CN109982806A - 生产用于内燃机的铸造发动机缸体的方法以及发动机缸体 - Google Patents

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米哈尔·卢斯扎克
彼得·克维特科夫斯基
亚当·皮特拉斯
达米安·米亚拉
约兰塔·马西亚克
亚切克·皮特扎克
罗伯特·布莱克
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
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    • F02F2001/104—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means for liquid cooling using an open deck, i.e. the water jacket is open at the block top face

Abstract

本发明提供一种用于容易地生产用于内燃机的发动机缸体(1)的方法，发动机缸体(1)具有盖板(A)、至少一个气缸开口(2，3，4，5)以及敞开式水套(10)，水套(10)形成到发动机缸体(1)中且在限定气缸开口(2，3，4，5)的气缸壁(6，7，8，9)与外壁(15)之间，其中，在盖板(A)的顶部设有用于安装内燃机的气缸盖的接触面(11)，气缸开口(2，3，4，5)和水套(10)的开口(12)形成在接触面(11)中，方法包括以下方法步骤：·a)提供具有敞开式水套开口(12)的发动机缸体(1)；·b)将插入件(20)放置在水套开口(12)中，插入件(20)的形状适合于水套开口(12)的形状，使得插入件(20)当放置时至少部分地封闭水套开口(12)并桥接外壁(15)与气缸壁(6，7，8，9)之间的距离，从而将气缸壁(6，7，8，9)支撑在发动机缸体(1)的外壁(15)上；以及·c)通过摩擦焊接将插入件(20)固定在水套开口(12)中。相应地生产的发动机缸体显示出封闭式盖板发动机缸体的优点。

Description

生产用于内燃机的铸造发动机缸体的方法以及发动机缸体
技术领域
本发明涉及生产用于内燃机的铸造发动机缸体的方法。
根据本发明生产的发动机缸体具有盖板、至少一个气缸开口以及敞开式水套(open water jacket)，敞开式水套形成到发动机缸体中且位于限定气缸开口的气缸壁与外壁之间。在要铸造的发动机缸体的盖板顶部设有接触面。该接触面旨在用于安装内燃机的气缸盖。气缸开口和水套的开口形成在接触面中。
本发明还涉及相应设计的用于内燃机的发动机缸体。
背景技术
在DE 197 14 062C2中公开了一种生产发动机缸体的方法，该方法包括将发动机缸体铸造成敞开式盖板构造(open deck construction)以及用插入件将所获得的铸件的盖板中的水套的敞开式端部封闭的步骤，插入件通过焊接、胶合、楔入或收缩被固定在相应的开口中。以这种方式，发动机缸体可以采用普通压铸工艺容易地生产并且显示出与封闭式盖板发动机缸体的刚度对应的刚度。
根据本发明的方法应该尤其适于通过使用(高)压铸造工艺(“HPDC工艺”)来生产发动机缸体。
HPDC是一种允许批量生产用于车辆内燃机的高质量发动机缸体的工艺。在HPDC工艺中，在相应铸造机的模具中所限定的模腔中以高压对熔融金属进行压制。模具通常由两个模具半部制成，模具半部支承芯，芯在铸件中形成开口、凹部和空腔。诸如基于铝或镁的合金等的常用轻金属合金尤其适于该工艺。
在普通压力铸造中，模具还可以包括滑块和插入件，以再制底切部和其它形状复杂的元素。这些元素之一是形成发动机缸体的水套的凹部。水套包围气缸体的限定气缸开口的那些内部气缸壁。在发动机的实际使用中，冷却水流过水套以从气缸壁中移除在气缸开口中发生的燃烧的热量。
