DE102006021044B4

DE102006021044B4 - Friction welding

Info

Publication number: DE102006021044B4
Application number: DE102006021044.1A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Peter Schmitz; Peter Kolbe; Josef Dambacher
Original assignee: Gesenkschmiede Schneider GmbH
Current assignee: Gesenkschmiede Schneider GmbH
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2006-05-05
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2026-05-06
Also published as: DE102006021044A1; WO2007128265A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines reibgeschweißten Kühlkanalkolbens aus einem Kolbenboden (1), der mit einem Kolbenschaft (2) reibgeschweißt wird, wobei eine zu verschweißende Verbindungsfläche (3) des Kolbenbodens (1) mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche (3) des Kolbenschafts (2) zum Reibschweißen zueinander angeordnet werden, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden, und dass Kolbenboden und Kolbenschaft (1, 2) unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden, wobei die Ausbildung eines definiert einstellbaren Schweißwulstes (7) beim Reibschweißen durch eine als Ansatz (5) an der Innen-Verbindungsfläche (3) ausgebildete Führung (5) von mindestens einem der beiden zu verbindenden Kolbenteile (1, 2) geleitet wird, so daß der Schweißwulst (7) eine definierte Breite aufweist, damit derselbe durch einen Spalt (8) in der Aussenwand des Kühlkanalkolbens durch ein zerspanendes Verfahren entfernbar ist.Method for producing a friction-welded cooling channel piston from a piston crown (1), which is friction-welded with a piston skirt (2), wherein a connecting surface (3) to be welded on the piston crown (1) with a connecting surface (3) to be welded on the piston skirt (2) Friction welding are arranged in relation to one another so that they form a non-full-area contact surface, and that the piston crown and piston skirt (1, 2) are friction-welded against one another while forming a welded joint, the formation of a weld bead (7) which can be set in a defined manner during friction welding using an attachment (5) on the inner connecting surface (3) formed guide (5) is guided by at least one of the two piston parts (1, 2) to be connected, so that the weld bead (7) has a defined width so that the same through a gap (8) in the outer wall of the cooling channel piston can be removed by a machining process.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reibschweißen eines Kühlkanalkolbens aus einem Kolbenboden und einem Kolbenhemd.The invention relates to a method for friction welding a cooling channel piston from a piston head and a piston skirt.

Es ist bekannt, zwei Teile durch Reibschweißen miteinander zu verbinden. Insbesondere ist es bekannt, wie beispielsweise in der WO 2006/034862 A1 beschrieben, bei einem Kühlkanalkolben einen Kolbenboden mit einem Kolbenschaft durch Reibschweißen zu verbinden. Außerdem ist das Reibschweißen zweier Teile aus JP 2002224857 A , JP 2000288747 A , JP 06047570 A , JP 63030189 A , JP 63097381 A , JP 58061987 A , JP 56062687 A und JP 55086692 A bekannt.It is known to join two parts together by friction welding. In particular, it is known, as in the WO 2006/034862 A1 described at a cooling channel piston to connect a piston head with a piston stem by friction welding. In addition, the friction welding of two parts is off JP 2002224857 A . JP 2000288747 A . JP 06047570 A . JP 63030189 A . JP 63097381 A . JP 58061987 A . JP 56062687 A and JP 55086692 A known.

Bei bestimmten Anwendungen ist es jedoch von Nachteil, wenn die durch das Reibschweißen ausgebildete Schweißwulst unerwünscht groß auftritt.In certain applications, however, it is disadvantageous if the weld bead formed by the friction welding occurs undesirably large.

Es ist Aufgabe der Erfindung beim Reibschweißen die Nachteile gemäß dem Stand der Technik zu verhindern.It is an object of the invention in friction welding to prevent the disadvantages of the prior art.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.According to the invention the object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous developments emerge from the dependent claims.

Dadurch dass die beiden zu verschweißenden Teile vor dem Verschweißen keine vollflächige Berührungsfläche ausbilden, sondern eine größere Berührungsfläche erst während des Schweißvorgangs entsteht, kann die Ausbildung eines Schweißwulstes zumindest an einer Seite der zu verbindenden Teile definiert genau gesteuert werden.Due to the fact that the two parts to be welded do not form a full-area contact surface before welding, but rather a larger contact surface is created during the welding process, the formation of a welding bead can be precisely controlled at least on one side of the parts to be joined.

