DE102014001806A1 - Manufacturing piston useful for an internal combustion engine, comprises welding at least two components with each other by a weld seam, in which at least one of components to be welded, is formed from steel having specific carbon content - Google Patents

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Abstract

Manufacturing piston (1) for an internal combustion engine, comprises welding at least two components (2, 3) with each other by at least one weld seam (5). At least one of the components to be welded, is formed from steel having a carbon content of not > 0.3 wt.%, preferably not > 0.25 wt.%. An independent claim is also included for the piston for the internal combustion engine, manufactured by the above method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.The invention relates to a method for producing a piston for an internal combustion engine according to the features of the preamble of claim 1 and a piston for an internal combustion engine according to the features of the preamble of claim 5.

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.From the prior art, as in the DE 40 24 381 C2 described a piston for internal combustion engines with forged steel areas known. The piston has forged areas of precipitation-hardening ferritic-pearlitic steel and areas of light metal.

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.In the DE 10 2007 021 101 A1 an alloyed steel is described. The steel is used for a component for internal combustion engines, in particular for pistons or piston parts.

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.From the EP 1 640 105 A1 a method for laser welding is known. In the process of laser welding carbon steel components, a weld is produced by a first laser beam. A second laser beam is provided for tracing the weld for a heat treatment of the weld.

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.In the DE 10 2004 001 166 B4 a method for laser welding with preheating and / or reheating in the region of the weld is described. The welding and the heat treatment are carried out by means of a single laser beam with substantially equal power. The welding and the heat treatment are spaced in time such that the temperature decrease of the respective irradiation surface from the time of the first irradiation to the time of the subsequent irradiation is less than 50 percent. During the heat treatment, the laser energy input related to the irradiation surface and the time unit is adjusted by increasing the feed rate such that the side of the already existing or future weld seam facing away from the laser beam is heated by at least 10 ° C.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein verbessertes Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved piston for an internal combustion engine and an improved method for its production.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 5.The object is achieved by a method for producing a piston for an internal combustion engine having the features of claim 1 and a piston for an internal combustion engine having the features of claim 5.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor werden zur Ausbildung des Kolbens mindestens zwei Komponenten mittels mindestens einer Schweißnaht miteinander verschweißt, wobei mindestens eine der miteinander zu verschweißenden Komponenten aus einem Stahl ausgebildet wird, welcher einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,25 Gewichtsprozent, aufweist.In a method according to the invention for producing a piston for an internal combustion engine, at least two components are welded to one another by means of at least one weld seam, wherein at least one of the components to be welded together is formed from a steel having a carbon content of at most 0.3 percent by weight, in particular a maximum carbon content of 0.25% by weight.

Kolben für Verbrennungsmotoren werden zur Reduzierung von Kohlenstoffdioxidemissionen aus Stahl hergestellt. Dabei werden zur Ausbildung optimierter Bauteilformen einzelne Komponenten, zum Beispiel ein Boden und ein Schaft des Kolbens, miteinander verschweißt. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenherstellungsverfahren, insbesondere für Kolben im Nutzfahrzeugbereich, werden Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von größer als 0,3 Gewichtsprozent verwendet, beispielsweise der Stahl 42CrMo4. Diese Stähle sind jedoch aufgrund dieses relativ hohen Kohlenstoffgehalts bei Verwendung von Schmelzschweißverfahren aufgrund starker Aufhärtungen und einer hohen Rissbildungsgefahr nur bedingt schweißgeeignet. Daher ist bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenherstellungsverfahren ein hoher Herstellungs- und Qualitätssicherungsaufwand erforderlich. Beispielsweise müssen die Komponenten vor dem Verschweißen vorgewärmt und nach dem Verschweißen nachgewärmt werden. Des Weiteren wird zur Eliminierung der schweißbedingten Aufhärtungen und Zugeigenspannungen im Schweißnahtbereich zusätzlich eine nachträgliche Vergütung des gesamten Kolbens durchgeführt. Ein solcher Prozessablauf, welcher mehrere der Schritte Vorwärmen, Nachwärmen, Vergüten und einhundertprozentige Rissprüfung vorsieht, ist sehr aufwändig und sehr kostenintensiv.Pistons for internal combustion engines are made to reduce carbon dioxide emissions from steel. In this case, individual components, for example a bottom and a shaft of the piston, are welded together to form optimized component shapes. Prior art piston manufacturing processes, particularly for commercial vehicle pistons, use steels having a carbon content greater than 0.3 percent by weight, such as 42CrMo4 steel. However, due to this relatively high carbon content when using fusion welding methods, these steels are only of limited weldability due to strong hardening and a high risk of cracking. Therefore, in these known from the prior art piston manufacturing process, a high manufacturing and quality assurance effort is required. For example, the components must be preheated before welding and reheated after welding. Furthermore, in order to eliminate the swelling-related hardening and tensile residual stresses in the weld seam area, additional compensation of the entire piston is additionally carried out. Such a process sequence, which provides several of the steps preheating, reheating, quenching and one hundred percent crack detection is very complex and very costly.

