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
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
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
In der
Aus der
In der
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
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:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Die beiden Komponenten
Die zumindest eine Schweißeinheit kann beispielsweise als Laserstrahlschweißeinheit, als Laserhybridschweißeinheit, als Elektronenstrahlschweißeinheit, als Kondensatorentladungsschweißeinheit oder als Metallschutzgasschweißeinheit ausgebildet sein, so dass die beiden Komponenten
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
Vorzugsweise weist dieser Stahl, aus welchem mindestens eine der Komponenten
Kolben
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
Insbesondere kann das Vorwärmen der Komponenten
Das Vergüten des Kolbens
In der einfachsten Variante des Verfahrens werden somit die Komponenten
Zur Einstellung eines vorgegebenen Festigkeitsniveaus kann in einer weiteren Variante des Verfahrens nach dem Verschweißen der Komponenten
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
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
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
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
Zur Erhöhung der dynamischen Kolbenfestigkeit bzw. der Lebensdauer des Kolbens
Grundsätzlich kann der beschriebene Kolben
Das Verfahren ist sehr wirtschaftlich und kostengünstig, da wesentlich weniger Prozessschritte erforderlich sind. Mittels des Verfahren ist eine Lebensdauer des Kolbens
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele. Grundsätzlich ist auch vorstellbar, dass der Kolben
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