ballistischem Schutz führen, typischerweise die Schweißbarkeit verschlechtern. Die Rührreibschweißnähte sind starken Beanspruchungen ausgesetzt, die bei einem ballistischen Aufprall oder einer Explosion noch verstärkt werden und viel mehr aushalten müssen als Schweißnähte im Alltag.

    

Die von ARL validierten Aluminiumlegierungen können für alle Arten von Fahrzeugen eingesetzt werden, je nach den tatsächlichen Anforderungen. Dazu gehören minenresistente, überfallgeschützte Fahrzeuge, allgemein bekannt als MRAPs, Humvees und leicht gepanzerte Fahrzeuge wie Mannschaftstransporter und das Bradley Fighting Vehicle.[1]

           

FSW-Maschinen für Militärpanzer

In der Stadt Rock Island, Michigan, wurde 2012 eine hochmoderne Rührreibschweißmaschine installiert, die in Zusammenarbeit mit H.F. Webster für militärische Anwendungen eingesetzt wird, in Betrieb genommen.[3]

    

Die U.S. Army und General Dynamics Land Systems installierten in ihrer Joint Systems Manufacturing Facility (JSMC) in Lima, Ohio, eine große FSW-Maschine in Portal­bauweise, um militärische Fahrzeug-Demonstrationsstrukturen aus Aluminium zu fertigen, die mit mehreren Stumpf- und Eckschweißgeometrien ausgelegt wurden. Die experimentelle Arbeit konzentrierte sich auf die Entwicklung von produktions­ge­rechten, einlagigen FSW-Parametern für Dicken von 12,7 bis 40,6 mm (0,5-1,6 Zoll) in den Aluminiumlegierungen 5083, 5059 und 2139.[4]

   

President Donald Trump inspects innova­tive military vehicles at JSMC in Lima, Ohio

Präsident Donald Trump inspiziert inno­va­ti­v gepanzerte Militärfahrzeuge im JSMC in Lima, Ohio

© Shealah Craighead, Official White House Photo


Friction Stir Welded Hull Prototype Designed by the Ground Vehicle Systems Center and Fabricated by Concurrent Technologies Corporation

Prototyp-Rumpf eines Alu-Panzers, der von Ground Vehicle Systems Center kon­stru­iert und von Concurrent Technologies Corporation FSW-geschweißt wurde.[11][12][13]

© U.S. Army Combat Capabilities Development Command (CCDC) Ground Vehicle Systems Center (GVSC)

   

Die Concurrent Technologies Corporation (CTC) hat einen Auftrag zur Herstellung und Prüfung eines "Friction Stir Welded Hull Manufacturing Prototype" erhalten und wird von September 2017 bis September 2022 mit dem U.S. Army Tank Automotive Research, Development and Engineering Center (TARDEC) in Warren, Michigan, zusammenarbei­ten, um Ermüdungs-, ballistische und andere Qualifikationstests an Rührreibschweiß­nähten durchzuführen. CTC verfügt über eine maßgeschneiderte FSW-Maschine, die Verfahrwege von 8 m in der x-Längsrichtung und 4 m in der z-Vertikalrichtung ermöglicht. Sie kann hochfeste Aluminiumbleche der 2000er Serie mit einer Dicke von bis zu 82,5 mm (3¼ Zoll) in einem einzigen Durchgang schweißen.[5][6]

 

High Mobility Artillery Rocket System (HIMARS)

Sogenannte 'Sponson Doors' des US-amerikanischen HIMARS-Raketenwerfers

Sogenannte 'Sponson Doors' des US-amerikanischen HIMARS-Raketenwerfers

© Andrew Kalwitz, U.S. Marine Corps

 

Die seitlichen Türen (Sponson Doors) des HIMARS-Raketenwerfers werden von Lockheed Martin in der Michoud Assembly Facility rührreibgeschweißt. Der zweite Sponson auf der Beifahrerseite enthält den Universal Launcher Interface Unit (HULIU) und der hintere Sponson auf der Beifahrerseite enthält die Universal Position and Navigation Unit (UPNU):[7]

 

• T-Stoß in der Aluminiumlegierung AA5052

• Türgröße: 600 x 1200mm [2' x 4’]

• Blechdicke: 2.5mm [0.100”]

• Blechdicke: 3.2mm [0.125”] 