Um keine vollflächige Berührungsfläche zu erzielen, ist mindestens eine der zu verschweißenden Verbindungsflächen des Kolbenbodens oder Kolbenhemds abgeschrägt. Dadurch dass die beiden zu verschweißenden Verbindungsflächen nicht passgenau aufeinander liegen, bilden sie vor dem Schweißvorgang eine kleine Berührungsfläche aus, die sich während des Schweißvorgangs vorteilhaft auf eine maximale Berührungsfläche vergrößert. Es können beide Flächen der zu verbindenden Teile abgeschrägt sein. Bevorzugt wird jedoch eine ebene Fläche eines Kolbenteils mit einer abgeschrägten Fläche eines anderen Kolbenteils miteinander reibgeschweißt. Die abgeschrägte Fläche kann entweder geradlinig, konkav, konvex oder spitz ausgebildet sein. Die Gestalt der Abschrägung hängt von der Einstellung des Schweißvorgangs ab und davon ab, was für eine Schweißwulst erzielt werden soll. Ist die Schweißnaht nach einer Seite hin abgeschrägt, so wird auf der Randseite, an der sich weniger Material befindet, eine kleinere bis gar keine Schweißwulst ausgebildet. An der Randseite, an der sich die zu verschweißenden Verbindungsflächen berühren, ist mehr Material vorhanden. Es bildet sich eine entsprechend größere Schweißwulst aus, deren Größe nicht genau vorherbestimmt ist.In order not to achieve a full-surface contact surface, at least one of the connecting surfaces of the piston crown or Kolbenhemds to be welded is chamfered. Because the two joining surfaces to be welded do not lie precisely on one another, they form a small contact surface before the welding process, which advantageously increases to a maximum contact surface during the welding process. It can be chamfered both surfaces of the parts to be joined. Preferably, however, a flat surface of a piston member is friction-welded together with a tapered surface of another piston member. The bevelled surface may be either straight, concave, convex or pointed. The shape of the chamfer depends on the setting of the welding process and on what is to be achieved for a welding bead. If the weld is chamfered to one side, a smaller to no weld bead is formed on the edge side, on which there is less material. There is more material on the edge where the bonding surfaces to be welded touch. It forms a correspondingly larger Schweißwulst whose size is not exactly predetermined.

Ist die zu verschweißende Verbindungsfläche nach zwei Seiten d. h. zu zwei Rändern im Querschnitt gesehen abgeschrägt, so befindet sich die Berührungsfläche in der Mitte und die Größe der Schweißwülste kann beidseitig definiert eingestellt werden.If the joint surface to be welded is on both sides d. H. beveled to two edges seen in cross-section, so is the contact surface in the middle and the size of the weld beads can be set defined on both sides.

Von Vorteil ist daher, wenn die Ausbildung des Schweißwulstes beim Reibschweißen durch eine Führung an mindestens einem der beiden zu verbindenden Teile geleitet wird. Damit kann der sich ausbildende Schweißwulst definiert in eine Richtung geführt werden, sodass eine Entfernung des Schweißwulstes an definierten Orten stattfinden kann. Dies kann bei bestimmten Geometrieanordnungen bzw. Bauraumverhältnissen des reibgeschweißten Teils erforderlich sein.It is therefore advantageous if the formation of the weld bead during friction welding is guided by a guide on at least one of the two parts to be joined. Thus, the forming weld bead can be guided in a defined direction, so that a removal of the weld bead can take place at defined locations. This may be required for certain geometrical arrangements or installation space ratios of the friction-welded part.

Reibgeschweißte Kolben die nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt sind, wurden so hergestellt, dass die Schweißfläche an einem Kolbenboden und/oder Kolbenschaft vor dem Reibschweißen abgeschrägt ist. Somit lässt sich die Breite der Schweißwulst auf ein definiertes Maß zu der abgeschrägten Seite hin erzeugen. Der größere Anteil des Materialaustritts tritt auf der Seite auf, auf der eine Berührungsfläche vor und während des Schweißvorgangs ausgebildet ist.Friction-welded pistons made by a method described above were fabricated so that the welding surface on a piston crown and / or piston stem is chamfered prior to friction welding. Thus, the width of the weld bead can be produced to a defined extent toward the bevelled side. The greater part of the material exit occurs on the side on which a contact surface is formed before and during the welding process.

Die Schweißfläche ist vorteilhafterweise durch eine Führung an mindestens einem von zwei zu verbindenden Teilen verlängert. Der sich umlegende Schweißwulst an der Schweißnaht wird somit von der Führung bei der Ausbildung begrenzt.The welding surface is advantageously extended by a guide on at least one of two parts to be joined. The umwelgende Schweißwulst at the weld is thus limited by the leadership in the training.

