DE102019207814A1

DE102019207814A1 - Method for remelting a portion of a piston for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102019207814A1
Application number: DE102019207814.1A
Authority: DE
Inventors: Jayaram Ramamoorthi
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-12-03

Abstract

Bei einem Verfahren zum Umschmelzen eines Abschnitts eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor werden ein Schweißbogen und die Laserquelle gleichzeitig verwendet, und es wird kein externes Material hinzugegeben.In a method of remelting a portion of a piston for an internal combustion engine, a welding arc and the laser source are used simultaneously and no external material is added.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzen eines Abschnitts eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.The invention relates to a method for remelting a section of a piston for an internal combustion engine.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Auf dem Gebiet von Kolben für Verbrennungsmotoren ist es weithin bekannt, dass bestimmte Bereiche, beispielsweise der Rand einer Brennmulde, gleichzeitig extrem hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen unterliegen, so dass darauf geachtet werden muss, dass dieser Bereich diesen Lasten standhält.In the field of pistons for internal combustion engines, it is well known that certain areas, for example the edge of a combustion bowl, are simultaneously subject to extremely high temperatures and mechanical loads, so that care must be taken to ensure that this area can withstand these loads.

Um ein besonders feines und daher festes Gefüge zu erreichen, ist es beispielsweise aus der US 2015/082632 A1 bekannt, den besagten Bereich durch Bogenschweißen und/oder Laserstrahlschweißen und/oder Elektronenstrahlschweißen umzuschmelzen, während zusätzliche Elemente in das Basismaterial eingebracht werden. Ferner wurde Laserinduzierte Stabilisierung eines Schweißbogens von B. Hu und G. den Ouden in „Science and Technology of Welding and Joining“, 10:1, 76-81 beschrieben.In order to achieve a particularly fine and therefore solid structure, it is, for example, from the US 2015/082632 A1 known to remelt the said area by arc welding and / or laser beam welding and / or electron beam welding, while additional elements are introduced into the base material. Laser-induced stabilization of a welding arc was also described by B. Hu and G. den Ouden in “Science and Technology of Welding and Joining”, 10: 1, 76-81.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

In Anbetracht der obigen Erläuterungen löst die Erfindung die Aufgabe der Bereitstellung eines besonders effizienten Umschmelzprozesses für Kolben von Verbrennungsmotoren.In view of the above explanations, the invention solves the problem of providing a particularly efficient remelting process for pistons of internal combustion engines.

Dies ist in Anspruch 1 beschrieben.This is described in claim 1.

Dementsprechend werden gleichzeitig ein Schweißbogen und eine Laserquelle verwendet, und es wird kein externes Material hinzugegeben. Mit anderen Worten liegt der Schwerpunkt der Erfindung in effizienter Weise auf dem reinen Umschmelzen ohne Zugabe von zusätzlichem Material, und basiert auf der Erkenntnis, dass ein Schweißbogen vorteilhaft durch eine verhältnismäßig schwache Laserquelle stabilisiert werden kann, um vorteilhaft die Umschmelzgeschwindigkeit und in der Folge die Produktivität zu erhöhen. Der Kolben, von dem zumindest Abschnitte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren umgeschmolzen werden, ist bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung gebildet.Accordingly, a welding arc and a laser source are used simultaneously, and no external material is added. In other words, the focus of the invention lies in an efficient manner on pure remelting without the addition of additional material, and is based on the knowledge that a welding arc can advantageously be stabilized by a relatively weak laser source in order to improve the remelting speed and, consequently, productivity to increase. The piston, of which at least sections are remelted according to the method according to the invention, is preferably formed from an aluminum alloy.

Im Sinne der Erfindung wird die Laserquelle nicht zum Umschmelzen des Basismaterials verwendet, sondern verursacht lediglich eine örtliche Verdampfung an der Kolbenoberfläche, auf der sie auftrifft, und erzeugt Metalldampf. Dieser Metalldampf wird aufgrund der durch die Laserquelle und den Schweißbogen erzeugten Wärme ionisiert und wird folglich zu einem Plasma. Dieses Metallplasma besitzt ein geringeres Ionisierungspotential verglichen mit dem inerten Plasma, beispielsweise einem Heliumbogenplasma, des herkömmlichen Schweißbogens. Folglich wird der Schweißbogen vorteilhaft zum Laserpunkt geleitet, der aufgrund der besseren Ionisierung in diesem Bereich als bevorzugter Anodenpunkt fungieren würde, was zu einer Stabilisierung des Bogens und möglicherweise einer Einschnürung führt. Aufgrund der Tatsache, dass der Bogen stabilisiert wird, können sich der Bogen und der Laser erheblich schneller über die Kolbenoberfläche bewegen, so dass sich die Produktivität deutlich erhöhen wird. In der Folge kann das zum Bogenschweißen benötigte Helium erheblich verringert werden, um die Kosten zu senken.In the context of the invention, the laser source is not used to remelt the base material, but merely causes local evaporation on the bulb surface on which it strikes, and generates metal vapor. This metal vapor is ionized due to the heat generated by the laser source and the welding arc and consequently becomes a plasma. This metal plasma has a lower ionization potential compared to the inert plasma, for example a helium arc plasma, of the conventional welding arc. As a result, the welding arc is advantageously directed to the laser point, which would function as the preferred anode point due to the better ionization in this area, which leads to a stabilization of the arc and possibly a constriction. Due to the fact that the arc is stabilized, the arc and the laser can move significantly faster over the piston surface, so that productivity will increase significantly. As a result, the helium required for arc welding can be significantly reduced in order to reduce costs.

