CN109202319A - 用于制造活塞的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造由活塞顶部部件(2)和活塞底部部件(3)组成的活塞(1)的方法，该活塞顶部部件和该活塞底部部件各自具有内部支撑元件(4)和外部支撑元件(5)，其特征在于方法步骤：‑制造各自具有带有内部接合表面(7、7’)的内部支撑元件(4)并且各自具有带有外部接合表面(8、8’)的外部支撑元件(5)的活塞顶部部件(2)和活塞底部部件(3)，其中，在至少一个接合表面(7、7’)中和/或在至少一个外部接合表面(8、8’)中引入焊料存储部(10)，‑将高温焊接材料(12)引入到至少一个焊料存储部(10)中，‑通过在相应的内部接合表面(7、7’)与相应的外部接合表面(8、8’)之间形成至少一个圆形且线性的接头(13)，组装活塞顶部部件(2)和活塞底部部件(3)，形成活塞(1)，其中，间隙宽度w为20μm<w<150μm，‑将活塞(1)转移到焊接炉中并且进行焊接，‑冷却经焊接的活塞(1)直到高温焊接材料(12)完全凝固。

Description

用于制造活塞的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造活塞的方法，该活塞由根据权利要求1的前序部分的各自具有内部支撑元件和外部支撑元件的活塞顶部部件和活塞底部部件组成。本发明还涉及一种通过该方法制造的活塞并且还涉及一种具有这种活塞的内燃机。
背景技术
由DE102009032941A1已知一种用于通过以下方法步骤制造用于内燃机的多部件活塞的通用方法：制造各自具有带有接合表面的内部支撑元件并且具有带有接合表面的外部支撑元件的活塞顶部部件和活塞底部部件，在至少一个接合表面的区域中施加高温焊接材料，通过在接合表面之间形成接触，组装活塞顶部部件和活塞底部部件，形成活塞本体，将活塞本体转移到真空炉中并且抽空真空炉，在最高10-2毫巴的压力下将活塞本体加热到最高1300℃的焊接温度，并且冷却经焊接的活塞，直到高温焊接材料完全凝固。借助于已知的焊接方法，意图以尽可能低的成本确保活塞顶部部件和活塞底部部件之间的可靠的焊接连接。
在现有技术中已知的焊接方法的情况下，向接合表面施加焊接材料，其中这些接合表面彼此平行定向并且因此在接合状态下彼此平坦对接。然而，在这种情况下，出现所谓的“零间隙”的问题，如果两个预加工的接合表面完全平行并因此彼此平坦对接并且因此焊料不能均匀地散开，或者在最坏的情况下不能散开，则产生该零间隙，由此在两个部件之间出现缺陷以及不良的材料粘合甚至缺少材料粘合。
发明内容
因此，本发明涉及针对一般类型的方法说明一种改进的实施方案或至少一个替代实施方案的问题，其克服了现有技术中已知的缺点，特别是与所谓的“零间隙”有关的缺点。
根据本发明，该问题是通过独立权利要求1的主题来解决的。有利的实施方案是从属权利要求的主题。
本发明基于在待相互连接的两个部件之间设置限定的焊接间隙的总体思想，该焊接间隙确保可靠且工艺安全的焊接。在根据本发明的方法中，首先制造具有带有内部接合表面的内部支撑元件并且具有带有外接合表面的外部支撑元件的活塞顶部部件或者使得该活塞顶部部件是可获得的。以同样的方式，也使得具有带有内部接合表面的内部支撑元件并且具有带有外部接合表面的外部支撑元件的活塞底部部件是可获得的，其中在至少一个内部接合表面和/或在至少一个外部接合表面中引入至少一个焊料存储部。然后将高温焊接材料引入到该至少一个焊料存储部中。此后，执行活塞顶部部件和活塞顶部部件的组装，形成活塞本体，其中在相应的内部接合表面和相应的外接合表面之间分别形成环形接触。因此，两个活塞部件经由圆形线(circular lines)接触。