Vorteilhaft ist die Führung im Querschnitt gesehen dreiecksförmig ausgebildet. Die Dreiecksform ist mit dem zu verbindenden Teil einstückig verbunden.Advantageously, the guide is seen in cross-section triangular shape. The triangular shape is integrally connected to the part to be connected.

Um bei bestimmten Anwendungen die Schweißwulst auf eine bestimmte Größe zu reduzieren und nur bestimmte Zerspanungs- bzw. Drehwerkzeuge einsetzen zu müssen, sind die verbundenen Kolbenteile an zumindest einer Seite durch Reibschweißen mit keinem oder einem definiert kleinen Schweißwulst zusammengefügt. Somit wird erreicht, dass ein Schweißwulst vollständig innerhalb eines vorgegebenen definierten Breitenmaßes entfernt werden kann.In order to reduce the Schweißwulst in certain applications to a certain size and to have to use only certain cutting or turning tools, the associated piston parts are joined together on at least one side by friction welding with no or a defined small Schweißwulst. It is thus achieved that a weld bead can be completely removed within a predetermined defined width dimension.

Bevorzugt ist der reibgeschweißte Kolben ein Teil, bei dem der Schweißwulst stört oder zu entfernen ist, beispielsweise ein gebauter Kolben für einen Verbrennungsmotor.Preferably, the friction-welded piston is a part in which the weld bead disturbs or too remove, for example, a built piston for an internal combustion engine.

Um eine gleichmäßige Ausdehnung bei der Erwärmung des reibgeschweißten Kolbens zu erzielen, sowie erleichterte Fügeeigenschaften beim Reibschweißen, ist der Werkstoff des ersten und zweiten Teils identisch.In order to achieve a uniform expansion in the heating of the friction-welded piston, as well as easier joining properties during friction welding, the material of the first and second part is identical.

Um bei bestimmten Anforderungen die Qualität des reibgeschweißten Kolbens zu verbessern und gleichzeitig ein sehr wirtschaftliches reibgeschweißtes Teil herzustellen, kann es von Vorteil sein, wenn der Werkstoff von Kolbenboden und Kolbenhemd in der Legierung verschieden ist. Es kann beispielsweise als Kolbenboden eine fertige bzw. eine hoch feste Legierung eingesetzt werden und für das Kolbenhemd ein minderwertiger/weicherer oder preiswerter Werkstoff eingesetzt werden. Es versteht sich, dass sich die Werkstofflegierungen sowohl auf Stahl oder Aluminiumlegierungen alleine beziehen oder eine Kombination aus Stahl und Aluminiumlegierung.In order to improve the quality of the friction-welded piston for certain requirements and at the same time to produce a very economical friction-welded part, it may be advantageous if the material of piston crown and piston skirt is different in the alloy. For example, a finished or a high-strength alloy can be used as the piston head, and a lower-grade / softer or cheaper material can be used for the piston skirt. It is understood that the material alloys relate to both steel or aluminum alloys alone or a combination of steel and aluminum alloy.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht an der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can not be used on the respectively specified combination but also in other combinations.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf vier dazugehörige Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment with reference to four accompanying drawings. Show it:

1 schematisch einen Ausschnitt eines Schnittes durch ein zu verbindendes Kolbenteil zur Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. 1 schematically a section of a section through a piston part to be connected for the preparation of the inventive method.

2 einen Ausschnitt eines Schnitts durch einen reibgeschweißten Kolben, 2 a section of a section through a friction-welded piston,

3 einen vergrößerten Ausschnitt der 3, und 3 an enlarged section of the 3 , and

4 den Ausschnitt gemäß 2 mit einer entfernten Schweißwulst. 4 the clipping according to 2 with a remote weld bead.

Die 1 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Kolbenbodens 1 in einem noch nicht zusammen reibgeschweißten Zustand mit einem hier nicht dargestellten Kolbenhemd 2. Der Kolbenboden 1 weist in dieser Ausführungsform als spezielle Ausgestaltung eine abgeschrägte Schweißfläche 3 am Kolbenboden 1 auf. Diese abgeschrägte Schweißfläche 3 wird beim Zusammenverbinden mit dem nicht gezeigten Kolbenhemd 2 durch Reibschweißen auf eine ebene Schweißfläche des Kolbenhemds 2 gesetzt. Dadurch ergibt sich, dass sich auf der rechten Seite der 1 mehr Material befindet, als auf der linken Seite der 1. Es liegt also ein keilförmiger Spalt 4 vor dem Reibschweißen vor. Die zu verschweißenden Berührungsflächen von Kolbenboden und Kolbenhemd 1, 2 sind somit nicht vollflächig verbunden. Eine vollflächige Verbindung ergibt sich erst durch den Reibschweißvorgang. Der keilförmige Spalt 4 kann in einem Winkel Y von ca. 1–15° sein.The 1 shows a section of a cross section of a piston crown 1 in a not yet friction welded together state with a piston skirt, not shown here 2 , The piston bottom 1 has in this embodiment, as a special embodiment, a tapered welding surface 3 at the piston bottom 1 on. This beveled welding surface 3 becomes in connection with the piston skirt, not shown 2 by friction welding on a flat welding surface of the piston skirt 2 set. This results in that on the right side of the 1 more material than on the left side of the 1 , So there is a wedge-shaped gap 4 before friction welding. The contact surfaces of piston crown and piston skirt to be welded 1 . 2 are thus not fully connected. A full-surface connection results only by the friction welding process. The wedge-shaped gap 4 can be at an angle Y of about 1-15 °.

