CN1939094A - 活塞与加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞，特别是适用于重型柴油机引擎的活塞，由独立的，具有沿圆周伸展的焊接面的部件装配而成，焊接面被加热至适合于焊合焊接面的温度，然后焊接面彼此接触并在接合界面处扭转以完成永久性的冶金学上的焊接。该活塞具有同时焊接的径向间隔开的壁。焊接接头可位于相同或不同的平面。一旦焊接并且部件还是热的时候，可将部件稍微拉开以减少焊接接头处的壁厚。

Description

活塞与加工方法

背景技术

[0001]本申请是2003年11月4日提出的编号为10/701,274的申请的延续。

[0002]已知有多种方法可以将独立的活塞部件焊合成一个活塞。其中一种为摩擦焊，即将某一活塞部件快速旋转并冲压在另一个部件上，通过摩擦力产生充分的热量将两个部件焊合在一起。其它方法包括电阻焊、感应焊，在此类方法中，在部件彼此接触后，将能量流导入部件的焊接面，使其充分加热，从而能够彼此焊合。

[0003]美国专利5,150,517是摩擦焊的一个范例，而美国专利6,291,806是典型感应加热的范例。其中，在相接触的焊接面两侧放置感应线圈以传导能量，使界面得到加热。这种放置在侧面的感应线圈能使临近于感应线圈附近材质边缘的焊接面部分比其它部分更快地得到加热，从而在临近界面处的材质上产生热量流和热影响区域的变化。在要求较高的场合，如柴油机活塞等重载用途，需要焊接界面的热影响区域焊接均匀，从而使材料的强度和一体性的变化降到最低。

[0004]美国专利6,155,157展示了通过摩擦焊将第一、二部件跨接两个径向间隔焊接面联结成的活塞。此类构造对通过感应焊焊接这些部件提出了挑战，因为通向焊接面所在区域的通道有限，而且在有内部冷却通道的情况下，无法将感应线圈放置在配合的焊接面附近的位置。就现有的活塞领域的技术而言，对如上述‘642专利所展示的复杂结构并无适当的感应焊技术，同样由于将此类感应焊技术应用于多个径向间隔焊接面的复杂活塞设计有实际困难，故而无应用实例。

[0005]在重载活塞领域之外，感应加热被应用于简单结构的焊接，如石油产品传输金属管材的对接焊(butt-welding)。美国专利6,637,642展示了这一方法。该管为简单的单层管壁的圆柱形管，具有平端面。为了联结两个焊接面，需在两端面之间放置一个感应线圈，焊接面被加热升温，然后取出线圈并使两面彼此接合以达到焊接的目的。最好端面接触后，相对扭转少许(一些角度)使其焊接面更紧密。令人惊讶的是，发明者们发现对目前只限于焊接简单的圆柱形单层结构石油管道的感应焊技术可以进行改进，使其适用于焊接复杂的活塞结构，使得焊接面焊接均匀而热影响区域最小，达到强度高且一体化程度好的焊接效果。

发明内容

[0006]]根据本发明的第一方面，制造活塞的方法之一是制造至少各拥有两个焊接面的第一、第二部件。所述部件被支起，使其焊接面之间形成间隔。间隔的焊接面被加热到高温，然后停止加热，将焊接面接触在一起，通过焊合两面而形成冶金学上的接合。根据本发明的一个方面，在焊接面仍然发热的情况下将部件稍微拉开，在焊接接合处产生一个细颈区域。这样使材料的使用最少并可降低重量和成本。亦可在焊接的管壁部分设计空腔，以进一步节省材料和降低重量。

[0007]根据本发明的另一方面，可以有另一种制造活塞的方法，将该活塞的第一部件支起，使其焊接面与第二部件焊接面有间隔，当间隔时，加热两部件间隔端面，然后使其接触并形成冶金学上的焊合。该活塞具有径向间隔的壁，且贯穿活塞壁的焊接接头可位于不同的平面上。焊接后，可通过回火加热操作对焊接接头进一步加热，以控制焊接区域的微结构加热。

