DE19648260A1 - Process for connecting two parts - Google Patents

Process for connecting two parts

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Abstract

The process for connecting two parts comprises (a) forming a 1st part having a 1st connecting surface; (b) forming a 2nd part with a 2nd connecting surface, (c) joining the two parts at the connecting surfaces; (d) sealing the region to be joined by an electron beam welding seam; (e) hot isostatically pressing both parts to form the connecting at the connecting surfaces; and (f) finish processing the connected parts with removal of the welding seam. Before forming the welding seam, a casing (2) of electron beam weldable material is applied by hot isostatic pressing on at least one of the two parts.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung eines Kolbens, insbesondere für Verbrennungsmoto­ ren, in Verbundbauweise.The invention relates to a method for manufacturing position of a piston, especially for combustion engines ren, in composite construction.

Bei Motoren, insbesondere im Automobilbau, bedingen höhere Verdichtungen und auch die Verwendung von bleifreiem Benzin höhere Temperaturen am Kolbenboden.In the case of engines, especially in automobile construction higher densities and also the use of lead-free Gasoline higher temperatures at the piston crown.

Dem Werkstoff des Kolbens am Kolbenboden ist daher besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Um ferner die Tempera­ tur am Kolbenboden in Grenzen zu halten, ist eine gute Ab­ leitung der Verbrennungswärme über den Kolben erforderlich. Hierzu ist wichtig, daß bei einem Kolben, der in Verbundbau­ weise aus Kolbenboden und Kolbenschaft aufgebaut ist, kein erhöhter Wärmeübergangswiderstand zwischen Kolbenboden und Kolbenschaft auftritt.The material of the piston on the piston crown is therefore to pay special attention. To further the tempera It is a good idea to keep the piston crown within limits Conduction of the combustion heat via the piston is required. For this it is important that for a piston that is in composite construction is constructed from the piston crown and piston skirt, none increased heat transfer resistance between piston crown and Piston skirt occurs.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens in Verbundbauweise anzugeben, bei welchem in weitgehender Unabhängigkeit von der Werkstoffpaa­ rung Kolbenschaft/Kolbenboden ein besonders guter Verbund zwischen diesen beiden Teilen erreicht wird.The object of the invention is therefore to provide a method for Manufacture of a piston in composite design to specify at which is largely independent of the material pair  Piston shaft / piston crown a particularly good bond is achieved between these two parts.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a method solved according to claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are counter stood the subclaims.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.Preferred embodiments of the Invention described with reference to the accompanying drawings.

Auf diesen ist bzw. sindOn this is or are

Fig. 1 bis 3 Darstellungen zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten einer ersten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1 to 3 are views for illustrating steps of a first embodiment of the method according OF INVENTION dung,

Fig. 4 bis 6 Darstellungen zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten einer zweiten Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Verfahrens, Fig. 4 to 6 are views for illustrating steps of a second embodiment of he inventive method,

Fig. 7 bis 9 Darstellungen zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten einer dritten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens, Fig. 7 to 9 are views for illustrating steps of a third embodiment of the method according OF INVENTION dung,

Fig. 10 bis 12 Darstellungen im wesentlichen entspre­ chend Fig. 1 mit unterschiedlich ausgebildeten Kühlkanälen im Kolbenschaftteil, Fig. 10 to 12 representations substantially accordingly Fig. 1 with differently shaped cooling channels in the piston shaft portion,

Fig. 13 eine der Fig. 2 im wesentlichen entsprechende Darstellung mit einem Kolbenschaftteil entsprechend Fig. 10, Fig. 13 is a Fig. 2 substantially representation corresponding with a piston shaft portion corresponding to Fig. 10,

Fig. 14 eine Darstellung des Teils aus Fig. 13 nach dem Abdrehen der Aluminiumkapselreste und nach Ausbildung von Nuten für die Kolbenringe, Fig. 14 is a representation of the part of FIG. 13 after the turning of the aluminum capsule and remains after the formation of grooves for the piston rings,

Fig. 15 ein Kolbenschaftteil gemäß Fig. 10 in der Draufsicht, die die Kühlmittelein- und Auslässe in den Kühl­ kanal erkennen läßt. Fig. 15 is a piston skirt part of FIG. 10 in plan view, which shows the coolant inlets and outlets in the cooling channel.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben.Preferred embodiments of the invention will now described in detail with reference to the accompanying drawings.

