DE102016226014A1

DE102016226014A1 - Strahlschweißverfahren und Verwendung eines Salzkerns in einem Strahlschweißverfahren

Info

Publication number: DE102016226014A1
Application number: DE102016226014.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kirste; Sven Ungermann
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Bei einem Strahlschweißverfahren, beispielsweise zur Verbindung zweier Teile (12, 14) eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, wird auf einer zu einem Strahleintritt entgegengesetzten Seite ein Salzkern (22) angeordnet.Ferner wird eine entsprechende Verwendung eines Salzkerns vorgeschlagen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Strahlschweißverfahren sowie eine Verwendung eines Salzkerns in einem Strahlschweißverfahren.
STAND DER TECHNIK
Beispielsweise auf dem Gebiet der Stahlkolben für Verbrennungsmotoren ist es bekannt, zwei getrennt, beispielsweise durch Schmieden hergestellte Teile eines Kolbens durch Löten, Reibschweißen oder ein Strahlschweißverfahren stoffschlüssig zu verbinden. Wenn hierbei der Fügequerschnitt vollständig verschweißt wird, besteht das Risiko von prozessbedingten Schweißspritzern, die bei einem Kolben, der einen Kühlkanal aufweist, an der Innenseite des Kühlkanals anhaften können. Die sogenannten Schweißspritzer entstehen, wenn bei einer Durchschweißung, wenn somit der Fügequerschnitt vollständig verschweißt wird, das Schmelzgut auf einer dem Strahleintritt gegenüberliegenden oder entgegengesetzten Austrittsseite, das heißt an der Innenseite eines Kühlkanals, herausgeschleudert wird. Hierbei kann nicht verhindert werden, dass derartige Schweißspritzer sich während des Betriebs lösen, über den Kühlschmierstoff in den Kühlkreislauf gelangen und dort Schaden anrichten.
Zur Vermeidung der Schweißspritzer ist es bekannt, einen unverschweißten Restquerschnitt zu belassen, der jedoch in nachteiliger Weise eine Rissinitiierungsstelle bildet. Der gleiche Nachteil gilt für eine sogenannte Schweißfalle, bei der es sich um einen Hinterschnitt in der Fügegeometrie handelt, und die dazu dient, Schweißspritzer aufzufangen. Schließlich ist es bekannt, eine sogenannte Schweißbadsicherung, beispielsweise in Form eines Metallbleches an der Rückseite des zu verschweißenden Querschnitts vorzusehen. Eine derartige Sicherung kann jedoch nach dem Schweißen aus dem Kühlkanal eines Kolbens nicht entfernt werden, so dass dies insbesondere für Kolben für Verbrennungsmotoren keine gangbare Lösung darstellt.
Aus der GB 1 092 720 ist es bekannt, einen Kühlkanal mit einem Keramikkern zu füllen, der jedoch mit einer Säure entfernt werden muss, was einen gesundheitsgefährdenden Prozessschritt bedeutet. Darüber hinaus muss ein derartiger Kern in aufwändiger Weise gebrannt werden.
Aus der WO 2015 134424 A1 ist es bekannt, einen Salzkern als Abstützung für ein additives Herstellungsverfahren zu verwenden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Strahlschweißverfahren zur Verbindung zweier Teile vorzustellen, das Schweißspritzer an ungünstigen Stellen vermeidet und gleichzeitig eine Gesundheitsgefährdung der beteiligten Arbeitskräfte ausschließt. Ferner soll eine neuartige Verwendung eines Salzkerns vorgestellt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Strahlschweißverfahren.
Demzufolge wird beispielsweise beim Verbinden zweier Teile eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor auf einer zu einem Strahleintritt entgegengesetzten Seite ein Salzkern angeordnet. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass das erfindungsgemäße Verfahren nachfolgend überwiegend mit Bezug auf die Verbindung zweier Teile eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor beschrieben wird, jedoch gleichermaßen für andere Bauteile anwendbar ist, insbesondere wenn diese nicht zugängliche Hinterschnitte oder dergleichen aufweisen, in denen Schweißspritzer zu vermeiden sind. Für das Material der zu verbindenden Bauteile wird Stahl bevorzugt, es sind jedoch jegliche durch Strahlschweißverfahren verbindbare Materialien denkbar.
Die an einer dem Strahleintritt entgegengesetzten Seite austretenden Schweißspritzer werden in vorteilhafter Weise durch den Salzkern aufgefangen. Der Salzkern kann beispielsweise aus verdichtetem Salz bestehen, das in einem Formkasten komprimiert wird, so dass sich die Salzkristalle miteinander verbinden. Hierdurch weist der Salzkern die notwendige Stabilität für die Handhabung und gegebenenfalls eine mechanische Bearbeitung auf. Er ist ferner bis zu mehreren 100 Grad Celsius temperaturstabil und formstabil mit einer sehr geringen thermischen Ausdehnung. Darüber hinaus gestaltet sich die Entfernung des Salzkerns besonders einfach, da lediglich erwärmtes Wasser eingebracht werden muss, so dass sich der Salzkern vollständig und rückstandsfrei auflöst. Hierdurch kann die gesundheitsgefährdende Verwendung von jeglichen Säuren vermieden werden. Darüber hinaus ist die Verwendung von erwärmtem Wasser deutlich umweltfreundlicher als die beim Stand der Technik vorgesehenen Säuren.