[0008]根据本发明的另一方面，本发明提供了一种活塞，包括具有通过感应焊焊接的相匹配的焊接面的第一和第二部件，且接头处热影响区域均匀。

[0009]本发明的优点是提供了一种焊接多组件活塞的简单的、低成本的方法。

[0010]另外，本发明的优点是提供一种焊接成本低，一体性程度高的焊接接头，在接头附近的热影响区域小而均匀。

[0011]本发明的更多优点是提供了可对活塞的两个部件的焊接面的加热进行精确控制的感应加热方法，使得每个活塞部件的焊接面在加热到焊接温度的过程中不会产生过度加热或加热不足的现象。

[0012]本发明的其它优点是在活塞的部件彼此分开时对其焊接面进行加热，这样相对于将它们接合后对焊接面进行加热，将更精确、均匀且可控。例如，在摩擦焊的情况下，一个活塞，在其径向间隔开的内外壁部份的端面有毗连表面的上、下冠部，由于外壁的直径较大，旋转时的角速度也较大，从而在较快速度下产生的摩擦热量大于其内壁产生的摩擦热，必然导致其外壁比内壁加热要多。与摩擦焊不同，根据本发明的感应加热能使此类活塞的相关内、外壁加热能得到精确控制，由此在内、外壁得到均匀的焊接。

[0013]控制以本发明的方法相接合的活塞的内、外壁的加热避免对环形槽所在的外壁过度加热，从而与摩擦焊相比可以更好地控制环形带区域的热量流。

[0014]依照本发明的感应加热的另一个优点是与摩擦焊相比，只需要相对较小的压力来接合部件，而摩擦焊是在相对较高的挤压负载下(约1,000psi对比摩擦焊的20,000psi)，通过部件的相对旋转来产生焊接所需热量。因此，按照本发明，对用于感应焊的夹持和支承部件的紧固装置和设备的要求不像对摩擦焊所要求的那么高。此外，由于不需承受摩擦焊所带来的强大挤压负载——该负载通常超过活塞使用中所受的负载，活塞结构在某种程度上得到了解放。这样，生产商可通过感应焊生产部件更薄和重量更轻的活塞以降低成本，此类活塞在燃料及喷射效率方面也为用户所认可。

附图说明

[0015]下面接合详细说明及附图，可以更容易理解本发明的上述与其它特性及优点，其中：

[0016]图1是活塞上、下部件在焊接前的透视图；

[0017]图2类似于图1，显示了部件被紧固以及它们的加热焊接面；

[0018]图3是图2中使用的加热线圈的平面图；

[0019]图4是通过图2部件的截面图；

[0020]图5类似于图2，但显示的是部件进行接触并在加热后扭转；

[0021]图6是最后加工完成的活塞的透视图；

[0022]图7为图6中7-7线的截面图；

[0023]图8是将一个加热线圈放置在相对更靠近其中一个活塞部件焊接面的放大的不完整的截面图；

[0024]图9是本发明一种变化情况的截面图；

[0025]图10是放大的本发明另一种变化情况放大的不完全截面图。

具体实施方式

[0026]图中的标号10总体显示了根据本发明目前的首选实施例制造的活塞，它由至少两个彼此分开的零件组成，至少有一对或者最好至少有两对沿周向延伸的相配合的焊接面，它们开始是彼此分隔开的，然后加热其至适合焊接的温度，结束加热后把它们彼此接合形成零件间的永久焊接。

[0027]在图示实施例中，活塞10包括第一部件12和第二部件14。部件12和14均由金属——最好为合金钢制造，当然本发明的材质并不限于此。第一、第二部件可以铸造、锻造、由粉末冶金生产，或通过其它任何制造金属零件的方法制造。第一和第二部件12、14可采用相同或不同的合金，因此第一、第二部件为焊接所需加热的温度也可能相同或不同，这可根据用途要求确定。

[0028]在图示实施例中，第一部件12为活塞10的上冠部，第二部件14为活塞10的下冠部，焊接之后，零件12、14即组成了活塞10。

[0029]第一部件12有带有燃烧皿18的上壁16和可选的一个或多个阀套20。燃烧皿18可以按活塞10的纵轴A成轴对称，也可根据个案采用如图所示不对称的样式。阀套22相对于下部部件14不对称。换言之，阀套20和燃烧皿18可具有专门位置或相对于下部部件14定位，即，如果活塞10有这种不对称的特性，阀套20的角度位置和燃烧皿18相对于下部部件14的对应的位置对活塞10的工作极为关键。

