JP2014531558A - レーザ溶接したピストンアセンブリおよび当該ピストンの組み立て接合方法 - Google Patents

Abstract

例示的なピストンは、径方向内側および外側の本体合わせ面を有するピストン本体（１０２）を備える。ピストンは、ピストン本体（１０２）と協動して連続した上部燃焼ボウル面および冷却ギャラリを形成する冷却ギャラリリング（１０４）をさらに備える。冷却ギャラリリング（１０４）は、対応する径方向内側および外側の本体合わせ面に沿って当接する径方向内側および外側のリング合わせ面を有し、冷却ギャラリが実質的に密閉される。ピストン本体（１０２）および冷却ギャラリリング（１０４）は径方向内側および径方向外側の境界面領域に沿って互いに接合され、概ね一体型のピストンアセンブリを形成する。径方向外側の境界面領域は、ピストン軸に平行な方向に細長くてもよく、レーザ溶接接合工程を容易にする。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１１年９月２１日付け提出の米国仮出願第６１／５３７，３７０号および２０１２年９月２０日付け提出の米国特許出願第１３／６２３，６３２号に対し優先権を主張するものであり、それらの内容は、その全体を引用により本明細書に援用する。

背景
内燃機関製造業者は、製品の出力および燃料効率を常に増大させようとしている。一般的に効率および出力を増大させる一つの方法は、エンジンの振動質量、例えば、ピストン、コネクティングロッド、およびエンジンのその他の可動部品のそれを低減させることである。また、エンジン出力および／または効率を増大させるための取り組みは、動作中に燃焼室内の圧力および／または温度の上昇をもたらす可能性がある。

従って、エンジン、特に、エンジンのピストンは、それらの軽量化やエンジン動作に伴って上昇した圧力および温度が原因で、増加した応力下にある。その結果、エンジンの寿命にわたり、そのような動作状態の増加した応力に耐えるために、ピストンの冷却がいっそう重要になっている。

ピストン構成要素の動作温度を下げるために、ピストンの外周部に冷却ギャラリを設けてもよい。クランクケース油などのクーラントを冷却ギャラリに導入し、ピストンの往復運動によって冷却ギャラリに流通させ、それによりピストンの動作温度を低下させる。

同時に、冷却ギャラリは、ピストンアセンブリおよびその製造を全体的に複雑化させる可能性がある。例えば、冷却ギャラリ内を循環するクーラント（例えば、油）を一時的に貯留させることでクーラントを冷却ギャラリ全体に適切に循環させるために、冷却ギャラリは、冷却ギャラリカバーといった付加的な構成要素を必要とする。しかしながら、カバープレートなどの付加的な構成要素はまた複雑さを追加するものである。さらに、冷却ギャラリは、軽量または軽負荷ピストンの場合など小型ピストンの用途において形成するには高価および／または困難である。加えて、摩擦溶接などの一体型ピストンにおいて密閉された冷却ギャラリを形成する周知の方法は、摩擦溶接工程中に意図せぬ変形なしにピストンおよび冷却ギャラリ特性を適切に形成するには、極めて高強度のピストン構成要素を必要とし、その結果、得られるピストンの大きさおよび重量を増大させる。また、摩擦溶接工程中にピストン構成要素にかかる大規模な力は、溶接接合部が配置される場所を制限する。

したがって、ピストンは、例えば冷却ギャラリを設けることで十分冷却が可能でありながらも、ピストンの全体的な重量および製造の煩雑さを最小限に抑える必要がある。

図面を参照すると、説明するための例が詳細に示されている。図面は、本明細書に記載される例示的な図を示すが、必ずしも縮尺通りではなく、ある特徴は、例示的な図の革新的な局面をより良く示し説明するために誇張されている可能性がある。また、本明細書に記載の例示的な図は、網羅的であることまたは、図面に示され、以下の詳細な説明に開示されるまさにその形態や構成に限定または制限することは意図されていない。以下の通り図面を参照することで、本発明の例示的な図を詳細に記載する。

