DE102013009209A1

DE102013009209A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie Verfahren und Vorrichtung zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102013009209A1
Application number: DE201310009209
Authority: DE
Inventors: Robert Behr; Christian Elsner; Bernd Schietinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Behr Robert Dr De; ELSNER, CHRISTIAN, DIPL.-ING., DE; Schietinger Bernd Dr-Ing De
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor. Erfindungsgemäß werden zwei Komponenten (2, 3) aus Stahl mittels zumindest einer Schweißeinheit (9) miteinander verschweißt, wobei die Schweißnaht (7) im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet wird, wobei miteinander zu verschweißende Bereiche der Komponenten (2, 3) vor dem Schweißen mittels zumindest einer Wärmebehandlungseinheit (11) vorgewärmt werden, wobei das Schweißen und das Vorwärmen mit im Wesentlichen feststehenden Einheiten (9, 11) durchgeführt wird und wobei die beiden Komponenten (2, 3) zumindest während des Schweißens mit derselben Rotationsgeschwindigkeit um eine Kolbenlängsachse (10) gedreht werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (5) zur Durchführung des Verfahrens und einen mittels des Verfahrens hergestellten Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6 und einen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 40 24 381 C2 beschrieben, ein Kolben für Verbrennungsmotoren mit geschmiedeten Bereichen aus Stahl bekannt. Der Kolben weist geschmiedete Bereiche aus einem ausscheidungshärtenden ferritischperlitischen Stahl und Bereiche aus Leichtmetall auf.
In der DE 10 2007 021 101 A1 wird ein legierter Stahl beschrieben. Der Stahl findet Verwendung für ein Bauteil für Verbrennungsmotoren, insbesondere für Kolben oder Kolbenteile.
Aus der EP 1 640 105 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen bekannt. Bei dem Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen aus kohlenstoffhaltigem Stahl wird mithilfe eines ersten Laserstrahls eine Schweißnaht erzeugt. Ein zweiter Laserstrahl ist zum Nachfahren der Schweißnaht für eine Wärmebehandlung der Schweißnaht vorgesehen.
In der DE 10 2004 001 166 B4 wird ein Verfahren zum Laserschweißen mit Vor- und/oder Nachwärmung im Bereich der Schweißnaht beschrieben. Das Schweißen und die Wärmebehandlung werden mittels eines einzigen Laserstrahls mit im Wesentlichen gleicher Leistung durchgeführt. Das Schweißen und die Wärmebehandlung werden derart zeitlich beabstandet, dass die Temperaturabnahme der jeweiligen Bestrahlungsfläche vom Zeitpunkt der ersten Bestrahlung bis zum Zeitpunkt der nachfolgenden Bestrahlung weniger als 50 Prozent beträgt. Bei der Wärmebehandlung wird der auf die Bestrahlungsfläche und Zeiteinheit bezogene Laserenergieeintrag durch Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit derart eingestellt, dass die dem Laserstrahl abgewandte Seite der bereits vorhandenen oder zukünftigen Schweißnaht um mindestens 10°C erwärmt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zu dessen Herstellung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor werden zwei Komponenten aus Stahl mittels zumindest einer Schweißeinheit miteinander verschweißt. Der Kolben wird somit als ein Stahlkolben ausgebildet. Die Schweißnaht wird im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. D. h. die beiden Komponenten oder zumindest die miteinander zu verschweißenden Bereiche der beiden Komponenten sind jeweils rotationssymmetrisch ausgebildet, beispielsweise weisen sie einen runden, ovalen oder prismatischen Querschnitt auf. Die beiden Komponenten werden dann derart zueinander positioniert und miteinander verschweißt, dass die Schweißnaht entsprechend der miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet wird, d. h. ein Querschnitt durch den Kolben entlang der Schweißnaht, senkrecht zu einer Kolbenlängsachse, ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Schweißnaht kann dabei durchgängig oder unterbrochen ausgebildet sein. Ist die Schweißnaht unterbrochen ausgebildet, so liegt über dem Umfang betrachtet eine Abfolge von geschweißten und nicht geschweißten Gebieten vor. Vor dem Schweißen werden die miteinander zu verschweißende Bereiche der Komponenten mittels zumindest einer Wärmebehandlungseinheit vorgewärmt. Das Schweißen und das Vorwärmen werden mit im Wesentlichen feststehenden Einheiten durchgeführt, d. h. die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit ist zumindest während des Vorwärmens im Wesentlichen feststehend und die zumindest eine Schweißeinheit ist zumindest während des Schweißens im Wesentlichen feststehend. Zumindest während des Schweißens werden die beiden Komponenten mit derselben Rotationsgeschwindigkeit um die Kolbenlängsachse des durch das Schweißen auszubildenden Kolbens gedreht. Während des Vorwärmens werden die beiden Komponenten zweckmäßigerweise ebenfalls um diese Kolbenlängsachse gedreht. Dabei können die beiden Komponenten mit derselben Rotationsgeschwindigkeit oder mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten gedreht werden.
Kolben für Verbrennungsmotoren werden zur Reduzierung von Kohlenstoffdioxidemissionen aus Stahl hergestellt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können zur Herstellung des Kolbens, genauer gesagt zur Herstellung eines solchen Stahlkolbens, Komponenten aus Stahl miteinander verschweißt werden, wobei mindestens eine der beiden zu verschweißenden Komponenten einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,25 Gewichtsprozent aufweist, beispielsweise einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,4 Gewichtsprozent. Es können auch beide miteinander zu verschweißenden Komponenten einen solch hohen Kohlenstoffgehalt aufweisen. Stahlkolben werden aus Festigkeitsgründen in der Regel mit einem solch hohen Kohlenstoffgehalt von ca. 0,4 Gewichtsprozent ausgebildet. Durch das mittels des Verfahrens ermöglichte Verschweißen der Komponenten können optimierte Bauformen des Kolbens ausgebildet werden, da der Kolben durch das Verschweißen der Komponenten gebaut werden kann und nicht beispielsweise in einem Gussverfahren einteilig hergestellt werden muss. Beispielsweise ist eine der Komponenten ein Kolbenboden und die andere Komponente ist ein Kolbenschaft. Diese beiden Komponenten werden im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Kolbens miteinander verschweißt.
Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehaltes von mehr als 0,25 Gewichtsprozent sind derartige Stähle und damit die aus solchen Stählen gefertigten Komponenten nur noch bedingt schweißgeeignet. Die Problematik besteht beim Schweißen solcher Stähle in der hohen Aufhärtung und der Gefahr der Rissbildung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere durch das Vorwärmen der miteinander zu verschweißenden Bereiche der beiden Komponenten, wird jedoch das Verschweißen auch aus solchen Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt gefertigter Komponenten ermöglicht, wobei ein sehr gutes Schweißergebnis mit optimierten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften erzielt wird. Insbesondere wird die Gefahr einer Aufhärtung und von Rissbildungen im Bereich der Schweißnaht reduziert.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere im Bereich der Schweißnaht die Bauteilzähigkeit des Kolbens erhöht und schädliche Bauteileigenspannungen des Kolbens werden reduziert, um erhöhte dynamische Festigkeitswerte zu erzielen. Im Schweißnahtbereich und in an die Schweißnaht angrenzenden Wärmeeinflusszonen des Kolbens wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise eine Vickershärte von weniger als 500 HV 1 erzielt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine wirtschaftliche und sichere Gesamtprozessführung der Kolbenherstellung, wobei durch den Verfahrensablauf, insbesondere durch das Vorwärmen der miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten, das Grundproblem der schlechten Schweißeignung der Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt, insbesondere die Gefahr der Aufhärtung und Härterisse, verringert oder vermieden wird und gleichzeitig die Schlagzähigkeit und Schwingfestigkeit verbessert wird.
Des Weiteren ist durch diese mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verbesserten Eigenschaften des Kolbens eine Verringerung eines Qualitätssicherungsaufwandes insbesondere in der Großserienfertigung zu erreichen, Garantie- und Kulanzkosten werden reduziert und die Kundenzufriedenheit wird gesteigert. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die prozesssichere Herstellung von Kolben mittels Schweißkombinationen, die bislang nur mit deutlich größerem Risiko möglich waren. Dadurch wird ein konstruktiver Gestaltungsfreiraum erhöht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die mit dem Verfahren ausgebildeten Kolben wird ein Beitrag zur Reduzierung des Kohlenstoffdioxidausstoßes von Verbrennungsmotoren geleistet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Schnittdarstellung zweier zu einem Kolben miteinander zu verschweißender Komponenten,
2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Kolbens aus zwei miteinander verschweißten Komponenten mit Halterungen der Komponenten,
3 schematisch eine Schnittdarstellung eines Kolbens aus zwei miteinander verschweißten Komponenten mit Darstellung von Wärmeeinflusszonen, und
4 schematisch eine Schnittdarstellung eines Kolbens aus zwei miteinander verschweißten Komponenten sowie Halterungen der Komponenten, eine Schweißeinheit und eine Wärmebehandlungseinheit.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Längsschnittdarstellung zweier Komponenten 2, 3 aus Stahl, welche in einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens 1, genauer gesagt eines Stahlkolbens, für einen Verbrennungsmotor miteinander zu verschweißen sind. Zum Verschweißen werden die beiden Komponenten 2, 3 in einer Rotationsvorrichtung 4 einer Vorrichtung 5 zur Herstellung des Kolbens 1, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung des Kolbens 1, eingespannt und gehaltert. Die Rotationsvorrichtung 4 zur Halterung der Komponenten 2, 3 ist in den 2 und 4 schematisch stark vereinfacht dargestellt. Dabei sind Haltemittel 6 zur Halterung der Komponenten 2, 3 und nach deren Verschweißen zur Halterung des Kolbens 1 durch Pfeile schematisch stark vereinfacht dargestellt. 3 zeigt den Kolben 1 mit einer durch das Verschweißen ausgebildeten Schweißnaht 7 und Wärmeeinflusszonen 8, welche seitlich der Schweißnaht 7 durch das Schweißen ausgebildet werden. Diese Wärmeeinflusszonen 8 sind Bereiche, in welchen das Material des Kolbens 1 durch das Einbringen von Wärme während des Schweißens beeinflusst und dadurch in seiner Struktur verändert wird. In 4 ist der in der Vorrichtung 5 eingespannte und bereits geschweißte Kolben 1 dargestellt.
Im Verfahren werden die beiden Komponenten 2, 3 mittels zumindest einer Schweißeinheit 9 miteinander verschweißt. In 4 ist eine derartige Schweißeinheit 9 schematisch stark vereinfacht dargestellt. Bei den beiden zu verschweißenden Komponenten 2, 3 handelt es sich um im Wesentlichen rotationssymmetrische Teile, so dass durch das Verschweißen auch die Schweißnaht 7 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet wird. D. h. die beiden Komponenten 2, 3 werden zum Verschweißen derart positioniert, dass sich eine rotationssymmetrische Schweißzone ergibt. Um das Verschweißen zu optimieren, werden vor dem Schweißen miteinander zu verschweißende Bereiche der Komponenten 2, 3 mittels zumindest einer Wärmebehandlungseinheit 11 vorgewärmt. In 4 ist eine solche zum Vorwärmen verwendete Wärmebehandlungseinheit 11 schematisch stark vereinfacht dargestellt.
Vorteilhafterweise wird die durch das Verschweißen ausgebildete Schweißnaht 7 mittels der zumindest einen Wärmebehandlungseinheit 11 wärmebehandelt. Dabei werden auch Bereiche des Kolbens 1, welche an die Schweißnaht 7 angrenzen und durch den während des Schweißens erfolgten Wärmeeintrag beeinflusst wurden, wärmebehandelt. Bei diesen Bereichen handelt es sich um die bereits erwähnten und in 3 dargestellten Wärmeeinflusszonen 8, in welchen die Gefügestruktur des Kolbenmaterials durch die Wärmebeeinflussung verändert wurde. Diese Wärmebehandlung nach dem Schweißen wird auch als Anlassen bezeichnet.
Die Vorrichtung 5 zur Durchführung des Verfahrens weist mindestens eine Arbeitsstation auf, an welcher die Rotationsvorrichtung 4 zur Aufnahme der beiden zu verschweißenden Komponenten 2, 3, zumindest eine Schweißeinheit 9 zum Verschweißen der beiden Komponenten 2, 3 und zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 zum Vorwärmen der miteinander zu verschweißende Bereiche der Komponenten 2, 3 und zur optionalen Wärmebehandlung der Schweißnaht 7 bzw. des Schweißnahtbereichs inklusive der Wärmeeinflusszonen 8 angeordnet sind. Um den Kolben 1 gemäß dem Verfahren auszubilden, werden die beiden zu verschweißenden Komponenten 2, 3 in die Rotationsvorrichtung 4 eingespannt, wie in 2 schematisch gezeigt. Dazu weist die Rotationsvorrichtung 4 die durch Pfeile angedeuteten Haltemittel 6 auf, welche eine exakte radiale und axiale Positionierung und ein festes Einspannen der beiden Komponenten 2, 3 und später des ausgebildeten Kolbens 1 in der Rotationsvorrichtung 4 sicherstellen.
Anschließend werden die beiden Komponenten 2, 3 um ihre jeweilige Rotationsachse gedreht, welche der Kolbenlängsachse 10 des auszubildenden Kolbens 1 entspricht. Das Drehen der beiden Komponenten 2, 3 und des durch das Verschweißen ausgebildeten Kolbens 1 ist in 4 durch einen Rotationspfeil P dargestellt. Während des Vorwärmens kann dieses Drehen der beiden Komponenten 2, 3 mit derselben Rotationsgeschwindigkeit erfolgen oder mit voneinander abweichenden Rotationsgeschwindigkeiten. Das Vorwärmen kann mit einer einzigen Umdrehung oder mit mehreren Umdrehungen der beiden Komponenten 2, 3 um ihre jeweilige Rotationsachse erfolgen.
