Verfahren zum Herstellen mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen und nach dem Verfahren hergestellter Kolben Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen mehrteiliger Kolben, insbesondere für thermisch hochbeanspruchte Brennkraftmaschinen.
Die Herstellung mehrteiliger Kolben ist an sich bekannt, ebenso ist bekannt, die einzelnen Teile eines mehrteiligen Kolbens mechanisch durch Schrauben oder Schrumpfung oder durch Stumpfschweissung oder eine andere Schweissmethode miteinander zu verbinden. Diese Lösungen halben jedoch nicht be friedigt. Bei der mechanischen Verbindung durch Schrauben und beim Aufschrumpfen besteht die Ge fahr, dass sich die Teile lösen. Beim Stumpfschweis- sen ist man an bestimmte Formen. und Abmessungen gebunden, und ausserdem lassen sich nur wenige Legierungen einwandfrei stumpfschweissen.
Zudem wird der Werkstoff an der Schweisstelle stark über hitzt und dadurch seine Eigenschaften, je nach Legie rung, zum Teil unzulässig verändert bzw. verschlech tert. Es ist auch schwierig bzw. kaum möglich, die Qualität der Schweissung zerstörungsfrei zu kontrol lieren.
Andere Schweissverfahren, zum Beispiel Auto- genschweissung, Schutzgasschweissung oder elektri sche Lichtbogenschweissung haben noch grössere Nachteile. Bei der Autogenschweissung werden grosse Gebiete der Schweissnaht überhitzt und der Werkstoff dadurch in seinen Eigenschaften, je nach Legierung, unzulässig verschlechtert, insbesondere das Verformungsvermögen wird beeinträchtigt bzw. der Werkstoff versprödet.
Ausserdem treten starke Deformationen auf, und es besteht auch die Ein schränkung, dass nicht jeder in, Frage kommende Werkstoff einwandfrei autogen geschweisst werden kann. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei der elektri schen Lichtbogenschweissung und bei der Schutzgas- schweissung. Diel Wärmezufuhr ist etwas geringer als bei der Autogenschweissung, aber in vielen Fällen immer noch unzulässig hoch, so dass. die bei der Autogenschweissung erwähnten Mängel ebenfalls in Erscheinung treten.
Alle diese Nachteile lassen sich durch das erfin- dungsgemässe Verfahren beheben. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass man nach dem Zusammenbau der einzelnen Kolbenteile den Kolben in eine Hoch vakuumkammer bringt, ihn an die Anode einer Hochspannungsquelle anschliesst und die einzelnen Teile von einer gegenüberliegenden Kathode durch einen gebündelten, gerichteten Kathodenstrahl durch Elektronenstrahlschweissung miteinander verbindet.
Die Erfindung betrifft ferner einen nach dem Verfahren hergestellten Kolben. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kolbenkörper, beste hend aus Kolbenboden, Kolbenschaft und Bolzen augen, mindestens ein über die Ringpartie geschobe nes Stück vorhanden ist, welches durch Elektronen- strahlschweissung mit dem Kolbenkörper verbunden ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren und Ausfüh rungsbeispiele von erfindungsgemässen Kolben wer den anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 und 2 Längsschnitte durch Dieselmotor kolben mit durch Elektronenstrahlschweissung mit dem Kolbenkörper verbundenen Koibenringträgerl ringen,
Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil eines Kol bens mit einer Tiefschweissnaht in vergrösserter Dar stellung und Fig. 4 in schematischer Darstellung eine Vorrich tung zur Durchführung des Verfahrens in schemati scher Darstellung.
Während für die meisten in der Praxis vorkom menden Schweissungen das an sich bekannte Elek- tronenstrahlschweissverfahren ausscheidet bzw. zu umständlich und infolge des Auftretens von Röntgen strahlen auch zu gefährlich ist, handelt es sich für die Herstellung von mehrteiligen Kolben um eine neuar tige Erkenntnis., die gestattet, in idealer Weise die bisherigen Schwierigkeiten zu vermeiden.
In den Fig. 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele der oberen Hälften von mehrteiligen Kolben darge stellt, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren. hergestellt sind. In den beiden Figuren sind die bei den Kolbenhälften anders ausgebildet, so dass insge samt vier verschiedene Ausführungsbeispiele darge stellt sind. Die Kolben besitzen einen Kolbenkörper 2, der in bekannter Weise einen Kolbenboden 2a, einen Kolbenschaft 2b und Bolzenaugen 2c umfasst. Im Bereiche des Kolbenbodens ist ein Ring 3, der als Kolbenringträger dient, durch Schweissnähte 1a und 1b mit dem Kolben verbunden.
Das Verschweissen des Ringes 3 mit dem Kolben geschieht in einer in Fig. 4 schematisch dargestellten Hochvakuumkammer 11. An diese sind eine Flügel radpumpe 14 und eine Öldampfpumpe 15 ange schlossen. Der zu schweissende Kolben 10 wird mit aufgesetztem Ring 3 durch eine Schleuse 16 in die Kammer 11 eingebracht und auf einen Halter 17 ge- setzt, der mittels eines Motors 18 in Rotation versetzt werden kann. Durch einen weiteren Motor 19 lässt sich der Halter 17 axial, d. h. in der Höhe verstellen.
Der Halter 17 ist an die Anode einer Hochspan nungsquelle 12 von beispielsweise 100-150 kV an geschlossen. Gegenüber dem Halter. 17 mit dem Kol ben 10 ist eine an die Hochspannungsquelle 12 ange schlossene Kathode mit Strahlbündler 13 angeordnet. Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung dient zum Schweissen der Naht la auf der Stirnseite des Kol bens.