• Ziel: Minimaler Verzug 

 

Bei einer Bewertung der Alltagstauglichkeit der Raketenwerfer hatten die Soldaten anfangs Bedenken  bezüglich des Designs der Sponson-Boxen geäußert: Sie hatten beobachtet, dass sich die Verriegelungen  selbst bei eingerasteter "Kampfverriegelung" (Combat Lock) gelegentlich lösten wenn das unzureichend gefederte Fahrzeug über unebenes Terrain fuhr. Außerdem wurde hervorgehoben, dass die Boxen anfangs schlecht abgedichtet waren, was dazu führte, dass die Ausrüstung der Besatzung von Raketenabgasen und Schmutz bedeckt wurde.[8]

    

"Slipper" für Container-Roll-Out-Platform (CROP)

Ingenieure des US-amerikanischen Materials and Manufacturing Directorate unterstützten ein im September 2002 er­folgreich abgeschlossenes Forschungs- und Entwick­lungsprojekt der Boeing Company, die den Zeit-, Personal-, Ausrüs­tungs- und Kostenaufwand der Armee für den Transport von Fracht in Transport­flugzeugen der Luftwaffe reduziert.[9][10]

   

Konventionelle Container Roll-Out Platform (CROP) der US Army

Konventionelle Container Roll-Out Platform (CROP) 

© AFRL

    


"Slipper" genanntes Container Interface Kit (CAIK) aus rühr­reib­ge­schweiß­ten Aluminium-Strangpressprofilen

"Slipper" genanntes Container Interface Kit (CAIK) aus rühr­reib­ge­schweiß­ten Aluminium-Strangpressprofilen

    

Konventionelle Container Roll Out Platform (CROP) aus Stahl auf dem rührreibgeschweißten Container Interface Kit (CAIK) aus Aluminium

Container Roll Out Platform (CROP) auf dem Container Interface Kit (CAIK)

   


Die US Army erwartete, dass das umgangssprachlich "Slipper" genannte neue Container Interface Kit (CAIK) für die bestehende Container-Roll-Out-Plattform (CROP) den Lufttransport und den Einsatz rationalisiert, die Einsatzbereitschaft verbessert und etwa 315 Millionen Dollar an Herstellungskosten spart. Die CAIK-Palette ist ein rührreibgeschweißtes Leichtbau-Aluminium-Sandwichpaneel, das die CROPs der US Army in den Führungsschienen der Transport­flug­zeuge der US Air Force verankert.[9][10]

   

Die Container Roll-Out Platform (CROP) passt in Standard-Seecontainer

Die Container Roll-Out Platform (CROP) passt in Standard-Seecontainer[11]

© US Army und US Government Accountabity Office

   


Die Techniker und Ingenieure des US-amerikanischen Materials and Manufacturing Directorate entwickelten bis September 2002 das Rührreibschweißverfahren für die Aluminiumlegierung, die für die Herstellung einer speziell entwickelten Palette verwendet wird, die die das Ein- und Ausladen der Standard-Frachtplattformen der Armee in Flugzeuge erleichtert und sie an ihrem Platz sichert, während das Flugzeug unterwegs ist.

   

Die Ingenieure des Materials and Manufacturing Directorate haben einen Großteil der Arbeit an dem neuen Schweißverfahren intern durchgeführt, einschließlich der Charakterisierung der Schweißnähte, der Bruch- und Ermüdungstests und -analysen sowie der Korrosionstests und -analysen. Der Schweißprozess für die Aluminiumlegierung war entscheidend für die Herstellung von CROP, der neuen Frachtschnittstellenpalette. Durch diese Bemühungen hatten die Ingenieure des Direktoriums einen großen Einfluss auf den Lufttransport und die schnelle Verlegung von US-Militärpersonal und -ausrüstung in die ganze Welt.[9][10]

   

Joint Systems Manufacturing Facility in Lima, Ohio

FSW in der Joint Systems Manufacturing Facility (JSMC) in Lima, Ohio, und Schweiß­nähte an der Unterseite des 'Military Vehicle Demonstrator' aus AA5059-Aluminium

FSW in der Joint Systems Manufacturing Facility (JSMC) in Lima, Ohio, und Schweiß­nähte an der Unterseite des 'Military Vehicle Demonstrator' aus AA5059-Aluminium   

