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.
Method for producing multi-part pistons for internal combustion engines and pistons produced by the method The invention relates to a method for producing multi-part pistons, in particular for internal combustion engines which are subject to high thermal loads.
The production of multi-part pistons is known per se, and it is also known to mechanically connect the individual parts of a multi-part piston to one another by screwing or shrinking or by butt welding or another welding method. However, these solutions are not half satisfied. With the mechanical connection using screws and shrinking, there is a risk that the parts will come loose. With butt welding you are at certain shapes. and dimensions, and also only a few alloys can be butt-welded properly.
In addition, the material is severely overheated at the welding point and, depending on the alloy, its properties are sometimes impermissibly changed or deteriorated. It is also difficult or hardly possible to control the quality of the weld non-destructively.
Other welding processes, for example autogenous welding, inert gas welding or electric arc welding, have even greater disadvantages. In oxy-fuel welding, large areas of the weld seam are overheated and the properties of the material, depending on the alloy, are inadmissibly impaired, in particular the deformability is impaired or the material becomes brittle.
In addition, strong deformations occur, and there is also the restriction that not every material in question can be perfectly autogenously welded. The situation is similar with electric arc welding and inert gas welding. The heat input is somewhat lower than with autogenous welding, but in many cases it is still impermissibly high, so that the defects mentioned in autogenous welding also appear.
All of these disadvantages can be eliminated by the method according to the invention. This is characterized in that after the assembly of the individual piston parts, the piston is placed in a high-vacuum chamber, connected to the anode of a high-voltage source and the individual parts are connected to one another from an opposing cathode using a bundled, directed cathode beam using electron beam welding.
The invention also relates to a piston produced by the method. This is characterized in that on the piston body, consisting of piston head, piston skirt and pin bosses, there is at least one piece pushed over the ring belt, which is connected to the piston body by electron beam welding.
The inventive method and Ausfüh approximately examples of pistons according to the invention who explained in more detail with reference to the drawing. 1 and 2 show longitudinal sections through diesel engine pistons with Koibenringträgerl rings connected to the piston body by electron beam welding,
3 shows a section through part of a piston with a deep weld seam in an enlarged representation and FIG. 4 shows a schematic representation of a device for carrying out the method in a schematic representation.
While the electron beam welding process, which is known per se, is ruled out for most of the welds that occur in practice or is too cumbersome and, due to the occurrence of X-rays, too dangerous, it is a new discovery for the manufacture of multi-part pistons., which allows the previous difficulties to be avoided in an ideal manner.
In FIGS. 1 and 2, exemplary embodiments of the upper halves of multi-part pistons are Darge, which according to the inventive method. are made. In the two figures, the piston halves are designed differently, so that a total of four different exemplary embodiments are shown. The pistons have a piston body 2 which, in a known manner, comprises a piston head 2a, a piston skirt 2b and pin bosses 2c. In the area of the piston crown, a ring 3, which serves as a piston ring carrier, is connected to the piston by weld seams 1a and 1b.
The welding of the ring 3 with the piston takes place in a high vacuum chamber 11 shown schematically in FIG. 4. An impeller pump 14 and an oil vapor pump 15 are connected to these. The piston 10 to be welded is introduced into the chamber 11 through a lock 16 with the ring 3 attached and placed on a holder 17 which can be set in rotation by means of a motor 18. By means of a further motor 19, the holder 17 can be axially, i. H. adjust in height.
The holder 17 is connected to the anode of a high voltage source 12 of, for example, 100-150 kV. Opposite the holder. 17 with the Kol ben 10 is a connected to the high voltage source 12 cathode with beam bundle 13 is arranged. The arrangement shown in Fig. 4 is used to weld the seam la on the face of the Kol ben.
The welding is carried out at a vacuum of, for example, 10-4 to 10-9 Torr by means of a focused, directed cathode ray while the holder 17 is rotated at the same time. The same device with a holder 17a shown in FIG. 4a is used for welding the seam 1b on the jacket surface of the piston, in which the horizontally clamped piston 10 can be rotated about its main axis by means of a motor 20.
Electron beam welding in a high vacuum means that all harmful influences due to oxidation, gas absorption and other chemical effects are completely avoided; there is also no need for flux. An absolutely pure weld is obtained, free of all impurities. The fine electron beam as a charge carrier beam made up of electrically charged atomic particles enables a previously unknown concentration of power in the smallest of spaces. The energy is locally sharply localized and results in a weld that can be precisely regulated without inertia and has a very narrow seam width, which is usually only approx. 1 mm even at a depth of several centimeters.
Only a very small area in the seam is liquefied, which solidifies very quickly. The electron beams are extremely stable as carriers of electrical charge and have a negligibly small mass. They have comfortable generation and acceleration possibilities, with a very high degree of efficiency, with around 99% of the radiation being converted into heat when it hits. This largely prevents the piston material from overheating. The energy is absorbed without any loss of time, up to around 1000 times faster than the heat dissipation through conduction.
Due to the rapid solidification and the resulting fine-grain crystallization, the weld seam has very good mechanical properties. At a certain high power density, the electron beam penetrates the seam as a narrow channel, releases its energy laterally, and a fine, molten, pointed-wedge-shaped channel is created locally (cf. FIG. 3).
The structure of the base material remains practically unchanged, apart from the very narrow, thermally influenced transition zone. Shrinkage and warpage are practically disregarded, so that welding is possible with the piston largely machined. You can work with constant current as well as with pulses, the latter in order to keep the heating even lower. The weld through can be set precisely, so that a perfect weld through is guaranteed.
As a result of the nature of the electron beam and its high power density with the smallest impact cross-sections, cross-sectional differences do not play a role, i. H. thin and thick cross-sections can be welded together without difficulty. The thermal process can be largely influenced for the most favorable welding process. The properties of the materials to be welded are also no longer decisive; on the contrary, it is possible, for example, to
Flawlessly weld very different materials with different properties together. A major advantage of the process is that, after the usual welding process, alloys that cannot be welded properly, e.g. B. hypereutectic Al-Si piston alloys, with the electron beam can be perfectly welded. The execution of the welding can be fully mechanized.
The electron beam power is small and is usually only a few hundred watts. After the voltage, amperage and feed rate have been set, an electron welding system works independently with the greatest safety, and pistons can be continuously introduced into the high-vacuum chamber using a lock.
The described method of electron beam welding thus allows pistons made of an aluminum alloy with piston ring carriers 3 made of a material of higher wear and heat resistance, e.g. B. austenitic cast iron, an aluminum sintered material or a copper alloy welded properly. It is only necessary to ensure that the piston body and the welded-on ring have approximately the same linear expansion coefficient.
It does not matter whether the piston body or the pushed-on ring 3 are made of cast or kneaded material.
There is also the possibility of using this method to provide the pistons with cooling. For this purpose, you can incorporate cooling channels 4 in the ring carrier part, slide a ring 3 over it, whereby you are largely free in the choice of material, and weld this to the piston body. The exemplary embodiments of pistons welded by means of electron beams shown in FIGS. 1 and 2 show four different embodiments of cooling channels 4.