Dieser Aufwand wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, in welchem mindestens eine der miteinander zu verschweißenden Komponenten aus einem aufgrund des geringeren Kohlenstoffgehalts wesentlich besser schweißgeeigneten Stahl ausgebildet ist, erheblich reduziert. Die Verwendung eines schweißgeeigneten Stahls für zumindest eine der miteinander zu verschweißenden Komponenten, d. h. die Ausbildung zumindest eine dieser Komponenten aus einem solchen schweißgeeigneten Stahl, welcher einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere von maximal 0,25 Gewichtsprozent, aufweist, führt zu deutlich geringeren Aufhärtungen durch das Schweißen als beispielsweise bei Verwendung des Stahls 42CrMo4 oder eines anderen Stahls mit einem Kohlenstoffgehalt von größer als 0,3 Gewichtsprozent. Dadurch ist eine Vickershärte des mittels des Verfahrens hergestellten Kolbens im Schweißnahtbereich und in an die Schweißnaht angrenzenden Wärmeeinflusszonen vorteilhafterweise geringer als 500 HV 1. Auf diese Weise ist die Rissbildungsgefahr erheblich reduziert und eine Robustheit des Kolbens ist erheblich gesteigert.This effort is significantly reduced by the inventive method in which at least one of the components to be welded together is formed from a much better weldable due to the lower carbon content steel. The use of a weldable steel for at least one of the components to be welded together, ie the formation of at least one of these components of such a weldable steel, which has a maximum carbon content of 0.3 weight percent, in particular of at most 0.25 weight percent, leads to significant less hardening due to welding than, for example, when using 42CrMo4 steel or other steel with a carbon content greater than 0.3% by weight. This is a Vickers hardness of the piston produced by the method in the weld area and adjacent to the weld heat-affected zones advantageously less than 500 HV 1. In this way, the risk of cracking is significantly reduced and robustness of the piston is significantly increased.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bereits ohne eine zusätzliche Vorbehandlung und Nachbehandlung eine Festigkeit des Kolbens erreicht werden, welche der Festigkeit von bislang im PKW-Bereich verwendeten Aluminiumkolben entspricht. Diese Aluminiumkolben weisen eine Festigkeit von kleiner als 400 MPa auf. Dieser Wert wird von den Stählen, welche zur Ausbildung zumindest einer der zu verschweißenden Komponenten geeignet sind, d. h. welche einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere von maximal 0,25 Gewichtsprozent, aufweisen, bereits im unvergüteten Zustand erreicht. Ein Vergüten zur Steigerung der Festigkeit kann somit beim erfindungsgemäßen Verfahren entfallen. Der jeweils verwendete Stahl mit dem Kohlenstoffgehalt von maximal 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere von maximal 0,25 Gewichtsprozent, zur Ausbildung zumindest einer der zu verschweißenden Komponenten kann durch entsprechende Legierungselemente, beispielsweise Chrom, Silizium und/oder Aluminium, hinsichtlich seiner Oxidationsbeständigkeit und/oder seiner physikalisch-thermischen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung und Wärmekapazität optimiert werden.By means of the method according to the invention, a strength of the piston can already be achieved without additional pretreatment and after-treatment, which corresponds to the strength of aluminum pistons hitherto used in the automobile sector. These aluminum pistons have a strength of less than 400 MPa. This value is determined by the steels which are suitable for the formation of at least one of the components to be welded, ie. H. which have a carbon content of at most 0.3 percent by weight, in particular of at most 0.25 percent by weight, already achieved in the unmolded state. A tempering to increase the strength can thus be omitted in the process of the invention. The steel used in each case with the carbon content of at most 0.3 percent by weight, in particular not more than 0.25 percent by weight, for forming at least one of the components to be welded can by appropriate alloying elements, such as chromium, silicon and / or aluminum, with respect to its oxidation resistance and / or its physical-thermal properties such as thermal conductivity, thermal expansion and heat capacity can be optimized.

Durch diese Verwendung eines schweißgeeigneten Stahls, d. h. durch die Ausbildung zumindest einer der miteinander zu verschweißenden Komponenten aus einem solchen schweißgeeigneten Stahl, welcher einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere von maximal 0,25 Gewichtsprozent, aufweist, können somit im erfindungsgemäßen Verfahren die bei Stählen mit einem höheren Kohlenstoffgehalt erforderlichen Schritte Vorwärmen vor dem Schweißen und/oder Nachwärmen nach dem Schweißen entfallen. Des Weiteren kann auf ein Vergüten zur Entspannung des geschweißten Kolbens verzichtet werden. Ist eine solche Vergütung aus Festigkeitsgründen erforderlich aufgrund vorgegebener Festigkeitswerte, welche der Kolben erreichen muss, so kann eine solche Vergütung weiterhin durchgeführt werden. Zudem kann die 100% zerstörungsfreie Prüfung auf Risse entfallen, da durch das erfindungsgemäße Verfahren die Rissbildungsgefahr erheblich reduziert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Kolben bietet durch die beschriebene Verwendung des schweißgeeigneten Stahls für zumindest eine der miteinander zu verschweißenden Komponenten bei vergleichbarer Bauteilrobustheit des Kolbens eine Kostenersparnis durch den beschriebenen Entfall einzelner Prozessschritte.By using a weldable steel, i. H. by the formation of at least one of the components to be welded together from such a weldable steel, which has a maximum carbon content of 0.3 weight percent, in particular of at most 0.25 weight percent, thus in the process according to the invention, the steps required for steels with a higher carbon content Preheating before welding and / or postheating after welding is eliminated. Furthermore, can be dispensed with a tempering for relaxation of the welded piston. If such a remuneration is required for reasons of strength due to predetermined strength values which the piston must reach, then such a remuneration can continue to be carried out. In addition, the 100% non-destructive testing can account for cracks, since the cracking risk is considerably reduced by the method according to the invention. The inventive method for the production of pistons offers by the described use of weldable steel for at least one of the components to be welded together with comparable component robustness of the piston cost savings through the described elimination of individual process steps.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch eine Schnittdarstellung zweier zu einem Kolben miteinander zu verschweißender Komponenten, 1 2 is a schematic sectional view of two components to be welded together to form a piston;

