CN105986922B - 基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞及其加工方法。钢活塞包括活塞本体和环形密封板，活塞本体于活塞头部设有内冷却油道和燃烧室，内冷却油道上端设有环状开口，环状开口位于活塞头部的顶端，环形密封板嵌入环状开口并通过激光焊接连接固定，对内冷却油道上端密封。方法包括以下步骤：S1：零件加工；S2：激光焊接组装：包括预热环形密封板和环状开口；使环形密封板与环状开口冷却至常温时形成过盈配合；对活塞头部和环形密封板进行焊前整体预热；对环形密封板与环状开口的内外圈接口进行激光焊接；焊后缓冷；S3：热处理；S4：后加工。具有加工方便、能有效提升活塞冷却性能、延长使用寿命、减轻活塞重量、提高工作性能的优点。

Description

基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞及其加工方法

技术领域

本发明涉及钢活塞及其加工工艺，尤其涉及基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞及其加工方法。

背景技术

车用柴油机的排放升级，活塞是关键零部件，钢结构活塞替代铝结构活塞，是车用柴油机满足欧Ⅳ、欧Ⅴ、欧Ⅵ达标排放的重要手段之一。近年来全钢结构活塞在车用柴油机的应用日益广泛，全钢活塞锻造成形，但全钢活塞的内冷却油腔加工工艺性较差，加工难度大，效率低、成本高。围绕内冷却油腔的成型，国内外有多种解决方案，如公开号为CN1813125A的中国专利文献公开的制造内燃机整体式活塞的方法；公开号为CN101903632A的中国专利文献公开的用于在内燃机用活塞上固定环形件的方法；公开号为CN101466938A的中国专利文献公开的内燃机活塞及其制造方法（活塞顶方向摩擦焊接方法成型内冷却油腔）。

整体钢活塞结构简单，但是内冷却油腔的加工难度大，时间长，成本高。目前最有效的内冷却油腔成型方法是：活塞顶方向摩擦焊接方法成型内冷却油腔，此方法较好的解决了内冷却油道加工和内冷却油腔成型的问题，成本较低。但是也存在以下不足：一是摩擦焊接飞边在内冷却油道中的残留较大，影响了冷却效果，也会增加活塞头部的重量，影响活塞性能；二是受摩擦焊接轴向控制公差的局限（轴向公差±0.25mm），内冷却油腔的有效高度尺寸公差较大，影响了活塞头部轴向尺寸的控制；三是开口式梯形焊接面存在着工艺缺陷，在摩擦焊接顶锻阶段，顶锻力加载受开口式梯形焊接面限制，过大的加载将导致焊接面变形，若顶锻力加载不足，则导致焊缝固相连接后形成的焊接接头质量不可靠。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种加工方便、能有效提升活塞冷却性能、延长活塞使用寿命、减轻活塞重量、提高活塞工作性能的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞及其加工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，包括活塞本体和环形密封板，所述活塞本体于活塞头部设有内冷却油道和燃烧室，所述内冷却油道上端设有环状开口，所述环状开口位于活塞头部的顶端，所述环形密封板嵌入所述环状开口并通过激光焊接连接固定，对内冷却油道上端密封。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述内冷却油道与环状开口相接的一端设有用于促进构成激光焊接熔池的辅助台阶。

所述内冷却油道与环状开口相接的一端设有两级阶梯状台阶，靠近所述内冷却油道的台阶为对环形密封板支撑的承载台阶，远离所述内冷却油道的台阶为用于促进构成激光焊接熔池的辅助台阶。