具有“封闭式盖板几何形状”的发动机缸体具有“盖板板件(deck plate)”，该盖板板件在其自由的上侧限定了设置用于安装相应发动机的气缸盖的接触面。具有封闭式盖板几何形状的发动机的盖板板件在发动机缸体的上侧将水套完全封闭，使得在接触面上仅存在气缸开口以及气缸盖的用于油和水供应的开口。
封闭式盖板设计的优点之一是缸体的高刚度。这种高刚度是通过由盖板板件的与水套桥接的材料提供的对气缸壁的支撑来实现的，从而将气缸壁支撑在发动机缸体的外壁上。具有封闭式盖板的发动机缸体的高刚度允许减小壁的厚度以及发动机缸体的总重量。
然而，在HPDC工艺中难以铸造具有封闭式盖板的发动机缸体。由于采用封闭式盖板设计，需要使用特殊的铸造工具在发动机缸体中形成水套。缸体固化之后移除成形工具的必要性限制了设计发动机缸体的自由度。
这种缺点主要可以通过在HPDC工艺中使用所谓的“丢失模芯技术”消除。该技术在重力铸造领域已经很成熟。在重力铸造中，由铸件壁包围的凹部、通道和空腔由芯形成，这些芯在铸件的脱模过程中被损毁。典型地，芯由成形材料制成，该成形材料是铸砂与无机或有机粘合剂的混合物。该成形材料在芯成形工艺中通过化学(“冷箱法”)或热(“热箱法”)处理而固化。然而，实际实验表明，普通的热箱或冷箱砂芯不能用于HPDC，因为将熔体供给到模具中所采用的压力非常高(300巴至400巴)。
在EP 2 425 910 A1以及其它几个出版物中，推荐使用由盐制成的芯作为由砂制成的芯的替代方案。通过将处于半泥浆状态的盐(NaCl、KCl、Na2CO3等的混合物)注入芯成形机的模具中来制造盐芯。在该过程中出现的一个基本问题是盐材料的收缩，这在固化过程中引起铸芯中的裂纹。形状越复杂(就像水套芯的情况一样)，盐芯越容易出现裂纹。
伴随盐芯技术的另一问题是在固化后从铸件中移除芯。通常使用水将盐芯从铸件中冲洗出来。然而，为了确保完全移除，必须用高压将水压入铸件中，这导致昂贵的能量消耗。此外，盐水的处理是昂贵的，因为它被认为对环境有害。
在US 7,392,771 B2中公开了一种生产用于内燃机的封闭式盖板型发动机缸体的方法。在该方法的一个步骤中，提供铸造发动机缸体。发动机缸体具有连通孔，该连通孔被认为是用于接收气缸套筒，该气缸套筒在其顶端的外周壁上具有沿直径方向向外突出的大直径部分。在摩擦搅拌焊接工具的作用下，插入连通孔中的气缸套筒连接到缸体主体而大直接部分介于气缸套筒与缸体主体之间。这样，在气缸套筒与发动机缸体的包围气缸套筒的壁之间以一定距离形成水套，该水套由气缸套筒的大直径部分封闭。
发明内容
在上述现有技术的背景下，本发明要解决的目的是提供一种容易生产发动机缸体的方法，该方法显示出与封闭式盖板发动机缸体的优点相当的优点。
此外，应该设计一种发动机缸体，其具有采用封闭式盖板设计的发动机缸体的优点，但是可以通过压模铸造容易地生产。
关于该方法，本发明提出了权利要求1中所述的方法，用于解决上面所说明的问题。
权利要求15中所述的特征是发动机缸体的特征，它也解决了上面根据本发明所说明的问题。
根据本发明的方法和发动机缸体的优选实施例在从属权利要求中给出，并且在下面详细说明，与总的发明构思一样。
根据本发明的方法旨在用于生产具有与封闭式盖板类型的发动机缸体的刚度类似的刚度的用于内燃机的铸造发动机缸体，其中发动机缸体具有盖板、至少一个气缸开口以及敞开式水套，敞开式水套形成到发动机缸体中且位于限定气缸开口的气缸壁与外壁之间，在盖板的顶部设有用于安装内燃机的气缸盖的接触面，气缸开口和水套的开口形成在接触面中。
根据本发明，用于生产这种发动机缸体的方法包括以下方法步骤：
a)提供具有敞开式水套开口的发动机缸体，发动机缸体优选地由轻金属合金铸造而成；
b)将插入件放置在水套开口中，插入件的形状适合于水套开口的形状，使得插入件在放置时至少部分地封闭水套开口并桥接外壁与气缸壁之间的距离，从而将气缸壁支撑在外壁上，插入件优选地由与发动机缸体的铸造材料相关的材料制成；
以及
c)通过摩擦焊接将插入件固定在水套开口中。
