CN106150749A - 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 - 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，内冷却油道环绕燃烧室设置，活塞头部还设有与内冷却油道相通的进油孔和出油孔，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，环形密封板的内外圈分别与环状开口的侧壁围成内环形通道和外环形通道，内环形通道和外环形通道内均填充有用于构成激光焊接熔池的耐高温隔热环。方法包括S1：零件加工；S2：激光焊接组装；S3：热处理；S4：后加工。该钢活塞及加工方法具有加工精度高、质量稳定性好、加工成本低的优点。

Description

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

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，提供一种加工精度高、质量稳定性好、加工成本低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，所述内冷却油道环绕燃烧室设置，所述活塞头部还设有与内冷却油道相通的进油孔和出油孔，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，所述环形密封板的内外圈分别与环状开口的侧壁围成内环形通道和外环形通道，所述内环形通道和外环形通道内均填充有用于构成激光焊接熔池的耐高温隔热环。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述环状开口的侧壁上设有第一环槽，所述环形密封板的内外圈设有第二环槽，所述第一环槽与第二环槽对接形成内环形通道和外环形通道。

所述环形密封板设有一个注入孔、一个排气孔和两个连通孔，所述两个连通孔的一端与内环形通道连通，另一端与外环形通道连通，所述注入孔和排气孔均自环形密封板端面分别连通至一个连通孔。

所述环形密封板设有两个注入孔、两个排气孔和四个连通孔，两个连通孔的一端与内环形通道连通，另一端分别连通一个注入孔和一个排气孔；另两个连通孔的一端与外环形通道连通，另一端分别连通一个注入孔和一个排气孔。

所述注入孔和排气孔朝向内冷却油道内腔设置，所述注入孔与进油孔相对设置且排气孔与出油孔相对设置，或者所述注入孔与出油孔相对设置且排气孔与进油孔相对设置。

所述内冷却油道与环状开口相接的一端设有用于对环形密封板形成辅助支撑的台阶。

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：预热环形密封板和环状开口外圈，环状开口外圈的预热温度高于环形密封板的预热温度；

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；

S23：经环形密封板向内环形通道和外环形通道内注入耐高温无机粉末溶液，静置后加热固化形成耐高温隔热环；

S24：对活塞头部和环形密封板进行焊前整体预热；

S25：对环形密封板与环状开口的内外圈焊接接头进行激光焊接，密封内冷却油道；

S26：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，在环状开口的侧壁上加工第一环槽，在环形密封板的内外圈加工第二环槽，并在环形密封板上加工注入孔、排气孔和连通孔；在步骤S22中，使第一环槽与第二环槽对接形成内环形通道和外环形通道，并使注入孔与进油孔相对设置且排气孔与出油孔相对设置，或者使注入孔与出油孔相对设置且排气孔与进油孔相对设置。

在步骤S25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效果，延长活塞使用寿命，降低活塞重量；对于小缸径的发动机钢活塞而言，耐高温隔热环可阻断焊接熔液和金属气体的流动，保证了激光焊接接头易于形成熔池，杜绝产生烧穿现象，促进激光焊接焊缝的形成，解决了小缸径钢活塞内冷却油道开口小、内冷却油道机械加工与激光焊接工艺难以兼顾的问题；对于大缸径、大爆压发动机钢活塞而言，解决了活塞顶承受的爆发压力大、环形密封板厚度尺寸大、焊缝深度大、对激光器功率的要求很高、设备投入费用大、焊接工艺的设计难度大的问题，利于控制焊缝深度，提高了焊接质量稳定性，并降低了激光器功率要求，解决了激光焊接设备成本投入大的问题。

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，大大提高了钢活塞内冷却油道的加工质量；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，焊接件无需专用激光焊接夹具，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；内环形通道和外环形通道内注入耐高温无机粉末溶液，静置后加热固化形成耐高温隔热环，有利于熔池的控制，熔池金属不流失，利于圆筒形环缝的质量稳定，焊接焦点位置精确可控，保证激光焊接对接焊缝的质量，减少焊接缺陷的产生。