例示的なピストンアセンブリの斜視図である。 例示的なピストンアセンブリの部分断面図である。 別の例示的なピストンアセンブリの部分断面図である。 別の例示的なピストンアセンブリの部分断面図である。 ピストン本体と冷却ギャラリリングとの径方向外側境界面領域の例示的レーザ溶接部の断面図を示す。 ピストン本体と冷却ギャラリリングとの径方向内側境界面領域の例示的レーザ溶接部の断面図を示す。 ピストン本体と冷却ギャラリリングとの径方向内側境界面領域および径方向外側境界面領域の例示的レーザ溶接部の斜視図を示す。 ピストンを作製する例示的な方法の工程フローチャートを示す。

本明細書における、「例示的な図」、「例」、または類似の言い回しについての言及は、例示的なアプローチに関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が少なくとも一つの図に含まれていることを意味する。本明細書の種々の箇所で「図において」という語句や同種の言い回しの出現は、必ずしも同一の図や例を言及しているわけではない。

本明細書には、ピストンアセンブリおよびその製造方法の種々の例示的な図が提供されている。例示的なピストンは、ピストン軸を画定するピストン本体であって、スカートを有し、冷却ギャラリの下面を形成するピストン本体を備えることができる。本体は、径方向内側および外側の本体合わせ面を備えることができる。ピストンは、ピストン本体と協動して連続した上部燃焼ボウル面を形成する冷却ギャラリリングをさらに備える。冷却ギャラリが実質的に密閉されるように、冷却ギャラリリングは、径方向外側の境界面領域に沿って径方向外側の本体合わせ面と当接する径方向外側のリング合わせ面を備えつつ、燃焼ボウルにおける径方向内側の境界面領域に沿って径方向内側の本体合わせ面と当接する径方向内側のリング合わせ面を備えることができる。ピストン本体および冷却ギャラリリングは、径方向内側および径方向外側の境界面領域に沿って接合し、概ね一体型のピストンアセンブリを形成してもよい。径方向外側の境界面領域は、ピストン軸に平行な方向に細長くてもよい。

一部の例示的な図では、ピストンは、溶接工程、例えばレーザ溶接工程で、接合してもよい。さらに後述するように、例示的なレーザ溶接工程は、製造の柔軟性を大幅に向上させやすい。一例では、径方向内側および外側の合わせ面のうち少なくとも一方はピストン軸に対して非垂直に並べられる。例えば、概ね垂直な溶接接合部が実現可能であり、すなわち、接合される二つのピストン構成要素の対応する合わせ面が、ピストンの長手軸に概ね平行に並べられる。さらに、レーザ溶接される接合部の突き合わせ面は、接合部が、入射レーザ溶接ビームによってアクセス可能であれば、実質的に任意の角度を画定してもよい。細長い溶接接合部は概して、一つの例示的な図においては、レーザビームがピストン本体および冷却ギャラリリングの対応する合わせ面に概ね平行に入射するレーザ溶接工程に起因する。

図１を参照すると、例示的なピストンアセンブリ１００が示されている。ピストンアセンブリ１００は、ピストン本体１０２と、本体１０２に受け入れられる冷却ギャラリリング１０４とを備える。それにより、ピストン本体１０２および冷却ギャラリリング１０４は、燃焼ボウル下面１１８を有する燃焼ボウル１２０を画定する。本体１０２は、ピストンアセンブリ１００を受け入れるエンジンボア（図示せず）を封止するよう構成されたリングベルト部１０６を備える。例えば、リングベルト部１０６は、ピストンリング（図示せず）を受け入れる１つ以上の周方向溝１０７を画定し、ひいては、エンジンボア内でピストンアセンブリ１００が往復運動する間、エンジンボアの表面を封止する。冷却ギャラリリング１０４を本体１０２内に受け入れることで、冷却ギャラリリング１０４および／またはピストンアセンブリ１００の大きさや形状に対して柔軟性を持たせることができ、例えば、より低いピストンアセンブリ１００の全体コンプレッションハイトおよび／または重心を可能にする。

ピストン本体１０２は、例えばエンジンボア（図示せず）の表面に接してボア内で往復運動する間ピストンアセンブリ１００を安定させることで、通常、エンジンの動作中にピストンアセンブリ１００を支持するスカート面１０３を備える。例えば、スカート面１０３は概して、ピストンアセンブリ１００の外周部の少なくとも一部のまわりに円状外形を画定し得る。外形は、エンジンボアの表面に対応しており、この表面は、概ね円筒状である。

