BR112014023528B1 - método para produzir um êmbolo de alumínio para um motor de combustão interna e êmbolo de alumínio para um motor de combustão interna - Google Patents
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Abstract
resumo patente de invenção: "método para produzir um êmbolo de alumínio". a presente invenção refere-se a um método para produzir um êmbolo de alumínio (1) para um motor de combustão interna, dito êmbolo de alumínio seno submetido a um tratamento de soldagem pelo menos na área de uma borda de tigela (4) e/ou na área de uma base de tigela (3) a fim de introduzir pelo menos um elemento adicional em um material de base do êmbolo de alumínio (1) e a fim de gerar fases intermetálicas (6). é essencial para a invenção que pelo menos um dos seguintes elementos adicionais seja introduzido na concentração especificada por meio do método de soldagem: 1 a 7%.p de ni, 1 a 15%.p de cu e 0,5-5%.p de fe. fases intermetálicas (6) especialmente finas e formadas vantajosamente podem assim ser produzidas, cujas fases intermetálicas contribuem para o aumento na resistência termomecânica do êmbolo de alumínio (1).
Description
(54) Título: MÉTODO PARA PRODUZIR UM ÊMBOLO DE ALUMÍNIO PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA E ÊMBOLO DE ALUMÍNIO PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA (51) Int.CI.: B23K 9/04; B23K 35/28; B23K 10/02; B23P 15/10; B23K 26/34; C23C 4/00; C23C 4/04; F02B 23/06; F02F 3/14; F02F 3/26 (30) Prioridade Unionista: 28/03/2012 DE 10 2012 204 947.9 (73) Titular(es): MAHLE INTERNATIONAL GMBH (72) Inventor(es): KARLHEINZ BING; THOMAS HACKH; FRANK SCHNAITER (85) Data do Início da Fase Nacional: 23/09/2014
1/10
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO PARA PRODUZIR UM ÊMBOLO DE ALUMÍNIO PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA E ÊMBOLO DE ALUMÍNIO PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA.
[001] A presente invenção refere-se a um método para produzir um êmbolo de alumínio para um motor de combustão interna, dito êmbolo de alumínio sendo submetido a um tratamento de soldagem pelo menos na área de uma borda de tigela e/ou de uma base de tigela. A invenção também se refere a um êmbolo de alumínio produzido usando tal método.
[002] A refusão de êmbolos de alumínio na região de tigela é um meio possível de aumentar significativamente a resistência e, portanto, também a vida útil em serviço, do êmbolo de alumínio. Tais processos de refusão são limitados, no entanto, porque em particular no caso de êmbolos submetidos à alta tensão térmica mostrou-se que um grau macroscopicamente visível de dano de superfície pode ser produzido na região do feixe focalizado. Exame microscópico revela que o dano é devido à fadiga termomecânica, ao rompimento ocorrendo primeiramente no limite de fase entre silício primário e a matriz de alumínio. O dano é atribuído a duas causas. A primeira é que o limite de fase de silício primário/ matriz de alumínio representa um ponto fraco em termos da resistência do material, que é exacerbada pelos coeficientes de expansão térmica diferentes das duas fases. Em segundo lugar, as temperaturas altas levam a uma deformação e degradação do esqueleto de silício, resultando em uma redução local da resistência da liga e por último produzindo rompimento devido à troca de temperatura mais provável. A fim de obter uma resistência como possível ao rompimento mecânico, é, portanto, desejável impedir este efeito, ou pelo menos aliviar o mesmo.
[003] EP 1 386 687 B1 divulga um método do tipo genérico para
Petição 870180057558, de 03/07/2018, pág. 5/22
2/10 produzir um êmbolo de alumínio, em que o tratamento de soldagem é realizado usando um método de soldagem de arco e depois do tratamento com soldagem o êmbolo é resfriado a uma taxa de 100-1.000 K/s. Verificou-se que o aumento da taxa de resfriamento resulta em um aumento na finura das partículas de cristalização na fusão. No geral, com o método conhecido uma resistência melhorada à fadiga térmica é obtida.