2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Kolbens aus zwei miteinander verschweißten Komponenten mit Halterungen der Komponenten, und 2 schematically a sectional view of a piston of two welded together components with holders of the components, and

3 schematisch eine Schnittdarstellung eines Kolbens aus zwei miteinander verschweißten Komponenten mit Darstellung von Wärmeeinflusszonen. 3 schematically a sectional view of a piston of two welded together components showing heat affected zones.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt eine Längsschnittdarstellung zweier Komponenten 2, 3 aus Stahl, welche in einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens 1 für einen Verbrennungsmotor miteinander zu verschweißen sind. Im hier dargestellten Beispiel handelt es sich bei der einen Komponente 2 um einen Boden des Kolbens 1 und bei der anderen Komponente 3 um einen Schaft des Kolbens 1. Der hier dargestellte Kolben 1 ist exemplarisch aus zwei Komponenten 2, 3 aufgebaut. Gleichermaßen können auch mehr als zwei Komponenten zu einem Kolben 1 verschweißt werden. Zum Verschweißen werden die beiden Komponenten 2, 3 in einer Haltevorrichtung eingespannt und gehaltert, wie in 2 stark vereinfacht dargestellt, wobei Haltemittel 4 der Haltevorrichtung schematisch als Pfeile dargestellt sind. Eine Spannkraft des jeweiligen Haltemittels 4 zum Einspannen der jeweiligen Komponente 2, 3 wirkt jeweils in Pfeilrichtung. 3 zeigt den Kolben 1 mit einer durch das Verschweißen ausgebildeten Schweißnaht 5 und Wärmeeinflusszonen 6, welche seitlich der Schweißnaht 5 durch das Schweißen ausgebildet werden. Diese Wärmeeinflusszonen 6 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. 1 shows a longitudinal sectional view of two components 2 . 3 made of steel, which in a process for the production of a piston 1 for an internal combustion engine to be welded together. In the example shown here is the one component 2 around a bottom of the piston 1 and the other component 3 around a shaft of the piston 1 , The piston shown here 1 is an example of two components 2 . 3 built up. Likewise, more than two components can become a piston 1 be welded. For welding, the two components 2 . 3 clamped in a holding device and held, as in 2 shown greatly simplified, with holding means 4 the holding device are shown schematically as arrows. A clamping force of the respective holding means 4 for clamping the respective component 2 . 3 acts in the direction of the arrow. 3 shows the piston 1 with a weld formed by the welding 5 and heat affected zones 6 , which is the side of the weld 5 be formed by welding. These heat affected zones 6 are areas in which the material of the piston 1 influenced by the introduction of heat during welding and thereby changed in its structure.

Die beiden Komponenten 2, 3 werden mittels zumindest einer hier nicht näher dargestellten Schweißeinheit in einem Schweißverfahren, insbesondere einem Schmelzschweißverfahren miteinander verschweißt. Hierzu werden die beiden Komponenten 2, 3 und/oder die Schweißeinheit bewegt, so dass eine Relativbewegung zwischen den beiden Komponenten 2, 3 und der Schweißeinheit stattfindet, wodurch die Ausbildung der Schweißnaht 5, in diesem Beispiel vollständig oder abschnittweise um einen Umfang der beiden Komponenten 2, 3 herum, ermöglicht wird. Werden die beiden Komponenten 2, 3 bewegt, so erfolgt dies synchron, um eine Relativbewegung zwischen den beiden Komponenten 2, 3 zu vermeiden und eine exakte und konstante Ausrichtung der beiden Komponenten 2, 3 zueinander sicherzustellen. Beispielsweise werden die beiden Komponenten 2, 3 um eine Rotationsachse, welche einer Längsachse des Kolbens 1, d. h. dessen Rotationsachse, entspricht, gedreht und die Schweißeinheit steht still. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Bewegung der Schweißeinheit möglich.The two components 2 . 3 be welded together by means of at least one welding unit not shown here in a welding process, in particular a fusion welding process. For this, the two components 2 . 3 and / or the welding unit moves, so that a relative movement between the two components 2 . 3 and the welding unit takes place, whereby the formation of the weld 5 , in this example, completely or in sections, around a circumference of the two components 2 . 3 around, is made possible. Be the two components 2 . 3 moved, this is synchronous to a relative movement between the two components 2 . 3 to avoid and exact and constant alignment of the two components 2 . 3 to ensure each other. For example, the two components 2 . 3 about an axis of rotation, which is a longitudinal axis of the piston 1 , ie its axis of rotation, corresponds, turned and the welding unit stands still. Alternatively or additionally, a movement of the welding unit is possible.