Ist vorgesehen, dass in der Vorrichtung 5 nur Komponenten 2, 3 zur Herstellung eines jeweiligen Kolbens 1 verwendet werden, welche auch während des Vorwärmens mit derselben Rotationsgeschwindigkeit gedreht werden, so weist die Rotationsvorrichtung 4 für die Drehbewegung zweckmäßigerweise lediglich einen Antrieb auf, so dass die beiden Komponenten 2, 3 zwangsläufig mit derselben Rotationsgeschwindigkeit gedreht werden. Eine Relativbewegung der beiden Komponenten 2, 3 zueinander findet somit nicht statt, da sich die beiden Komponenten 2, 3 mit derselben Rotationsgeschwindigkeit um dieselbe Achse drehen. Dieses Ausschließen der Relativbewegung ist für das Verschweißen der Komponenten 2, 3 besonders wichtig, da hier die Komponenten 2, 3 exakt zueinander ausgerichtet und relativ zueinander unbeweglich gehalten werden müssen.
Werden die Komponenten 2, 3 während des Vorwärmens mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten bewegt, so muss durch eine entsprechende Einstellung der Rotationsvorrichtung 4 sichergestellt werden, dass sich die beiden Komponenten 2, 3 während des Schweißens mit derselben Rotationsgeschwindigkeit drehen, um eine Relativbewegung der Komponenten 2, 3 während des Schweißens zu verhindern, so dass das Verschweißen der Komponenten 2, 3 ermöglicht ist. Zum Verschweißen sind die beiden Komponenten 2, 3 in der Rotationsvorrichtung 4 derart zueinander positioniert, dass ihre aneinander zu schweißenden Bereiche einander zugewandt sind und aneinander anliegen oder vorgegeben beabstandet sind, um das Verschweißen zu ermöglichen. Zweckmäßigerweise sind die beiden Komponenten 2, 3 auch bereits während des Vorwärmens entsprechend positioniert.
Vor dem Schweißen werden miteinander zu verschweißende Bereiche der Komponenten 2, 3 vorgewärmt. Hierzu weist die Vorrichtung 5 zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 auf, welche zumindest während des Vorwärmens im Wesentlichen feststehend in der Vorrichtung 5 angeordnet ist, d. h. fest auf die miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3 ausgerichtet ist. Vorzugsweise weist die Vorrichtung 5 eine Mehrzahl von Wärmebehandlungseinheiten 11 auf, welche um den Umfang der Komponenten 2, 3 vorzugsweise gleichmäßig verteilt positioniert sind. Beispielsweise weist die Vorrichtung 5 zwei Wärmebehandlungseinheiten 11 auf, welche sich gegenüberliegend positioniert sind, oder mehr als zwei Wärmebehandlungseinheiten 11, welche beispielsweise sternförmig um die Komponenten 2, 3 positioniert sind.
Die zumindest eine Schweißeinheit 9 der Vorrichtung 5 ist zumindest während des Schweißens im Wesentlichen feststehend in der Vorrichtung 5 angeordnet, d. h. fest auf den zu verschweißenden Bereich der beiden Komponenten 2, 3 ausgerichtet. Vorzugsweise weist die Vorrichtung 5 eine Mehrzahl von Schweißeinheiten 9 auf, welche um den Umfang der beiden Komponenten 2, 3 vorzugsweise gleichmäßig verteilt positioniert sind. Beispielsweise weist die Vorrichtung 5 zwei Schweißeinheiten 9 auf, welche sich gegenüberliegend positioniert sind, oder mehr als zwei Schweißeinheiten 9, welche beispielsweise sternförmig um die zu verschweißenden Komponenten 2, 3 positioniert sind.
Die zumindest eine Schweißeinheit 9 oder bevorzugt die mehreren Schweißeinheiten 9 ist/sind jeweils beispielsweise als Laserstrahlschweißeinheiten, als Laserhybridschweißeinheiten, als Elektronenstrahlschweißeinheiten, als Kondensatorentladungsschweißeinheiten oder als Metallschutzgasschweißeinheiten ausgebildet, so dass die beiden Komponenten 2, 3 entsprechend durch Laserschweißen, Laserhybridschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Kondensatorentladungsschweißen (KE) oder Metallschutzgasschweißen, d. h. durch Metallschweißen mit inerten Gasen (MIG-Schweißen) oder mit aktiven, also reaktionsfähigen Gasen (MAG-Schweißen) verschweißt werden. Der Schweißprozess kann mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff erfolgen. Dies ist beispielsweise abhängig vom jeweiligen Schweißverfahren.
Durch das Vorwärmen der miteinander zu verschweißenden Bereiche der beiden Komponenten 2, 3 vor dem Schweißen können mittels dieses Verfahrens Komponenten 2, 3 aus Stahl miteinander verschweißt werden, wobei mindestens eine der beiden zu verschweißenden Komponenten 2, 3 einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,25 Gewichtsprozent aufweist, beispielsweise einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,4 Gewichtsprozent. Es können auch beide miteinander zu verschweißenden Komponenten 2, 3 einen solch hohen Kohlenstoffgehalt aufweisen. Kolben 1 für Verbrennungsmotoren werden zur Reduzierung von Kohlenstoffdioxidemissionen aus Stahl hergestellt. Das Verfahren ermöglicht eine Herstellung solcher Stahlkolben durch Verschweißen zweier aus derartigem Stahl ausgebildeter Komponenten 2, 3. Stahlkolben werden aus Festigkeitsgründen in der Regel mit einem solch hohen Kohlenstoffgehalt von ca. 0,4 Gewichtsprozent ausgebildet. Durch das mittels des Verfahrens ermöglichte Verschweißen der Komponenten 2, 3 können optimierte Bauformen des Kolbens 1 ausgebildet werden, da der Kolben 1 durch das Verschweißen der Komponenten 2, 3 gebaut werden kann und nicht beispielsweise in einem Gussverfahren einteilig hergestellt werden muss. Beispielsweise ist eine der Komponenten 2, 3 ein Kolbenboden und die andere Komponente 3, 2 ist ein Kolbenschaft. Diese beiden Komponenten 2, 3 werden im Verfahren zur Herstellung des Kolbens 1 miteinander verschweißt.
Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehaltes sind die Komponenten 2, 3 nur noch bedingt schweißgeeignet. Die Problematik besteht beim Schweißen solcher Stähle in der hohen Aufhärtung und der Gefahr der Rissbildung. Durch das Verfahren, insbesondere durch das Vorwärmen der miteinander zu verschweißenden Bereiche der beiden Komponenten 2, 3, wird jedoch das Verschweißen auch aus solchen Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt gefertigter Komponenten 2, 3 ermöglicht, wobei ein sehr gutes Schweißergebnis mit optimierten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften erzielt wird. Insbesondere wird die Gefahr einer Aufhärtung und von Rissbildungen im Bereich der Schweißnaht 7 reduziert.