[004] DE 10 2005 034 905 A1 divulga um método adicional para produzir um êmbolo para um motor de combustão interna, em que pelo menos uma área da tigela da câmara de combustão compreendendo pelo menos uma base de tigela é tratada com soldagem, a fim de refundir um material na área de tratamento de soldagem, que significa que um acúmulo do material na área de tratamento de soldagem pode ser controlado em uma camada com uma profundidade especificável. [005] Outros métodos para produzir um êmbolo são conhecidos tanto de DE 199 02 864 A1 como de DE 691 02 313 T2.
[006] DE 600 22 845 T2 também divulga um método para reforçar um êmbolo de alumínio de um motor de combustão interna, o método compreendendo uma etapa de aplicar uma liga contendo cobre e níquel fundindo em pelo menos uma seção da borda ou do perímetro da tigela da câmara de combustão.
[007] Sabe-se bem que a resistência de ligas de êmbolo AlSi é aumentada pela adição de cobre, níquel, ferro, magnésio e outros elementos e a formação resultante de fases intermetálicas. Proporções mais altas destes elementos de formação de liga também levam a resistências mais altas. Sob tensão termomecânica um aumento na resistência representa uma minimização da deformação de plástico cíclica, que significa que sob tensão termomecânica tal material deforma em um modo mais altamente elástico e menos plástico, que é benéfico para a vida útil. O aumento nos elementos de formação de liga é subPetição 870180057558, de 03/07/2018, pág. 6/22
3/10 metido a limites, no entanto, porque em particular com quantidades crescentes dos elementos de formação de liga Ni, Cu e Fe, fases intermetálicas são formadas que tendem a ser grandes ou ter a forma de agulhas grosseiras ou farpas. Estas têm um efeito prejudicial, porque um comportamento de material quebradiço é obtido e a durabilidade é assim grandemente reduzida. Isto nega a vantagem acima mencionada, ou dependendo da composição da liga, pode até tornar a situação pior. Para uma durabilidade adequada da liga, no entanto, é absolutamente necessário gerar as fases intermetálicas na estrutura em um modo como finamente dispersas como possível. Uma solução conhecida para este problema é aumentar a taxa de solidificação, uma vez que a uma taxa de solidificação mais alta as fases intermetálicas têm menos tempo para crescer e, deste modo, desenvolvem uma estrutura mais fina. Nos processos de fundição de matriz sob gravidade, usados para produção de êmbolo, no entanto, as taxas de solidificação somente podem ser aumentadas dentro de limites que são comumente fixados tão baixos que as taxas de solidificação tecnicamente viáveis não são adequadas para produzir uma estrutura suficientemente fina com proporções mais altas de cobre, níquel ou ferro sem permitir que fases intermetálicas grosseiras se desenvolvam. Para evitar este problema, portanto, em particular no caso de êmbolos de alumínio as ligas desejadas são produzidas por métodos de soldagem locais. De grande vantagem no presente documento é que, devido ao êmbolo de alumínio, que age como um coletor de calor, o calor do banho de fusão relativamente pequeno pode ser dissipado extremamente rapidamente, que resulta na formação de fases intermetálicas notavelmente mais finas. No entanto, na prática é mostrado que, embora em geral uma finura aumentada das fases intermetálicas seja obtida, isto é combinado com dois efeitos adversos. Primeiramente, ocorrências isoladas de fases intermetálicas duras em grande escala são geradas, que em virPetição 870180057558, de 03/07/2018, pág. 7/22
4/10 tude de seu tamanho devem ser consideradas como muito desvantajosas. Em segundo lugar, fases intermetálicas semelhantes a farpas muito grandes formam-se em números crescentes, e estas são, portanto, altamente indesejáveis. Os fatores que levam à formação das microestruturas do material dependem, entre outras coisas, do aditivo, de sua concentração e distribuição no banho de fusão, do material de base, do nível de entrada de energia, do método de soldagem usado etc.