また、本体１０２はピストンピンボス１０５を画定し得る。ピストンピンボス１０５には概して、ピストンピン（図示せず）を受け入れるよう構成された開口またはピン孔１０９が形成される。例えば、ピストンピン（図示せず）はピストンピンボス１０５内でピン孔１０９に挿通され、それにより、通常、ピストン１００をコンロッド（図示せず）に固定する。

図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃを参照すると、例示的なピストン１００ａ、１００ｂ、および１００ｃ（総称して、１００）がさらに詳細に示されている。各ピストン１００は、少なくとも部分的に冷却ギャラリ１０８を画定するリングベルト部１０６を有する。冷却ギャラリ１０８は一般に、ピストンクラウンの外周部まわりに延在するもので、動作中にクーラント、例えば、エンジンオイルを循環させることができ、その結果、ピストンの動作温度を低下させる。さらに、クーラントの循環は、ピストン１００まわり、特に、例えば燃焼ボウル１２０に隣接するピストンアセンブリ１００の上部において、より安定したまたは均一な温度を維持しやすくする。

ピストン本体１０２とリング１０４は、例えばレーザ溶接工程において、接合固定してもよい。ピストン本体１０２とリング１０４を接合固定することで、ピストンアセンブリ１００ａ、１００ｂ、１００ｃは通常、一体型のアセンブリとして形成される。

さらに後述するように、各ピストン１００ａ、１００ｂ、および１００ｃにおいて、本体１０２とリング１０４構成要素は、レーザ溶接工程で径方向内側の境界面領域Ｉと径方向外側の境界面領域Ｏとの両方に沿って接合させてもよい。したがって、本体１０２とリング１０４は別個の構成要素ではあるが、クラウンへの固定後は各々が他方に対して不動になるように、ピストン本体１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ（総称して、１０２）は通常、それぞれの冷却ギャラリリング１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ（総称して、１０４）とユニット化させてもよい。冷却ギャラリリング１０４は、本体１０２とリング１０４が協動してピストンアセンブリ１００の連続した上部燃焼ボウル面１２０を形成するように、本体１０２に固定させてもよい。

図２Ｂを参照すると、本体１０２およびリング１０４の対応する径方向外側合わせ面１４４、１４６はそれぞれ、ピストン１００、例えばピストン１００ｂの径方向外側境界面領域Ｏにおいて上面１１０に沿って合わさる。さらに、本体１０２およびリング１０４の対応する径方向内側合わせ面１４０、１４２はそれぞれ、冷却ギャラリリング１０４が、燃焼ボウル１２０の第１径方向外側部１２０ａを画定するように、径方向内側境界面領域Ｉに沿って燃焼ボウル１２０内で合わさる。さらに、スカート本体１０２は、径方向内側境界面領域Ｉの径方向内側に配置される、燃焼ボウル面１２０の径方向内側部１２０ｂを画定してもよい。

燃焼ボウル面１２０は、リング１０４と本体１０２との境界面、例えば、径方向内側境界面領域Ｉおよび／または径方向外側境界面領域Ｏにわたって略平滑で、それにより、面１２０における分断および／または不連続を最小限にする。そのような分断や不連続を最小限にすることは、概して、通常の長期動作中に、境界面領域Ｉ、Ｏに沿った本体１０２とリング１０４との境界面の亀裂や他の緩みを低減させる。したがって、例えば、ピストンアセンブリ１００を使用するエンジンの動作中に生じる摩耗が原因の燃焼ボウル面１２０のあらゆる欠陥や故障を最小限にすることができる。さらに後述するように、ピストンアセンブリ１００の形成に使用される溶接および／または機械加工作業は、燃焼ボウル面１２０の表面凹凸を低減させることができる。

ピストン本体１０２および冷却ギャラリリング１０４は、レーザ溶接などの溶接作業において、互いに固定または接合固定してもよい。一つの例示的な図において、ピストン本体１０２および冷却ギャラリリング１０４は、径方向内側および外側の境界面領域Ｉ、Ｏの両方に沿って互いに固定されている。レーザ溶接部は、本体１０２と冷却ギャラリリング１０４の接合に関連した溶接工程前および／または後に、せいぜい最小限の機械加工作業を必要とするが、溶接工具が略平滑な燃焼ボウル面１２０を形成することを可能にする。さらに、一部の例では、機械加工は全く必要ない。