Zum Verschweißen werden die Komponenten 2, 3 mittels der Rotationsvorrichtung 4 gedreht und somit relativ zu der zumindest einen feststehenden Schweißeineinheit 9 oder den mehreren feststehenden Schweißeinheiten 9 bewegt, so dass die Schweißnaht 7 durch die zumindest eine Schweißeinheit 9 bzw. durch die mehreren Schweißeinheiten 9 ausgebildet wird.
Vorzugsweise wird die ausgebildete Schweißnaht 7 und werden zweckmäßigerweise die an die Schweißnaht 7 angrenzenden Wärmeeinflusszonen 8 nach dem Schweißen wärmebehandelt. Hierzu wird/werden zweckmäßigerweise die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 bzw. die mehreren Wärmebehandlungseinheiten 11 genutzt, welche bereits zum Vorwärmen der Komponenten 2, 3 genutzt wurden. Auch zumindest während der Wärmebehandlung ist/sind die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 bzw. die mehreren Wärmebehandlungseinheiten 11 im Wesentlichen feststehend in der Vorrichtung 5 angeordnet, d. h. fest auf den durch die miteinander verschweißten Komponenten 2, 3 ausgebildeten Kolben 1 ausgerichtet.
Wie bereits erwähnt, kann die Vorrichtung 5 eine Mehrzahl dieser Wärmebehandlungseinheiten 11 aufweisen, welche um den Umfang des Kolbens 1 vorzugsweise gleichmäßig verteilt positioniert sind. Beispielsweise weist die Vorrichtung 5 zwei Wärmebehandlungseinheiten 11 auf, welche sich gegenüberliegend positioniert sind, oder mehr als zwei Wärmebehandlungseinheiten 11, welche beispielsweise sternförmig um den Kolben 1 positioniert sind. Um die Anordnung und Ausrichtung der Schweißeinheiten 9 und Wärmebehandlungseinheiten 11 nicht zu behindern, sind die einzelnen Einheiten 9, 11 um den Umfang der Komponenten 2, 3 bzw. um den Umfang des durch Verschweißen der Komponenten 2, 3 ausgebildeten Kolbens 1 herum versetzt zueinander angeordnet, wie in 4 dargestellt.
Die eine oder mehreren Schweißeinheiten 9 und/oder die eine oder mehreren Wärmebehandlungseinheiten 11 können, insbesondere bei einer Ausbildung als Lasereinheiten, beispielsweise senkrecht zur Kolbenoberfläche bzw. zur Oberfläche der Komponenten 2, 3 ausgerichtet sein oder in einem anderen Winkel, beispielsweise schräg.
Die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 oder die bevorzugt mehreren Wärmebehandlungseinheiten 11 ist/sind zweckmäßigerweise jeweils als Lasereinheit oder als Elektronenstrahleinheit ausgebildet. Durch die Verwendung unterschiedlicher Einheiten 9, 11 zum Schweißen einerseits und zum Vorwärmen sowie zur optionalen Wärmebehandlung nach dem Schweißen andererseits können zum Schweißen hochwertige Laserschweißeinheiten mit einer ausreichend hohen Strahlqualität verwendet werden, wodurch ein hoher Energieeintrag und ein gutes Schweißergebnis ermöglicht werden. Zudem können auf diese Weise zum Schweißen auch andere Schweißverfahren eingesetzt werden, welche entsprechend andere Schweißeinheiten 9 erfordern, welche nicht als Laser- oder Elektronenstrahleinheiten ausgebildet sind, wie oben bereits geschildert.
Für das Vorwärmen und die optionale Wärmebehandlung nach dem Schweißen können kostengünstigere und weniger energiestarke Laser- oder Elektronenstrahleinheiten mit geringerer Strahlqualität verwendet werden, zum Beispiel Diodenlaser. Zudem ist zum Vorwärmen und zur optionalen Wärmebehandlung nach dem Schweißen bei der Verwendung von Lasereinheiten ein breiterer Fokus erforderlich, um während des Vorwärmens die miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3 zu erwärmen und während der Wärmebehandlung nach dem Schweißen nicht nur die Schweißnaht 7 selbst, sondern auch die in 3 dargestellten Wärmeeinflusszonen 8 neben der Schweißnaht 7 wärmezubehandeln. Die Fokusbreite entspricht dabei zweckmäßigerweise in etwa der Breite der Wärmeeinflusszonen 8, d. h. der Breite der Schweißnaht 7 zusätzlich der an die Schweißnaht 7 seitlich angrenzenden Wärmeeinflusszonen 8.
Um ein optimales Vorwärmergebnis, ein optimales Schweißergebnis und optional auch ein optimales Wärmebehandlungsergebnis zu ermöglichen, sind an der Rotationsvorrichtung 4 der Vorrichtung 5 zweckmäßigerweise verschiedene Rotationsgeschwindigkeiten einstellbar. So können, wenn das Vorwärmen, das Schweißen und die optionale Wärmebehandlung nach dem Schweißen getrennt voneinander durchgeführt werden, die Komponenten 2, 3 zum Vorwärmen, zum Verschweißen und optional zur Wärmebehandlung nach dem Schweißen mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten gedreht werden.
Beispielsweise werden die Komponenten 2, 3 zum Vorwärmen mit einer höheren Rotationsgeschwindigkeit gedreht als zum Schweißen. Während des Schweißens werden die Komponenten 2, 3 beispielsweise relativ langsam und um zum Beispiel lediglich eine Umdrehung gedreht, um die Schweißnaht 7 mit einer Schweißeinheit 9 auszubilden, oder lediglich um eine Teilumdrehung bei einem Einsatz mehrerer Schweißeinheiten 9. Dabei wird die Rotationsgeschwindigkeit aus Taktzeitgründen so hoch gewählt, wie dies zur Erreichung eines guten Schweißergebnisses möglich ist.
Zum Vorwärmen wird zweckmäßigerweise eine höhere Rotationsgeschwindigkeit gewählt und die Komponenten 2, 3 werden vorteilhafterweise mehrfach gedreht, um einen gleichmäßigen Wärmeeintrag zu ermöglichen. Beispielsweise werden die Komponenten 2, 3 mit einer derart hohen Rotationsgeschwindigkeit gedreht, dass sie mit einer Vorschubgeschwindigkeit von mehr als 5 m/min. unter der zumindest einen Wärmebehandlungseinheit 11 rotieren, d. h. dass pro Minute fünf Meter der Oberfläche der beiden Komponenten 2, 3 von der zumindest einen Wärmebehandlungseinheit 11 bestrahlt werden. Vorzugsweise erfolgt während des Vorwärmens die zumindest lokale Energieeinkopplung durch die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 oder durch die Mehrzahl von Wärmebehandlungseinheiten 11 derart, dass im späteren Wärmeeinflussbereich der zu verschweißenden Komponenten 2, 3 die Temperatur zumindest im Wesentlichen oberhalb von 200°C liegt. Besonders vorteilhafterweise liegt die Temperatur oberhalb der Martensitstarttemperatur der jeweils miteinander zu verschweißenden Komponenten 2, 3.
