CN101265854A - 带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞及其制造工艺。它解决了目前铝质活塞不能满足发动机高功率、高强化、低排放的要求的问题，具有结构简单，制作工艺相对简便，能满足发动机高功率、高强化、低排放的要求等优点。其结构为：它包括活塞本体和活塞环体，所述活塞本体通过激光焊接与活塞环体成为一体，两者间为内冷却油腔，冷却油腔通过至少两个进出油孔与活塞内腔连通；活塞本体下部有销孔。

Description

带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞及其制造工艺

技术领域：

本发明涉及一种活塞及其制造工艺，尤其涉及一种带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞及其制造工艺。

技术背景：

目前用于载重汽车、工程机械、铁路机车以及船用发动机都在向大功率、高负荷方向发展，强化程度不断提高，排放要求越来越严格，原铝质活塞虽然有重量轻的优点，但铝材质逐渐不能满足发动机高功率、高强化、低排放的要求。

针对大功率、高负荷的柴油机活塞，目前有铰接摆体式结构活塞，即活塞头与活塞裙分开加工制造，通过活塞销连接起来，活塞头采用铸铁或锻钢材料，活塞裙采用铝材料制造。这种活塞因为活塞头与活塞裙分开制造，增加了加工成本，并且难以形成封闭的冷却油腔，活塞冷却效果差，同时因为需要更长的活塞销进行连接，总体重量也有所增加。

中国专利CN 1610601A公开了一种制造锻钢活塞的方法，该方法是活塞毛坯一体式锻造，用一个另外加工的环盖，与活塞头部加工出的环形沟槽组装，行成封闭油腔。但其制作工艺复杂，制造成本高，活塞的结构强度有待提高。

中国专利CN2851607Y公开了另一种制造锻钢活塞的方法，该方法是头部与裙部分别锻造，内冷油腔是在头部与裙部分别加工后通过摩擦焊接形成，摩擦焊接受其工艺方式和设备结构性能、精度所限，同批生产的摩擦焊活塞其长度尺寸的一致性较差，导致活塞重量和焊接后所产生的内冷油腔尺寸相差很大，从而使焊接废品率很高，直接影响发动机性能，而且焊接飞边大(一般在4-8mm)，需要对其露在外面的焊接飞边进行专门加工处理，但内冷油腔里面的焊接飞边无法去除，会影响到活塞冷却效果。

发明内容

本发明的目的就是为了解决目前铝质活塞不能满足发动机高功率、高强化、低排放的要求的问题，提供一种具有结构简单，制作工艺相对简便，能满足发动机高功率、高强化、低排放的要求等优点的带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞及其制造工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞，它包括活塞本体和活塞环体，通过激光其焊接使其成为一体，焊接后两者间形成内冷却油腔，冷却油腔通过至少两个进出油孔与活塞内腔连通，可进油和出油，当活塞在发动机中工作时，机油从进油孔中喷入，并在环形冷却腔内流动，从出油孔流出，带走活塞的热量，以降低活塞各部位的工作温度，保证活塞及活塞环的工作可靠性，活塞本体下部为销孔；由于通过焊接形成封闭冷却油腔，使活塞整体结构刚度增加，使得活塞工作部位特别是环槽部位在工作热态下变形小，可提高密封性能，降低发动机排放。

所述活塞环体上有至少一道环槽。

所述活塞本体的裙部设计有环形槽。

所述活塞本体与活塞环体间的激光焊区为外圆和顶面两个环形区域，焊缝位置根据活塞结构不同可进行调整。

一种具有封闭内冷油腔的活塞的制造工艺，它的方法为，

1)分别锻造活塞本体、活塞环体毛坯；

2)分别对活塞本体毛坯及活塞环体毛坯进行热处理；

3)对活塞本体毛坯及环体毛坯进行粗加工，加工出内腔、内冷油腔及激光焊接面；

4)活塞本体与活塞环体通过激光焊接方式结合为一体；

5)分别加工出活塞环形槽、燃烧室、环槽、销孔、外圆及进出油孔；

6)对活塞表面进行磷化或石墨化处理。

所述步骤2)中热处理过程为，调质钢热处理：在800-850℃保温1-2小时然后油冷，回火温度600℃，保温1.5-2.5小时；非调质钢直接空冷至室温，即应在3-4分钟内温度由锻后的1100℃±50℃冷却至500℃±50℃。

所述步骤4)中激光焊接工艺为：

4-1)对活塞需焊接部位进行清洁；

4-2)对焊接活塞进行定位；

4-3)采用焊接CO₂激光器进行焊接，激光输出功率2000W-7000W，聚焦镜焦长f＝70-150mm，焊接线速度0.5-2m/min；

4-4)采用二次焊接工艺确保焊缝均匀性，第一次为快速定位焊，激光功率2000W-7000W，焊速2-4m/min，第二次为深熔焊，激光功率2000W-7000W，焊速0.5-2m/min；