由此可以避免例如从现有技术中已知的接合表面之间的平坦接触。在这种情况下，两个相对布置的接合表面之间的间隙宽度最小为20μm并且最大为150μm，由此可以避免之前出现的零间隙以及与此相关联的可能不良的焊接接头的风险。为此目的，以这种方式预加工活塞顶部部件和/或活塞底部部件的相应接合表面，使得在接合状态下这些接合表面不彼此平坦对接，形成零间隙。因此，活塞顶部部件或活塞底部部件的至少一个内部接合表面和/或至少一个外接合表面相对于活塞底部部件或活塞顶部部件的相应接合表面倾斜放置。因此，例如，在两个相关联的接合表面之间保留的间隙为楔形。现在将活塞本体转移到焊接炉中，并且在那里在最高1300℃的温度下进行焊接，由此高温焊接材料熔化并且在活塞顶部部件和活塞底部部件的接合表面之间形成实质性粘合连接。然后冷却经焊接的活塞本体或活塞直到高温焊接材料完全凝固。该活塞本体或活塞随后还可以被送出用于后加工，例如，用于切割或研磨工艺。由于预定义的接合表面的设计而设置限定的焊接间隙，可以实现毛细管效应的受控使用并且还保证整个接合表面的完全润湿，由此可以可靠地避免如在“零间隙”接合表面的情况下经常出现的缺陷。根据焊接间隙的几何形状，也可以在工艺中形成期望的或预定义的焊缝几何形状，由此例如焊接间隙的较宽侧可以位于向活塞施加较低负载处。而且，根据焊料存储部的布置，可以控制特定方向上的毛细管效应的流动方向或利用。因此，借助于根据本发明的方法，首先可以以工艺安全且高价值质量的方式制造多部件活塞，即由通过焊接接合的至少一个活塞顶部部件和一个活塞底部部件构成的活塞。由于所选的在20μm&lt;w&lt;150μm的间隙宽度w，可以进一步实现整个接合表面的特别良好且均匀的润湿，这也有助于最佳的焊接接头并且因此有助于所制造的活塞的高质量。
在根据本发明的解决方案的有利发展中，通过在相应的内部接合表面和相应的外部接合表面之间形成线性且特别是圆形的接触执行活塞顶部部件和活塞底部部件的组装，形成前述活塞本体或活塞，其中间隙宽度w为20μm&lt;w&lt;80μm。这又构成了前一段中描述的间隙宽度的轻微限制，其中在试验中已经证明限制为最大80μm的间隙宽度w的间隙宽度能够实现特别可装载的焊接接头。
在焊接工艺期间，在焊接炉中有利地产生至多10-2毫巴的压力。这提供了很大的优点，即通过产生负压，可以移除阻碍焊接工艺的物质，诸如气体成分，并且因此可以排除对焊接连接的负面影响。
此外，本发明基于引入根据该方法制造的活塞的总体思想，其中由于根据本发明设计的焊接间隙，该活塞能够实现特别可靠的、可装载的且工艺安全的焊接接头。
在根据本发明的活塞的有利发展中，在一个接合表面中布置两个焊料存储部。当然，取决于期望的焊料量，可以在一个或多个接合表面中布置一个或多个焊料存储部，尤其是为了能够以更好的方式控制焊接材料的流。纯粹从理论上讲，当然也可以想象的是，焊料存储部不会被引入到接合表面内部，而是例如被引入到加宽的下部接合表面上，然后通过切割去除其突出部。
在根据本发明的解决方案的有利发展中，一个接合表面垂直于活塞轴线或以径向包围的方式垂直于活塞轴线延伸，而另一个相对设置的接合表面倾斜于活塞轴线延伸。由此可以实现将要制造的焊缝的楔形，其中当然也可以想到焊缝的其他形状。例如，一个接合表面也可以相对于活塞轴线径向地延伸，而另一个接合表面具有弯曲(kinked)的设计，也就是说，例如，以凹槽的方式。在弯曲中，优选地在这种情况下对于焊料存储部进行设置，其中当然在这种接合表面上还可以布置多个凹槽，其具有径向不同尺寸并且径向间隔开，每个凹槽具有焊料存储部。这具有特别的优点，即可以在活塞顶部部件和活塞底部部件之间形成多个环形或圆形焊缝，并且因此可以在活塞顶部部件和活塞底部部件之间形成特别可装载的焊接连接。