Zweckmäßigerweise wird auch der Kolben 1 während der Wärmebehandlung, wenn diese durchgeführt wird, mit einer gegenüber dem Schweißen erhöhten Rotationsgeschwindigkeit gedreht. Die Rotationsgeschwindigkeit des Kolbens 1 während der Wärmebehandlung kann dabei beispielsweise der Rotationsgeschwindigkeit der beiden Komponenten 2, 3 während des Vorwärmens entsprechen oder auch von dieser abweichen. Durch das schnellere Drehen des Kolbens 1 während der Wärmebehandlung im Vergleich zum Schweißen wird ein gleichmäßiger Wärmeeintrag im Bereich der Schweißnaht 7 und der Wärmeeinflusszonen 8 ermöglicht. Zweckmäßigerweise wird der Kolben 1 dabei mehrfach gedreht. Auf diese Weise kann der Wärmeeintrag auch mit geringerer Energie erfolgen. Die Rotationsgeschwindigkeit kann auf diese Weise als eine zentrale Steuer- und/oder Regelgröße für das Vorwärmen, das Schweißen und das optionale Wärmebehandeln verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden das Schweißen, welches nur eine kurze Bearbeitungszeit von beispielsweise lediglich einigen Sekunden erfordert, und das Vorwärmen vor dem Schweißen und/oder die Wärmebehandlung nach dem Schweißen, welche jeweils eine wesentlich längere Bearbeitungszeit erfordern, um mittels Wärmeleitung eine entsprechende Temperatur unter der Oberfläche des Kolbens 1 zu erreichen, nacheinander durchgeführt, d. h. das Schweißen erst, nachdem das Vorwärmen der miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3 vollständig abgeschlossen ist und/oder, wenn diese durchgeführt wird, die Wärmebehandlung erst, nachdem das Schweißen beendet ist und der Kolben 1 somit vollständig ausgebildet ist, denn ein gleichzeitiges Vorwärmen und/oder eine gleichzeitige Wärmebehandlung mit einer für das Schweißen optimalen Rotationsgeschwindigkeit könnte einen inhomogenen, ungleichmäßigen und lokal eng begrenzter Wärmeeintrag zur Folge haben, der zum Verziehen des Kolbens 1 führen könnte.
Durch das Vorwärmen und optional die Wärmebehandlung jeweils als eigener Arbeitsgang werden im Gegensatz dazu aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit und der Mehrzahl von Umdrehungen ein homogener, gleichmäßiger Wärmeeintrag und eine gleichmäßige und tiefe Wärmeverteilung über den gesamten zu verschweißenden Bereich der jeweiligen Komponente 2, 3 während des Vorwärmens und über den gesamten Schweißnahtbereich des Kolbens 1 hinweg während der abschließenden Wärmebehandlung erreicht, inklusive der Wärmeeinflusszonen 8. Dadurch werden ein gleichmäßiges Vorwärmergebnis durch das Vorwärmen und ein gleichmäßiges Anlassergebnis und eine gleichmäßige Eigenspannungsausbildung durch die abschließende Wärmebehandlung ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung unterschiedlicher Einheiten 9, 11 für das Schweißen einerseits und das Vorwärmen sowie die optionale Wärmebehandlung andererseits liegt darin, dass während des Vorwärmens der Komponenten 2, 3 und, wenn dies durchgeführt wird, während der Wärmebehandlung des Kolbens 1 in der Arbeitsstation, welche jeweils eine deutlich längere Bearbeitungszeit als das Schweißen erfordern, bereits in einer oder mehreren weiteren Arbeitsstationen mittels der zumindest einen Schweißeinheit 9 der Vorrichtung 5 oder bevorzugt mittels der mehreren Schweißeinheiten 9 weitere Komponenten 2, 3 zu Kolben 1 verschweißt werden können. D. h. nach dem Schweißen wird die Schweißeinheit 9 oder werden die mehreren Schweißeinheiten 9 auf eine andere Arbeitsstation gerichtet, an welcher bereits weitere Komponenten 2, 3 mit der Wärmebehandlungseinheit 11 oder den mehreren Wärmebehandlungseinheiten 11 dieser weiteren Arbeitsstation vorgewärmt wurden, so dass sie sofort mittels der Schweißeinheit 9 oder den mehreren Schweißeinheiten 9 verschweißt werden können. An der weiteren Arbeitsstation ist die Schweißeinheit 9 oder sind die mehreren Schweißeinheiten 9 dann während des Schweißvorgangs ebenfalls wieder im Wesentlichen feststehend. Bei Laserschweißeinheiten ist diese Ausrichtung der Schweißeinheit 9 oder der Schweißeinheiten 9 zum Beispiel auf einfache Weise mittels einer Strahlweiche pro Schweißeinheit 9 zu realisieren, welche den Laserstrahl der jeweiligen Laserschweißeinheit auf eine andere Arbeitsstation ausrichtet.
So weist die Vorrichtung 5 beispielsweise zwei oder drei oder mehr Arbeitsstationen auf, wobei jede Arbeitsstation mit kostengünstigen Wärmebehandlungseinheiten 11 ausgerüstet ist, beispielsweise kostengünstigen Lasereinheiten mit geringer Energie. Des Weiteren weist die Vorrichtung 5 eine oder mehrere Schweißeinheiten 9 auf, welche auf die einzelnen Arbeitsstationen auszurichten sind und dort während des Schweißvorgangs im Wesentlichen feststehend sind. Es sind daher wesentlich weniger der kostenintensiven Schweißeinheiten 9 erforderlich, welche beispielsweise als kostenintensive hochwertige Laserschweißeinheiten mit einer hohen Brillanz und Strahlqualität ausgebildet sind. Zudem ist dadurch ein schneller und rationeller Produktionsablauf ermöglicht, wobei beispielsweise nacheinander in drei Arbeitsstationen Komponenten 2, 3 zunächst vorgewärmt werden, zu Kolben 1 verschweißt werden und danach vorzugsweise wärmebehandelt werden.
So wird beispielsweise in der ersten Arbeitsstation ein bereits geschweißter Kolben 1 wärmebehandelt, während die Schweißeinheit 9 oder die mehreren Schweißeinheiten 9 auf die zweite Arbeitsstation gerichtet sind, um dort die Komponenten 2, 3 zum Kolben 1 zu verschweißen, und während in der dritten Arbeitsstation weitere Komponenten 2, 3 mittels einer oder mehrerer Wärmebehandlungseinheiten 11 dieser dritten Arbeitsstation bereits vorgewärmt werden. Nachdem die Wärmebehandlung in der ersten Arbeitsstation abgeschlossen ist, ist diese erste Arbeitsstation dann mit neuen Komponenten 2, 3 zu bestücken und die Komponenten 2, 3 sind vorzuwärmen, um sie danach mit der Schweißeinheit 9 oder mit den Schweißeinheiten 9 zu verschweißen, nachdem diese die vorgewärmten Komponenten 2, 3 in der dritten Arbeitsstation verschweißt haben. Ein Stillstand der Schweißeinheiten 9 während des Vorwärmens und während der optionalen Wärmebehandlung ist somit vermieden.