Die zumindest eine Schweißeinheit kann beispielsweise als Laserstrahlschweißeinheit, als Laserhybridschweißeinheit, als Elektronenstrahlschweißeinheit, als Kondensatorentladungsschweißeinheit oder als Metallschutzgasschweißeinheit ausgebildet sein, 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. Es können auch mehrere gleiche oder unterschiedliche Schweißeinheiten verwendet werden.The at least one welding unit can be designed, for example, as a laser beam welding unit, as a laser hybrid welding unit, as an electron beam welding unit, as a capacitor discharge welding unit or as a metal inert gas welding unit, so that the two components 2 . 3 Accordingly, by laser welding, laser hybrid welding, electron beam welding, capacitor discharge welding (KE) or gas metal arc welding, ie by metal welding with inert gases (MIG welding) or with active, ie reactive gases (MAG welding) welded. The welding process can be carried out with or without filler metal. This depends, for example, on the particular welding process. It is also possible to use several identical or different welding units.

Grundsätzlich kann der Schweißprozess auch mittels eines Reibschweißverfahrens durchgeführt werden.In principle, the welding process can also be carried out by means of a friction welding process.

Mittels dieses gewählten Schweißverfahrens werden die Komponenten 2, 3 aus Stahl miteinander verschweißt. Dabei weist mindestens eine der beiden zu verschweißenden Komponenten 2, 3, d. h. deren Stahl, einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,3 Gewichtsprozent auf, vorteilhafterweise einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,25 Gewichtsprozent. D. h. im Verfahren wird zunächst mindestens eine der beiden zu verschweißenden Komponenten 2, 3 aus einem solchen Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichtsprozent, vorteilhafterweise höchstens 0,25 Gewichtsprozent, ausgebildet, und danach werden die beiden Komponenten 2, 3 miteinander verschweißt. Es können auch beide miteinander zu verschweißenden Komponenten 2, 3 einen solch geringen Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichtsprozent, vorteilhafterweise höchstens 0,25 Gewichtsprozent, aufweisen, d. h. im Verfahren aus einem Stahl mit diesem Kohlenstoffgehalt ausgebildet werden.By means of this chosen welding process, the components become 2 . 3 made of steel welded together. In this case, at least one of the two components to be welded has 2 . 3 , ie their steel, a carbon content of at most 0.3 percent by weight, advantageously a maximum carbon content of 0.25 percent by weight. Ie. In the process, at least one of the two components to be welded is first of all 2 . 3 formed of such a steel having a carbon content of at most 0.3 weight percent, advantageously at most 0.25 weight percent, and thereafter the two components 2 . 3 welded together. It can also be both components to be welded together 2 . 3 such a low carbon content of at most 0.3 weight percent, advantageously at most 0.25 weight percent, ie, be formed in the process of a steel having this carbon content.

Vorzugsweise weist dieser Stahl, aus welchem mindestens eine der Komponenten 2, 3 oder beide Komponenten 2, 3 ausgebildet werden, einen Mangangehalt von bis zu 2,5 Gewichtsprozent und/oder einen Chromgehalt von bis zu drei Gewichtsprozent und/oder einen Molybdängehalt von bis zu einem Gewichtsprozent auf. Der Stahl kann, alternativ oder zusätzlich, durch entsprechende Legierungselemente, beispielsweise Chrom, Silizium und/oder Aluminium, hinsichtlich seiner Oxidationsbeständigkeit und/oder seiner physikalisch-thermischen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung und Wärmekapazität optimiert werden. Ein geeigneter Stahl ist beispielsweise 18MnCr5-3 oder 18MoCr4 oder 18CrMo4. Bei einem Stahl mit einem derart geringen Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,25 Gewichtsprozent, handelt es sich um einen besonders gut schweißgeeigneten Stahl, so dass keine aufwändige Vorbehandlung der Komponenten 2, 3 vor dem Schweißen und keine aufwändige Nachbehandlung des Kolbens 1 nach dem Schweißen erforderlich ist.Preferably, this steel, from which at least one of the components 2 . 3 or both components 2 . 3 be formed, a manganese content of up to 2.5 weight percent and / or a chromium content of up to three percent by weight and / or a molybdenum content of up to one percent by weight. The steel may, alternatively or additionally, be optimized by appropriate alloying elements, for example chromium, silicon and / or aluminum, in terms of its oxidation resistance and / or its physical-thermal properties such as thermal conductivity, thermal expansion and heat capacity. A suitable steel is for example 18MnCr5-3 or 18MoCr4 or 18CrMo4. In a steel with such a low carbon content of at most 0.3 weight percent, in particular at most 0.25 weight percent, it is a particularly good weldable steel, so no costly pretreatment of the components 2 . 3 before welding and no time-consuming post-treatment of the piston 1 after welding is required.