レーザ溶接作業は一般的に、付随する熱影響域の大きさを最小限にしながらも、本体１０２とリング１０４との間に固体金属溶接部を形成させることができる。具体的には、一般に、溶接レーザは一般的に、本体１０２とリング１０４の合わせ面を含む又は合わせ面にすぐ隣接する径方向内側の境界面領域Ｉおよび／または径方向外側の境界面領域Ｏで熱影響域を伝播するために用いられることができ、それにより、境界面領域Ｉ、Ｏにおいて合わせ面に沿って本体１０２とリング１０４をつなぎ合わせる。例えば、径方向外側境界面領域Ｏの熱影響域は、本体１０２の径方向外側合わせ面１４４と、リング１０４の径方向外側合わせ面の両方を含んでもよい。

レーザ溶接工程を利用してリング１０４と本体１０２を接合させる場合、溶接部が実質上ピストン１００全体まわりに延在するように、概ね連続した溶接工程において、実質上境界面領域Ｉおよび／またはＯの全周まわりに延在する溶接レーザ装置を利用することができる。あるいは、境界面領域Ｉおよび／またはＯの周辺の範囲に沿って、一連の離散的な溶接部を形成してもよい。

上述したように、径方向内側の境界面領域Ｉは、燃焼ボウル面１２０に沿って配置させてもよい。径方向外側の境界面領域Ｏは、ピストン１００ｂの上面１１０に沿って配置させてもよい。ピストン１００が対応するボア（図示せず）内に取り付けられるときは特に、径方向外側の境界面領域Ｏを上面１１０に配置することで、有利にも、例えばピストンリングベルト部１０６ｂに沿った本体１０２に冷却ギャラリリング１０４を支持させることができる。このように冷却ギャラリリング１０４を付加的に支持することで、ピストン１００の耐久性および耐高温高圧性を高めることができる。別の例示的な図では、径方向外側の境界面領域Ｏは、ピストン１００の外壁１１２に沿って、例えばリングベルト部１０６ｂに沿って配置させてもよい。

本体１０２と冷却ギャラリリング１０４を接合させるために使用するレーザ溶接作業は、摩擦溶接などの他の溶接方法に比して利点がいくつかある。レーザ溶接作業は、一般に、時には数ミリメートルほどの比較的小さな熱影響域をもたらす。それにもかかわらず、さらに後述するように、熱影響域は有利にも、リング１０４の対応する合わせ面だけでなく、本体１０２の合わせ面も含むことができる。さらに、レーザ溶接部は、入射レーザビームがアクセス可能なピストン１００上のほぼどの位置でも施すことができる。したがって、レーザ溶接作業は、本体１０２とリング１０４との境界面、例えば径方向内側および外側境界面領域Ｉ、Ｏのためのピストン１００上の位置を選択する際にかなりの自由度を与える。

したがって、レーザ溶接工程は、径方向外側の境界面領域Ｏが概ね垂直な合わせ面１４４、１４６を含み、図２Ｂに最もよく見られるように、内側の境界面領域Ｉが、ピストン１００の軸、例えば軸Ｂ−Ｂに対して非平行かつ非直交に角度を付けられている図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに示すような例において有利である。

境界面領域Ｉ、Ｏのレーザ溶接作業に伴うレーザビームは、境界面領域Ｉ、Ｏにおいて本体１０２およびリング１０４の合わせ面に概ねまたは略平行に向けられてもよい。一つの例示的な図において、レーザ溶接工程に用いられるレーザビームは、ピストン軸Ｂ−Ｂに対して傾斜している。例えば、図２Ｂに示すように、境界面領域Ｉの溶接を対象としたとき、レーザビームＬ_Ｂはピストン軸Ｂ−Ｂに対して角度αで向けてもよい。さらに、レーザビームＬ_Ｂは、境界面領域Ｉに沿って、合わせ面１４０、１４２に略平行に向けてもよい。

別の例示的な図では、境界面領域Ｏの溶接を対象としたとき、レーザビームＬ_Ａは、ピストン１００の上面１１０に沿って、ピストン軸Ｂ−Ｂに略平行に向けてもよい。さらに、レーザビームＬ_Ａは、境界面領域Ｏに沿って、本体１０２とリング１０４との間の合わせ面１４４、１４６のそれぞれに略平行であってもよい。