所述活塞头部还设有与内冷却油道相通的进油管和出油管。

所述进油管和出油管均与内冷却油道连通，所述出油管延伸至内冷却油道内，且出油管的管口高于内冷却油道底部。

所述内冷却油道环绕燃烧室设置。

一种激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法，包括以下步骤：

S1：零件加工：包括锻造活塞本体和加工环形密封板，在活塞本体的活塞头部加工内冷却油道、燃烧室和环状开口；

S2：激光焊接组装：包括以下分步骤：

S21：预热环状开口外圈和环形密封板；

S22：将环形密封板压入环状开口，使环形密封板与环状开口冷却至常温时形成过盈配合；

S23：对活塞头部和环形密封板进行焊前整体预热；

S24：对环形密封板与环状开口的内外圈焊接对接接头进行激光焊接；

S25：焊后缓冷，并进入步骤S3；

S3：热处理：消除焊接应力，达到活塞机械性能要求；

S4：后加工：完成机械精加工和表面处理。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S1中加工环状开口时，于内冷却油道与环状开口相接的一端加工辅助台阶；在步骤S22中将环形密封板压入环状开口时，使环形密封板与辅助台阶抵接；在步骤S24中利用辅助台阶阻挡焊接金属熔液和金属气体，构成激光焊接熔池。

在步骤S21中，环状开口外圈的预热温度高于环形密封板的预热温度；在步骤S22中将环形密封板压入环状开口时，使环形密封板与环状开口的内外圈焊接对接接头均形成过盈配合。

在步骤S24中，先对环形密封板与环状开口的内圈焊接对接接头进行激光焊接，再对环形密封板与环状开口的外圈焊接对接接头进行激光焊接，且内、外圈的焊接进给方向相反。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，在内冷却油道上端设有环状开口，且环状开口位于活塞头部的顶端，将环形密封板嵌入环状开口并通过激光焊接连接固定，对内冷却油道上端密封，在激光焊接环形密封板前可对内冷却油道独立加工，工艺简单、加工方便，便于形成大容积的内冷却油道，克服了整体式钢活塞内冷却油道加工难度大、加工时间长、加工成本高的缺陷；同时，内冷却油道和环形密封板均可通过机械精加工来保证油腔精度，并且，通过激光焊接形成内冷却油道不会在内冷却油道内留下焊渣、飞边等影响冷却效果的异物，更容易得到精确、整洁的内冷却油道，能有效提升活塞冷却性能，延长活塞使用寿命，减轻活塞重量，提高活塞工作性能。

本发明的激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法，对环形密封板与环状开口的内外圈焊接对接接头采用精准的激光焊接，保证了内冷却油道的精度，在内冷却油道内无焊渣、飞边残留，大大提高了钢活塞的加工质量；在激光焊接组装过程中环形密封板与环状开口过盈配合，形成过盈自夹和无错边紧密对接，无需激光焊接夹具，激光焊接工艺得到简化，并且焊接对接接头错边量值及接头间隙值趋于零，使焊缝质量和焊接稳定性得到充分保证。

附图说明

图1是本发明第一种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞实施例主剖视结构示意图。

图2是本发明第二种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞实施例主剖视结构示意图。

图3是本发明激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法的流程图。

图中各标号表示：

1、活塞本体；10、活塞头部；11、内冷却油道；111、顶端；12、燃烧室；13、环状开口；14、辅助台阶；15、进油管；16、出油管；17、承载台阶；2、环形密封板。

具体实施方式

图1示出了本发明的第一种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞实施例，该钢活塞包括活塞本体1和环形密封板2，活塞本体1于活塞头部10设有内冷却油道11和燃烧室12，内冷却油道11环绕燃烧室12设置，内冷却油道11上端设有环状开口13，环状开口13位于活塞头部10的顶端111，环形密封板2嵌入环状开口13并通过激光焊接连接固定，对内冷却油道11上端密封，在激光焊接环形密封板2前可对内冷却油道11独立加工，工艺简单、加工方便，便于形成大容积的内冷却油道11，克服了整体式钢活塞内冷却油道11加工难度大、加工时间长、加工成本高的缺陷；同时，内冷却油道11和环形密封板2均可通过机械精加工来保证油腔精度，并且，通过激光焊接形成内冷却油道11不会在内冷却油道11内留下焊渣、飞边等影响冷却效果的异物，更容易得到精确、整洁的内冷却油道11，能有效提升活塞冷却性能，延长活塞使用寿命，减轻活塞重量，提高活塞工作性能。