在根据本发明的解决方案的另外的有利实施方案中，一个接合表面垂直于活塞轴线延伸，而另一个接合表面具有凹入或凸起的设计。由此也可以形成两个活塞部件之间的初始仅圆形的接触，其中，在接合表面的凹入设计的情况下，设置两个线性接触环，其方式与凸起设计的接合表面的情况相同，假如同时在接触区中布置焊料存储部。凸起形状具有接合表面之间的特别干净的过渡的优点并且在内侧上在两个接合表面的接触区域中形成有利的焊接弯月形(meniscuses)。凹入形状在支撑元件的高负载边缘区域中导致狭窄的有利焊缝。
此外，本发明基于为内燃机配备至少一个根据前述方法制造的活塞的总体思路，由此使得重量优化且可高负载的内燃机成为可能。
本发明的其他重要特征和优点在从属权利要求、附图以及基于附图的相关附图描述中获得。
应当理解，上述特征以及还将在下文中解释的特征不仅可以在分别指出的组合中应用，而且还可以在其他组合中应用或者单独应用，而不脱离本发明的范围。
附图说明
本发明的优选示例性实施方案在附图中示出并且在以下描述中更详细地解释，其中相同的附图标记指示相同或相似或功能相同的部件。
在附图中，在各种情况下，示意性地，
图1示出了根据本发明的活塞的截面图，
图2示出了图1的在两个相对布置的接合表面的区域中的详细视图，其中一个接合表面垂直于活塞轴线延伸并且一个接合表面倾斜于活塞轴线延伸，
图3示出了如图2中的视图，但是在斜接合表面中具有两个焊料存储部，
图4示出了一个垂直于活塞轴线延伸的接合表面和一个凹入的相对设置的接合表面，
图5示出了如图4中的视图，但是具有一个凸起的接合表面，
图6示出了图1的详细视图，其中一个接合表面垂直于活塞轴线延伸，并且一个相对设置的凹槽形接合表面带有焊料存储部，
图7示出了如图6中的视图，但是带有两个凹槽形接合表面，
图8示出了图6的修改，
图9示出了平行于活塞轴线延伸的接合表面，其中带有限定的局部突出部，
图10示出了相对于图9旋转90°的视图，其中径向延伸的接合表面带有局部突出部。
具体实施方式
根据图1示出的是根据本发明的活塞1，其具有活塞顶部部件2和活塞底部部件3。活塞顶部部件2在这种情况下具有内部支撑元件4和外部支撑元件5，其方式与活塞底部部件3相同。活塞顶部部件2在这种情况下经由其内部支撑元件4相对于活塞底部部件3的内部支撑元件4被支撑，并且通过其外部支撑元件5相对于活塞底部部件3的外部支撑元件5被支撑。在这种情况下，在内部支撑元件4与外部支撑元件5之间包括冷却通道6。根据本发明，活塞顶部部件2现在在活塞底部部件3的内部支撑元件4的相关联的内部接合表面7’上通过其内部支撑元件4经由内部接合表面7被支撑。以相同的方式，活塞顶部部件2通过其外部支撑元件5经由外部结合表面8相对于活塞底部部件3的外部结合表面8’被支撑。在这种情况下，在分别相对设置的接合表面7、7’和8、8’之间形成焊接间隙9(参见图2至图10)。
活塞顶部部件2和/或活塞底部部件3的相应接合表面7、7’、8、8’在这种情况下以这种方式制造，尤其是成角度制造，使得在接合在一起的状态下，它们不彼此平坦对接，形成零间隙。因此，例如，焊接间隙9是楔形的。
所描述的活塞顶部部件2和活塞底部部件3当然可以被称为第一活塞部件和第二活塞部件，使得第一活塞部件代表例如活塞基体并且第二活塞部件代表例如环带。
现在借助与根据本发明的制造方法制造根据本发明的活塞1，该方法被分成以下方法步骤：首先，制造活塞顶部部件2和活塞底部部件3，该活塞顶部部件和该活塞底部部件各自具有带有内部接合表面7、7’的内部支撑元件4，并且各自具有带有外部接合表面8、8’的外部支撑元件5，其中在至少一个内部接合表面7、7’中和/或在至少一个外部接合表面8、8’中引入至少一个焊料存储部10(参见图2至图10)。纯理论上，根据图2至图10的焊料存储部10在这种情况下总是布置在相应的接合表面7、7’、8、8’的区域中，其中当然也可以想到的是，接合表面7、7’、8、8’中的一个在径向方向上延伸，也就是说，正交于活塞轴线11延伸，并且焊料存储部10布置在那里。在这种情况下，然后可以在焊接之后借助于例如金属切割工艺移除径向延伸的接合表面7、7’、8、8’。