Kolben 1 für Verbrennungsmotoren werden zur Reduzierung von Kohlenstoffdioxidemissionen aus Stahl hergestellt. In Kolbenherstellungsverfahren nach dem Stand der Technik werden Stahlkolben, insbesondere im Nutzfahrzeugbereich, in der Regel aus Stahl mit einem wesentlich höheren Kohlenstoffgehalt hergestellt, d. h. mit einem Kohlenstoffgehalt über 0,3 Gewichtsprozent, beispielsweise mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,4 Gewichtsprozent, zum Beispiel aus dem Stahl 42CrMo4.piston 1 for internal combustion engines are made to reduce carbon dioxide emissions from steel. In piston manufacturing processes according to the prior art, steel pistons, in particular in the commercial vehicle sector, are usually made of steel with a significantly higher carbon content, ie with a carbon content above 0.3 percent by weight, for example with a carbon content of about 0.4 percent by weight, for example made of 42CrMo4 steel.

Aufgrund dieses hohen Kohlenstoffgehaltes ist dieser Stahl bzw. sind die aus diesem Stahl hergestellten Kolbenkomponenten nur noch bedingt schweißgeeignet. Die Problematik besteht beim Schweißen solcher Stähle in der hohen Aufhärtung und der Gefahr der Rissbildung. Daher ist ein kostenintensiver und aufwändiger Prozessablauf zur Herstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Stahlkolben aus dem Stahl mit dem Kohlenstoffgehalt von größer als 0,3 Gewichtsprozent erforderlich, insbesondere ein hoher Herstellungs- und Qualitätssicherungsaufwand. Dieser Prozessablauf erfordert die Prozessschritte Vorwärmen der Kolbenkomponenten vor dem Schweißen und/oder Nachwärmen des Stahlkolbens nach dem Schweißen, Vergüten und Rissprüfung. In diesem Prozessablauf werden beispielsweise die Kolbenkomponenten vorgewärmt, miteinander verschweißt und nachgewärmt. Anschließend wird eine Rissprüfung in Form einer zerstörungsfreien Prüfung durchgeführt. Danach werden das Vergüten des Stahlkolbens und anschließend eine erneute Rissprüfung in Form einer zerstörungsfreien Prüfung durchgeführt.Because of this high carbon content, this steel or the piston components made of this steel are only partially suitable for welding. The problem is when welding such steels in the high degree of hardening and the risk of cracking. Therefore, a cost-intensive and complex process for producing the known from the prior art steel pistons made of steel with the carbon content of greater than 0.3 weight percent is required, in particular a high production and quality assurance effort. This process sequence requires the process steps of preheating the piston components before welding and / or reheating the steel piston after welding, tempering and crack testing. In this process, for example, the piston components are preheated, welded together and reheated. Subsequently, a crack test in the form of a non-destructive test is carried out. Thereafter, the tempering of the steel piston and then a new crack test in the form of a non-destructive test are performed.

Durch die Verwendung eines Stahls mit einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt, d. h. mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,25 Gewichtsprozent, für zumindest eine der Komponenten 2, 3, wird diese Gefahr der Aufhärtung und der Rissbildungen im Bereich der Schweißnaht 5 verhindert oder zumindest erheblich reduziert. Zudem weist dieser Stahl eine hohe Robustheit auf. Durch die Verwendung dieses Stahls mit dem beschriebenen geringen Kohlenstoffgehalt sind die oben genannten Prozessschritte, d. h. das Vorwärmen der Komponenten 2, 3 vor dem Schweißen und/oder das Nachwärmen des Kolbens 1 nach dem Schweißen, das Vergüten und die Rissprüfung, nicht mehr erforderlich. Bei Bedarf können im Verfahren jedoch einzelne der Prozessschritte weiterhin angewendet werden, um beispielsweise ein vorgegebenes Festigkeitsniveau der Komponenten 2, 3 vor dem Verschweißen und/oder des Kolbens 1 nach dem Verschweißen der Komponenten 2, 3 einzustellen. Die genannten Prozessschritte sind somit im hier beschriebenen Verfahren, bei welchem mindestens eine der Komponenten 2, 3 aus einem Stahl mit dem niedrigen Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,25 Gewichtsprozent, ausgebildet wird, ein optionaler Bestandteil dieses Verfahrens und kein obligatorischer Bestandteil mehr.By using a steel with a lower carbon content, ie with one Carbon content of at most 0.3 percent by weight, in particular at most 0.25 percent by weight, for at least one of the components 2 . 3 , this risk of hardening and cracking in the area of the weld 5 prevented or at least significantly reduced. In addition, this steel has a high robustness. By using this steel with the described low carbon content are the above-mentioned process steps, ie the preheating of the components 2 . 3 before welding and / or reheating the piston 1 after welding, tempering and crack testing, no longer required. If necessary, however, individual of the process steps can still be used in the process, for example, for a given strength level of the components 2 . 3 before welding and / or the piston 1 after welding the components 2 . 3 adjust. The process steps mentioned are thus in the method described here, in which at least one of the components 2 . 3 is formed from a low carbon steel of not more than 0.3% by weight, in particular not more than 0.25% by weight, an optional component of this process and no longer an obligatory constituent.