对应于根据本发明的方法，根据本发明的用于内燃机的发动机缸体具有设置用于安装气缸盖的接触面，其中在接触面中设有至少一个水套开口，至少一个水套开口由放置在水套开口中的插入件至少部分地封闭，插入件通过摩擦焊接固定在水套开口中。
在接触面中可以设有两个或更多个水套开口，每个水套开口由通过摩擦焊接固定在相应水套开口中的插入件至少部分地封闭，相邻水套开口通过形成为发动机缸体的组成部分的带状部彼此分开。
因此，类似于从DE 197 14 062 C2已知的现有技术，根据本发明的铸造的发动机缸体设计成敞开式盖板缸体类型，这种敞开式盖板缸体的接触面中具有敞开式水套开口。
作为根据发明的工艺的基础产品提供的这种敞开式盖板设计发动机缸体，可以使用用于形成水套的常用工具在普通HPDC工艺中容易地生产。在铸造金属固化之后，工具可以经由形成在缸体的接触面中的敞开式水套开口以常用的方式容易地从铸造发动机缸体中移除。为此目的，可以使用在敞开式盖板型发动机缸体的HPDC生产领域已经成熟的铸造和工具移除技术，从而可以以高精度且无需大量努力来实现可靠的生产。
在根据本发明的方法的第二步骤中，通过将插入件放置在该开口中，至少部分地封闭至少一个敞开式水套开口。插入件的形状适合于水套开口的区域的形状，插入件被分配成使得插入件填充气缸壁和与水套接界的外壁之间的空间。优选地，插入件放置成使其上表面与发动机缸体的接触面齐平地对齐。这样，插入件在放置在水套开口中之后形成桥。通过该桥，气缸壁被支撑在发动机缸体的形成水套的外边界的一个或多个外壁上。
为了简化根据本发明方法的工作步骤c)通过摩擦焊接实现的插入件的固定，插入件优选地由与铸造发动机缸体的铸造材料相关的材料制成，使得通过摩擦焊接可以容易地实现强烈的积极物质结合。
为了简化插入件在开口中的放置，插入件的外侧表面与水套开口的内侧表面之间的一定间隙可以是有益的。
实际实验表明，当插入件放置在水套开口中时，包围插入件的明显槽也对将插入件放置在水套开口中之后执行的摩擦焊接工艺的结果产生积极影响。在这方面，证明有利的是，插入件的外侧表面或水套开口的内侧表面是倾斜的，使得在将插入件放置在水套开口中之后，插入件和水套开口的相对的侧表面之间的槽的宽度从底部到顶部是增大的。相应侧表面的倾斜度优选为0.5°至10°，最大4°的倾斜度对于大多数应用而言特别有效。由倾斜产生的槽形状在焊接工艺步骤中产生有利的熔融金属局部流动。槽的宽度优选地在0.01毫米至0.5毫米之间变化。
如果在一定区域中插入件的宽度与分配给插入件的该区域的水套开口区域的宽度相比略微过大，使得在将插入件放置在开口中之后，有一点压力作用在插入件与发动机缸体的接触壁之间，则可以容易地实现插入件在水套开口中的牢固保持。通过该力，在摩擦焊接工艺中保持插入件，从而不需要额外的夹紧工具等来确保精确的焊接结果。如果插入件具有以上述方式倾斜的侧表面，则插入件的这种设计尤其优选。在这种情况下，插入件的过大区域优选地位于插入件的脚部区域中，该脚部区域是指与插入件的分配给发动机缸体的接触面的上表面相反的区域。
在放置插入件之后，通过摩擦焊接将插入件固定在水套中。焊接步骤的主要目的是将插入件附接在开口中，使得与水套开口接界的壁之间的距离被桥接，并且气缸壁通过插入件被支撑在发动机缸体的外壁上。因此，插入件用作加强元件，其在存在水套开口的区域中增强发动机缸体，使得根据本发明的发动机缸体具有与普通封闭式盖板发动机缸体的刚度对应的刚度。
根据本发明的方法的工作步骤c)中的摩擦焊接可以执行为摩擦点焊。
作为替代方案，摩擦焊接可以执行为遵循沿水套开口的宽度和/或长度的单个轨迹或两个或更多个轨迹的焊接。然而，为了在相应的水套开口的区域中获得最大的加强效果，可以优选的是执行摩擦焊接，使得在插入件的外周表面与水套开口的内周表面之间存在的槽或间隙被完全封闭。
摩擦点焊是一种固态焊接技术，在此期间保持旋转搅拌工具固定不动，使得仅在有限的区域中在工具-工件界面处产生摩擦热。如果寻求插入件与发动机缸体的相邻材料的大面积接合，则可以使用焊接工具沿预定的轨迹移动的普通摩擦搅拌焊接。