附图说明

图1是本发明钢活塞第一种实施例的结构示意图。

图2是本发明钢活塞第一种实施例中环形密封板的仰视结构示意图。

图3是本发明钢活塞第二种实施例的结构示意图。

图4是本发明钢活塞第二种实施例中环形密封板的仰视结构示意图。

图5是本发明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图。

图中各标号表示：

1、活塞本体；10、活塞头部；11、内冷却油道；12、燃烧室；13、环状开口；14、台阶；15、进油孔；16、出油孔；17、顶端；2、环形密封板；21、连通孔；22、注入孔；23、排气孔；3、内环形通道；4、外环形通道；5、耐高温隔热环。

具体实施方式

图1和图2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，活塞头部10还设有与内冷却油道11相通的进油孔15和出油孔16，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17，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，环形密封板2的内外圈分别与环状开口13的侧壁围成内环形通道3和外环形通道4，内环形通道3和外环形通道4内均填充有用于构成激光焊接熔池的耐高温隔热环5。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11上端设有环状开口13，且环状开口13位于活塞头部10的顶端17，将环形密封板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效果，延长活塞使用寿命，降低活塞重量；对于小缸径的发动机钢活塞而言，耐高温隔热环5可阻断焊接熔液和金属气体的流动，保证了激光焊接接头易于形成熔池，杜绝产生烧穿现象，促进激光焊接焊缝的形成，解决了小缸径钢活塞内冷却油道11开口小、内冷却油道机械加工与激光焊接工艺难以兼顾的问题；对于大缸径、大爆压发动机钢活塞而言，解决了活塞顶承受的爆发压力大、环形密封板2厚度尺寸大、焊缝深度大、对激光器功率的要求很高、设备投入费用大、焊接工艺的设计难度大的问题，利于控制焊缝深度，提高了焊接质量稳定性，并降低了激光器功率要求，解决了激光焊接设备成本投入大的问题。

本实施例中，环状开口13的侧壁上设有第一环槽，环形密封板2的内外圈设有第二环槽，第一环槽与第二环槽对接形成内环形通道3和外环形通道4，环形密封板2设有一个注入孔22、一个排气孔23和两个连通孔21，两个连通孔21的一端与内环形通道3连通，另一端与外环形通道4连通，注入孔22和排气孔23均自环形密封板2端面分别连通至一个连通孔21，排气孔23有利于耐高温隔热材料填满整个内环形通道3和外环形通道4，该连通结构简单、加工方便，特别适用于环状开口13宽度窄小的小缸径的发动机钢活塞。

本实施例中，注入孔22和排气孔23朝向内冷却油道11内腔设置，注入孔22与进油孔15相对设置且排气孔23与出油孔16相对设置，便于加工时从进油孔15伸入连接注入孔22的管道，方便填充耐高温隔热材料。在其它实施例中也可以将注入孔22与出油孔16相对设置且排气孔23与进油孔15相对设置。

图3和图4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：本实施例的环形密封板2设有两个注入孔22、两个排气孔23和四个连通孔21，两个连通孔21的一端与内环形通道3连通，另一端分别连通一个注入孔22和一个排气孔23；另两个连通孔21的一端与外环形通道4连通，另一端分别连通一个注入孔22和一个排气孔23。该连通结构将内环形通道3与外环形通道4独立分开，填充耐高温隔热材料时互不影响，更有利于填充饱和，特别适用于环形密封板2宽度大的大缸径的发动机钢活塞。本实施例的内冷却油道11与环状开口13相接的一端设有台阶14，台阶14对环形密封板2形成辅助支撑，可提高活塞顶对爆发压力的承受能力。

图5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流程，该方法包括以下步骤：

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：预热环形密封板2和环状开口13外圈，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，并且环形密封板2与环状开口13内外圈的过盈量均控制在0.005mm～0.01mm；

S23：经环形密封板2向内环形通道3和外环形通道4内注入耐高温无机粉末溶液，静置后加热固化形成耐高温隔热环5；

S24：对活塞头部10和环形密封板2进行焊前整体预热；

S25：对环形密封板2与环状开口13的内外圈焊接接头进行激光焊接，密封内冷却油道11；

S26：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的内外圈焊接对接接头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，大大提高了钢活塞内冷却油道11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，焊接件无需专用激光焊接夹具，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；内环形通道3和外环形通道4内注入耐高温无机粉末溶液，静置后加热固化形成耐高温隔热环5，有利于熔池的控制，熔池金属不流失，利于圆筒形环缝的质量稳定，焊接焦点位置精确可控，保证激光焊接对接焊缝的质量，减少焊接缺陷的产生。