周知の摩擦溶接法は通常、接合される構成要素の合わせ面が、溶接部および／またはピストン軸に対して垂直である必要がある。具体的には、摩擦溶接される表面は概して、摩擦溶接工程中の溶接される構成要素の移動に関連した方向に対して垂直に整列させなければならず、この関連した方向は通常、ピストン軸に平行である。さらに、溶接中に構成要素への損傷を防ぐために、摩擦溶接させる構成要素を駆動するために使用される極めて大規模な力は、その分だけ溶接させる表面に対して大きな支持も必要とする。最後に、高速で回転させることで筒状部品を接合できるようにするために、摩擦溶接は、構成要素が回転対称であることが必ず求められる。比較して、レーザ溶接工程は、ピストン構成要素、例えば本体１０２およびリング１０４が、摩擦溶接工程中にかかる作動力のような極めて大きな作動力に耐えることを必要としない。さらに、レーザ溶接工程は、その工程の間にどの部品も移動または回転させる必要がないため、回転対称を必要としない。実際に、非対称または中心をはずれた境界面領域を採用してもよく、例えば、結果として非対称な燃焼ボウル（図示せず）になる。

冷却ギャラリ１０８は、有利にも、レーザ溶接工程中に気体を逃がすことができる１つ以上の開口部１５０を画定することができる。冷却ギャラリ１０８内の気体や空気が急速に膨張する傾向があるとき、少なくとも１つの開口部を備えることは溶接工程中に有益であり得る。開口部は、気体や空気の膨張に起因する冷却ギャラリ１０８およびピストン１００の隣接面への損傷を防ぐことができる。さらに、膨張する気体の「キーホール効果」は、境界面領域Ｉ、Ｏに沿った溶接部に損傷を与える可能性がある。具体的には、膨張する気体のために例えば開口部によって排出経路を設けない限り、溶接部が冷却ギャラリ１０８を封止する際、溶融材料が十分に硬化する前に膨張する気体がその材料から逃げることで溶接域に損傷を与える傾向がある。さらに、開口部は、クーラント、例えば油が、動作中に冷却ギャラリを循環できるようにするために必要とされる。さらに、任意の開口部は、後述するように、レーザ溶接工程から溶接スパッタの除去も可能にする。一つの例示的な図において、一つ以上の開口部、例えば開口部１５０が冷却ギャラリ１０８の下面に設けられ、それにより、開口部はピストン１００の動作中、油／冷却循環入口または出口として利用することができる。

ピストン本体１０２および冷却ギャラリリング１０４は、いかなる便利な材料、例えばレーザ溶接されやすい材料から構成することができる。ほんの一例として、レーザ溶接されることを受け入れる金属含有化合物を用いてもよい。一つの例示的な図では、本体１０２と冷却ギャラリリング１０４は、同じ材料、例えば鋼で形成してもよい。別の例では、本体１０２と冷却ギャラリリング１０４は、異なる材料で形成してもよい。したがって、構成要素に使用される材料は、各々に関連する一般的要件や動作条件にさらに適合させることができる。ピストン本体１０２は、単なる例として、冷却ギャラリリング１０４とは異なる力学的性質、例えば、降伏点、引っ張り強度、または切欠靭性を含んでいてもよい。本体１０２および冷却ギャラリリング１０４には、便利な任意の材料または組み合わせを用いてもよい。単なる例として、本体１０２および／または冷却ギャラリリング１０４は鋼材料、鋳鉄、アルミニウム材料、複合材料、または粉末金属材料から形成されていてもよい。また、本体１０２および／または冷却ギャラリリング１０４は異なる方法で形成されてもよい。例えば、本体１０２は、概ね単独の鋳物部品である一方、冷却ギャラリリング１０４は鍛造してもよい。便利な材料および／または成形の組み合わせを採用することができる。

従来、概して高い炭素当量値を有する鋼材料は一般的に言えば溶接には不向きであるが、一つの例示的な図において、比較的高い炭素当量値の鋼を本体１０２および冷却ギャラリリング１０４の少なくとも一方に使用している。例えば、炭素含有率が０．３８％の鋼、例えば３８ＭｎＶＳ６や、炭素含有率が０．４２％の鋼、例えば４２ＣｒＭｏ４を用いてもよい。炭素当量値は、重量パーセント単位で実際の炭素含有率より多少高くてもよい。