Der Kolbenboden 1 weist zudem noch eine Besonderheit auf, dass er auf der einen Seite eine als Ansatz ausgebildete Führung 5 aufweist, die den entstehenden Schweißwulst 7 bei der Ausbildung begrenzt und ihn in einen bestimmte Richtung führt. Somit entsteht ein Schweißwulst 7 mit definiert großer Breite B auf der Seite mit dem großen Spalt 4 und der Führung 5.The piston bottom 1 also has a peculiarity that on the one hand, it is a trained as an approach leadership 5 having the resulting Schweißwulst 7 limited in training and leads him in a certain direction. This creates a weld bead 7 with defined large width B on the side with the big gap 4 and the leadership 5 ,

Die Führung 5 ist in dieser speziellen Ausführungsform dreiecksförmig ausgebildet. Der abstehende Winkel Z zur äußeren Randfläche des ersten Teils 1 ist ungefähr zwischen 10–65°.The leadership 5 is triangular in this particular embodiment. The protruding angle Z to the outer edge surface of the first part 1 is about 10-65 °.

Bei einem vorzugsweise runden Kolbenboden 1 vergrößert die ansatzförmige Führung 5 den Durchmesser des Kolbenbodens 1.In a preferably round piston head 1 increases the lug-shaped guide 5 the diameter of the piston crown 1 ,

Die 2 zeigt als besondere Ausführungsform und besondere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäß reibgeschweißten Kolbens einen Ausschnitt eines Schnitts von einem Kolben für einen Verbrennungsmotor. Das erste Teil 1 ist ein sogenannter Kolbenboden und das zweite Teil 2 wird als Kolbenring bzw. Kolbenschaft bezeichnet. Die 2 zeigt einen reibgeschweißten Kolben nach dem Zusammenfügen von Kolbenboden und Kolbenschaft 1, 2 nach dem Reibschweißen. Die 2 zeigt, dass eine Schweißwulst 6 im Innenraum des Kolbens in einer herkömmlichen Weise ausgebildet ist. Die Reibschweißwulst 7 am oberen, Kolbenboden 1 ist dagegen kleiner mit einer definierten Breite B während dem Reibschweißvorgang ausgebildet worden. Dies ist bei dieser speziellen Anwendung notwendig, um den Schweißwulst 7 durch eine Öffnung 8 mit einem zerspanenden Werkzeug entfernen zu können.The 2 shows a special embodiment and special application of the method according to the invention and the friction-welded piston according to the invention a section of a section of a piston for an internal combustion engine. The first part 1 is a so-called piston bottom and the second part 2 is referred to as a piston ring or piston skirt. The 2 shows a friction welded piston after assembly of the piston crown and piston skirt 1 . 2 after friction welding. The 2 shows that a weld bead 6 is formed in the interior of the piston in a conventional manner. The Reibschweißwulst 7 at the top, piston bottom 1 on the other hand, it has been made smaller with a defined width B during the friction welding process. This is necessary with this special application to the Schweißwulst 7 through an opening 8th to remove with a cutting tool.

Die Entfernung des Schweißwulstes 7 hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um ein möglichst geringes Störvolumen in einem mit Öl gefüllten Kühlkanal 9 zu erhalten. Außerdem dient die Entfernung des Schweißwulstes 7 zur Qualitätskontrolle, um festzustellen, ob die Reibschweißnaht 10, wie erwartet, ausgebildet ist oder ob ein Bruch zwischen Kolbenboden und Kolbenschaft Teil 1, 2 vorliegt, der die Lebensdauer des reibgeschweißten Kolbens deutlich senkt.The removal of the weld bead 7 has proven to be advantageous to minimize the disturbance volume in an oil-filled cooling channel 9 to obtain. In addition, the removal of the weld bead is used 7 for quality control, to determine whether the friction weld 10 , as expected, is formed or whether a break between piston crown and piston skirt part 1 . 2 present, which significantly reduces the life of the friction-welded piston.