Folglich kann beispielsweise die Zykluszeit von 16 auf 10 Sekunden, oder in anderen Anwendungen, von etwa 28 auf etwa 16 Sekunden gesenkt werden, und es können bis zu 50 % des zum Abschirmen des TIG-Bogens benötigten Heliums eingespart werden. In jedem Fall ist zu erwarten, dass die Geschwindigkeit deutlich erhöht werden kann, und verglichen mit derzeit zur Anwendung kommenden Geschwindigkeiten sogar verdoppelt werden kann.As a result, for example, the cycle time can be reduced from 16 to 10 seconds, or in other applications from around 28 to around 16 seconds, and up to 50% of the helium required to shield the TIG arc can be saved. In any case, it is to be expected that the speed can be increased significantly and can even be doubled compared to the speeds currently used.

Alternativ oder zusätzlich kann aufgrund des stabilisierten Bogens die Schmelztiefe erhöht werden, und das Gefüge kann bis in eine größere Tiefe verbessert werden. Darüber hinaus wird der Netto-Wärmeeintrag in den Werkstoff für einen einzelnen Umschmelzzyklus niedriger sein, da der stabilisierte und eingeschnürte Bogen eine höhere Energiedichte und eine schnellere Bewegungsgeschwindigkeit aufweist. Dies wird die Abkühlgeschwindigkeiten erhöhen und zu einer feineren Körnung und einem zäheren Gefüge führen, wodurch die Werkstoffeigenschaften verbessert werden.As an alternative or in addition, the melting depth can be increased due to the stabilized arc, and the structure can be improved to a greater depth. In addition, the net heat input into the material for a single remelting cycle will be lower, since the stabilized and constricted sheet has a higher energy density and a faster movement speed. This will increase the cooling rate and lead to a finer grain size and a tougher structure, which improves the material properties.

Im Allgemeinen wird aufgrund der Zufuhr von Metallplasma, das im Ergebnis einer örtlichen Verdampfung und/oder aufgrund des optogalvanischen Effekts des Laserstrahls an dem Bogenplasma erzeugt wird, eine bessere Ionisierung des Bogens erreicht. Ferner wird aufgrund der fortwährenden Erzeugung von Metallplasma an dem Laserauftreffpunkt dieser Punkt zum bevorzugten Anodenpunkt für den Schweißbogen, so dass das Verfahren in Bezug auf Positionierungsfehler robust gemacht wird. In der Folge kann eine gleichbleibende Qualität erzielt werden. Darüber hinaus kann das Potenzial der Erfindung genutzt werden, um die Umschmelzgeschwindigkeit und die Umschmelztiefe gleichzeitig bis zu einem gewissen Grad zu erhöhen, während es ebenfalls möglich ist, entweder die Geschwindigkeit oder die Tiefe deutlich zu erhöhen, und gleichzeitig den anderen Parameter, also die Tiefe oder die Geschwindigkeit, im Wesentlichen konstant zu halten.In general, better ionization of the arc is achieved due to the supply of metal plasma which is generated as a result of local evaporation and / or due to the opto-galvanic effect of the laser beam on the arc plasma. Furthermore, due to the continued generation of metal plasma at the laser impact point, this point becomes the preferred anode point for the welding arc, making the method robust with respect to positioning errors. As a result, consistent quality can be achieved. In addition, the potential of the invention can be used to increase the remelting rate and the remelting depth simultaneously to a certain extent, while it is also possible to significantly increase either the speed or the depth, and at the same time the other parameter, i.e. the depth or to keep the speed essentially constant.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.Preferred embodiments are described in the further claims.