在所有摩擦焊接技术中，通过由旋转搅拌工具和工件之间的相对运动造成的摩擦所产生的摩擦热使接合配对件的材料软化。摩擦焊接工具的旋转和移动引起材料流，通过该材料流，使相邻的接合配对件(即，在本发明中为插入件和气缸体的相应壁)的材料混合。作用在塑化材料上的压力以及塑化材料的混合导致形成固体粘合区域。
利用垂直于接合线移动的摩擦焊接工具执行摩擦点焊和摩擦焊接，这允许比标准焊接更快的循环时间，在标准焊接中，焊接工具沿着插入件的外周面与水套开口的内周面接触所成的接合线移动。因此，使用如上所述移动的工具进行摩擦点焊或摩擦焊接，可以对生产时间和成本产生显著影响。
对于摩擦焊接，可以使用普通的摩擦搅拌工具，例如在US7,392,771B2中所示。这种摩擦搅拌工具通常围绕与接触面成直角对齐的旋转轴线旋转，摩擦搅拌工具具有前表面，该前表面作用在接触面的与水套开口接界的接界区域上以及插入件的分配给接触面的上表面上。还如US 7,392,771 B2中所示，在摩擦搅拌工具的前表面上可以设置销，销与摩擦搅拌工具的旋转轴线同轴地对准并且在摩擦焊接(方法步骤c)期间浸入插入件的金属中。销加强了动能的引入，该动能一方面由于插入件的金属与发动机缸体的包围相应水套开口的材料之间的摩擦接触并且另一方面由于插入件的金属与旋转摩擦搅拌工具之间的摩擦而转变为热量。
在所使用的摩擦焊接工具的销的直径小于水套开口的宽度的情况下，摩擦搅拌工具可以在摩擦焊接(方法步骤c)期间在水套开口的宽度方向上移动。在这方面，已证明，如果每次摩擦搅拌工具的旋转轴线穿越插入件和接触面的与水套开口接界的接界区域之间的槽时，摩擦搅拌工具的运动停止至少0.5秒的停止间隔，在此期间摩擦搅拌工具的旋转继续，则在插入件与发动机缸体的周围材料之间的焊接连接的质量方面是有利的。
根据应该实现的插入件在水套开口中的固定的范围，可以在停止间隔之后继续摩擦搅拌工具在插入件的宽度方向或纵向上的运动。焊接也可以沿着插入件与气缸体之间的接合线进行，或垂直于该接合线进行。
假若在停止间隔之前摩擦搅拌工具从插入件移动到接触面的接界区域，则在停止间隔之后，摩擦搅拌工具的运动应该在与停止间隔之前的运动方向相反的方向上继续。然而，如果在停止间隔之前摩擦搅拌工具从接触面的接界区域移动到插入件，那么在停止间隔之后，摩擦搅拌工具的运动将在与停止间隔之前相同的方向上继续。通过该运动过程，摩擦搅拌工具以Z字形方式移动跨越插入件。这样，获得了插入件与发动机缸体的周围材料之间的优化的焊接连接。
如果插入件具有细长形状，则摩擦搅拌工具优选地在插入件的纵向上逐步地或连续地移动。纵向运动可以与宽度方向上的运动重叠，或者可以在单独的运动步骤中执行。
本发明的一个重要优点是它可以在批量生产中成本有效地工业化和自动化。为了实施根据本发明的方法，简单的CNC机器就足够了，这种机器仅需要具有三个运动轴线来支承和移动摩擦焊接工具。不要求像现有技术那样需要专门的焊接机器人来实现焊接。无需使用专门的设备意味着该方法不仅更快，不太贵，而且更便宜。
插入件在水套开口中的放置和固定可以简化为，在接触面的与水套开口接界的接界区域中形成偏移或凹部，插入件在放置到水套开口中之后被支撑在该偏移或凹部之上或之中。这样，在焊接期间不需要用于将插入件对齐的设备。
根据本发明的方法尤其适合于生产由轻金属合金、优选地由铝合金铸造的发动机缸体。
为了确保摩擦焊接产生插入件与发动机缸体的邻接壁的高质量接合而不需要额外的努力，制造插入件的材料应该适应于发动机缸体的材料，使得在使插入件和发动机缸体的材料相混合的焊接区域中，形成均质的材料混合物，这确保插入件在水套开口中的持久且牢固的保持。
优选地，插入件由与发动机缸体相同的材料制成。如果插入件和气缸体两者由相同的合金制成，则所获得的焊接微观结构通常将优于插入件和气缸体的微观结构。