Zusätzlich oder alternativ zu dem oben beschriebenen separaten Vorwärmen der Komponenten 2, 3 vor dem Schweißen, d. h. in einem zum Schweißen separaten Arbeitsgang, kann dieses Vorwärmen auch zeitlich parallel zum Schweißen erfolgen, d. h. der jeweilige zu verschweißende Teilbereich wird erst unmittelbar vor dem Verschweißen vorgewärmt. Dabei trifft mindestens ein Laserstrahl oder Elektronenstrahl der zumindest einen Wärmebehandlungseinheit 11 im Winkelbereich vor dem jeweiligen aktuell zu verschweißenden Fügebereich auf, um so den Vorwärmeffekt direkt vor dem Schweißen zu unterstützen oder herzustellen. Der jeweilige Teilbereich wird somit geschweißt, nachdem dieser Teilbereich vorgewärmt wurde. Das Schweißen wird somit durchgeführt oder zumindest begonnen, bevor das Vorwärmen der gesamten miteinander zu verschweißenden Bereiche der beiden Komponenten 2, 3 vollständig abgeschlossen wurde.
Das Gleiche gilt auch für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen, wenn diese durchgeführt wird. Auch hier kann, zusätzlich oder alternativ zu der oben beschriebenen separaten Wärmebehandlung als separater Arbeitsgang, zeitlich parallel zum Schweißprozess mindestens ein Laserstrahl oder Elektronenstrahl der zumindest einen Wärmebehandlungseinheit 11 im Winkelbereich nach dem jeweiligen aktuell verschweißten Fügebereich auftreffen, um so die Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchzuführen oder zumindest zu starten. Hierbei wird jeweils ein Teilbereich wärmebehandelt, welcher unmittelbar vorher geschweißt wurde. Der jeweilige Teilbereich wird somit wärmebehandelt, nachdem dieser Teilbereich geschweißt wurde. Die Wärmebehandlung wird somit durchgeführt oder zumindest begonnen, bevor das Schweißen des gesamten zu verschweißenden Bereichs des Kolbens 1 vollständig abgeschlossen wurde.
Zusammenfassend wird das Verfahren daher auf die folgende Weise durchgeführt:
Es werden miteinander zu verschweißende Bereiche der Komponenten 2, 3 zunächst mittels zumindest einer Wärmebehandlungseinheit 11 vorgewärmt und danach werden die Komponenten 2, 3 mittels zumindest einer Schweißeinheit 9 miteinander verschweißt. Vorzugsweise wird eine durch das Schweißen ausgebildete Schweißnaht 7 mittels der zumindest einen Wärmebehandlungseinheit 11 wärmebehandelt, d. h. angelassen. Diese Wärmebehandlung betrifft neben der Schweißnaht 7 zweckmäßigerweise auch die an die Schweißnaht 7 angrenzenden und durch das Schweißen beeinflussten Wärmeeinflusszonen 8.
Vorwärmen vor dem Schweißen kann bedeuten, dass das Vorwärmen als ein separater Arbeitsgang vor dem Schweißen durchgeführt werden kann, wobei das Schweißen erst beginnt, wenn das Vorwärmen der miteinander zu verschweißenden Bereiche der beiden Komponenten 2, 3 vollständig abgeschlossen ist. Das Vorwärmen vor dem Schweißen kann ebenfalls bedeuten, dass das Vorwärmen eines relativ kleinen Fügebereichs unmittelbar vor dem Schweißen dieses Fügebereichs erfolgt, d. h. es wird jeweils ein Teilbereich der zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3 vorgewärmt und unmittelbar danach wird dieser Teilbereich verschweißt. Dies wird dadurch erreicht, dass die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 auf einen Teilbereich der miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3 unmittelbar vor dem Teilbereich ausgerichtet ist, auf welchen die zumindest eine Schweißeinheit 9 ausgerichtet ist, d. h. die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 und die zumindest eine Schweißeinheit 9 sind in Schweißrichtung unmittelbar nacheinander auf die beiden Komponenten 2, 3 gerichtet. Auch eine Kombination dieser beiden Vorgehensweisen zum Vorwärmen ist möglich, d. h. das Vorwärmen beginnt mit einem separaten Vorwärmschritt, an welchen sich dann das weitere Vorwärmen unmittelbar vor dem Schweißen anschließt. Auf diese Weise können die miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3 zunächst über längere Zeit gleichmäßig erwärmt werden, so dass sich die Wärme gleichmäßig von der Oberfläche der Komponenten 2, 3 in die Tiefe ausbreiten kann. Durch das weitere Vorwärmen unmittelbar vor dem Schweißen wird dann sichergestellt, dass die Temperatur nicht wieder zu stark abfällt und dass eine ausreichend hohe Vorwärmtemperatur unmittelbar vor dem Schweißen vorhanden ist.
Das zum Vorwärmen gesagte trifft sinngemäß auch für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen zu, wenn eine solche durchgeführt wird. D. h. Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann bedeuten, dass die Wärmebehandlung als ein separater Arbeitsgang nach dem Schweißen durchgeführt werden kann, wobei die Wärmebehandlung erst beginnt, wenn das Verschweißen der beiden Komponenten 2, 3 zum Kolben 1 vollständig abgeschlossen ist. Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann ebenfalls bedeuten, dass die Wärmebehandlung eines relativ kleinen Fügebereichs unmittelbar nach dem Schweißen dieses Fügebereichs erfolgt, d. h. es wird jeweils ein Teilbereich der zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3 geschweißt und unmittelbar danach wird dieser Teilbereich wärmebehandelt. Dies wird dadurch erreicht, dass die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 auf einen Teilbereich der miteinander verschweißten Bereiche der Komponenten 2, 3 unmittelbar nach dem Teilbereich ausgerichtet ist, auf welchen die zumindest eine Schweißeinheit 9 ausgerichtet ist, d. h. die zumindest eine Schweißeinheit 9 und die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 sind in Schweißrichtung unmittelbar nacheinander auf die beiden Komponenten 2, 3 gerichtet. Auch eine Kombination dieser beiden Vorgehensweisen zum Wärmebehandeln ist möglich, d. h. die Wärmebehandlung beginnt unmittelbar nach dem Schweißen des jeweiligen Teilbereichs und setzt sich, nachdem das Schweißen des Kolbens 1 vollständig abgeschlossen ist, als separate Wärmebehandlung fort. Auf diese Weise kann die Wärmebehandlung unmittelbar nach dem Schweißen des jeweiligen kleinen Teilbereichs begonnen werden, wodurch ein starkes Abkühlen nach dem Schweißen vermieden wird. Anschließend wird die Wärmebehandlung fortgesetzt, um ein optimales Anlassergebnis zu erzielen.