Wie oben beschrieben betrifft das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht das Laserbogenhybridschweißen, bei dem der Laser stark genug ist, ein Schmelzen des sich in Bearbeitung befindlichen Materials zu bewirken. Insbesondere erfolgt Laserhybridschweißen typischerweise in einem sogenannten Schlüssellochmodus, bei dem der Laser eine Verdampfung bewirkt, die genügt, um durch das Material hindurch ein Loch zu bilden, während der Laser durchtritt. Im Gegensatz hierzu kann jedoch gesagt werden, dass die Erfindung lasergestütztes Bogenschweißen betrifft, was durch die bevorzugte Maßnahme widergespiegelt wird, dass die Leistung des verwendeten Laserstrahls geringer ist als die des Schweißbogens. Mit anderen Worten wird, wenn nur der Laser verwendet wird, dies nicht zu einem signifikanten Schmelzen führen.As described above, the method of the present invention does not relate to hybrid laser arc welding, in which the laser is powerful enough to cause melting of the material being processed. In particular, laser hybrid welding typically takes place in what is known as a keyhole mode, in which the laser causes evaporation sufficient to form a hole through the material while the laser passes through. In contrast to this, however, it can be said that the invention relates to laser-assisted arc welding, which is reflected by the preferred measure that the power of the laser beam used is less than that of the welding arc. In other words, using only the laser will not result in significant melting.

Was den Schweißbogen anbelangt, wird derzeit ein TIG-Bogen (Tungsten Inert Gas, Wolframinertgas) bevorzugt, es können jedoch auch andere zum Umschmelzen geeignete Verfahren zur Anwendung kommen, beispielsweise MIG (Metallschweißen mit inerten Gasen) Bogen- oder Plasmabogenschweißen.As far as the welding arc is concerned, a TIG arc (Tungsten Inert Gas, Wolframinertgas) is currently preferred, but other methods suitable for remelting can be used, for example MIG (metal welding with inert gases) arc or plasma arc welding.

Die oben beschriebenen Vorteile können insbesondere erzielt werden, wenn die Umschmelzgeschwindigkeit, also die Bewegungsgeschwindigkeit des Schweißbogens und des Laserstrahls bezüglich der umzuschmelzenden Oberfläche, 165 mm/Min oder mehr beträgt.The advantages described above can be achieved in particular if the remelting speed, that is to say the speed of movement of the welding arc and the laser beam with respect to the surface to be remelted, is 165 mm / min or more.

Dies gilt auch für eine Umschmelztiefe von 2 mm oder mehr.This also applies to a remelting depth of 2 mm or more.

Obgleich beliebige Abschnitte eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor durch das erfindungsgemäße Verfahren umgeschmolzen werden können, ist es derzeit bevorzugt, dass zumindest der Bereich des Brennmuldenrands umgeschmolzen wird, um diesem Bereich besondere Festigkeit zu verleihen.Although any sections of a piston for an internal combustion engine can be remelted by the method according to the invention, it is currently preferred that at least the area of the combustion bowl rim is remelted in order to give this area particular strength.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Nachfolgend wird eine Vorrichtung, die in Verbindung mit dem hier beschriebenen Verfahren verwendet werden kann, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen: An apparatus which can be used in connection with the method described here is described below with reference to the accompanying drawings, in which:

Die Figur eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung während der Verwendung zeigt.The figure shows a perspective view of the device during use.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMDETAILED DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT

Wie der Figur zu entnehmen ist, wird ein Bereich eines Brennmuldenrands 3 einer Umschmelzbehandlung unterzogen, was eine Wolframelektrode 1 und einen Laserstrahl 2 schwacher Leistung involviert. Folglich wird ein umgeschmolzener Bereich 4 erhalten, der die oben beschriebenen Vorteile erzielt.As can be seen from the figure, a region of the rim of the combustion bowl 3 subjected to a remelting treatment, which is a tungsten electrode 1 and a laser beam 2 poor performance involved. As a result, it becomes a remelted area 4th obtained, which achieves the advantages described above.

Wie in der Zeichnung gezeigt, ist es derzeit bevorzugt, den Laserstrahl 2 im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse zu führen, wohingegen die Wolframelektrode 1 bevorzugt in geneigter Weise vorgesehen ist. Bei dem Laser kann es sich beispielsweise um einen 400W Faserlaser handeln. Auch ein 1,5 KW-Laser ist möglich, jedoch sollten 1 KW oder weniger für gewöhnlich ausreichend sein. Bei dem Laser kann es sich um eine Diode oder um einen Faserlaser handeln.As shown in the drawing, it is currently preferred to use the laser beam 2 to lead essentially parallel to the bulb axis, whereas the tungsten electrode 1 is preferably provided in an inclined manner. The laser can be, for example, a 400W fiber laser. A 1.5 KW laser is also possible, but 1 KW or less should usually be sufficient. The laser can be a diode or a fiber laser.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 2015082632 A1 [0003]

Claims

A method of remelting a portion of a piston for an internal combustion engine using a welding arc and laser source simultaneously, and without adding external material.

Procedure according to Claim 1 , the power of the laser source being less than that of the welding arc.

Procedure according to Claim 1 or 2 where the welding arc is a TIG arc.

A method according to any preceding claim, wherein the remelting rate is 165 mm / min or more.

Method according to one of the preceding claims, wherein the remelting depth is 2 mm or more.

Method according to one of the preceding claims, wherein a region of a combustion bowl rim is remelted.