CN106457473B - 制造内燃机的活塞的方法以及通过所述方法制造的活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造具有至少两个活塞部件(11,18；111,118)的内燃机的活塞(10,110)的方法，其中至少两个活塞部件(11,18；111,118)沿着它们的对应的接合表面(23a，24a，23b，24b)经由至少一个沿径向或沿轴向的圆周激光焊接缝(21,22；121,122)彼此连接，所述方法包括以下方法步骤：a)将所述至少两个活塞部件(11,18；111,118)沿着它们的对应的接合表面(23a，24a，23b，24b)对齐，b)激活针对深度焊接方法设计的激光器(25,27)，并且使由所述激光器(25,27)产生的激光束(26,28)与限定的起点(SP)在所述对应的接合表面(23a，24a，23b，24b)的区域中对齐，c)增加从所述限定的起点(SP)在整个限定的路径(S1)上沿着所述对应的接合表面(23a，24a，23b，24b)行进的所述激光束(26,28)的功率密度(递增)，从而产生具有增加的焊接缝深度的递增的焊接缝(31)，d)通过深度焊接的方式沿着所述对应的接合表面(23a，24a，23b，24b)进行圆周的、完全的透焊，从而产生具有直到限定的终点(EP)基本上一致的焊接缝深度的深度焊接缝(32)，e)在整个限定的路径(S2)上减小所述激光束(26,28)的所述功率密度(递减)，从而产生具有减小的焊接缝深度的递减的焊接缝(33)，f)通过使用针对热导焊接方法设计的激光器的热导焊接的方式对所述限定的路径(S1，S2)的至少一部分进行过焊，从而产生至少一个热导焊接缝(34)。

Description

制造内燃机的活塞的方法以及通过所述方法制造的活塞
技术领域
本发明涉及一种制造具有至少两个活塞部件的内燃机的活塞的方法，其中至少两个活塞部件沿着它们的对应的连接表面经由至少一个沿径向或沿轴向的圆周激光焊接缝彼此连接。本发明还涉及一种可通过这样的方法制造的活塞。
背景技术
活塞部件越来越普遍地通过激光焊接的方法连接，并且因此该技术变得越来越重要。沿轴向或沿径向的圆周激光焊接缝引起如下问题：在圆周激光焊接缝的起点和终点重合的区域中，激光焊接缝并未被焊透，而是具有减小的焊接缝深度。这是因为起初必须在激光焊接操作的起点处连续地增加每单元长度的功率密度或能量输入(被称作递增)，并且必须朝向激光焊接操作的终点连续地降低(被称作递减)。在递增和递减期间，由于那时每单位长度的功率密度或能量输入太低，激光焊接缝未被焊透。因此，微结构缺陷，例如裂缝，能够在激光焊接缝的冷却时在后者的区域中出现，这没有经受焊透。
发明内容
本发明的目的为以如下方式进一步开发普遍类型的制造活塞的方法：有效地抵消激光焊接缝的未经受焊透的区域中的微结构缺陷的形成，或者消除已经形成的微结构缺陷。
存在于方法中的技术方案包括如下步骤：a)将至少两个活塞部件沿着它们的对应的接合表面对齐，b)激活针对深度焊接方法设计的激光器并且使由激光器产生的激光束与限定的起点在接合表面的区域中对齐，c)增加从限定的起点(SP)在整个限定的第一路径(S1)上沿着对应的接合表面行进的激光束的功率密度(递增),从而产生具有增加的焊接缝深度的递增的焊接缝，d)通过深度焊接的方式沿着对应的接合表面进行圆周的、完全的透焊，从而产生具有至少直到限定的终点(EP)基本上一致的焊接缝深度的深度焊接缝，e)在整个限定的第二路径(S2)上降低激光束的功率密度(递减)，从而产生具有减小的焊接缝深度的递减的焊接缝，f)通过使用针对热导焊接方法设计的激光器的热导焊接对限定的路径(S1，S2)的至少一部分进行过焊，从而产生至少一个热导焊接缝。
本发明还涉及一种内燃机的活塞，所述活塞可通过根据本发明的方法制造，并且因此结果具有由深度焊接缝和热导焊接缝组成的激光焊接缝。
为了本专利申请的公开的目的，术语“热导焊接”以及“深度焊接”理解如下：
在热导焊接的情况下，在接合表面的区域中待接合熔化的部件的材料完全通过热导，即，在部件表面的区域中完全通过激光束的能量的吸收。从两个部件熔化的材料在其已经固化后将部件彼此连接。光束宽度通常大于焊缝深度。为此目的所需的激光束的能量密度通常为1x 104W/cm2至1x 105W/cm2。
在深度焊接的情况下，部件的材料被一定程度地加热使得该区域的温度超过材料的蒸发温度。因此沿着接合表面产生被熔化的材料包围并且通过激光束移动的细长孔洞。在细长孔洞的后侧固化的材料产生窄的深度焊缝，其焊缝深度明显大于焊缝宽度。为此目的所需的激光束的能量密度通常大于1x 106W/cm2。