[008] A presente invenção, assim preocupa-se com o problema de superar as desvantagens conhecidas da técnica anterior e, em particular, em reduzir grandemente ou eliminar completamente fases intermetálicas semelhantes a farpas ou semelhantes a agulhas grosseiras em grande escala, e assim obter uma resistência à fadiga térmica nas áreas tratadas.
[009] Este problema é resolvido de acordo com a invenção.
[0010] A presente invenção é baseada na ideia geral de que para produzir um êmbolo de alumínio conhecido para um motor de combustão interna, dito êmbolo é submetido a um tratamento de soldagem pelo menos na área de uma borda de tigela e/ou base de tigela a fim de introduzir pelo menos um elemento adicional em um material de base do êmbolo de alumínio e gerar fases intermetálicas, uma seleção particular do elemento adicional ou materiais aditivos deve ser feita e, preferivelmente, a fim de introduzir dito elemento adicional, um processo de soldagem com uma relação predefinida de energia de arco por unidade de comprimento para soldar área de penetração E/A deve ser usado. De acordo com a invenção, usando o processo de soldagem pelo menos um dos seguintes elementos adicionais é introduzido na concentração especificada, a saber, 1,7%.p de Ni, 1-15%.p de Cu e/ou
1-5%.p de Fe. Além disso, no método de acordo com a invenção um dos seguintes processos de soldagem pode ser usado, soldagem de
Petição 870180057558, de 03/07/2018, pág. 8/22
5/10 arco tal como soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) com E/A = 7-17 J/mm3 ou soldagem de placas (WP) com E/A = 6-16 J/mm3, soldagem com feixe de laser com E/A = 80-90 J/mm3 ou soldagem com feixe de elétron com E/A = 5-15 J/mm3. Perdas de eficácia dos métodos de soldagem mencionados, por exemplo, devido à radiação de calor, reflexão, etc., não são levadas em consideração. Em particular, devido à combinação dos métodos de soldagem acima mencionados com a energia de arco/relação de área de penetração de solda correspondente E/A e os elementos adicionais acima mencionados e a concentração correspondente, uma microestrutura pode ser formada em que as fases intermetálicas respectivas têm idealmente uma extensão longitudinal máxima de L < 50 mícrons, e são, portanto, muito finamente estruturadas.
[0011] Alternativamente, para introduzir os elementos adicionais ou materiais aditivos um método de soldagem com uma energia de arco definida E (J/mm) por unidade de comprimento pode ser usado, caso em que o elemento deve ser preferivelmente pré-aquecido. De acordo com a invenção usando o processo de soldagem pelo menos um dos seguintes elementos adicionais é introduzido na concentração especificada, a saber, 1-7%.p de Ni, 1-15%.p de Cu e/ou 0,5-5%.p de Fe. Em uma modalidade mais preferida o metal aditivo pode conter 0,5-1%.p de Fe.
[0012] Além disso, no método de acordo com a invenção um dos seguintes processos de soldagem pode ser usado, um método de soldagem de arco tal como soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) com E = 150-450 J/mm, ou soldagem com plasma (WP) com E = 250700 J/mm, soldagem com feixe de laser com E = 100-400 J/mm ou soldagem com feixe de elétron com E = 500-900 J/mm, onde o elemento deve ser preferivelmente pré-aquecido a uma temperatura entre 100-300oC. Em particular, pela combinação dos métodos de soldagem
Petição 870180057558, de 03/07/2018, pág. 9/22
6/10 acima mencionados com a determinada energia de arco por unidade de comprimento, o pré-aquecimento e os determinados elementos adicionais e a concentração associada uma microestrutura pode ser estabelecida em que as respectivas fases intermetálicas têm idealmente uma extensão longitudinal máxima de L < 50 mícrons e são, portanto, muito finamente estruturadas.