由于在根据本发明的方法中，没有使用填充金属来填充插入件与发动机缸体的周围材料之间的槽，因此在使插入件的材料和发动机缸体的材料在焊接期间相混合的接合区域中，存在均质的材料混合物。因此，在对发动机缸体的接触面进行机加工之后，可以获得理想的抛光表面来组装气缸盖。
插入件可以通过铸造来制造或通过从片材上切割来制造。插入物的切割可以通过激光或水切割进行。
换句话说，本发明提供一种借助于至少一个插入件，优选地两个或更多个插入件来增强铸造发动机缸体的方法，每个插入件优选地放置在凹部中，凹部形成在水套的上部区域中使得它与发动机缸体的接触表面邻接，插入件在其尺寸方面适合于水套开口或其中形成的凹部，使得在放置后插入件的形式合适地配合在水套开口或所述凹部中。通过使用旋转摩擦焊接工具来执行插入件在水套开口中的固定，旋转摩擦焊接工具优选地另外执行平面运动，插入件的材料和发动机缸体的相邻壁通过摩擦焊接工具的运动而被加热，使得材料被塑化并混合，从而形成材料的积极结合。在旋转摩擦搅拌工具通过相应的焊接区域之后，以这种方式焊接的材料快速地固化。
附图说明
下面借助于描绘示例性实施例的附图更详细地说明本发明。分别示意性地示出了：
图1是发动机缸体的俯视图；
图2是图1的A部的放大图；
图3是沿图1中记录的交叉线X-X切开的根据图1的发动机缸体的截面图；
图4是摩擦焊接期间图3所示切口的透视图。
具体实施方式
图1示出了作为用于执行根据本发明的工艺的基础产品提供的发动机缸体1。
发动机缸体1由普通的铸铝合金铸造而成，并且用于内燃机的组装，这里未进一步示出内燃机。
发动机缸体1具有四个气缸开口2、3、4、5，这些气缸开口成直线排列。相邻的气缸开口2、3；3、4；4、5通过气缸壁6、7、8、9彼此分开，气缸壁6、7、8、9限定相应的气缸开口2、3、4、5。
敞开式水套10以常规方式形成在发动机缸体1中，水套10包围气缸壁6、7、8、9。
在发动机缸体1的顶部形成有盖板区域A。盖板区域A在其上侧具有平面接触面11，在该平面接触面11中形成有气缸开口2、3、4、5和水套10的开口12。
由于水套10是完全敞开的，因此可以在发动机缸体1固化之后经由水套开口12容易地取出在铸造工艺中形成水套的成形工具(未示出)。
在接触面的与水套开口12接界的接界区域15中形成有阶梯状凹部16。凹部16的支撑面17与接触面11之间的距离为4毫米至15毫米。
如果从上方观看(图1、图2)，凹部16的形状遵循水套10的形状，水套10形成为使其遵循气缸壁6、7、8、9的凹形形状。凹部16的曲率半径Ra为20毫米至60毫米。在凹部的短侧13、14处，凹部是倒圆角的。短侧13、14的圆角半径Rb为4毫米至15毫米。将凹部16的曲率中心和相应凹部16的第一短侧13的圆角中心连接起来的第一直线与将相应凹部16的曲率中心和相应凹部16的第二短侧14的圆角中心连接起来的第二直线之间的夹角β为大于0至120°。
为了部分地封闭水套开口12，提供了插入件20。插入件20由与发动机缸体1相同的合金铸造而成。
插入件20的形状适合于形成在水套开口12中的凹部16的形状。因此，插入件20可以分别形状配合地放置在凹部16中的一个中。
插入件20的侧表面21是倾斜的，使得插入件20从它们的底面22朝向它们顶面23的方向逐渐缩小。此外，插入件20的尺寸选择为，使得它们以稍微不足的尺寸(undersize)配合到相应的凹部16中。这允许将插入件20简单地放置在水套开口12中。
由于插入件20的侧表面21的倾斜，存在于水套开口12的内侧表面18与插入件20的侧表面21之间的槽24的宽度W从槽24的底部到顶部变宽。由于这一点以及插入件20的尺寸不足，在槽24的底部处侧表面18、21之间的最小距离约为0.1毫米，而在槽24的靠近接触面11的顶部处的最大距离约为0.4毫米(图3)。