Zunächst werden ein Rohling des Kolbenbodens und ein Rohling des Kolbenschafts, die entsprechend dem fertigen Kolben am besten zylindrische Form haben, mit Stirnflächen hergestellt, an denen die beiden Teile aufeinandergelegt werden können.First, a blank of the piston crown and one Blank of the piston skirt, which according to the finished  Pistons are best cylindrical in shape, with end faces made on which the two parts are placed one on the other can be.

Als Werkstoffe kommen alle Werkstoffe, die für Kolben­ schaft und Kolbenboden Verwendung finden können, in Frage.All materials are used as materials for pistons stem and piston crown can be used, in question.

Von besonderer Bedeutung ist für den Kolbenschaft eine Aluminiumgußlegierung oder insbesondere ein Reinaluminium­ guß. Es kann sich aber auch um ein Schmiedeteil oder um ein pulvermetallurgisch hergestelltes Teil handeln. Das Kolben­ bodenteil kann ebenfalls eine Leichtmetallgußlegierung, mit höherer Warmfestigkeit als der Kolbenschaft, sein. Besonders bevorzugt wird jedoch ein Werkstoff, der durch heißisostati­ sches Pressen eines Pulvergemischs aus Aluminiumpulver und bis zu 50 Gew.-% Al2O3-Pulver gewonnen ist. Statt des Alumi­ niumpulvers kann auch ein Pulvergemisch aus Aluminium und einem oder mehreren der Aluminiumlegierungselemente Si, Mg, Cn, Cu, Ni, Ti, C vorgesehen sein. Statt oder neben dem Al2O3 können auch eines oder mehrere der weiteren Dispersoide TiC, SiO2, SiC vorgesehen sein.Of particular importance for the piston skirt is an aluminum casting alloy or, in particular, a pure aluminum casting. However, it can also be a forged part or a part produced by powder metallurgy. The piston base part can also be a light metal casting alloy with higher heat resistance than the piston skirt. However, a material which is obtained by hot isostatic pressing of a powder mixture of aluminum powder and up to 50% by weight of Al 2 O 3 powder is particularly preferred. Instead of the aluminum powder, a powder mixture of aluminum and one or more of the aluminum alloy elements Si, Mg, Cn, Cu, Ni, Ti, C can also be provided. Instead of or in addition to the Al 2 O 3 , one or more of the further dispersoids TiC, SiO 2 , SiC can also be provided.

Bei der Herstellung des Kolbenbodenwerkstoffs durch heißisostatisches Pressen wird das kalt vorgepreßte Pulver­ gemisch in eine Kapsel vorzugsweise aus Reinaluminium ge­ füllt, die dann evakuiert und verschlossen wird, wobei die so verschlossene Kapsel mit dem darin enthaltenen Vorpreß­ ling in einen Autoklaven verbracht wird, wo unter den übli­ chen Parametern die heißisostatische Verdichtung erfolgt. Der Druck liegt also zwischen 700 und 1000 bar, die Tempera­ tur zwischen 400 und 600°C, und die Haltezeit beträgt typi­ scherweise 4 bis 6 Stunden. Der sich auf diese Weise erge­ bende Körper hat theoretische Dichte. Beim Zerschneiden dieses Verbunds in Scheiben entstehen in Fig. 1 und weiteren Figuren gezeigte Kolbenbodenscheiben 1, die am Rand von einem Ring 2 aus dem Material der Kapsel, insbesondere also Reinaluminium, umgeben sind.In the manufacture of the piston crown material by hot isostatic pressing, the cold pre-pressed powder mixture is preferably filled into a capsule made of pure aluminum, which is then evacuated and sealed, the capsule thus sealed and the pre-press contained therein being placed in an autoclave, where the usual parameters the hot isostatic compression takes place. The pressure is between 700 and 1000 bar, the temperature between 400 and 600 ° C, and the holding time is typically 4 to 6 hours. The resulting body has theoretical density. In cutting this composite in the discs 1 and other figures, the piston base slices 1 shown, which are on the edge of a ring 2 made of the material of the capsule, thus in particular of pure aluminum, surrounded arise in Fig..

Ein Kolbenschaftvorformling 3 ist beispielsweise ein Gußteil aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung.A piston skirt preform 3 is, for example, a cast part made of pure aluminum or an aluminum alloy.