Bei der Verbindung zweier Teile eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor wird der Salzkern in eine gegebenenfalls mechanisch vorbearbeitete Geometrie eingebracht, die später beispielsweise den Kühlkanal bildet. Während des Strahlschweißprozesses, wie beispielsweise einem Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen, nimmt der Salzkern Schweißspritzer auf, so dass diese in vorteilhafter Weise nicht an den Kühlkanalinnenwänden anhaften können. Da die beschriebenen Spritzer flüssiges Schweißgut sind, brennt sich dieses in vorteilhafter Weise in das Salzmaterial ein und wird hierdurch vollständig von dem Salzkernmaterial umschlossen. Hierbei ist die Auslegung der Kolbengeometrie für das Strahlschweißen flexibel und kann in vorteilhafter Weise den Anforderungen angepasst werden. Die entsprechende Anpassung des Salzkerns gestaltet sich ebenfalls einfach.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für den Salzkern wird derzeit bevorzugt, dass dieser gesintert ist, der gegenüber einem chemisch gebundenen Salzkern den Vorteil aufweist, dass während des Schweißens keine Gase austreten, und die Qualität der Schweißnaht somit nicht beeinflusst werden kann. Die obigen Ausführungen betreffend einen Salzkern aus verdichtetem Salz, das beispielsweise in einem Formkasten komprimiert wird, beziehen sich auf einen derartigen, gesinterten Salzkern.
Aufgrund des Auffangens jeglicher Schweißspritzer durch den Salzkern kann der Fügequerschnitt, also die miteinander zu verschweißenden Oberflächen in vorteilhafter Weise vollständig durchgeschweißt werden, so dass jegliche Stellen, an denen Risse einen Ausgangspunkt finden können, vermieden werden können.
Wenngleich, wie oben erwähnt, das erfindungsgemäße Verfahren bei beliebigen Bauteilen und beliebigen Kolbengeometrien seine Vorteile entfaltet, wird bevorzugt, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zwei Teile eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor derart verbunden werden, dass der entstehende Kolben zumindest einen Kühlkanal aufweist.
Wie oben erwähnt ist der Salzkern nicht zur Abstützung innerhalb des Kühlkanals und nicht zur Formgebung vorgesehen, sondern lediglich zum Auffangen von Schweißspritzern, so dass insbesondere bevorzugt wird, dass der Salzkern zumindest teilweise von den Kühlkanalinnenwänden beabstandet ist. Die entstehenden hohlen Räume schaffen zum einen für die sich ausdehnende Restluft im Kühlkanal ein Ausgleichsvolumen, das beim Schweißen genutzt werden kann. Zum anderen können diese Hohlräume für den Fall genutzt werden, dass der Schweiß-, insbesondere Laserstrahl, geringe Mengen des Salzkerns sublimiert. Der hierbei entstehende Gasdruck wirkt dann in vorteilhafter Weise nicht auf die Schweißnaht, sondern verteilt sich über das zur Verfügung stehende Volumen.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch die neuartige Verwendung eines Salzkerns in einem Strahlschweißverfahren, bei dem dieser auf der zu einem Strahleintritt entgegengesetzten Seite angeordnet wird. Sämtliche vorangehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale sind bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Salzkerns anwendbar und umgekehrt.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Die Figur zeigt einen Teil eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verbundenen Kolbens.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie anhand der in der Figur dargestellten oberen Hälfte eines Kolbens 10 zu erkennen ist, weist dieser ein Oberteil 12 und ein Unterteil 14 auf, die im Bereich eines Kühlkanals 16 mittels zweier Schweißnähte 18 verbunden sind. Infolge der Ausbildung einer Brennraummulde 20 in sowohl dem Ober- 12 als auch dem Unterteil 14 sind beide Schweißnähte für ein Strahlschweißverfahren zugänglich, die äußere (in der Figur linke) Schweißnaht 18 von der Außenseite her, und die innere (in der Figur rechte) Schweißnaht 18 von der Brennraummulde 20 her. Diese Zugänglichkeit gilt jedoch nicht für den Strahlaustritt im Bereich des Kühlkanals 16. Hier ist erfindungsgemäß ein Salzkern 22 vorgesehen, um Schweißspritzer aufzufangen. In dem dargestellten Fall ist dieser insbesondere von den Seitenwänden beabstandet.
Wie in der Figur zu erkennen ist, ist der Kühlkanal bei dem gezeigten Beispiel aufrecht oval, und die Fügeflächen im Bereich der Schweißnähte 18 sind bei dem gezeigten Beispiel in etwa senkrecht zur Kolbenachse ausgerichtet. In vorteilhafter Weise kann die Geometrie der Schweißnähte jedoch auch anders vorgesehen sein.
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

GB 1092720 [0004]
WO 2015134424 A1 [0005]

Claims

Strahlschweißverfahren, beispielsweise zur Verbindung zweier Teile (12, 14) eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem auf einer zu einem Strahleintritt entgegengesetzten Seite ein Salzkern (22) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern (22) durch Sintern hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schweißnaht durchgeschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben hergestellt wird, der zumindest einen Kühlkanal (16) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern (22) zumindest teilweise von den Innenwänden des Kühlkanals (16) beabstandet ist.
Verwendung eines Salzkerns (22) in einem Strahlschweißverfahren, bei dem der Salzkern (22) auf einer zu einem Strahleintritt entgegengesetzten Seite angeordnet wird.