[0013] Em geral, a prevenção dos efeitos negativos conhecidos da técnica anterior foi ligada a numerosos parâmetros de processo que interagem um com o outro em graus diferentes. De tudo foi mais surpreendente que, apesar das relações complexas acima, uma janela de processamento pode ser determinada permitindo que uma estrutura com fases intermetálicas finamente distribuídas seja gerada e que também não contenham as fases intermetálicas semelhante a agulha, semelhantes a farpas ou de área grande grosseiras. Devido à ausência de tais fases intermetálicas grosseiras, quando a resistência inerente é aumentada a durabilidade não é especialmente adversamente afetada também. Sob o carregamento em alta temperatura, as fases intermetálicas finamente distribuídas ajudam a suportar as partículas de silício primárias desenvolvendo-se no molde e, portanto, estabilizam o esqueleto de silício.
[0014] Em uma extensão vantajosa as concentrações dos elementos adicionais usando o processo de soldagem de acordo com a invenção são 2-7%.p para Ni, 3-15%.p para Cu e 1-5%.p ou 0,5-5%.p para Fe. Esta é outra restrição das concentrações dos elementos adicionais individuais descritos no parágrafo anterior, que significa que outro aumento na resistência pode ser obtido. Naturalmente, é totalmente óbvio que os elementos acima mencionados, como níquel, cobre e ferro, podem ser adicionados não somente em combinação, mas também individualmente na respectiva concentração.
[0015] Em uma extensão vantajosa do método de acordo com a
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7/10 invenção, um material de base é usado para o êmbolo de alumínio com a seguinte composição: Al 60-90%.p, Si 8-20%.p, Cu 2-6%.p, Ni
1-4%.p e Mg 0,2-2%.p. Particularmente, preferivelmente, os elementos são limitados como a seguir: Al 75-85%.p, Si 10-13%.p, Cu 3,5-5%.p, Ni 1,5-2,5%.p e Mg 0,5-1,5%.p. Além disso, o material de base pode naturalmente conter outras proporções pequenas de ferro, manganês, titânio, zircônio, cálcio, estrôncio, sódio, fósforo ou vanádio, em particular na forma de elementos traços, mas também adicionados em um modo seletivo. Em particular, tal liga de alumínio é particularmente resistente às altas forças térmicas e mecânicas que ocorrem na operação de motores de combustão interna, em particular em motores diesel.
[0016] Outros aspectos e vantagens chaves da invenção seguem a partir do desenho e a partir da descrição associada das Figuras baseadas no desenho.
[0017] É entendido que os aspectos acima mencionados e os ainda a ser explicados depois podem ser aplicados não somente na combinação especificada correspondente, mas também em outras combinações, ou em isolamento sem sair do escopo da presente invenção. [0018] Uma modalidade exemplar preferida da invenção é mostrada no desenho e é explicada em mais detalhe na seguinte descrição. [0019] A Figura 1 única mostra uma introdução de elementos adicionais dentro de uma borda de tigela de um êmbolo usando o método de acordo com a invenção.
[0020] De acordo com a Figura 1, um êmbolo de alumínio 1 que é produzido por meio de um método de acordo com a invenção tem uma tigela 2, confrontando uma câmara de combustão não mostrada em detalhe, com uma base de tigela 3 e uma borda de tigela 4. Em torno da circunferência, ranhuras anulares 5 são providas de um modo conhecido para receber anéis de êmbolo, não mostrados.
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8/10 [0021] A fim de produzir agora o êmbolo de alumínio 1 mais resistente, em particular em áreas sob alta tensão térmica e mecânica, a saber, na região da base de tigela 3 e/ou da borda de tigela 4, pelo menos um elemento adicional é introduzido em um material de base do êmbolo de alumínio 1 por meio de um método de acordo com a invenção, a fim de produzir fases intermetálicas 6. Com o método de soldagem de acordo com a invenção pelo menos um dos seguintes elementos adicionais é introduzido na borda de tigela 4 e/ou na base de tigela 3 na concentração especificada, a saber, 1-7%.p de Ni, 115%.p de Cu e 1-5%.p de F. A concentração de Ni é preferivelmente limitada a 2-7%.p e a concentração de Cu a 3-15%.p. Também, como o método de soldagem um dos seguintes métodos de soldagem com a energia de arco especificada/relação de área de penetração de solda E/A (J/mm3) é usado: soldagem de arco, tal como soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) com E/A = 7-17 J/mm3, ou soldagem com plasma (WP) com E/A = 6-16 J/mm3, soldagem com feixe de laser com E/A = 80-90 J/mm3 ou soldagem com feixe de elétron com E/A = 5-15 J/mm3.