[0030]上部部件12有一个向下延伸到燃烧皿18下的内部环形壁22，还有一个自上壁16垂下，由内壁22向外径向间隔的外环形壁或环形带24。内壁和外壁22、24具有各自的焊接面26、28，形成在其端面或靠近端面处。焊接面26、28为周向伸展，且最好连续并对称于纵轴A，即焊接面26、28同心于A轴。

[0031]在将第一部件12与第二部件14焊接前，第一部件最好是已加工的，进一步而言最好是已经加工完毕的，它具有一加工好的用于燃烧皿18的表面，任一阀套20，焊接面26、28，以及在内外壁22、24之间从焊接面26、28向上壁16延伸到燃烧皿18外部的环形冷却通道30，及内壁22向内径向延伸的内腔32。如以下将会描述的那样，活塞10的外部环形带24中有一系列环形槽，但正如将要解释的那样，此类环形槽最好在焊接后再在活塞10上加工完成。

[0032]活塞10的第二下冠部14有一对从管颈36向下延伸的销座34和一组按销孔轴B同轴对齐的销孔38。管颈36由内环形壁40和外环形壁42构成。内、外壁40、42形成有各自的焊接面44、46，这些焊接面是周向伸展的，最好是连续的并对准及匹配上冠部12的内、外壁22、24各自的焊接面26、28。如图2所示，上冠部12的焊接面26、28与下冠部14的焊接面44、46最好都居于各自共同的平面内，这样更容易在零件之间放入及取出加热线圈，这将在之后加以说明。然而，虽然提供了首选焊接面的平面布置，本发明不只限于该布置形式，焊接面可设置在不同平面内，并具有不同形状，只要表面相互间匹配(如：配合面可为圆锥形、阶梯型或类似形状)。

[0033]在将下冠部14与上冠部12焊接前，下冠部14最好已加工，更优的是已经加工完毕，使得在销孔38，管颈36上形成冷却通道48，它位于内、外壁40、42之间，从焊接面44、46向下延伸至底壁50，该底壁位于内、外壁40、42之间并连接两者的下端，并且最好形成一体。下冠部14还有一个作为其单独的不可移动的结构而加工的的活塞裙52，它固定在销座34上。作为销座34的内、外表面58、60，活塞裙52的内、外表面54、56在焊接前已加工完成。销孔38可进一步加工成包括一个环形槽62，以便在活塞10工作中，在销孔38中保持活塞销的定位。

[0034]上、下冠部12、14的外壁24、42可在邻近其自由端处进行径向收缩或形成较薄的缩颈区域64、66，且在外壁24、42处的截面迅速远离缩颈区域64、66。在首选实施例中，焊接面28、46在缩颈区64、66处的自由端形成，使得当冠部12、14如图4所示焊合后，立即在销座34上方形成一个导油槽68，焊接界面70跨过导油槽68并在焊接面26、44和28、46的位置分别形成。

[0035]现在转向更详细的焊接操作，图2显示了单独成形的，预加工的上、下冠部部件12、14，它们通过各自独立的，轴向对准但彼此间隔开的焊接面26、28和44、46来定位。一个加热线圈，最好为感应加热线圈72伸入上、下冠部12、14的间隔中，对线圈72供电来感应加热焊接面至适合焊接面彼此焊接的温度，来完成冶金学上的彼此感应焊接。如图4所示，一旦加热到合适的温度，加热线圈72被快速取出，轴向相向移动上、下冠部12、14，使其各自的焊接面26、44和28、46在适合焊接的温度中彼此接触。根据本发明，内、外壁的焊接面同时加热至合适的焊接温度或只通过操作加热线圈72所达到的温度。加热线圈72最好包括一个感应加热线圈，当通电后在内、外壁引入感应电流从而形成对焊接面的局部加热，使其达到焊接温度，而内、外壁材料大部分保持原样(即未达到焊接高温或者能引起材料微结构的变化的温度)。这样，感应加热产生了一个可控制的热量影响区域(HAZ)74，它在内、外壁宽度范围内基本都是均匀的。