Insbesondere kann das Vorwärmen der Komponenten 2, 3 vor dem Schweißen vollständig entfallen. Das Nachwärmen des Kolbens 1 nach dem Schweißen kann optional beibehalten werden. Die Rissprüfung, d. h. die zerstörungsfreie Prüfung nach dem Schweißen, kann entfallen oder zumindest deutlich reduziert werden. Beispielsweise werden lediglich Stichproben durchgeführt.In particular, the preheating of the components 2 . 3 completely eliminated before welding. The reheating of the piston 1 after welding can be optionally retained. The crack test, ie the non-destructive testing after welding, can be omitted or at least significantly reduced. For example, only random samples are performed.

Das Vergüten des Kolbens 1, wenn dieses lediglich dazu dienen soll, die Spannungssituation im Bereich der Schweißnaht 5 und der angrenzenden Wärmeeinflusszone 6 zu beruhigen, ist nicht erforderlich. Es kann jedoch eine Vergütung des Kolbens 1 durchgeführt werden, um die Festigkeit des Kolbens 1 gezielt einzustellen, d. h. um ein vorgegebenes Festigkeitsniveau einzustellen.The tempering of the piston 1 if this is only intended to serve the stress situation in the area of the weld 5 and the adjacent heat affected zone 6 it is not necessary to calm down. However, it may be a compensation of the piston 1 be performed to the strength of the piston 1 to set specifically, ie to set a predetermined strength level.

In der einfachsten Variante des Verfahrens werden somit die Komponenten 2, 3, von denen mindestens eine, wie beschrieben, aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,25 Gewichtsprozent, ausgebildet ist, miteinander verschweißt und das Verfahren ist beendet. In dieser einfachsten Variante des Verfahrens ist kein Vorwärmen der Komponenten 2, 3 vor dem Schweißen, kein Nachwärmen des Kolbens 1 nach dem Schweißen, kein Vergüten und keine Rissprüfung erforderlich. Dadurch sind der Herstellungsaufwand und die Kosten erheblich reduziert.In the simplest variant of the method thus become the components 2 . 3 of which at least one, as described, from a steel having a carbon content of at most 0.3 weight percent, in particular at most 0.25 weight percent, is welded together and the process is completed. In this simplest variant of the method, there is no preheating of the components 2 . 3 before welding, no reheating of the piston 1 after welding, no tempering and no crack testing required. As a result, the production costs and costs are considerably reduced.

Zur Einstellung eines vorgegebenen Festigkeitsniveaus kann in einer weiteren Variante des Verfahrens nach dem Verschweißen der Komponenten 2, 3 ein Härten, Vergüten und/oder Nachwärmen durchgeführt werden. Beispielsweise kann zur Einstellung des vorgegebenen Festigkeitsniveaus nach dem Verschweißen der Komponenten 2, 3 ein Wärmebehandlungsprozess, insbesondere ein Vergüten über Martensit und/oder Bainit, durchgeführt werden.To set a predetermined strength level, in a further variant of the method after the welding of the components 2 . 3 hardening, tempering and / or reheating are performed. For example, to adjust the predetermined strength levels after welding the components 2 . 3 a heat treatment process, in particular a tempering over martensite and / or bainite, are performed.

In einer weiteren Variante des Verfahrens können zur Einstellung des vorgegebenen Festigkeitsniveaus, alternativ oder zusätzlich zum beschriebenen Härten, Vergüten, Nachwärmen und/oder Wärmebehandlungsprozess, solche Komponenten 2, 3 miteinander verschweißt werden, von denen mindestens eine Komponente 2, 3 bereits vor dem Verschweißen eine erhöhte Grundfestigkeit aufweist, bevorzugt beide Komponenten 2, 3. D. h. mindestens eine der Komponenten 2, 3 weist bereits vor dem Verschweißen ein vorgegebenes Festigkeitsniveau auf. Bevorzugt weisen beide Komponenten 2, 3 dieses hohe Festigkeitsniveau auf. Dies wird beispielsweise durch eine entsprechende Vorbehandlung der mindestens einen Komponente 2, 3, bevorzugt beider Komponenten 2, 3, vor dem Verschweißen erreicht. Diese Vorbehandlung kann beispielsweise ein Vorvergüten über Martensit und/oder Bainit und/oder einen Kaltverfestigungsprozess und/oder ein natürliches oder kontrolliertes Abkühlen nach einem Umformprozess, insbesondere nach einem Warmumformprozess, oder eine Kombination der genannten Verfahren umfassen.In a further variant of the method, to adjust the predetermined strength level, as an alternative or in addition to the described hardening, tempering, reheating and / or heat treatment process, such components 2 . 3 be welded together, of which at least one component 2 . 3 already has an increased basic strength before welding, preferably both components 2 . 3 , Ie. at least one of the components 2 . 3 already has a predetermined level of strength before welding. Preferably, both components 2 . 3 this high level of strength. This is done, for example, by an appropriate pretreatment of the at least one component 2 . 3 , preferably both components 2 . 3 , achieved before welding. This pretreatment may include, for example, a pre-tempering via martensite and / or bainite and / or a work hardening process and / or a natural or controlled cooling after a forming process, in particular after a hot forming process, or a combination of said processes.