根据本发明的方法所基于的发明构思存在于深度焊接方法与热导焊接方法以如下方式结合的事实：通过局部限定的热导焊接方法避免和/或通过更新的材料的熔化消除在限定的路径(S1，S2)的区域中出现的微结构缺陷。这也避免了从在激光焊接缝的冷却期间形成的微结构缺陷行进的已有的微结构缺陷的尺寸的增加。该效果基于热导焊接缝的更大的焊接缝宽度并因此基于减小的热负荷以及在材料的固化期间的微结构的更加均匀的形成。特别地，当在激光焊接缝的区域中完成活塞的表面时，能够不再形成向外开口的裂缝的形式的微结构缺陷。
根据本发明的方法的又一个优点存在于其能够特别容易地整合到现有的制造活塞的加工中的事实。诸如能够对待接合的部件进行预加热的预先机加工、导向的存在于激光焊接加工上游的加工站，以及诸如随后的热处理和精加工的存在于激光焊接加工下游的加工站能够保持不变。
有益的发展从从属权利要求变得明白易懂。
在步骤c)中，优选依据活塞的尺寸将限定的第一路径的长度设定为5mm至15mm。在类似的方式中，在步骤e)中，限定的第二路径的长度优选被设定为5mm至25mm。
在步骤d)中，深度焊接缝的焊接缝深度优选被设定为2mm至12mm。特别优选的是深度焊接缝被完全焊透。
根据本发明的方法的特别有益的实施例在步骤e)与步骤f)之间提供了至多10秒的时间间隔，从而在冷却期间特别有效地抑制微结构缺陷的形成。为了缩短时间间隔，特别能够将两个单独的激光器用于步骤e)和步骤f)中，其中在步骤f)中，在步骤e)结束之前使用单独的激光器开始热导焊接加工。
在步骤f)中，优选地对限定的第二路径(S2)完全地过焊，从而特别有效地防止微结构缺陷的继续形成。适当时，也能够对激光焊接缝部分地或者完全地过焊。
至少一个热导焊接缝优选关于深度焊接缝纵向地导向，从而在熔化的材料的固化期间实现尽可能均匀的微结构的形成。也能够实现横向于和/或平行于深度焊接缝的焊接，然而，例如波纹状或Z状的焊接缝的形式。热导焊接缝的焊接缝深度优选在1mm和3mm之间。
根据本发明的方法特别适于将活塞主体形式的第一活塞部件与环形部件形式(例如，凹陷边缘元件或者环形沟槽元件)的第二活塞部件接合。
附图说明
下文将参照附图更加详细地说明本发明的示例性实施例。在比例不正确的示例性的图示中：
图1部分地示出了由根据本发明的方法制造的活塞的第一示例性实施例；
图2部分地示出了在实施根据本发明的方法之前的在图1中示出的活塞的活塞部件；
图3示出了图1中示出的活塞的平面图；
图4部分地示出了根据本发明的活塞的又一个示例性实施例；
图5示出了根据本发明的方法的示例性实施例的示意性图示。
具体实施方式
图1至图3示出了活塞10的第一示例性实施例，在通过根据本发明的方法连接之前(图2)以及在活塞部件11、18的连接之后(图1和图3)，在示例性实施例中均具有其两个单独的活塞部件11、18。在示例性实施例中，活塞10具有第一活塞部件11，所述第一活塞部件11为活塞主体的形式并且例如由诸如例如42CrMo4的热处理钢或者诸如例如38MnVS6的AFP钢制造。第一活塞部件11具有活塞顶12的外部、圆周上环岸13以及具有用于接纳活塞环(未示出)的环形沟槽的圆周环部14。第一活塞部件11还具有燃烧室凹陷15的基部15a。第一活塞部件11因此形成活塞10的活塞头16的主要部分。以自身已知的方式，第一活塞部件11还形成活塞10的活塞裙17。
活塞10还具有凹陷边缘元件的形式的环形的第二活塞部件18。在示例性实施例中，第二活塞部件18包括燃烧室凹陷15的整个凹陷壁15b以及燃烧室边缘区域15c，并且还包括活塞顶12的内部。第二活塞部件18优选地由特别耐久的材料组成。为此目的对于活塞主体11能够使用等同或类似于热处理钢或AFP钢。
第一活塞部件11和第二活塞部件18形成圆周外部的冷却通道19。冷却通道19首先与环部14齐平地延伸，并且其次与燃烧室凹陷15的凹陷壁15b齐平。
第二活塞部件18具有下圆周接合表面24a(参见图2)，所述下圆周接合表面24a与包围燃烧室凹陷15的基部15a的圆周接合表面23a一起形成第一活塞部件11的下激光焊接缝21(参见图3)。在示例性实施例中，下激光焊接缝21沿径向向外延伸，并且从凹陷壁15b在活塞裙17的方向上向下行进，并且开口到冷却通道19中。
第二活塞部件18还具有上圆周接合表面24b(参见图2)，所述上圆周接合表面24b与在上环岸13的区域中环绕的接合表面23b一起形成第一活塞部件11的上激光焊接缝22(参见图2)。在示例性实施例中，上激光焊接缝22从活塞顶12在平行于活塞中心轴线M的竖直方向上行进延伸，并且开口到冷却通道19中。
下激光焊接缝21与上激光焊接缝22通过激光焊接方法产生，并且以可接近激光器25、27或者由后者产生的激光束26、28的方式布置。