Die Öffnung 8 wird später zur Funktion als Kühlkanal beispielsweise in einem Verbrennungsmotor durch ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik verschlossen.The opening 8th is later closed to function as a cooling channel, for example in an internal combustion engine by a method according to the prior art.

Die 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der 2. Die 3 soll verdeutlichen, wie aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens die Breite B der Schweißwulst 7 derart definiert einstellbar ist, und dass die Breite B geringer ist als die Höhe H der Öffnung B.The 3 shows an enlarged section of the 2 , The 3 is intended to illustrate how due to the method according to the invention, the width B of the weld bead 7 is defined adjustable, and that the width B is less than the height H of the opening B.

Die 4 zeigt schematisch im Schnitt den reibgeschweißten Kolben mit dem ersten Teil 1 als Kolbenoberteil bzw. Kolbenboden und zweitem Teil 2 als Kolbenunterteil bzw. Kolbenschaft, die durch das erfindungsgemäße Reibschweißverfahren verbunden worden sind. Bei diesem reibgeschweißten Kolben sind insbesondere die Schweißwülste 7 durch ein zerspanendes Verfahren entfernt worden. Der Kühlkanal 9 hat somit kein Störvolumen und die Reibschweißnaht 10 ist durch den Spalt 8 von außen einfach kontrollierbar. Kolben, die fehlerhaft reibverschweißt sind, können somit schnell herausgefunden werden.The 4 shows schematically in section the friction-welded piston with the first part 1 as piston upper part or piston bottom and second part 2 as piston lower part or piston shaft, which have been connected by the friction welding method according to the invention. In this friction-welded piston are in particular the weld beads 7 removed by a machining process. The cooling channel 9 thus has no disturbance volume and the friction weld 10 is through the gap 8th easy to control from the outside. Pistons that are friction welded by mistake can thus be found out quickly.

Der Werkstoff, aus dem der Kolbenboden 1 hergestellt ist, kann aufgrund der Anforderungen ein sehr hochfestes bzw. widerstandsfähiges Material – beispielsweise Stahl oder Aluminium – sein. Hingegen kann der Kolbenschaft 2 aus einem weicheren Werkstoff oder minderwertigeren Werkstoff – auch beispielsweise aus Stahl oder Aluminium – hergestellt sein. Im Übrigen wird auf die zeichnerischen Darstellungen der Erfindungen als wesentlich verwiesen.The material from which the piston crown 1 may be due to the requirements of a very high-strength or durable material - such as steel or aluminum - be. On the other hand, the piston shaft 2 be made of a softer material or inferior material - including, for example, steel or aluminum. Incidentally, reference is made to the drawings of the inventions as essential.

Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft an einem Automobil-Kühlkanalkolben beschrieben wurde und sich genauso gut auf andere Kolben übertragen lässt, deren Wulst unter anderem durch einen engen Spalt der Öffnung entfernt werden soll.It is understood that the method according to the invention has been described by way of example on an automobile cooling-chamber piston and can be transferred just as well to other pistons, the bead of which is to be removed inter alia by a narrow gap of the opening.

Claims

Method for producing a friction-welded cooling-chamber piston from a piston head ( 1 ) fitted with a piston stem ( 2 ) is friction-welded, wherein a joining surface to be welded ( 3 ) of the piston crown ( 1 ) with a bonding surface to be welded ( 3 ) of the piston shaft ( 2 ) are arranged for friction welding to each other, so that they form a non-all-over contact surface, and that piston crown and piston skirt ( 1 . 2 ) are friction welded to each other to form a welded joint, the formation of a defined adjustable Schweißwulstes ( 7 ) when friction welding by a as approach ( 5 ) on the inner connecting surface ( 3 ) trained leadership ( 5 ) of at least one of the two piston parts to be connected ( 1 . 2 ), so that the welding bead ( 7 ) has a defined width to allow it to pass through a gap ( 8th ) is removable in the outer wall of the cooling channel piston by a machining process.

A method according to claim 1, characterized in that at least one of the bonding surfaces to be welded ( 3 ) of piston crown and piston skirt ( 1 . 2 ), straight, concave, convex or pointed, bevelled.

Method according to claim 1, characterized in that the guide ( 5 ) seen in cross-section triangular shape is formed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the process product is a piston for an internal combustion engine.

Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the material of piston crown and piston skirt ( 1 . 2 ) is identical.

Method according to one or more of the preceding claims 1-4, characterized in that the material of piston crown and piston skirt part ( 1 . 2 ) is different in the alloy.