[0022] Em outra modalidade, pelo menos um dos seguintes elementos adicionais é introduzido na borda de tigela 4 e/ou na base de tigela 3 na concentração especificada usando o método de soldagem de acordo com a invenção, a saber, 1-7%.p de Ni, 1-15%.p de Cu e 0,5-5%.p de Fe. A concentração de Ni é preferivelmente limitada a 27%.p e a concentração de Cu a 3-15%.p. Também, como o método de soldagem um dos seguintes métodos de soldagem com a energia de arco especificada/ relação de área de penetração de solda E/A (J/mm3) é usado: soldagem de arco, tal como soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) com E/A = 150-450 J/mm3, ou soldagem com plasma (WP) com E/A = 250-700 J/mm3, soldagem com feixe de laser com E/A = 100-400 J/mm3 ou soldagem com feixe de elétron com E/A
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9/10 = 500-900 J/mm3.
[0023] Deve ser adicionado no presente documento que os elementos adicionais podem ser introduzidos dentro da base de tigela 3 ou da borda de tigela 4 não somente na combinação especificada, mas também em isolamento na respectiva concentração indicada. [0024] Por meio do método de soldagem de acordo com a invenção, tendo em conta as concentrações dos elementos adicionais indicados e levando em conta os tipos de métodos de soldagem, as fases intermetálicas 6 podem ser produzidas idealmente com uma extensão longitudinal máxima de L < 50 mícrons, que significa que as fases intermetálicas são no geral muito finamente estruturadas, e em particular fases semelhantes a agulha ou de farpas grosseiras podem, deste modo, ser impedidas. Devido à ausência das características estruturais grosseiras, tais como fases semelhantes a agulha grosseiras, com o comprimento inerente aumentado a durabilidade não é afetada adversamente, e assim em altas temperaturas as fases intermetálicas 6 finamente distribuídas ajudam a suportar as partículas de silício primárias desenvolvendo-se no molde e, portanto, também para estabilizar o esqueleto de silício.
[0025] O material de base usado para o êmbolo de alumínio 1 pode ter uma composição com 60-90%.p de Al, 8-20%.p de Si, 2-6%.p de Cu, 1-4%.p de Ni e 0,2-2%.p de Mg. É preferível se os componentes de Al são limitados a 75-85%.p, os componentes de Si a 10-13%.p, os componentes de Cu a 3,5-5%.p, os componentes de Ni a 1,52,5%.p e os componentes de Mg a 0,5-1,5%.p. O material de base do êmbolo de alumínio 1 pode, naturalmente, ser suplementado por outros elementos tanto na forma de elementos traços, ou também adicionado em uma forma objetivada, tais como Fe, Mn, Ti, Zr, Ca, Sr, Na, P e/ou V, cada um a uma concentração de < 1%.p. Os elementos adicionais Ni, Cu e/ou Fe podem ser adicionados diretamente à poça fundiPetição 870180057558, de 03/07/2018, pág. 13/22
10/10 da, por exemplo, na forma de um pó ou um arame, durante o processo de soldagem, em que os elementos adicionais podem naturalmente ser aplicados ao material de base do êmbolo de alumínio 1 antes do processo de soldagem por si mesmo usando pulverização térmica, pulverização de gás frio, chapa, pasta, deposição galvânica ou química.
[0026] Com o método de soldagem de acordo com a invenção e os parâmetros de soldagem ou elementos adicionais usados neste método, fases intermetálicas 6 particularmente finas podem ser geradas, enquanto em particular fases semelhantes a agulha ou semelhantes a farpa grosseiras podem ser impedidas, permitindo a durabilidade de um êmbolo de alumínio 1 produzido de modo a ser aumentado significativamente.