图4示出了活塞110的在其活塞部件111、118已经连接之后的又一个示例性实施例。在该示例性实施例中，活塞110具有第一活塞部件111，所述第一活塞部件111处于活塞主体的形式并且同样能够由诸如例如42CrMo4的热处理钢或者诸如例如38MnVS6的AFP钢制造。第一活塞部件111具有活塞顶112的具有燃烧室凹陷115的内部。第一活塞部件111因此形成活塞110的活塞头116的主要部分。以自身已知的方式，部件111还形成活塞110的活塞裙。
活塞110还具有处于环形沟槽元件的形式的环形的第二活塞部件118。第二活塞部件118包括活塞顶112的外部，圆周上环岸113以及具有用于接纳活塞环(未示出)的环形沟槽的圆周环部114。第二活塞部件118同样能够由特别耐久的材料组成。为此目的对于活塞主体111能够使用等同或类似于热处理钢或AFP钢。
第一活塞部件111与第二活塞部件118形成圆周外部的冷却通道119。冷却通道119首先与环部114齐平地延伸，并且其次与燃烧室凹陷15齐平。
与活塞10的活塞部件11、18类似地，活塞110的第一活塞部件111与第二活塞部件118具有接合表面(未示出)，沿着所述接合表面能够形成激光焊接缝。下激光焊接缝121形成在活塞110的环部114以下。在示例性实施例中，下激光焊接缝121从环部114行进在径向上水平向内延伸，并且开口到冷却通道119中。
上激光焊接缝122形成在活塞110的活塞顶112中。在示例性实施例中，上激光焊接缝122从活塞顶112行进，在平行于活塞中心轴线M的竖直方向上延伸，并且开口到冷却通道119中。
下激光焊接缝121与上激光焊接缝122通过激光焊接方法产生，并且以可接近激光器25、27或者由后者产生的激光束26、28的方式布置。
在下文中将参照图3和图5更加详细地描述根据本发明的用于制造活塞10或110的方法的示例性实施例。
首先，对待连接的第一和第二活塞部件11、111；18、118进行预先机加工。特别地，活塞10的第一活塞部件11的圆周接合表面23a、23b以及对应的第二活塞部件18的圆周接合表面24a、24b或者活塞110的第一活塞部件111的接合表面以及第二活塞部件118的接合表面以自身已知的方式准备激光焊接。
然后，将两个活塞部件11、18；111、118沿着它们的对应的接合表面以自身已知的方式对齐。方便的是，首先在活塞顶12、112的区域中产生下激光焊接缝21、121然后产生上激光焊接缝22、122。为此目的，例如使用针对适于深度焊接方法的方法参数设计的固态激光器。以自身已知的方式，这些方法参数特别依靠材料的类型以及激光焊接缝的深度。因此，接下来的说明书理解为优选地选择的针对深度焊接方法的方法参数所在的范围内的有意义的说明。
激光功率 2000W至8000W
焊机速度 2至6米/分钟，优选3米/分钟
光束直径 200微米至600微米
由激光器产生的激光束26或28通过限定的起点SP(参见图5)在对应的接合表面的区域中(参见图3和图4)对齐。从起点SP(参见图5)行进，激光束被沿着接合表面引导。同时，其功率密度或每单位长度的能量输入在整个限定的第一路径S1连续地增加(递增)，从而产生具有增加的焊接缝深度的递增的焊接缝31。限定的第一路径S1的长度例如可以是5mm至15mm。当达到至少1x 106W/cm2的深度焊接所需的功率密度时，圆周的、整个透焊沿着对应的接合表面起作用，从而产生具有基本上一致的焊接缝厚度，例如2mm至12mm(这依靠材料的类型以及活塞部件的尺寸)的深度焊接缝32。在过程中，平行于对应的接合表面对激光束26、28定向。通过至少部分地过焊的递增的焊接缝31继续透焊，直到达到限定的端点EP。然后，从端点EP在整个限定的第二路径S2降低(递减)激光束的功率密度，从而产生具有减小的焊接缝厚度的递减的焊接缝33。端点EP优选地位于递减的焊接缝31的下游，并且因此后者被完全过焊且在深度焊接缝32的区域中开始递减。限定的第二路径S2的长度例如可以是5mm至25mm，优选达到20mm。第二路径S2的长度优选为第一路径S1的长度的两倍。
在递减结束后，接下来的过焊的方法步骤应当尽可能地立即实施。过焊也能够在递减结束前开始，以便用于该目的的激光器跟在为深度焊接而设计的激光器之后。
在过焊的方法步骤中，限定的路径S1、S2的至少一部分通过具有1x 104W/cm2至1x105的激光束的功率密度、使用为热导焊接方法而设计的激光器的热导焊接进行过焊，从而产生具有优选至少1mm且至多3mm的焊接深度的至少一个热导焊接缝34(图3)。为此目的，例如使用针对适于热导焊接方法的方法参数设计的固态激光器。以自身已知的方式，这些方法参数特别依靠材料的类型以及激光焊接缝的深度。因此，接下来的说明书理解为优选地选择的针对热导焊接方法的方法参数所在的范围内的有意义的说明。