4-5)对焊缝进行激光退火处理，提高焊缝强度和后序加工工艺性。

本发明在活塞裙部上方加工出环形槽，不仅减轻了重量，而且有利于油环槽部位机油回油，同时增加了裙部柔性，有利于配缸间隙的减小和机油耗降低。

在活塞销孔方向两侧，锻出凹偏，在满足活塞强度要求前提下，减轻了整个活塞的重量。如需避让发动机机体上安装的喷油嘴，在活塞裙部下端，可以设计一缺口，以防止活塞运动到下止点时与喷油嘴干涉。

本发明不同于CN 1610601A专利之处是，头部与裙部分别锻造，内冷油腔是在头部与裙部分别加工后通过激光焊接形成，使活塞毛坯的锻造、封闭油腔的形成工艺减化，活塞的结构强度更高。而CN 1610601A专利公开的锻钢活塞不是焊接结构，而是组装结构，其最大的缺点是活塞刚性差，制造工艺复杂。

CN2851607Y专利公开的锻钢活塞焊接工艺为摩擦焊接。但激光焊接与摩擦焊接相比，具有明显的优势，激光焊接尺寸非常精确，而且本发明的活塞结构在焊接后活塞长度不会发生改变，使活塞毛坯的锻造、封闭油腔的加工工艺简化，活塞的结构强度更高。无焊接飞边，活塞无变形，节约活塞材料，可使各个工件内冷油腔尺寸(冷却油腔具有更好的冷却效果)一致，活塞重量相同，不会因此而产生废晶，非常适合批量生产，这是摩擦焊接所无法比拟的。

本发明的有益效果是：既能代替铝质活塞以及铰接结构活塞、摩擦焊接式锻钢结构活塞，又有较轻的重量和更高的强度来满足发动机的强化和排放要求，也具有好的制造工艺性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1.活塞环体，2.活塞本体，3.内冷油腔，4.激光焊区，5.销孔，6.裙部，7.环形槽，8.环槽。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

图1中，活塞本体2与活塞环体1为分别锻造的部件，两者通过激光焊接在一起。活塞环体1上有一道或多道环槽8，它与活塞本体2的激光焊区4为上下两个环形区域，且其与活塞本体2间形成内冷油腔3，该内冷油腔3通过两个或三个进出油孔与活塞内腔连通。活塞本体2的裙部6上有环形槽7，在活塞本体2的下部有销孔5，销孔5的两侧锻出凹偏。