Die beiden Teile werden an komplementär ausgebildeten Stirnflächen zusammengefügt und längs des Umfangsrands zur Abdichtung mit einer Schweißnaht 4 elektronenstrahlver­ schweißt. Die Elektronenstrahlschweißung erfolgt unter Vaku­ um, so daß sich innerhalb der ringförmigen Schweißnaht zwi­ schen Kolbenboden- und Kolbenschaftteil keine Lufttaschen ausbilden können.The two parts are assembled on complementary end faces and welded along the circumferential edge for sealing with a weld 4 electron beam ver. The electron beam welding is carried out under vacuum, so that no air pockets can form within the annular weld between the piston crown and piston skirt parts.

Das so gebildete Verbundteil wird in einen Autoklaven verbracht und dort etwa bei den gleichen Parametern heißiso­ statisch gepreßt, wie sie auch beim oben erwähnten heißiso­ statischen Pressen des Kolbenbodenteils angewandt wurden.The composite part thus formed is placed in an autoclave spent and hot iso there with about the same parameters statically pressed, as in the hot iso mentioned above static presses of the piston crown were used.

Bei diesem Vorgang ergibt sich durch Diffusionsschweißen eine vollflächige Verbindung zwischen Kolbenboden und Kol­ benschaftteil, die hervorragende Wärmeübergangseigenschaften hat, so daß es am Übergang zwischen Kolbenboden und Kolben­ schaft zu keinem den Temperaturverhältnissen am Kolbenboden unzuträglichen Wärmestau kommt.This process results from diffusion welding a full-surface connection between the piston crown and col Baftteil, the excellent heat transfer properties has so that it is at the transition between the piston crown and piston to none of the temperature conditions on the piston crown intolerable heat build-up comes.

Zum heißisostatischen Pressen des verschweißten Ver­ bundteils muß dieses nicht nochmals gekapselt werden, es kann vielmehr, so wie es ist, mit anderen gleichartigen Verbundteilen als Schüttgut im Autoklaven behandelt werden.For hot isostatic pressing of the welded Ver in part this does not have to be encapsulated again, it can rather, as it is, with others of the same kind Composite parts are treated as bulk material in an autoclave.

Nach dem heißisostatischen Pressen erfolgt eine Fertig­ bearbeitung des Verbundteils, bei dem dieses so weit abge­ dreht wird, daß die den Kolbenboden umgebenden Kapselreste entfallen. Gleichzeitig werden Nuten 5 (siehe z. B. Fig. 3) für die Kolbenringe ausgebildet.After the hot isostatic pressing, the composite part is finished, in which it is rotated so far that the capsule residues surrounding the piston crown are eliminated. At the same time, grooves 5 (see, for example, FIG. 3) are formed for the piston rings.

Die Fig. 4 bis 6 veranschaulichen ein Verfahren, das sich von dem anhand der Fig. 1 bis 3 veranschaulichten da­ durch unterscheidet, daß zwei Kolbenbodenscheiben 1a und 1b zur Anwendung gelangen und vor dem heißisostatischen Pressen mit dem Kolbenschaft verschweißt werden. Diese beiden Kol­ benbodenscheiben können auf die gleiche Weise wie die Kol­ benbodenscheibe der ersten Ausführungsform hergestellt sein, unterscheiden sich aber in ihrer Zusammensetzung, so daß sich auf diese Weise eine Gradientenstruktur zwischen Kol­ benbodenoberfläche und Kolbenschaft herstellen läßt. FIGS. 4 to 6 illustrate a method which arrive from the reference to Figs. 1 to 3 exemplified as by differs in that two piston base plates 1 a and 1 b for the application and welded before the hot isostatic pressing to the piston shaft are. These two Kol benboden disks can be made in the same way as the Kol benboden disk of the first embodiment, but differ in their composition, so that a gradient structure between the Kol benbodenfläche and piston skirt can be produced in this way.

Im übrigen sind die Verfahrensschritte die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.Otherwise, the process steps are the same as in the first embodiment.