作为与插入件20的底面22相邻的区域25中的尺寸不足的替代方案，插入件20也可以在该区域25中具有略微过大的尺寸。如果实现该实施例，则为了放置，用一点压力将插入件20压入相应的凹部16中，并且在以该方式进行放置之后，在插入件20的外周壁与凹部16的内壁之间的区域25中作用有一点压力的情况下，插入件20被保持在相应凹部16中。区域25中的插入件宽度的过大尺寸适合于凹部16的宽度，使得一方面压力足够低到使得插入件20能够容易地压入相应的凹部16中，并且另一方面足够高到确保在焊接期间将相应的插入件20牢固地保持在分配的凹部16中。
水套开口12的内侧表面18垂直于平面接触面11对齐。
为了将插入件20固定在水套开口12中，提供了常用的摩擦搅拌工具30，摩擦搅拌工具30具有带有平面前表面32的圆柱形旋转头31。在使用中，旋转头31围绕旋转轴线D旋转，旋转轴线D垂直于平面接触面11对齐。在摩擦搅拌工具30的前表面32上设置有销33，销33与旋转轴线D同轴对准。
为了摩擦焊接，将围绕旋转轴线D旋转的旋转头31的销33压靠在接触面11的接界区域15上或相应插入件20的顶面23上。由于销33与相应表面之间的接触所产生的摩擦力，销33的动能被转换成热量，该热量使与销33接触的材料熔化。一旦发生这种情况，就将旋转头31下降，使得不仅销33而且旋转头31的前表面32接触相应的表面，从而加强了熔化过程。
利用摩擦搅拌工具30进行的摩擦焊接的策略取决于相应插入件的尺寸和形状以及相应的插入件20应该固定在相应的开口12中的方式。
如果仅需要与插入件的纵向延伸成直角对齐的一个焊接轨迹T1，则首先将摩擦搅拌工具30布置为使得旋转轴线D撞击靠近槽24的接界区域15。在将摩擦搅拌工具30的销33浸入接界区域15的材料中之后，使摩擦搅拌工具30垂直于插入件20的纵向移动，即在水套开口12的宽度B方向上移动。一旦旋转轴线D穿越槽24，就将摩擦搅拌工具30的移动中断持续长达1秒的停止间隔。然后，使摩擦搅拌工具30的移动在与之前相同的方向上继续，直到旋转轴线D穿越插入件20的另一侧上的槽24。一旦发生这种情况，就将摩擦搅拌工具30的移动再次中断长达1秒的停止间隔。在这次停止间隔之后，结束焊接并且将摩擦搅拌工具30提高直到销33不再接触任何材料。
为了获得在插入件20的纵向上以较大量延伸的焊接，横穿插入件20的纵向的移动可以与沿插入件20的纵向的移动叠加。在这种情况下，摩擦搅拌工具30的移动方向在第二次停止间隔之后继续，但是具有反向的横向移动(参见焊接轨迹T2)。因此，在该实施例中，摩擦搅拌工具30以Z字形方式移动跨越插入件。
当然，也可以使摩擦搅拌工具30移动，使得其遵循槽24的路线以便将槽24完全且可靠地封闭。
在焊接之后，水套开口12被部分地封闭，使得气缸壁8被支撑在外壁26上，发动机缸体1在该区域中显示出与直接铸造有封闭盖板的发动机缸体相同的刚度。
以上说明的根据本发明的方法也可以以更一般的方式描述如下：
当执行搅拌焊接时，将带有销的旋转摩擦搅拌工具30引入到插入件20中。然后，摩擦搅拌工具30在方向V上执行往复运动，如图4所示，方向V垂直于插入件30的长度延伸L对齐。
旋转摩擦搅拌工具30的主体具有适合于插入件20的尺寸的形状，使得在焊接工艺中产生影响区Z1、Z2，在影响区Z1、Z2中插入件20的材料和发动机缸体的相邻壁8、26的材料被熔化、混合并固化，从而在摩擦搅拌工具30的冲击区域中实现金属连续性，金属连续性足以使插入件20在缸体中有效地固定不动。
作为前一段落中说明的旋转摩擦搅拌工具30的使用的替代方案或附加方案，在实际使用中，也可以将旋转摩擦搅拌工具及其销引入到发动机缸体1的与插入件20相邻的壁8、26的材料中。在该实施例中，摩擦搅拌工具30也可以通过在插入体31中留下影响区Z1、Z2而在方向V上执行平面运动，方向V垂直于插入件20与相邻气缸壁8和外壁26之间的接触线(槽24)，在影响区Z1、Z2中，插入件20的塑化材料和发动机缸体1的相应相邻壁8、26的塑化材料被强烈地混合成积极物质结合。通过该物质结合，插入件20被有效地固定在，即固定不动在形成于水套10的开口12中的用于插入件20的凹部16中。