[0036]一旦对上、下冠部12、14进行加热并彼此接触，最好对部件12、14进行少许扭转，将焊接面磨合，使得焊接界面70处上、下冠部的材料得到高度一体化的冶金学上的融合或接合。上、下冠部12、14扭转少许角度，不大于一圈，最好为2-4度。如果上、下冠部有不对称的地方，诸如阀套20或偏移的燃烧皿18，它们在焊接好的活塞中按销孔轴B进行适当定位是很重要的。相应的，小心控制上、下冠部12、14的位置和固定，使得在焊接前按销孔轴B错位的地方通过扭转进行适当定位。

[0037]如图6所示，焊接后，对活塞10进行最后的加工操作，在环形带24上加工一系列环形槽76。环形槽76最好在导油槽68之上，这样，焊接界面70在外壁24、42上的位置在最低的环形槽76之下。

[0038]在焊接上、下冠部12、14之后，在冠部12、14之间，以内、外壁22、40；24、42，上壁16，下壁50为界，形成一个封闭的油沟78，焊接界面70暴露于该油沟78中。冠部12、14可以形成或加工有合适的流入油沟78的进油和排油管道，它可较优地在焊接前随前述的其它最后加工的表面一起形成的。

[0039]可以理解的是，由于焊接面26、28和44、46是在接合之前被加热线圈72所加热而非接合之后，因而可对接合面进行直接、均匀和高度可控性的加热。如图8所示，由于材质、几何结构等的不同，若将线圈等距放置在两个接合面之间，上、下冠部的接合面将不能被均匀加热。如图8中的范例所示，上冠部12的焊接面26、28比下冠部需要更多或更强烈的加热，因此感应线圈72被偏向于焊接面26、28，这样能更接近上冠部。这样，即使两部分的焊接温度不同或一部分需要比另一部分更多的能量来达到焊接温度，也可保证根据各自的焊接温度对配合的焊接面进行适当的加热直到所需的焊合温度。通过将线圈72移向需要更多热量的部分以及从需要较少热量的部分移开，可以达到适当的平衡位置，将减少过热并防止焊接前的加热不足。对上、下冠部相对加热的控制可使上、下冠部12、14由具有不同焊接温度的不同材料、或有不同加热要求的相同或不同的材质的结构制造，以便在适当的时间达到适当的焊接温度以完成焊接。

[0040]部件12、14最好由钢，更佳的是由SAE4140等级的钢制成。部件12、14在焊接前先进行回火以达到回火马氏体结构，硬度为28-34R_c。焊接接头中心的硬度为35-50，最好向该范围内的低端靠拢。采用感应线圈对焊接面进行有控制的预加热，焊接接头的硬度能控制在38-42R_c之间。预加热有效地“徐热”焊接面并将热量穿透至表面以下。这有利于在焊接后降低焊接区域材质的“淬火”作用，以达到防止在中间产生未回火马氏体，而产生贝氏体。该4140材质有利于被抑制的TTT弧线从而得到在合理时间内(如：几秒)可控制冷却的效果。

[0041]图9显示的是图8中活塞的一种变型，在上、下内壁22、40上的焊接界面70与位于上、下外壁64、66上的焊接接头70处于不同平面。同时显示的是，在外壁64、66上的焊接界面70在临近环形槽76，最好在最低环形槽上方的环形区中。

[0042]图10是本发明的另一个变型，一旦加热，彼此接触并通过焊接界面70相连的上、下冠部12、14，在焊接界面70处的金属仍然保持热塑状态下，被少许拉开，以从初始的微凸状态局部降低连接壁的厚度，并在焊接界面70区域的壁处形成一个稍细的缩颈区域76。另外，至少内壁22、40能在焊接前在其端面上形成凹槽，这样在焊接后，可在壁22、40上形成空腔78。

[0043]在焊接后，焊接界面70可用感应加热或其它方法进行热处理以回火，以使焊接界面70处的金属的微结构改变，例如从马氏体变成回火马氏体。

[0044]显然，按以上示教，本发明有多种变化的可能。因此，在所附的权利要求范围内，本发明除上述说明外还可有多种实现方式。本发明由权利要求限定。

Claims (31)