本实施例中，内冷却油道11与环状开口13相接的一端设有用于促进构成激光焊接熔池的辅助台阶14，该辅助台阶14可在激光焊接过程中阻挡焊接熔液及金属气体的流动，形成稳定的激光焊接熔池，保证激光焊接质量。

本实施例中，活塞头部10还设有与内冷却油道11相通的进油管15和出油管16，进油管15和出油管16均与内冷却油道11连通，出油管16延伸至内冷却油道11内，且出油管16的管口高于内冷却油道11底部，用于保持内冷却油道11内的冷却液面高度，满足内冷却油道11的冷却液填充率，达到活塞内冷却油道11振荡冷却的工艺要求，利于冷却液在内冷却油道11内的留存、流动和振荡冷却，提升冷却效果。

本实施例在环形密封板下端面设有与内冷却油道11相配合的凸台，在环形密封板2嵌入环状开口13时通过该凸台对环形密封板2导向。

图2示出了本发明的第二种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞实施例，本实施例与第一种实施例基本相同，区别仅在于：内冷却油道11与环状开口13相接的一端设有两级阶梯状台阶，靠近内冷却油道11的台阶为对环形密封板2支撑的承载台阶17，远离内冷却油道11的台阶为用于促进构成激光焊接熔池的辅助台阶14。承载台阶17主要用于承载环形密封板2受到的气缸压力，减少焊缝受力。

图3示出了本发明的激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法实施例的流程，本实施例以制造第一种实施例的钢活塞为基础对钢活塞加工方法作进一步详细说明，其包括以下步骤：

S1：零件加工：包括锻造活塞本体1和加工环形密封板2，在活塞本体1的活塞头部10加工内冷却油道11、燃烧室12和环状开口13，完成加工后对环形密封板2和内冷却油道11及环状开口13进行清洁；

S2：激光焊接组装：包括以下分步骤：

S21：预热环状开口13外圈和环形密封板2，环状开口13外圈的预热温度高于环形密封板2的预热温度；

S22：将环形密封板2压入环状开口13，使环形密封板2与环状开口13冷却至常温时形成过盈配合；

S23：对活塞头部10和环形密封板2进行焊前整体预热；

S24：对环形密封板2与环状开口13的内外圈焊接对接接头进行激光焊接；

S25：焊后缓冷，并进入步骤S3；

S3：热处理：消除焊接应力，达到活塞机械性能要求；

S4：后加工：完成机械精加工和表面处理。

S23：对活塞头部10和环形密封板2进行焊前整体预热；

S24：对环形密封板2与环状开口13的内外圈焊接对接接头进行激光焊接；

S25：焊后缓冷，并进入步骤S3；

S3：热处理：消除焊接应力，达到活塞机械性能要求；

S4：后加工：完成机械精加工和表面处理。

本发明的激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法，对环形密封板2与环状开口13的内外圈接口采用精准的激光焊接，保证了内冷却油道11的精度，在内冷却油道11内无焊渣、飞边残留，大大提高了钢活塞的加工质量；在激光焊接组装过程中环形密封板2与环状开口13过盈配合，形成过盈自夹和无错边紧密对接，无需激光焊接夹具，激光焊接工艺得到简化，并且接头错边量值及接头间隙值趋于零，使焊缝质量和焊接稳定性得到充分保证。

本实施例中，在步骤S1中加工环状开口13时，于内冷却油道11与环状开口13相接的一端加工辅助台阶14；在步骤S22中将环形密封板2压入环状开口13时，使环形密封板2与辅助台阶14抵接；在步骤S24中利用辅助台阶14阻挡焊接金属熔液和金属气体的流动，易于构成激光焊接熔池，从而进一步提高激光焊接质量。

本实施例中，在步骤S22中将环形密封板2压入环状开口13时，使环形密封板2与环状开口13的内外圈接口均形成过盈配合，且过盈量为δ，0＜δ≤0.01；在步骤S24中，先对环形密封板2与环状开口13的内圈焊接对接接头进行激光焊接，再对环形密封板2与环状开口13的外圈焊接对接接头进行激光焊接，且内、外圈的焊接进给方向相反，这种焊接方式具有一定的误差均化效应，可最大限度的减少焊接热导致的工件变形；在焊接时，便于控制激光光斑与接口缝隙严格对中，进一步确保焊接质量。