Das Verfahren bietet somit durch die Verwendung des Stahls mit dem geringen Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,25 Gewichtsprozent, bei einer gegenüber den Stahlkolben aus dem Stahl mit höherem Kohlenstoffgehalt vergleichbaren Bauteilrobustheit eine Kostenersparnis durch den Entfall von einzelnen Prozessschritten.The method thus provides by the use of the steel with the low carbon content of at most 0.3 weight percent, in particular at most 0.25 weight percent, compared to the steel pistons from the steel with a higher carbon content comparable component robustness cost savings through the elimination of individual process steps.

Eine Vickershärte des mit dem Verfahren durch Verschweißen zweier Komponenten 2, 3 aus Stahl hergestellten Kolbens 1 aus diesem gut schweißgeeigneten Stahl mit dem oben beschriebenen geringen Kohlenstoffgehalt ist im Schweißnahtbereich und in an die Schweißnaht 5 angrenzenden Wärmeeinflusszonen 6 vorteilhafterweise geringer als 500 HV 1.A Vickers hardness of the process by welding two components 2 . 3 made of steel pistons 1 this good weldable steel with the low carbon content described above is in the weld area and in the weld 5 adjacent heat-affected zones 6 advantageously less than 500 HV 1.

Das Verfahren ermöglicht eine wirtschaftliche und sichere Gesamtprozessführung der Kolbenherstellung, wobei durch die Verwendung eines schweißgeeigneten Stahls, d. h. eines Stahls mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,25 Gewichtsprozent, für zumindest eine der Komponenten 2, 3 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 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. Die mit dem Verfahren ausgebildeten Kolben 1 leisten einen Beitrag zur Reduzierung des Kohlenstoffdioxidausstoßes von Verbrennungsmotoren.The method enables an economical and safe overall process management of the piston production, by the use of a weldable steel, ie a steel having a carbon content of at most 0.3 weight percent, in particular at most 0.25 weight percent, for at least one of the components 2 . 3 the risk of hardening and hardening cracks, reduced or avoided while improving the impact resistance and fatigue strength. Furthermore, this improved by the method properties of the piston 1 Reduction of quality assurance efforts, especially in mass production, guarantee and goodwill costs are reduced and customer satisfaction is increased. The trained with the process piston 1 contribute to the reduction of carbon dioxide emissions from internal combustion engines.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Stahlkolben mit dem oben beschriebenen hohen Kohlenstoffgehalt von größer als 0,3 Gewichtsprozent, die zumindest eine Schweißverbindung aufweisen, ist ohne das Vorwärmen und die Wärmebehandlung nach dem Schweißen oftmals die durch den Fügeprozess entstandene Schweißnaht 5 Schwachpunkt unter dynamischer Belastung, weshalb bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren diese Prozessschritte nicht weggelassen werden können. 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 5 bzw. der Schweißwurzelbereich Ausgangsstelle für Schwinganrisse und somit lebensdauerlimitierend sein kann. Unter motorischen Bedingungen kann genau diese Schweißnaht 5 den Schwachpunkt darstellen.In prior art steel pistons having the above-described high carbon content of greater than 0.3 weight percent and having at least one welded joint, without the preheat and heat treatment after welding, the weld produced by the joining process is often 5 Weak point under dynamic load, which is why in the method known from the prior art, these process steps can not be omitted. When welding material is the two components to be joined 2 . 3 melted. After solidification, in addition to the unavoidable notch at the weld root, a hardened, not relaxed weld structure is created. Practice shows that under dynamic stress exactly this weld 5 or the weld root area can be the starting point for vibration cracks and thus life-limiting. Under motor conditions exactly this weld can be 5 represent the weak point.

Zur Erhöhung der dynamischen Kolbenfestigkeit bzw. der Lebensdauer des Kolbens 1 muss genau dieser Bereich optimiert werden. Dies wird durch die Verwendung des schweißgeeigneten Stahls mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,25 Gewichtsprozent, erreicht, wobei das Vorwärmen, Nachwärmen und Vergüten nicht mehr unbedingt erforderlich sind, wie beschrieben. Auf diese Weise wird mit einem wesentlich geringeren Herstellungs- und Kostenaufwand eine Erhöhung der Bauteilzähigkeit des Kolbens 1 und eine Reduzierung schädlicher Bauteilzugeigenspannungen des Kolbens 1 im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Stahlkolben erreicht. Dies führt zu verbesserten dynamischen Festigkeitswerten.To increase the dynamic piston strength or the service life of the piston 1 It is precisely this area that needs to be optimized. This is achieved by the use of the weldable steel having a carbon content of at most 0.3 percent by weight, in particular at most 0.25 percent by weight, wherein the preheating, reheating and tempering are no longer strictly necessary, as described. In this way, with a much lower manufacturing and cost an increase in the component toughness of the piston 1 and a reduction of harmful component residual stresses of the piston 1 achieved in comparison to the steel piston known from the prior art. This leads to improved dynamic strength values.