リング１０４は、一部には燃焼ボウル１２０の径方向外側領域に位置しているため、耐高温高圧性を特に必要とし、本体１０２より低い熱伝導率を有していてもよい。したがって、インコネルなどの耐熱性材料を用いてもよい。また、リング１０４は、本体１０２より高い耐食性および／または酸化性を必要とし得る。別の例示的な図において、リング１０４に用いられる材料は、比較的低い硫黄分を有する。低硫黄分は、内側および外側境界面領域Ｉ、Ｏの両方に沿って、より一定した高品質の溶接部をもたらし得る。

別の例示的な図では、本体１０２およびリング１０４の少なくとも一方におけるより高いニッケル含有率は溶接品質を向上させ得る。さらに、一部の例では、ニッケル系材料、例えば溶加材としてのニッケル鉄を溶接工程中に追加し、より高品質な溶接部を図ってもよい。

例えばレーザ溶接を介して、本体１０２とリング１０４とを固定し合う前に、本体１０２およびリング１０４は、確実でありながら非恒久的に予め組み立ててもよい。例えば、二つの構成要素間の焼嵌めまたは締り嵌めを採用してもよい。一例では、本体１０２を高温に配置し、リング１０４を本体１０２に挿入させるのに十分な熱膨張を開始する。本体１０２を低温に冷却すると、本体１０２の熱膨張は反転し、リング１０４を所定位置に拘束する。別の例示的な図では、本体１０２およびリング１０４は、異なる熱膨張係数を有する材料で形成し、両構成部品に熱を加えると、本体１０２のより大きな熱膨張をもたらし、リング１０４の挿入が可能になる。

例えばレーザ溶接工程において、本体１０２とリング１０４とを恒久的に接合させる前に、上記焼嵌めまたは締り嵌めの代わりに、またはそれに加えて、小さな溶接鋲を用いて本体１０２とリング１０４とをさらに固定してもよい。

上記したように、レーザ溶接工程は有利にも、つなぎ合わされる構成要素においてより小さな熱影響域、例えば数ミリメートルのそれを可能にする。しかしながら、比較的小さな熱影響域は、熱影響域または溶接部近傍の材料内で極端な温度勾配をもたらす可能性がある。したがって、極めて小距離にわたって材料内に大きな温度変化があるために、溶接された材料において亀裂が伝播する。そのため、例えば炉内でまたは誘導によって、溶接される構成要素を予熱することで、この勾配を低減させることが望ましい。一つの例示的な図では、本体１０２とリング１０４の両方を摂氏約２００〜６００度に加熱する。

例示的なレーザ溶接工程の一部として、如何なる種類のレーザ溶接システムを用いてもよい。例えば、固体レーザ、ディスクレーザ、炭酸ガスレーザ、またはファイバーレーザを用いてもよい。炭酸ガスレーザシステムは周知であり、大量生産の場においては、例えば、つい最近開発されたファイバーレーザシステムより馴染みがある。しかしながら、炭酸ガスレーザ工程も通常、例えば製造設備の周辺を容易に移動できない大きな機械を必要とするのに対し、固体レーザは、ファイバまたは光伝達媒体が拡張できる任意の場所で用いることができる。

一般的に、接合させる材料を適切に溶解するには、溶接接合部が厚いほど、より高出力レーザが必要となる。一つの例示的な図では、接合させる６ミリ（ｍｍ）厚さの材料は、６キロワット（ｋＷ）のレーザで毎分２．０メートルの送り速度で、３００〜４００マイクロメートル（μｍ）のビーム幅または厚さを使用して十分に溶接させられる。

レーザ溶接工程は本質的に、少なくともある程度の溶接スパッタを境界面領域Ｉ、Ｏを越えて、特に冷却ギャラリ１０８内に発生させる。したがって、いくつかの方法のうちの一つでスパッタを低減させることが望ましい。一例では、つなぎ合わされる材料にニッケルを追加することで、溶接スパッタの量を低減させることができる。別の例示的な図では、ヘリウムやアルゴンといった不活性ガスを冷却ギャラリ１０８内および／または溶接箇所周辺に循環させることでもスパッタを低減させることができる。さらに、機械的要素を冷却ギャラリ１０８内に配置して、スパッタを捕捉し、次いで除去してもよい。例えば、耐熱性の繊維性物質を冷却ギャラリ内に詰め、溶接工程が完了したら取り除いてもよい。別の例では、冷却ギャラリ１０８の内面に炭素被覆を施す。内面の炭素被覆は概して、溶接スパッタが表面に付着するのを抑制または防止することができ、例えば洗浄または高圧洗浄作業によって、後に除去しやすくする。