本发明产品的制造方法为：

①分别锻造活塞本体、活塞环体，材质为可锻造的调质钢或非调质钢。

②分别对毛坯进行热处理：

调质钢热处理规范：在830℃保温1.5小时然后油冷，回火温度600℃，保温2小时；

非调质钢直接空冷至室温，但应保证在3.5分钟内温度由约1100℃冷却至500℃；

③对活塞本体及环体毛坯分别进行粗加工，加工出内腔、内冷油腔及激光焊接端面；

④活塞本体与环体通过激光焊接在一起；

⑤分别加工出活塞环形槽、燃烧室、环槽、销孔、外圆型面及进出油孔等部位；

⑥对活塞表面进行磷化或石墨化处理。

其中，激光焊接工艺为：

4-1)对活塞需焊接部位进行清洁；

4-2)对焊接活塞进行定位；

4-3)采用焊接C02激光器进行焊接，激光输出功率2600W，聚焦镜焦长f＝100mm，焊接线速度1m/min；

4-4)采用二次焊接工艺确保焊缝均匀性，第一次为快速定位焊，激光功率2600W，焊速3m/min，第二次为深熔焊，功率2600W，速度1m/min；

4-5)对焊缝进行激光退火处理，提高焊缝强度和后序加工工艺性。

本发明所涉及的带内冷油腔的激光焊接式锻钢整体活塞，本专利的示意图仅显示了其结构形式，具体形状尺寸(包括焊缝位置、数量)可根据情况，对其结构尺寸作出变化和调整。

实施例2：

在本实施例中，活塞结构与实施例1相同，其制造方法为：

1)分别锻造活塞本体、活塞环体毛坯；

2)分别对活塞本体毛坯及活塞环体毛坯进行热处理；

3)对活塞本体毛坯及活塞环体毛坯进行粗加工，加工出内腔、内冷油腔及激光焊接面；

4)活塞本体与活塞环体通过激光焊接方式结合为一体；

5)分别加工出活塞环形槽、燃烧室、环槽、销孔、外圆及进出油孔；

6)对活塞表面进行磷化或石墨化处理。

所述步骤2)中热处理过程中，

对调质钢热处理方法为：在800℃保温1小时然后油冷，回火温度590℃，保温1.5小时；

对非调质钢热处理方法为：直接空冷至室温，即应在3分钟内温度由锻后的1050℃冷却至450℃。

所述步骤4)中激光焊接工艺为：

4-1)对活塞需焊接部位进行清洁；

4-2)对焊接活塞进行定位；

4-3)采用焊接CO₂激光器进行焊接，激光输出功率2000W，聚焦镜焦长f＝70mm，焊接线速度0.5m/min；

4-4)采用二次焊接工艺确保焊缝均匀性，第一次为快速定位焊，激光功率2000W，焊速2m/min，第二次为深熔焊，激光功率2000W，焊速0.5m/min；

4-5)对焊缝进行激光退火处理，提高焊缝强度和后序加工工艺性。

实施例3：

在本实施例中活塞结构与实施例1相同，其制造方法为：

1)分别锻造活塞本体、活塞环体毛坯；

2)分别对活塞本体毛坯及活塞环体毛坯进行热处理；

3)对活塞本体毛坯及环体毛坯进行粗加工，加工出内腔、内冷油腔及激光焊接面；

4)活塞本体与活塞环体通过激光焊接方式结合为一体；

5)分别加工出活塞环形槽、燃烧室、环槽、销孔、外圆及进出油孔；

6)对活塞表面进行磷化或石墨化处理。

所述步骤2)中热处理过程为，调质钢热处理：在850℃保温2小时然后油冷，回火温度610℃，保温2.5小时；非调质钢直接空冷至室温，即应在4分钟内温度由锻后的1150℃冷却至550℃。

所述步骤4)中激光焊接工艺为：

4-1)对活塞需焊接部位进行清洁；

4-2)对焊接活塞进行定位；

4-3)采用焊接CO₂激光器进行焊接，激光输出功率7000W，聚焦镜焦长f＝150mm，焊接线速度2m/min；

4-4)采用二次焊接工艺确保焊缝均匀性，第一次为快速定位焊，激光功率7000W，焊速4m/min，第二次为深熔焊，激光功率7000W，焊速2m/min；

4-5)对焊缝进行激光退火处理，提高焊缝强度和后序加工工艺性。

Claims (7)

1、一种带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞，它包括活塞本体(2)和活塞环体(1)，其特征是，所述活塞本体(2)通过激光焊接与活塞环体(1)成为一体，两者间为内冷却油腔(3)，冷却油腔(3)通过至少两个进出油孔与活塞内腔连通；活塞本体(2)下部有销孔(5)。

2、如权利要求1所述的带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞，其特征是，所述活塞环体(1)上加工有至少一道环槽(8)。

3、如权利要求1所述的带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞，其特征是，所述活塞本体(2)的裙部(6)设有环形槽(7)。

4、如权利要求1所述的带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞，其特征是，所述活塞本体(2)与活塞环体(1)间的激光焊区(4)为上下两个环形区域。

5、一种权利要求1所述带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞的制造工艺，其特征是，它的方法为，

1)分别锻造活塞本体、活塞环体毛坯；

2)分别对活塞本体毛坯及活塞环体毛坯进行热处理；

3)对活塞本体毛坯及活塞环体毛坯进行粗加工，加工出内腔、内冷油腔及激光焊接面；

4)活塞本体与活塞环体通过激光焊接方式结合为一体；

5)分别加工出活塞环形槽、燃烧室、环槽、销孔、外圆及进出油孔；

6)对活塞表面进行磷化或石墨化处理。

6、如权利要求5所述的带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞的制造工艺，其特征是，所述步骤2)中热处理过程中，

对调质钢热处理方法为：在800-850℃保温1-2小时然后油冷，回火温度600℃±10℃，保温1.5-2.5小时；

对非调质钢热处理方法为：直接空冷至室温，即应在3-4分钟内温度由锻后的1100℃±50℃冷却至500℃±50℃。

7、如权利要求5所述的带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞的制造工艺，其特征是，所述步骤4)中激光焊接工艺为：

4-1)对活塞需焊接部位进行清洁；

4-2)对焊接活塞进行定位；

4-3)采用焊接CO₂激光器进行焊接，激光输出功率2000W-7000W，聚焦镜焦长f＝70-150mm，焊接线速度0.5-2m/min；

4-4)采用二次焊接工艺确保焊缝均匀性，第一次为快速定位焊，激光功率2000W-7000W，焊速2-4m/min，第二次为深熔焊，激光功率2000W-7000W，焊速0.5-2m/min；

4-5)对焊缝进行激光退火处理，提高焊缝强度和后序加工工艺性。

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