© Brian Thompson (EWI), Kevin Doherty (U.S. ARL), Craig Niese (GDLS), Mike Eff, Tim

Stotler, Zak Pramann, John Seaman, Roger Spencer und Perry White (EWI), 2012

 

Das U.S. Army Research Laboratory, EWI und General Dynamics Land Systems (GDLS) stellte mit dem FSW-Verfahren mit der FSW-Maschine bei GDLS in Lima, Ohio, ein Versuchsfahrzeug aus Aluminium her und testete dies. Dafür wurden Produktions­parameter für das einlagige Rührreibschweißen für Dicken von 12,7 bis 40 mm (0,5 bis 1,6 Zoll) in den Aluminiumlegierungen 5083, 5059 und 2139 entwickelt.

   

Das Projekt beinhaltete die Entwicklung von Schweißverfahren, die die Anforderungen an ballistische Stöße erfüllen, die Verlängerung der Werkzeugstandzeit auf mehr als 12,7 m (500 Zoll) ohne Verlust der Schweißnahteigenschaften, und die Maximierung der Verfahrgeschwindigkeiten. Die Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT) wurde aufgrund ihrer Flexibilität, Tragbarkeit und Genauigkeit als primäre Prüfmethode ausgewählt.

   

Quellennachweise

  1. Dan Lafontaine (U.S. Army Research, Development and Engineering Command): Armor plates' ballistics protection scrutinized for Soldier safety. 5. Dezember 2013.
       
  2. Rhys Fullerlove (AMC): AMC top civilian sees new technology at Rock Island Arsenal-JMTC. 14. Dezember 2012.
       
  3. Rhys Fullerlove (AMC): Department of Army Inspector General sees new technology at Rock Island Arsenal-JMTC. 31. Januar 2013.
       
  4. Brian Thompson, Mike Eff, Tim Stotler, Zak Pramann, John Seaman, Roger Spencer, Perry White (all EWI), Kevin Doherty (Weapons and Materials Research Directorate, ARL) and Craig Niese (General Dynamics Land Systems): Friction Stir Welding of Thick Section Aluminum for Military Vehicle Applications. Army Research Laboratory Aberdeen Proving Ground, MD 21005-5069 ARL-RP-417, Dezember 2012.
       
  5. Dylan Malyasov: U.S. Army mysterious combat vehicle spotted during shipping to Alaska. 10.-15. November 2019.
       
  6. Victor Burguess: Investigating Friction Stir Welding in Aluminum Hull Structures. DSIAC Journal, Sommer 2019, Band 6, Nummer 3.
       
  7. Quizlet: HIMARS.
       
  8. Charles L. Hernandez: Human Factors Evaluation of the High Mobility Artillery Rocket System (HIMARS) in the Combined HIMARS Guided Multiple Launch Rocket System (GMLRS) Initial Operational Test. ARL-TR-4112. Mai 2007.
       
  9. Aluminum Alloy Welding Process Helps Army Streamline Airlift Operations.
        
  10. ARFL Monthly Accomplishment Report Executive, September 2002 (cleared for public release, external agency involved/affected): Aluminum Alloy Welding Process Helps Army Streamline Airlift Operations (in der gekürzten Version wird die "Container Roll-out Platform (CROP) Aircraft Interface Kit (CAIK)" verwirrenderweise "Container Roll-Out Platform (CROP)" genannt.
       
  11. Victor Burguess: Investigating Friction Stir Welding in Aluminum Hull Structures. 2 November 2019.
      
  12. Victor Burguess: Investigation in Friction Stir Welded Aluminum Alloy 2139-T8 for Hull Structure Applications, 2019.
       
  13. Concurrent Technologies Corporation Wins Competitively Bid Contract to Support the U.S. Army with Manufacturing of Ground Combat Vehicle Prototype Hulls.

  14. Brian Thompson (EWI) Kevin Doherty (U.S. Army Research Laboratory), Craig Niese (General Dynamics Land Systems, GDLS), Mike Eff, Tim Stotler, Zak Pramann, John Seaman, Roger Spencer and Perry White (EWI): Friction Stir Welding of Thick Section Aluminum for Military Vehicle Applications. Dezember 2012. Nachdruck eines beim 9th International Symposium on Friction Stir Welding (9ISFSW), Huntsville, Alabama, 15.–17. Mai 2012 vorgetragenen Manuskripts.