Die Fig. 7 bis 9 veranschaulichen eine Ausführungsform, bei welcher auf das Kolbenschaftteil 3, das an der Stirn­ fläche zurückgesetzt ausgebildet ist, ein an die Zurückset­ zung angepaßtes Ringteil 6, vorzugsweise aus einem gleichen oder ähnlichen Werkstoff wie der Kolbenboden 1 und ebenfalls von einem Kapselrest 2 umgeben, aufgesetzt wird. Dies dient dazu, den Bereich des Kolbenschafts, in dem später die Kol­ benringnuten 5 ausgebildet werden, mit einem besonderen Werkstoff zu versehen, der im Bereich der Kolbenringnuten verschleißmindernd wirken soll. Der oben als besonders be­ vorzugt für den Kolbenboden herausgestellte Werkstoff ist wegen seines hohen Dispersoidgehalts auch hier besonders geeignet. FIGS. 7 to 9 illustrate an embodiment in which the piston shaft portion 3, the surface on the forehead formed reset, one at the Zurückset wetting matched ring part 6, preferably made of a same or similar material as the piston head 1 and also by a Capsule residue 2 surrounded, is placed. This serves to provide the area of the piston skirt, in which the piston ring grooves 5 are later formed, with a special material which is to reduce wear in the area of the piston ring grooves. The material highlighted above as being particularly preferred for the piston crown is also particularly suitable here because of its high dispersoid content.

Das Ringteil 6 wird mit dem Rest des Kolbenschaftteils 3 und dem Kolbenbodenteil 1 an den aneinandergrenzenden Rändern in abdichtender Weise elektronenstrahlverschweißt, wonach die Kapselreste 2 abgedreht werden und der Kolben mit im Ringteil 6 ausgebildeten Kolbenringnuten 5 hergestellt wird.The ring part 6 is sealed with the rest of the piston skirt part 3 and the piston crown part 1 at the adjacent edges in a sealing manner, after which the capsule residues 2 are twisted off and the piston is produced with piston ring grooves 5 formed in the ring part 6 .

Die Fig. 10 bis 14 zeigen Ausführungsformen des Kolben­ schaftes 3 mit einem Kühlkanal 7 in der an das Kolbenboden­ teil 1 anschließenden Oberfläche. Die Fig. 10 bis 12 zeigen jeweils den Zustand vor dem Elektronenstrahlverschweißen von Kolbenboden 1 und Kolbenschaft 3. Fig. 14 zeigt den Verbund der Fig. 13 nach Fertigbearbeitung und mit ausgebildeten Nuten 5 für Kolbenringe. Bei Ausbildung des Kolbenschafts 3 als Gußteil fällt der Kühlkanal 7, als oberflächlich ausge­ bildete Struktur, die erst durch das Kolbenbodenteil 1 abge­ schlossen wird, von selbst an. Gegebenenfalls ist beim hei­ ßisostatischen Pressen des Verbunds der Druck zu reduzieren, um ein Eindrücken der Kühlkanäle zu verhindern. Figs. 10 to 14 show embodiments of the piston shaft 3 with a cooling passage 7 in the subsequent to the piston bottom part 1 surface. Figs. 10 to 12 each show the state before the electron beam welding of the piston crown 1 and the piston shaft 3. FIG. 14 shows the assembly of FIG. 13 after finishing and with grooves 5 designed for piston rings. In the formation of the piston skirt 3 as a casting, the cooling channel 7 falls, as a superficially formed structure, which is only completed by the piston head part 1 , by itself. If necessary, the pressure should be reduced during hot isostatic pressing of the composite in order to prevent the cooling channels from being pressed in.

Fig. 15 zeigt, wie Kühlmittelein- und -auslässe 8 in den Kühlkanal münden. FIG., 15 shows how coolant inlet and open into the cooling channel outlets. 8