Wird sowohl das Vorwärmen unmittelbar vor dem Schweißen als auch die Wärmebehandlung unmittelbar nach dem Schweißen durchgeführt, d. h. wird die Wärmebehandlung eines Bereichs am Kolben 1 bereits begonnen, bevor das Vorwärmen der Komponenten 2, 3 des Kolbens 1 abgeschlossen ist, so weist die Vorrichtung 5 zweckmäßigerweise eine Mehrzahl Wärmebehandlungseinheiten 11 auf, von welchen dann eine oder mehrere zum Vorwärmen und eine oder mehrere andere zur Wärmebehandlung nach dem Schweißen eingesetzt werden. Alternativ kann auch eine so genannte Scannereinrichtung eingesetzt werden, um den Laserstrahl oder Elektronenstrahl einer Wärmebehandlungseinheit 11 abwechselnd auf einen Bereich unmittelbar vor dem aktuellen Schweißbereich und auf einen Bereich unmittelbar hinter dem aktuellen Schweißbereich auszurichten.
Durch das Verfahren und die Vorrichtung 5 wird insbesondere im Bereich der Schweißnaht 7 die Bauteilzähigkeit des Kolbens 1 erhöht und schädliche Bauteileigenspannungen des Kolbens 1 werden reduziert, um erhöhte dynamische Festigkeitswerte zu erzielen. Eine Vickershärte des mit dem Verfahren und der Vorrichtung 5 durch Verschweißen zweier Komponenten 2, 3 aus Stahl hergestellten Kolbens 1 ist im Schweißnahtbereich und in an die Schweißnaht 7 angrenzenden Wärmeeinflusszonen 8 vorteilhafterweise geringer als 500 HV 1.
Das Verfahren und die Vorrichtung 5 ermöglichen eine wirtschaftliche und sichere Gesamtprozessführung der Kolbenherstellung, wobei durch den Verfahrensablauf, insbesondere durch das Vorwärmen der miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3, das Grundproblem der schlechten Schweißeignung der Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt, insbesondere die Gefahr der Aufhärtung und Härterisse, verringert oder vermieden wird und gleichzeitig die Schlagzähigkeit und Schwingfestigkeit verbessert wird. Des Weiteren ist durch diese mittels des Verfahrens und der Vorrichtung 5 verbesserten Eigenschaften des Kolbens 1 eine Verringerung eines Qualitätssicherungsaufwandes insbesondere in der Großserienfertigung zu erreichen, Garantie- und Kulanzkosten werden reduziert und die Kundenzufriedenheit wird gesteigert. Zudem ermöglichen das Verfahren und die Vorrichtung 5 die prozesssichere Herstellung von Kolben 1 mittels Schweißkombinationen, die bislang nur mit deutlich größerem Risiko möglich waren. Dadurch wird ein konstruktiver Gestaltungsfreiraum erhöht. Die mit dem Verfahren und der Vorrichtung 5 ausgebildeten Kolben 1 leisten einen Beitrag zur Reduzierung des Kohlenstoffdioxidausstoßes von Verbrennungsmotoren.
Bei derartigen Kolben 1, die zumindest eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Schweißverbindung aufweisen, ist ohne das beschriebene Vorwärmen und die beschriebene optionale Wärmebehandlung nach dem Schweißen oftmals die durch den Fügeprozess entstandene Schweißnaht 7 Schwachpunkt unter dynamischer Belastung, insbesondere bei einer Ausbildung der Komponenten 2, 3 aus Stählen mit einem hohen Kohlenstoffgehalt, welche ohne das beschriebene Vorwärmen nicht oder nur mit sehr schlechter Schweißqualität zu schweißen sind. Beim Schweißen wird Material der beiden zu verbindenden Komponenten 2, 3 aufgeschmolzen. Nach der Erstarrung entsteht neben der unvermeidbaren Kerbe an der Schweißwurzel ein aufgehärtetes, nicht entspanntes Schweißgefüge. Die Praxis zeigt, dass unter dynamischer Beanspruchung genau diese Schweißnaht 7 bzw. der Schweißwurzelbereich Ausgangsstelle für Schwinganrisse und somit lebensdauerlimitierend sind. Unter motorischen Bedingungen stellt genau diese Schweißnaht 7 den Schwachpunkt dar.
Zur Erhöhung der dynamischen Kolbenfestigkeit bzw. der Lebensdauer des Kolbens 1 muss genau dieser Bereich optimiert werden. Eine Vermeidung der Kerbwirkung im Bereich der Schweißwurzel, zum Beispiel durch eine Nachbearbeitung, ist aufgrund der Zugänglichkeit nicht möglich, da sich die Schweißwurzel im Kolbeninneren befindet.
Daher werden zunächst die miteinander zu verschweißenden Bereiche der beiden Komponenten 2, 3 vorgewärmt, um das Verschweißen mit einem guten Schweißergebnis zu ermöglichen, und die beim Schweißen erzeugte Schweißnaht 7, welche eine Art Härtegefüge darstellt, wird vorzugsweise auf die beschriebene Weise durch die nachfolgende Wärmebehandlung entspannt, d. h. die Schweißnaht 7 wird bei erhöhten Temperaturen nachträglich angelassen, um eine Erhöhung der Bauteilzähigkeit des Kolbens 1 und eine Reduzierung schädlicher Bauteilzugeigenspannungen des Kolbens 1 zu bewirken. Dies führt zu verbesserten dynamischen Festigkeitswerten. Auf diese Weise wird der Schweißnahtbereich nicht geometrisch, sondern werkstofftechnisch optimiert. Durch das Anlassen wird die Bauteilzähigkeit des Kolbens 1 erhöht und schädliche Bauteileigenspannungen des Kolbens 1 werden reduziert, um erhöhte dynamische Festigkeitskennwerte zu erzielen.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dieses Anlassen in einem Ofen oder mittels Induktion durchzuführen. Nachteilig hierbei sind einerseits die hohe Wärmeeinbringung und damit der Verzug des Kolbens 1, gegebenenfalls auch die Verzunderung am Kolben 1. Des Weiteren ist der Materialtransport von der Schweißanlage zur Anlassstation logistisch aufwändig und kostenintensiv. Zudem tritt bei einer Erwärmung durch Induktion ein hoher Verschleiß der Induktoren auf. Mittels des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung 5 zu dessen Durchführung wird dies verhindert, da das Anlassen, d. h. die Wärmebehandlung, wenn eine solche durchgeführt wird, in derselben Aufspannung wie das Schweißen durchgeführt werden, d. h. der Kolben 1 bleibt in der Arbeitsstation und in der Rotationsvorrichtung 4 eingespannt. Die Wärmebehandlung kann direkt nach dem Schweißen ohne einen Transport des Kolbens 1 oder ein Neueinspannen des Kolbens 1 erfolgen. Daraus resultiert eine kürzere Verarbeitungszeit und logistisch sowie zeitlich aufwändige und kostenintensive Materialtransporte sind vermieden.