现在将高温焊接材料12引入到至少一个焊料存储部10中。现在将活塞顶部部件2与活塞底部部件3组装在一起，形成活塞本体或活塞1，并且在该过程中在相应的内部接合表面7、7’与相应的外部接合表面8、8’之间形成至少一个圆形且线性的接头13，其中间隙宽度w为20μm&lt;w&lt;150μm，优选地为20μm&lt;w&lt;80μm。在这种情况下，活塞顶部部件2和/或活塞底部部件3的至少一个内部接合表面7、7’和/或至少一个外部接合表面8、8’倾斜于活塞底部部件3或活塞顶部部件2的相应接合表面8、8’、7、7’放置。因此，保留在两个相关联的接合表面7、7’和8、8’之间的焊接间隙9至少在截面上是楔形的。现在将活塞1转移到焊接炉中并且在那里被加热到最高1300℃的焊接温度，通常加热到1010℃与1180℃之间的焊接温度，并且高温焊接材料12因此被熔化。由于焊接材料12的熔化，其分布在焊接间隙9内部，并且由于毛细管效应甚至渗透到最小的间隙中。通过两个相对设置的接合表面7、7’和8、8’之间的唯一线性或圆形接头，避免了以前经常出现的零间隙，并且因此显著提高了连接质量。
此外，在焊接炉的焊接工艺期间，还产生例如最高10-2毫巴的压力，其中通过抽空焊接炉，还可以特别地移除对焊接工艺产生负面影响的气体，并且因此可以提高焊接连接的质量。
在图2至图10中，接合表面分别被指定为7、7’或8、8’，其中明显清楚的是，这些接合表面可选地仅与分别相关联的内部支撑元件4或外部支撑元件5相关联地出现。
如果现在考虑单个焊接间隙9，则根据图2，可以看到由两个相对设置的接合表面7、7’和8、8’形成的焊接间隙9，其中一个接合表面7’、8’垂直于活塞轴线11或以径向包围的方式垂直于活塞轴线11延伸，而另一个接合表面7、8倾斜于活塞轴线11延伸。在这种情况下，在倾斜于活塞轴线11延伸的接合表面7、8中布置一个焊料存储部10。在焊接间隙9的情况下，在这种情况下，它可以是内部支撑元件4或外部支撑元件5之间的焊接间隙。如果考虑根据图3的焊接间隙9，那么这主要类似于根据图2的焊接间隙9进行设计，然而，其中，在接合表面7、8上布置两个焊料存储部10。
如果考虑根据图4和图5的焊接间隙9，那么可以看出，接合表面7’、8’在那里垂直于活塞轴线11延伸，而相对设置的接合表面7、8在图4的情况下具有凹入设计，并且在图5的情况下具有凸起设计。然而，在两种情况下，在两个接合表面7、7’或8、8’之间形成线性接头13。
根据图6示出的是焊接间隙9，其接合表面7’、8’也像在图7中那样垂直于活塞轴线11延伸，而另一个接合表面7、8具有弯曲的设计，并且在根据图6仅通过不连续地画出的线(虚线)示出的弯曲14的区域中，具有焊料存储部10。根据图7的焊接间隙9也以相同的方式设计，其中在这种情况下设置两个弯曲的接合表面7、8。
如果考虑图8，那么在在那里示出的焊接间隙9中，接合表面7、8垂直于活塞轴线11定向，而相对设置的接合表面7’、8’具有弯曲的设计。然而，焊料存储部10在这种情况下布置在与弯曲14相对的径向定向的接合表面7、8的区域中。
如果最后考虑图9，那么在那里可以看到平行于活塞轴线11延伸的焊接间隙9，其中还有圆形接触点，与如图10中的方式相同，然而，其中，根据图10的焊接间隙9再次垂直于活塞轴线11定向。