旋转摩擦搅拌工具30可以在平面运动V中以其销33朝向发动机缸体的接触面10移动，直到至少摩擦搅拌工具33的轴线D在影响区Z1、Z2的区域中接触插入件20为止。之后，平面运动V停止至少0.5秒，使得在由旋转摩擦搅拌工具30实现的相应影响区Z1、Z2中可以发生材料的摩擦加热。在停止间隔之后，摩擦搅拌工具30可以再次移动，但现在在相反的方向V上移动。
在如前所述完成焊接之后，旋转摩擦搅拌工具30也可以在插入件20与相应的相邻壁18之间的接触线(槽24)之外朝向插入件20移动距离C，距离C可以小于或等于2×r，其中“r”是销33的半径。在该运动之后，工具30可以停止并且从发动机缸体1上移除。
如前面段落中所说明的，可以产生保持插入件20的夹紧力，因为插入件与相应的相邻壁之间的槽24略微变宽，使得如果在横截面中观看，则插入件具有梯形形状(参见图3)。通过将插入件20的加宽基部(区域25)的尺寸形成为使其相对于将要放置它的凹部16的宽度略微过大，可以在焊接操作时将插入件20卡在并固定不动在凹部16中，而无需使用任何额外的夹具或夹持件。
附图标记
1 发动机缸体
2、3、4、5 气缸开口
6、7、8、9 气缸壁
10 水套
11 平面接触面
12 水套开口
13、14 水套开口12的短侧
15 与水套开口12接界的接界区域
16 阶梯状凹部
17 支撑面
18 水套开口12的内侧表面
20 插入件
21 插入件20的倾斜侧表面
22 插入件20的底面
23 插入件20的顶面
24 槽
25 插入件12的与底面22相邻的区域
26 发动机缸体1的外壁
30 摩擦搅拌工具
31 圆柱形旋转头
32 圆柱形旋转头31的平面前表面
33 圆柱形旋转头31的销
β 角度
A 发动机缸体的盖板区域
B 水套开口12的宽度
C 距离
D 旋转轴线
L 长度延伸
Ra、Rb 半径
r 销33的半径
T1、T2 焊接轨迹
V 摩擦搅拌工具30的移动方向
W 槽24的宽度
Z1、Z2 摩擦焊接的影响区

Claims (15)

1.一种生产用于内燃机的铸造发动机缸体(1)的方法，所述发动机缸体(1)具有盖板(A)、至少一个气缸开口(2，3，4，5)以及敞开式水套(10)，所述敞开式水套形成到所述发动机缸体(1)中且位于限定所述气缸开口(2，3，4，5)的气缸壁(6，7，8，9)与外壁(15)之间，其中，在所述盖板(A)的顶部设有用于安装所述内燃机的气缸盖的接触面(11)，所述气缸开口(2，3，4，5)和所述敞开式水套(10)的开口(12)形成在所述接触面(11)中，所述方法包括以下方法步骤：
a)提供具有敞开式水套开口(12)的发动机缸体(1)；
b)将插入件(20)放置在所述敞开式水套开口(12)中，所述插入件(20)的形状适合于所述敞开式水套开口(12)的形状，使得所述插入件(20)当放置时至少部分地封闭所述敞开式水套开口(12)并桥接所述外壁(15)与所述气缸壁(6，7，8，9)之间的距离，从而将所述气缸壁(6，7，8，9)支撑在所述发动机缸体(1)的所述外壁(15)上；
以及
c)通过摩擦焊接将所述插入件(20)固定在所述敞开式水套开口(12)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为摩擦搅拌焊接、摩擦点焊或再填充摩擦点焊来执行所述摩擦焊接。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用摩擦搅拌工具(30)作为摩擦搅拌焊接来执行所述摩擦焊接(方法步骤c))，所述摩擦搅拌工具(30)围绕与所述接触面(11)成角度对齐的旋转轴线旋转，所述摩擦搅拌工具(30)具有前表面，所述前表面作用在所述接触面(11)的与所述敞开式水套开口(12)接界的接界区域(15)上以及所述插入件(20)的分配给所述接触面(11)的顶面(23)上。