本实施例进一步在活塞本体1的活塞头部10铆接了进油管15和出油管16，进油管15和出油管16分别连通至内冷却油道11，且出油管16的管口高于内冷却油道11底部，用于保持内冷却油道11内的冷却液面高度；在加工环状开口13和辅助台阶14时，在环状开口13与辅助台阶14的相交部加工过渡圆角，该处过渡圆角小于环形密封板2外侧下边缘的圆角；环形密封板2由优质无缝钢管切片成型，加工方便、成本低，在其它实施例中也可采用锻造成型；加工加工环状开口13和环形密封板2的内外圈时，应保证加工精度，使环形密封板2压入环状开口13后满足过盈配合要求。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，包括活塞本体（1）和环形密封板（2），所述活塞本体（1）于活塞头部（10）设有内冷却油道（11）和燃烧室（12），其特征在于：所述内冷却油道（11）上端设有环状开口（13），所述环状开口（13）位于活塞头部（10）的顶端（111），所述环形密封板（2）嵌入所述环状开口（13）并通过激光焊接连接固定，对内冷却油道（11）上端密封，所述内冷却油道（11）与环状开口（13）相接的一端设有用于促进构成激光焊接熔池的辅助台阶（14），所述内冷却油道（11）与环状开口（13）相接的一端设有两级阶梯状台阶，靠近所述内冷却油道（11）的台阶为对环形密封板（2）支撑的承载台阶（17），远离所述内冷却油道（11）的台阶为用于促进构成激光焊接熔池的辅助台阶（14）。

2.根据权利要求1所述的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，其特征在于：所述活塞头部（10）还设有与内冷却油道（11）相通的进油管（15）和出油管（16）。

3.根据权利要求2所述的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，其特征在于：所述进油管（15）和出油管（16）均与内冷却油道（11）连通，所述出油管（16）延伸至内冷却油道（11）内，且出油管（16）的管口高于内冷却油道（11）底部。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，其特征在于：所述内冷却油道（11）环绕燃烧室（12）设置。

5.一种激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：零件加工：包括锻造活塞本体（1）和加工环形密封板（2），在活塞本体（1）的活塞头部（10）加工内冷却油道（11）、燃烧室（12）和环状开口（13）；

S2：激光焊接组装：包括以下分步骤：

S21：预热环状开口（13）外圈和环形密封板（2）；

S22：将环形密封板（2）压入环状开口（13），使环形密封板（2）与环状开口（13）冷却至常温时形成过盈配合；

S23：对活塞头部（10）和环形密封板（2）进行焊前整体预热；

S24：对环形密封板（2）与环状开口（13）的内外圈焊接对接接头进行激光焊接；

S25：焊后缓冷，并进入步骤S3；

S3：热处理：消除焊接应力，达到活塞机械性能要求；

S4：后加工：完成机械精加工和表面处理。

6.根据权利要求5所述的激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法，其特征在于：在步骤S1中加工环状开口（13）时，于内冷却油道（11）与环状开口（13）相接的一端加工辅助台阶（14）；在步骤S22中将环形密封板（2）压入环状开口（13）时，使环形密封板（2）与辅助台阶（14）抵接；在步骤S24中利用辅助台阶（14）阻挡焊接金属熔液和金属气体，构成激光焊接熔池。

7.根据权利要求5或6所述的激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法，其特征在于：在步骤S21中，环状开口（13）外圈的预热温度高于环形密封板（2）的预热温度；在步骤S22中将环形密封板（2）压入环状开口（13）时，使环形密封板（2）与环状开口（13）的内外圈焊接对接接头均形成过盈配合。

8.根据权利要求5或6所述的激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法，其特征在于：在步骤S24中，先对环形密封板（2）与环状开口（13）的内圈焊接对接接头进行激光焊接，再对环形密封板（2）与环状开口（13）的外圈焊接对接接头进行激光焊接，且内、外圈的焊接进给方向相反。