作为用于活塞部件2、3的基础材料，可以选择例如材料编号为1.1303的根据DINEN10267的AFP钢38MNVS6，而对于高温焊接材料12，可以选择例如根据EN 1044或DIN 8513的镍基焊料L-BN12。
根据本发明的活塞1和根据本发明的制造方法的所有实施方案在这种情况下具有共同的因素，即可以完全避免先前从现有技术已知的由于平行且平坦的邻接表面而产生的零间隙，并且因此显著提高连接质量。
根据本发明的活塞1例如在内燃机15的气缸中使用。

Claims (10)

1.用于制造由活塞顶部部件(2)和活塞底部部件(3)组成的活塞(1)的方法，所述活塞顶部部件和所述活塞底部部件各自具有内部支撑元件(4)和外部支撑元件(5)，
其特征在于方法步骤，
-制造各自具有带有内部接合表面(7、7’)的内部支撑元件(4)并且各自具有带有外部接合表面(8、8’)的外部支撑元件(5)的所述活塞顶部部件(2)和所述活塞底部部件(3)，其中，在至少一个接合表面(7、7’)中和/或在至少一个外部接合表面(8、8’)中引入焊料存储部(10)，
-以这种方式预加工所述活塞顶部部件(2)和/或所述活塞底部部件(3)的相应的所述接合表面(7、7’、8、8’)，使得在接合在一起的状态下这些接合表面不彼此平坦对接，形成零间隙，
-将高温焊接材料(12)引入到至少一个焊料存储部(10)中，
-通过在相应的所述内部接合表面(7、7’)与相应的所述外部接合表面(8、8’)之间形成至少一个圆形且线性的接头(13)，组装所述活塞顶部部件(2)和活塞底部部件(3)，形成所述活塞(1)，其中，间隙宽度w为20μm&lt;w&lt;150μm，
-将所述活塞(1)转移到焊接炉中，
-将所述活塞(1)加热到最高1300℃的焊接温度，
-冷却经焊接的活塞(1)直到所述高温焊接材料(12)完全凝固。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于
通过在相应的所述内部接合表面(7、7’)和相应的所述外部接合表面(8、8’)之间形成线性的接头(13)，组装所述活塞上部部件(2)和活塞下部部件(3)，形成所述活塞(1)，其中，间隙宽度w为20μm&lt;w&lt;80μm。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的方法，
其特征在于
在焊接工艺期间，在所述焊接炉中产生最高10-2毫巴的压力。
4.活塞(1)，根据前述权利要求中的任一项所述的方法制造。
5.根据权利要求4所述的活塞，
其特征在于
在一个接合表面(7、7’、8、8’)中布置两个焊料存储部(10)。
6.根据权利要求4和5中的任一项所述的活塞，
其特征在于
一个接合表面(7、7’、8、8’)垂直于活塞轴线(11)延伸，而另一个接合表面(7、7’、8、8’)倾斜于所述活塞轴线(11)延伸。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的活塞，
其特征在于
一个接合表面(7、7’、8、8’)垂直于活塞轴线(11)延伸，而另一个接合表面(7、7’、8、8’)具有弯曲的设计。
8.根据权利要求4至7中的任一项所述的活塞，
其特征在于
一个接合表面(7、7’、8、8’)垂直于活塞轴线(11)延伸，而另一个接合表面(7、7’、8、8’)具有凹入或凸起的设计。
9.根据权利要求4至8中的任一项所述的活塞，
其特征在于
至少一个接合表面(7、7’、8、8’)平行于活塞轴线(11)延伸并且具有限定的局部突出部。
10.内燃机(15)，在其中布置至少一个汽缸和根据权利要求4至9中的任一项所述的活塞。
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