1.一种制造活塞的方法，包括：

准备一个活塞第一部件，它拥有至少两个彼此间隔的周向延伸的焊接面；

准备一个活塞第二部件，它拥有至少两个彼此间隔的周向延伸的焊接面；

支起第一和第二部件，使其第一部件的焊接面与第二部件的焊接面不接触；

加热第一和第二部件的焊接面至焊接温度，而后将第一、第二部件焊接面彼此接触以在其间形成冶金学上的焊接，其中焊接面位于不同平面。

2.根据权利要求1所述的方法，其中焊接面的加热由感应加热完成。

3.根据权利要求2所述的方法，其中第一、第二部件被支承起而彼此不相接触，它们各自的焊接面彼此间隔，第一部件的和第二部件的该表面间形成一个间隙。

4.根据权利要求3所述的方法，其中感应加热是通过将感应线圈伸入该间隙中并通电以加热焊接面，然后，在第一和第二部件接触前将感应线圈从间隙中取出而完成。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在焊接面接触的过程中，第一和第二部件相互扭转以使焊接面相对滑动。

6.根据权利要求5所述的方法，其中扭转角度小于360°。

7.根据权利要求5所述的方法，其中扭转角度小于180°。

8.根据权利要求5所述的方法，其中扭转角度小于90°。

9.根据权利要求5所述的方法，其中扭转角度小于45°。

10.根据权利要求5所述的方法，其中扭转角度小于30°。

11.根据权利要求5所述的方法，其中扭转角度小于20°。

12.根据权利要求5所述的方法，其中扭转角度小于10°。

13.根据权利要求5所述的方法，其中扭转角度小于5°。

14.根据权利要求4所述的方法，其中，相对于第一或第二部件焊接面中的另一个，所述感应线圈更靠近其中的一个焊接面放置。

15.根据权利要求14所述的方法，其中第一和第二部件由不同材料制造。

16.根据权利要求1所述的方法，其中在加热和焊接焊接面之前，第一部件中有加工完成的燃烧皿，第二部件中有加工完成的销座和销孔。

17.根据权利要求1所述的方法，其中制成的活塞在环形带中有感应焊接头，感应焊接头位置在环形带中的最低的环形槽以下。

18.根据权利要求1所述的方法，其中在加热并同第二部件连接之前，第一部件中有装配阀套。

19.根据权利要求1所述的方法，其中在配套的第一、第二部件相配合的壁上形成有焊接面。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述壁是环形的。

21.根据权利要求20所述的方法，其中焊接面在壁的缩颈端部区域中。

22.根据权利要求1所述的方法，其中在焊接面彼此接触之前和之后，任何要求将焊接面加热以达到焊接温度的加热过程是不连续的。

23.根据权利要求1所述的方法，其中第一和第二部件间的环形冷却通道形成在由径向间隔的成对的侧壁、上壁和下壁焊合而成的第一和第二部件之间。

24.根据权利要求23所述的方法，其中焊接面在侧壁上形成，使焊接接头在暴露于冷却通道的焊接面的每个侧壁中形成。

25.根据权利要求1所述的方法，其中第一部件中形成有燃烧皿，第二部件中形成有一对销座和对于销座不可移动的活塞裙。

26.根据权利要求1所述的方法，其中第一部件关于一个含有第一部件纵轴线的平面不对称。

27.一种制造活塞的方法，包括：

制造一个至少拥有一个配合面的第一活塞部件；

制造一个与第一部件分离的至少拥有一个配合面的第二活塞部件；

将第一、第二活塞部件的配合面相间隔；

随着配合面相间隔，将接触面加热到足够焊接的温度；

将加热后的接触面彼此接触并将活塞部件通过接触面相焊接，在焊接面仍然热的情况下，将活塞部件彼此轴向拉开以降低配合面的厚度。

28.根据权利要求27所述的方法，其中焊接面由感应加热法进行加热。

29.根据权利要求27所述的方法，其中在配合面间形成一个空腔。

30.根据权利在要求27所述的方法，其中在焊接后，焊接的配合面通过回火操作来进一步加热。

31.一种活塞包括：

一个有配合面的上活塞部件；

一个有配合面的下活塞部件；和

一个与以上配合面一体化的的感应焊接头，其中被焊接的配合面在焊接接头处局部收缩。

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