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述摩擦搅拌工具(30)的所述前表面(32)上设置有销(33)，所述销(33)与所述摩擦搅拌工具(30)的所述旋转轴线(D)同轴地对准并且在所述摩擦焊接(方法步骤c)期间浸入所述插入件(20)的金属中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述销(33)的直径小于所述敞开式水套开口(12)的宽度，并且所述摩擦搅拌工具(30)在所述摩擦搅拌焊接(方法步骤c))期间在所述敞开式水套开口(12)的宽度(B)的方向(V)上移动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每当所述摩擦搅拌工具(30)的所述旋转轴线(D)穿越所述插入件(20)与所述接触面(11)的同所述敞开式水套开口(12)接界的接界区域之间的槽时，所述摩擦搅拌工具(30)的运动(V)就停止至少0.5秒的停止间隔，在此期间所述摩擦搅拌工具(30)的旋转继续。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述停止间隔之后，所述摩擦搅拌工具(30)的运动在所述敞开式水套开口(12)的所述宽度(B)的方向(V)上继续。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，假若在所述停止间隔之前所述摩擦搅拌工具(30)从所述插入件(20)移动至所述接触面(11)的接界区域，则在所述停止间隔之后，所述摩擦搅拌工具(30)的运动在与所述停止间隔之前的运动方向(V)相反的方向上继续。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，如果在所述停止间隔之前所述摩擦搅拌工具(30)从所述接触面(11)的接界区域移动至所述插入件(20)，则在所述停止间隔之后，所述摩擦搅拌工具(30)的运动(V)在与所述停止间隔之前相同的方向上继续。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在摩擦焊接期间，摩擦搅拌工具(30)在所述敞开式水套开口(12)的纵向上至少逐步地移动。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述接触面(11)的同所述敞开式水套开口(12)接界的接界区域中，形成有凹部，所述插入件(20)当放置在所述敞开式水套开口(12)中时被支撑在所述凹部上。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述插入件(20)的外侧表面或所述敞开式水套开口(12)的内侧表面是倾斜的，使得在将所述插入件(20)放置在所述敞开式水套开口(12)中之后，所述插入件(20)与所述敞开式水套开口(12)之间的相对的侧表面之间的槽的宽度从底部到顶部是增大的。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，相应倾斜侧表面的倾斜度为0.5°至10°。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述发动机缸体(1)由铝合金铸造而成。
15.一种用于内燃机的发动机缸体，所述发动机缸体(1)具有设置用于安装气缸盖的接触面(11)，其中，在所述接触面(11)中设有水套开口(12)，所述水套开口(12)由放置在所述水套开口(12)中的插入件(20)至少部分地封闭，所述插入件(20)通过摩擦焊接固定在所述水套开口(12)中并且至少部分地封闭所述水套开口(12)，从而桥接外壁(15)与气缸壁(6，7，8，9)之间的距离，使得所述气缸壁(6，7，8，9)被支撑在所述发动机缸体的外壁(15)上。
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