Auch das obligatorische Vorwärmen der miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3 wird in derselben Aufspannung wie das Schweißen durchgeführt, d. h. der Kolben 1 wird in der Arbeitsstation und in der Rotationsvorrichtung 4 eingespannt, vorgewärmt, geschweißt und optional wärmebehandelt. Auch das Vorwärmen ist auf die zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3 begrenzt, so dass eine Energieeinsparung beispielsweise gegenüber einer Erwärmung der Komponenten 2, 3 in einem Ofen erreicht wird. Zudem finden auch zwischen dem Vorwärmen und dem Schweißen kein Transport und kein Neueinspannen der Komponenten 2, 3 statt. Daraus resultiert eine kürzere Verarbeitungszeit und logistisch sowie zeitlich aufwändige und kostenintensive Materialtransporte sind vermieden.
Durch ein lokales Vorwärmen nur der miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten 2, 3 und durch ein optionales lokales Anlassen nur im Bereich der Schweißnaht 7, inklusive der Wärmeeinflusszonen 8, mit Hilfe zumindest eines Laser- oder Elektronenstrahls, d. h. mit Hilfe einer oder mehrerer Lasereinheiten oder Elektronenstrahleinheiten als Wärmebehandlungseinheiten 11, kann die Energieeinbringung und damit auch der Bauteilverzug des Kolbens 1 gering gehalten werden. Aufgrund der stark gesunkenen Preise für Laserstrahlquellen wird das Vorwärmen und das optionale Anlassen mittels Laser auch wirtschaftlich interessant, da sich deutliche Einsparungen an Energiekosten und Verschleißteilen erzielen lassen. Des Weiteren ist, wie bereits beschrieben, keine weitere Aufspannung bzw. kein Materialtransport an eine weitere Anlage bzw. an einen Ofen nötig.
Das Verfahren ist sehr wirtschaftlich und kostengünstig, da für das Vorwärmen und die optionale Wärmebehandlung nach dem Schweißen kostengünstige Lasereinheiten verwendet werden können. Zudem ist das Verfahren auf einfache Weise in einen bereits vorhandenen Schweißprozess zu integrieren, beispielsweise durch die Installation einer oder mehrerer Wärmebehandlungseinheiten 11. Im Vergleich zu induktiver Erwärmung mit einem hohen Verschleiß der Induktoren tritt bei dem Verfahren mit als Lasereinheiten oder Elektronenstrahleinheiten ausgebildeten Wärmebehandlungseinheiten 11 ein wesentlich geringerer Verschleiß auf. Ein Energieverbrauch ist, insbesondere im Vergleich zu einem Vorwärmen und einer Wärmebehandlung in einem Ofen, wesentlich geringer.
Mittels des Verfahren ist eine Lebensdauer des Kolbens 1 erhöht, eine dynamische Bauteilfestigkeit des Kolbens 1 ist gesteigert und konstruktive Freiheitsgrade sind erhöht, beispielsweise ist eine Verringerung einer Wandstärke und somit eine Verringerung des Gewichts ermöglicht. Diese Gesichtspunkte spielen insbesondere bei einem Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs eine erhebliche Rolle. Durch das Verfahren ist somit auch ein Beitrag zum Leichtbau ermöglicht und Motorschäden durch einen zerstörten Kolben 1 werden vermieden oder zumindest auf ein Minimum reduziert.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele. Beispielsweise können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Komponenten 2, 3 aus Stahl miteinander verschweißt werden, wobei die zu verschweißenden Komponenten 2, 3 einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,25 Gewichtsprozent aufweisen. Grundsätzlich ist auch vorstellbar, dass der Kolben 1 aus mehr Einzelkomponenten als den beiden Komponenten 2, 3 aufgebaut ist und dass zur Herstellung eines solchen Kolbens 1 eine oder auch mehrere Schweißnähte 7 angebracht werden, wobei die Schweißnähte 7 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4024381 C2 [0002]
DE 102007021101 A1 [0003]
EP 1640105 A1 [0004]
DE 102004001166 B4 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Komponenten (2, 3) aus Stahl mittels zumindest einer Schweißeinheit (9) miteinander verschweißt werden, wobei die Schweißnaht (7) im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet wird, wobei miteinander zu verschweißende Bereiche der Komponenten (2, 3) vor dem Schweißen mittels zumindest einer Wärmebehandlungseinheit (11) vorgewärmt werden, wobei das Schweißen und das Vorwärmen mit im Wesentlichen feststehenden Einheiten (9, 11) durchgeführt wird und wobei die beiden Komponenten (2, 3) zumindest während des Schweißens mit derselben Rotationsgeschwindigkeit um eine Kolbenlängsachse (10) gedreht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch das Schweißen ausgebildete Schweißnaht (7) mittels der zumindest einen im Wesentlichen feststehenden Wärmebehandlungseinheit (11) wärmebehandelt wird, wobei der Kolben (1) während der Wärmebehandlung um die Kolbenlängsachse (10) gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (7) mittels Laserstrahlschweißen, mittels Laserhybridschweißen, mittels Elektronenstrahlschweißen, mittels Kondensatorentladungsschweißen oder mittels Metallschutzgasschweißen (MIG/MAG) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vorwärmen und/oder zur Wärmebehandlung nach dem Schweißen ein Laser als die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit (11) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmen und/oder das Schweißen und/oder die Wärmebehandlung nach dem Schweißen mit einer Mehrzahl entsprechender Einheiten (9, 11) durchgeführt wird.
Vorrichtung (5) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend eine Rotationsvorrichtung (4) zur Rotation zweier zu einem Kolben (1) miteinander zu verschweißender Komponenten (2, 3) und zur Rotation des Kolbens (1), zumindest eine Schweißeinheit (9) zum Verschweißen der Komponenten (2, 3) und zumindest eine Wärmebehandlungseinheit (11) zumindest für ein Vorwärmen miteinander zu verschweißende Bereiche der Komponenten (2, 3), wobei die Einheiten (9, 11) zumindest während des Schweißens bzw. während des Vorwärmens im Wesentlichen feststehend sind.
Vorrichtung (5) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rotationsvorrichtung (4) mehrere Rotationsgeschwindigkeiten einstellbar sind.
Vorrichtung (5) nach Anspruch 6 oder 7, umfassend eine Mehrzahl von Schweißeinheiten (9) und/oder eine Mehrzahl von Wärmebehandlungseinheiten (11).
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welcher durch Verschweißen zweier Komponenten (2, 3) ausgebildet ist, wobei die Komponenten (2, 3) jeweils aus Stahl ausgebildet sind und wobei eine Vickershärte des Kolbens (1) im Schweißnahtbereich und in an die Schweißnaht (7) angrenzenden Wärmeeinflusszonen (8) geringer ist als 500 HV 1.