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Claims (12)
- REIVINDICAÇÕES1. Método para produzir um êmbolo de alumínio (1) para um motor de combustão interna, onde o dito êmbolo de alumínio é submetido a um tratamento de soldagem pelo menos na área de uma borda de tigela (4) e/ou uma base de tigela (3) para introduzir pelo menos um elemento adicional dentro de um material de base do êmbolo de alumínio (1) e para produzir fases intermetálicas (6), caracterizado pelo fato de que por meio do método de soldagem pelo menos um dos seguintes elementos adicionais é introduzido na concentração especificada, 1-7%.p de Ni, 1-15%.p de Cu e 0,5-5%/p de Fe; e um dos seguintes métodos de soldagem com relação especificada de entrada de energia de arco por unidade de comprimento/área de penetração de solda E/A (J/mm3) é usado como o método de soldagem: soldagem de arco, tal como soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) com E/A = 7-17 J/mm3, ou soldagem com plasma (WP) com E/A = 6-16 J/mm3, soldagem com feixe de laser com E/A = 80-90 J/mm3 ou soldagem com feixe de elétron com E/A = 5-15 J/mm3; ou um dos seguintes métodos é usado como o processo de soldagem com a entrada de energia especificada por unidade de comprimento E (J/mm), soldagem de arco, tal como soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) com E = 150-450 J/mm, ou soldagem com plasma (WP) com E = 250-700 J/mm, soldagem com feixe de laser com E = 100-400 J/mm ou soldagem com feixe de elétron com E = 500-900 J/mm, em que os componentes devem ser preferivelmente pré-aquecidos a uma temperatura acima da temperatura ambiente, e especificamente idealmente na faixa de 100 a 300oC.
- 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que por meio do método de soldagem pelo menos um dos seguintes elementos adicionais é introduzido na concentração especiPetição 870180057558, de 03/07/2018, pág. 15/222/3 ficada, 1-7%.p de Ni, 1-15%.p de Cu e 1-5%.p de Fe.
- 3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que por meio do método de soldagem pelo menos um dos seguintes elementos adicionais é introduzido na concentração especificada, 2-7%.p de Ni, 3-15%.p de Cu e 1-5%.p de Fe.
- 4. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que por meio do método de soldagem pelo menos um dos seguintes elementos adicionais é introduzido na concentração especificada, 2-7%.p de Ni, 3-15%.p de Cu e 0,5-1%.p de Fe.
- 5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que por meio do método de soldagem fases intermetálicas (6) com uma extensão longitudinal máxima de L < 50 mícrons são produzidas.
- 6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que para o êmbolo de alumínio (1) um material de base com a seguinte composição é usado, Al 60-90%.p, Si 8-20%.p, Cu 2-6%/p, Ni 1-4%.p e Mg 0,2-2%.p.
- 7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que para o êmbolo de alumínio (1) um material de base com a seguinte composição é usado, Al 75-85%.p, Si 10-13%.p, Cu 3,5-5%.p, Ni 1,5-2,5%.p e Mg 0,5-1,5%.p.
- 8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o material de base do êmbolo de alumínio (1) é suplementado por pelo menos um dos elementos adicionais, cada um a uma concentração de < 1%.p, Fe, Mn, Ti, Zr, V, Ca, Sr, Na, P.
- 9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um elemento adicional é adicionado diretamente à poça fundida na forma de um pó ou um arame durante o processo de soldagem.Petição 870180057558, de 03/07/2018, pág. 16/223/3
- 10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um elemento adicional é aplicado ao material de base antes do processo de soldagem por si mesmo usando pulverização térmica, pulverização de gás frio, chapa, pasta, deposição galvânica ou deposição química.
- 11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que soldagem com gás inerte de metal, soldagem híbrida de pó de plasma de laser ou soldagem híbrida MIG de laser é usada como o método de soldagem.
- 12. Êmbolo de alumínio (1) para um motor de combustão interna, caracterizado pelo fato de ser submetido a um método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, pelo menos na área de uma borda de tigela (4) e/ou um base de tigela (3).Petição 870180057558, de 03/07/2018, pág. 17/221/1 ·>,,
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