激光功率 500W至4000W
焊机速度 0.5至3米/分钟，优选1米/分钟
光束直径 500微米至3000微米
结果获得了具有至少一个激光焊接缝21、22；121、122的活塞10、110，所述至少一个激光焊接缝21、22；121、122由深度焊接缝32和热导焊接缝34组成(参见图4)。
以自身已知的方式，最终完成活塞10、110。依靠所使用的材料，这也包括本领域技术人员已知的随后的热处理。

Claims (13)

1.一种制造具有至少两个活塞部件(11,18；111,118)的内燃机的活塞(10,110)的方法，其中至少两个活塞部件(11,18；111,118)沿着它们的对应的接合表面(23a，24a，23b，24b)经由至少一个沿径向或沿轴向的圆周激光焊接缝(21,22；121,122)彼此连接，所述方法包括以下方法步骤：
a)将所述至少两个活塞部件(11,18；111,118)沿着它们的对应的接合表面(23a，24a，23b，24b)对齐，
b)激活针对深度焊接方法设计的激光器(25,27)，并且使由所述激光器(25,27)产生的激光束(26,28)与限定的起点(SP)在所述对应的接合表面(23a，24a，23b，24b)的区域中对齐，
c)增加从所述限定的起点(SP)在整个限定的第一路径(S1)上沿着所述对应的接合表面(23a，24a，23b，24b)行进的所述激光束(26,28)的功率密度，从而产生具有增加的焊接缝深度的递增的焊接缝(31)，
d)通过深度焊接的方式沿着所述对应的接合表面(23a，24a，23b，24b)进行圆周的、完全的透焊，从而产生具有直到限定的终点(EP)基本上一致的焊接缝深度的深度焊接缝(32)，
e)在整个限定的第二路径(S2)上减小所述激光束(26,28)的所述功率密度，从而产生具有减小的焊接缝深度的递减的焊接缝(33)，
f)通过使用针对热导焊接方法设计的激光器的热导焊接的方式对所述限定的第一路径(S1)和第二路径(S2)的至少一部分进行过焊，从而产生至少一个热导焊接缝(34)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，所述限定的第一路径(S1)的长度被设定为5mm至15mm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤e)中，所述限定的第二路径(S2)的长度被设定为5mm至25mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d中，所述深度焊接缝(32)的所述焊接缝深度被设定为2mm至12mm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e)与步骤f)之间的时间间隔至多为10秒。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将两个单独的激光器用于步骤e)和步骤f)，并且在步骤e)结束之前使用单独的激光器开始步骤f)。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤f)中，所述限定的第二路径(S2)被完全地过焊。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤f)中，所述深度焊接缝(32)被至少部分地过焊。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤f)中，所述热导焊接缝(34)的所述焊接缝深度被设定为至少1mm且至多3mm。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用活塞主体形式的第一活塞部件(11,111)，并且使用环形部件形式的第二活塞部件(18,118)。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，使用凹陷边缘元件形式的环形的第二活塞部件。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，使用环形沟槽元件形式的环形的第二活塞部件。
13.一种内燃机的活塞(10,110)，其可通过如权利要求1至12中任一项所述的方法制造。
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