Die Schweissung wird bei einem Vakuum von beispielsweise 10-4 bis 10-9 Torr durch einen ge bündelten, gerichteten Kathodenstrahl unter gleich zeitiger Drehung des Halters 17 durchgeführt. Für die Schweissung der Naht 1b auf der Mantelfläche des Kolbens wird eine gleiche Vorrichtung mit einem in Fig. 4a dargestellten Halter, 17a verwendet, in der mittels eines Motors 20 der liegend eingespannte Kolben 10 um seine Hauptachse gedreht werden kann.
Durch die Elektronenstrahlschweissung im Hoch vakuum werden alle schädlichen Einflüsse durch Oxydation, Gasaufnahme und andere chemische Ein wirkungen vollständig vermieden; es braucht auch keine Flussmittel. Man erhält eine absolut reine Schweissung, frei von allen Verunreinigungen. Das feine Elektronenstrahlbündel als Ladungsträgerstrahl aus elektrisch geladenen Atomteilchen ermöglicht eine bisher nicht gekannte Leistungskonzentration auf kleinstem Raum. Die Energie ist örtlich scharf lokalisiert und ergibt eine genau trägheitslos regulier bare Schweissung von sehr geringer Nahtbreite, die in der Regel auch bei mehreren Zentimetern Tiefe nur ca. 1 mm beträgt.
Dabei wird nur ein sehr kleines Gebiet in der Naht verflüssigt, das sehr schnell wie der erstarrt. Die Elektronenstrahlen besitzen eine aussergewöhnliche Stabilität als Träger elektrischer La dung sowie eine verschwindend kleine Masse. Sie wei sen bequeme Erzeugungs- und Beschleunigungsmög lichkeiten auf, bei einem sehr hohen Wirkungsgrad, wobei etwa 99 % der Strahlung beim Auftreffen in Wärme umgesetzt werden. Dadurch wird eine über hitzung des Kolbenwerkstoffes weitgehend vermie den. Die Absorption der Energie erfolgt ohne Zeit verlust bis etwa 1000 Mal schneller als die Ausbrei tung der Wärme durch Leitung.
Die Schweissnaht weist infolge der raschen Erstarrung und der dadurch bedingten, feinkörnigen Kristallisation sehr gute mechanische Eigenschaften auf. Bei bestimmter gros- ser Leistungsdichte- dringt der Elektronenstrahl als schmaler Kanal in die Naht, gibt seitlich seine Energie ab, und es entsteht örtlich ein feiner, geschmolzener, spitzkeilförmiger Kanal (vgl. Fig. 3).
Das Gefüge des Grundmaterials bleibt praktisch un- verändert, abgesehen von der sehr schmalen, ther misch beeinflussten Übergangszone. Schrumpfung und Verzug fallen praktisch ausser Betracht, so dass eine Schweissung in weitgehend bearbeitetem Zu stand des Kolbens möglich ist. Man kann sowohl bei konstantem Strom als auch mit Impulsen arbeiten, letzteres, um die Erwärmung noch geringer zu halten. Die Durchschweissung lässt sich genau einstellen, so dass Gewähr für einwandfreie Durchschweissung vorhanden ist.
Infolge der Eigenart des Elektronen- strahles und seiner hohen Leistungsdichte bei klein sten Auftreff-Querschnitten spielen Querschnittsun terschiede keine Ralle, d. h. es lassen sich dünne und dicke Querschnitte ohne Schwierigkeit zusammen- schweissen. Es (besteht eine weitgehende Beeinfluss barkeit des thermischen Vorganges für den günstig sten Ablauf der Schweissung. Auch die Eigenschaften der zu verschweissenden Werkstoffe sind nicht mehr ausschlaggebend; im Gegenteil, es lassen sich z. B.
ganz verschiedene Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften einwandfrei miteinander verschweis- sen. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht auch darin, dass nach den üblichen Schweissverfah- ren nicht einwandfrei schweissbare Legierungen, z. B. übereutektische Al-Si-Kolbenlegierungen, mit dem Elektronenstrahl einwandfrei verschweisst werden können. Die Ausführung der Schweissung lässt sich voll mechanisieren.
Die Elektronenstrahl-Leistung ist klein und beträgt in der Regel nur einige hundert Watt. Nach Einstellung von Spannung, Stromstärke und Vorschubgeschwindigkeit arbeitet eine Elektro- nenschweissanlage selbständig mit grösster Sicherheit, und unter Verwendung einer Schleuse lassen sich ohne weiteres kontinuierlich Kolben in die Hochva- kuum-Kammer einbringen.
Durch das beschriebene Verfahren der Elektro- nenstrahl-Schweissung lassen sich somit Kolben aus einer Aluminium-Legierung mit Kolbenringträgern 3 aus einem Werkstoff von höherer Verschleiss- und Warmfestigkeit, z. B. aus austenitischem Gusseisen, aus einem Aluminium-Sinterwerkstoff oder aus einer Kupferlegierung einwandfrei verschweissen. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass der Kolben körper und der aufgeschweisste Ring einen ungefähr gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufwei sen.
Es spielt keine Rolle, ob der Kolbenkörper oder der übergeschobene Ring 3 aus gegossenem oder knetverformtem Material hergestellt sind.
Es besteht auch die Möglichkeit, nach diesem Verfahren die Kolben mit einer Kühlung zu verse hen. Zu diesem Zweck kann man in der Ringträger partie Kühlkanäle 4 einarbeiten, einen Ring 3 dar überschieben, wobei man in der Werkstoffwahl weit gehend frei ist, und diesen mit dem Kolbenkörper verschweissen. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele von mittels Elektronenstrahl geschweissten Kolben zeigen vier verschiedene Aus führungsformen von Kühlkanälen 4.