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens in Verbund­ bauweise, mit folgenden Verfahrensschritten:
Herstellen eines Kolbenbodenteils (1) aus einem für den Kolbenboden gewünschten Werkstoff, wobei das Kolbenbodenteil eine Stirnfläche aufweist,
Herstellen eines Kolbenschaftteils (3) aus einem für den Kolbenschaft gewünschten Werkstoff mit einer zur Stirn­ fläche des Kolbenbodenteils komplementären Fläche,
Zusammenfügen von Kolbenbodenteil und Kolbenschaftteil an diesen Flächen,
Elektronenstrahlverschweißen von Kolbenbodenteil und Kolbenschaftteil längs des Randes der zusammengefügten Flä­ chen,
heißisostatisches Pressen der elektronenstrahlver­ schweißten Teile zu einem Verbundteil,
Fertigbearbeiten des heißisostatisch gepreßten Verbund­ teils zu einem Verbundkolben.1. A process for producing a composite piston, with the following process steps:
Manufacture of a piston crown part ( 1 ) from a material desired for the piston crown, the piston crown part having an end face,
Producing a piston skirt part ( 3 ) from a material desired for the piston skirt with a surface complementary to the end face of the piston crown part,
Joining the piston crown part and the piston skirt part on these surfaces,
Electron beam welding of the piston crown part and piston skirt part along the edge of the joined surfaces,
hot isostatic pressing of the electron beam welded parts into a composite part,
Finishing the hot isostatically pressed composite partly to a composite piston. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für den Kolbenboden ein Werkstoff verwen­ det wird, der von einem Pulvergemisch ausgeht und durch heißisostatisches Pressen gewonnen ist.2. The method according to claim 1, characterized in that that use a material as the material for the piston crown det, which starts from a powder mixture and through hot isostatic pressing is obtained. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein hochwarmfester Werkstoff auf der Basis von Aluminium- und Al2O3-Pulver ist.3. The method according to claim 2, characterized in that the material is a highly heat-resistant material based on aluminum and Al 2 O 3 powder. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das das heißisostatische Pressen in Kapselung in einer Reinaluminiumkapsel durchgeführt wird und daß das Kolben­ bodenteil (1) als eine von einem Kapselrestring (2) aus Reinaluminium umgebende Scheibe hergestellt wird, wobei die Elektronenstrahlschweißung an dem Reinaluminium durchgeführt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the hot isostatic pressing in encapsulation is carried out in a pure aluminum capsule and that the piston bottom part ( 1 ) as a from a capsule ring ( 2 ) made of pure aluminum surrounding disc, the electron beam welding on the Pure aluminum is carried out. 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kolbenbodenteil (1a) mindestens ein weiteres Kolbenbodenteil (1b) vorgesehen wird, wobei das Kolbenbodenteil (1a) und das mindestens eine weitere Kolbenbodenteil (1b) komplementäre Anschlußflächen aufweisen und das mindestens eine weitere Kolbenbodenteil mit dem Kolbenbodenteil, an welches es anschließt, vor dem Schritt des heißisostatischen Pressen in der gleichen Weise elektronenstrahlverschweißt wird wie das Kolbenbodenteil (1a) mit dem Kolbenschaftteil (3).5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that on the piston head part ( 1 a) at least one further piston head part ( 1 b) is provided, the piston head part ( 1 a) and the at least one further piston head part ( 1 b) complementary connecting surfaces and the at least one other piston crown part with the piston crown part to which it is connected is electron beam welded in the same way as the piston crown part ( 1 a) with the piston skirt part ( 3 ) before the step of hot isostatic pressing. 6. Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenschaftteil (3) mit einer peripheren Zurücksetzung im Bereich der komplemen­ tären Fläche und einem in dieser Zurücksetzung angeordneten Ringteil (6) ausgebildet wird, wobei das Ringteil aus einem anderen Werkstoff als das restliche Kolbenschaftteil und einem gegebenenfalls gleichen oder ähnlichen Werkstoff wie das oder die Kolbenbodenteile (1, 1a, 1b) und gegebenenfalls ebenfalls mit einem umgebenden Kapselrestring (2) herge­ stellt wird, und daß vor dem Schritt des heißisostatischen Pressens das Ringteil (6) mit dem übrigen Kolbenschaftteil in der gleichen Weise elektronenstrahlverschweißt wird wie das Kolbenbodenteil mit dem Kolbenschaftteil.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the piston skirt part ( 3 ) is formed with a peripheral recess in the region of the complementary surface and a ring part ( 6 ) arranged in this reset, the ring part being made of a different material than the remaining piston skirt part and a possibly the same or similar material as the piston crown parts ( 1 , 1 a, 1 b) and optionally also with a surrounding capsule ring ( 2 ) is produced, and that before the step of hot isostatic pressing the ring part ( 6 ) is electron beam welded to the rest of the piston skirt part in the same way as the piston crown part to the piston skirt part. 7. Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zusammenfügen von Kolbenschaftteil (3) und dem oder den Kolbenbodenteilen (1, 1a, 1b) in der komplementären Fläche des Kolbenschaftteils ein Kühlkanal (7) ausgebildet wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a cooling channel ( 7 ) is formed in the complementary surface of the piston skirt part before the piston skirt part ( 3 ) and the piston skirt parts ( 1 , 1 a, 1 b) are joined together.
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