本实施例中，在步骤S1中，在环状开口13的侧壁上加工第一环槽，在环形密封板2的内外圈加工第二环槽，并在环形密封板2上加工注入孔22、排气孔23和连通孔21；在步骤S22中，使第一环槽与第二环槽对接形成内环形通道3和外环形通道4，并使注入孔22与进油孔15相对设置且排气孔23与出油孔16相对设置。在其它实施例中也可使注入孔22与出油孔16相对设置且排气孔23与进油孔15相对设置。在步骤S23中，从注入孔22注入耐高温无机粉末溶液，当排气孔23溢出耐高温无机粉末溶液时停止注入，本实施例的耐高温无机粉末溶液采石墨粉末和乙醇溶剂混合配制。

本实施例中，在步骤S25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。

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 (10)

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），所述内冷却油道（11）环绕燃烧室（12）设置，所述活塞头部（10）还设有与内冷却油道（11）相通的进油孔（15）和出油孔（16），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（17），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，所述环形密封板（2）的内外圈分别与环状开口（13）的侧壁围成内环形通道（3）和外环形通道（4），所述内环形通道（3）和外环形通道（4）内均填充有用于构成激光焊接熔池的耐高温隔热环（5）。

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：所述环状开口（13）的侧壁上设有第一环槽，所述环形密封板（2）的内外圈设有第二环槽，所述第一环槽与第二环槽对接形成内环形通道（3）和外环形通道（4）。

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：所述环形密封板（2）设有一个注入孔（22）、一个排气孔（23）和两个连通孔（21），所述两个连通孔（21）的一端与内环形通道（3）连通，另一端与外环形通道（4）连通，所述注入孔（22）和排气孔（23）均自环形密封板（2）端面分别连通至一个连通孔（21）。

4.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：所述环形密封板（2）设有两个注入孔（22）、两个排气孔（23）和四个连通孔（21），两个连通孔（21）的一端与内环形通道（3）连通，另一端分别连通一个注入孔（22）和一个排气孔（23）；另两个连通孔（21）的一端与外环形通道（4）连通，另一端分别连通一个注入孔（22）和一个排气孔（23）。

5.根据权利要求3或4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：所述注入孔（22）和排气孔（23）朝向内冷却油道（11）内腔设置，所述注入孔（22）与进油孔（15）相对设置且排气孔（23）与出油孔（16）相对设置，或者所述注入孔（22）与出油孔（16）相对设置且排气孔（23）与进油孔（15）相对设置。

6.根据权利要求1至4中任一项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）与环状开口（13）相接的一端设有用于对环形密封板（2）形成辅助支撑的台阶（14）。

7.根据权利要求5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）与环状开口（13）相接的一端设有用于对环形密封板（2）形成辅助支撑的台阶（14）。

8.一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：预热环形密封板（2）和环状开口（13）外圈，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；

S23：经环形密封板（2）向内环形通道（3）和外环形通道（4）内注入耐高温无机粉末溶液，静置后加热固化形成耐高温隔热环（5）；

S24：对活塞头部（10）和环形密封板（2）进行焊前整体预热；

S25：对环形密封板（2）与环状开口（13）的内外圈焊接接头进行激光焊接，密封内冷却油道（11）；

S26：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。

9.根据权利要求8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，在环状开口（13）的侧壁上加工第一环槽，在环形密封板（2）的内外圈加工第二环槽，并在环形密封板（2）上加工注入孔（22）、排气孔（23）和连通孔（21）；在步骤S22中，使第一环槽与第二环槽对接形成内环形通道（3）和外环形通道（4），并使注入孔（22）与进油孔（15）相对设置且排气孔（23）与出油孔（16）相对设置，或者使注入孔（22）与出油孔（16）相对设置且排气孔（23）与进油孔（15）相对设置。

10.根据权利要求9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S25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。