Grundsätzlich kann der beschriebene Kolben 1 im für den Motor einbaufertigen Zustand mit oder ohne Oberflächenbeschichtung ausgebildet sein. Im Falle einer Oberflächenbeschichtung kann diese vollständig oder abschnittweise am Bauteil vorliegen.Basically, the described piston 1 be designed in the ready for the engine state with or without surface coating. In the case of a surface coating, this can be present completely or in sections on the component.

Das Verfahren ist sehr wirtschaftlich und kostengünstig, da wesentlich weniger Prozessschritte erforderlich sind. 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.The process is very economical and cost-effective, since significantly fewer process steps are required. By means of the method is a life of the piston 1 increases, a dynamic component strength of the piston 1 is increased and constructive degrees of freedom are increased, for example, a reduction in wall thickness and thus a reduction in weight is possible. These aspects play in particular with a piston 1 for a combustion engine of a vehicle a significant role. The method thus also makes a contribution to lightweight construction possible and engine damage by a destroyed piston 1 are avoided or at least reduced to a minimum.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele. Grundsätzlich ist auch vorstellbar, dass der Kolben 1 nicht aus mindestens zwei Komponenten 2, 3 ausgebildet ist, sondern einstückig und dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens an mindestens einer Stelle des einstückigen oder gefügten Kolbens 1 eine nicht näher dargestellte Bauteilöffnung durch ein Schmelzschweißverfahren verschlossen wird.The invention is not limited to the described embodiments. In principle, it is also conceivable that the piston 1 not from at least two components 2 . 3 is formed, but in one piece and that by means of the method according to the invention at least one point of the integral or joined piston 1 a component opening, not shown, is closed by a fusion welding process.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims (6)

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Kolbens (1) mindestens zwei Komponenten (2, 3) mittels mindestens einer Schweißnaht (5) miteinander verschweißt werden, wobei mindestens eine der miteinander zu verschweißenden Komponenten (2, 3) aus einem Stahl ausgebildet wird, welcher einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,25 Gewichtsprozent, aufweist.Method for producing a piston ( 1 ) for an internal combustion engine, characterized in that for the formation of the piston ( 1 ) at least two components ( 2 . 3 ) by means of at least one weld ( 5 ) are welded together, wherein at least one of the components to be welded together ( 2 . 3 ) is formed of a steel which has a carbon content of at most 0.3 percent by weight, in particular a maximum carbon content of 0.25 percent by weight. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der miteinander zu verschweißenden Komponenten (2, 3) aus einem Stahl mit einem Mangangehalt von bis zu 2,5 Gewichtsprozent und/oder mit einem Chromgehalt von bis zu drei Gewichtsprozent und/oder mit einem Molybdängehalt von bis zu einem Gewichtsprozent ausgebildet wird.A method according to claim 1, characterized in that at least one of the components to be welded together ( 2 . 3 ) is formed from a steel having a manganese content of up to 2.5 percent by weight and / or having a chromium content of up to three percent by weight and / or with a molybdenum content of up to one percent by weight. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschweißen der Komponenten (2, 3) bei mindestens einer der Komponenten (2, 3) durch eine Vorbehandlung ein vorgegebenes Festigkeitsniveau eingestellt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that before the welding of the components ( 2 . 3 ) in at least one of the components ( 2 . 3 ) is set by pretreatment a predetermined strength level. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verschweißen der Komponenten (2, 3) ein Wärmebehandlungsprozess des Kolbens (1) zur Einstellung eines vorgegebenen Festigkeitsniveaus durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that after the welding of the components ( 2 . 3 ) a heat treatment process of the piston ( 1 ) is performed to set a predetermined strength level. Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher durch Verschweißen mindestens zweier Komponenten (2, 3) ausgebildet ist, wobei mindestens eine der Komponenten (2, 3) aus einem Stahl ausgebildet ist, welcher einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,25 Gewichtsprozent, aufweist.Piston ( 1 ) for an internal combustion engine, produced by a method according to one of claims 1 to 4, which by welding at least two components ( 2 . 3 ), wherein at least one of the components ( 2 . 3 ) is formed of a steel which has a carbon content of at most 0.3 percent by weight, in particular a maximum carbon content of 0.25 percent by weight. Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, wobei mindestens eine der miteinander zu verschweißenden Komponenten (2, 3) aus einem Stahl mit einem Mangangehalt von bis zu 25 Gewichtsprozent und/oder mit einem Chromgehalt von bis zu drei Gewichtsprozent und/oder mit einem Molybdängehalt von bis zu einem Gewichtsprozent ausgebildet ist.Piston ( 1 ) for an internal combustion engine according to claim 5, wherein at least one of the components to be welded together ( 2 . 3 ) is made of a steel having a manganese content of up to 25 percent by weight and / or having a chromium content of up to three percent by weight and / or having a molybdenum content of up to one percent by weight.
DE201410001806 2014-02-11 2014-02-11 Manufacturing piston useful for an internal combustion engine, comprises welding at least two components with each other by a weld seam, in which at least one of components to be welded, is formed from steel having specific carbon content Withdrawn DE102014001806A1 (en)

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