上述したように、レーザ溶接工程は、時として溶接接合部よりほんの数ミリメートル越える比較的小さな熱影響域のため、とりわけ有利であるが、その分短い距離で、溶接部に隣接する材料内に極端な温度勾配を被る可能性がある。一部にこの温度勾配が原因で発生しうる亀裂や低品質の溶接部を防ぐために、レーザ工程それ自体を制御して、冷却ギャラリ１０８内にもたらされるスパッタを低減してもよい。一例では、レーザ出力を徐々に減少させ、溶接工程中に起きる材料の溶解に関連する最高温度からの材料内温度の制御低下を可能にする。一つの例示的な図では、溶接動作をすぐに停止して、材料内のさらに激しい冷却温度勾配を引き起こすのではなく、溶接材料の温度をさらに段階的に低下させ得るレーザ出力のランプダウンを用いる。

レーザ溶接の冷却に係る一つの例示的な図では、溶接レーザ装置は、完全に停止するまで電力供給が徐々に減らされながら、ピストン１００の外周部まわりを移動しつつ溶接経路に沿って、例えば境界面領域Ｉおよび／またはＯに沿って移動し続ける。別の例示的な図では、レーザ出力が減らされ始めて、完全に遮断されたときから、レーザ装置がピストン１００に対して約５〜４０度の角度で走行する。さらに別の例では、レーザ出力は、ランプダウン中に、時間および／またはピストン１００の角位置に対して直線的に減少してもよい。さらに、ピストン１００のさらに低い応力領域、例えば内部応力が境界面領域Ｉおよび／またはＯに沿った他の領域よりも低い境界面領域Ｉおよび／またはＯに沿った位置で、レーザ出力のランプダウンを開始することが望ましい。予熱は溶接工程中のピストン１００全体にわたる総温度差を減少させ得るので、本体１０２および／または冷却ギャラリ１０４を予熱することで材料温度の制御低下はさらに強化される。

本体１０２とリング１０４とをつなぎ合わせた後、溶接スパッタがあれば、冷却ギャラリ１０８から取り除いてもよい。一つの例示的な図では、流体が高圧で冷却ギャラリ１０８内を循環する高圧洗浄作業を用いてもよい。上述したように、溶接スパッタの除去は、冷却ギャラリ１０８の内面の被覆、例えば炭素被覆でもって容易になり得る。

また、レーザ溶接は、有利にも、ピストン１００および関連機能の形成を完了させるのに必要とされる後処理を減らすことができる。具体的には、例示的なレーザ溶接工程によくある比較的小さな熱影響域は、溶接部に隣接した領域において小さな形状偏差をもたらし得る。したがって、レーザ溶接工程が終わると、ピストン１００は最終形状に近い形状に形成され、境界面領域Ｉ、Ｏに隣接するピストン１００のいずれかの領域を機械加工する必要性はたとえあるとしてもほとんど無い。一つの例示的な図において、概ね円状の加工工具または研磨工具を用いて、境界面領域Ｉ、Ｏの機械加工を終了させる。したがって、径方向内側境界面領域Ｉに隣接する材料を取り除く機械加工の結果、燃焼ボウル１２０に対する頂点１３０が冷却ギャラリリング１０４に形成される。

さらに、材料バリが本質的に生じる摩擦溶接工程とは対照的に、レーザ溶接工程は、材料バリまたは溶接接合部の下層領域の露出は、たとえあるとしてもほとんど無い。材料バリや溶接の丸まりが無いことで境界面領域付近に平滑な表面を強化し、そうでなければ溶接接合部において応力または亀裂を伝播しがちな応力集中部を低減させる。そして今度は、バリの低減が材料の無駄を減らすことになる。また、摩擦溶接の場合に必要となる次の機械加工作業中に容易に取り除けないバリが閉鎖空間に生じる状況では、バリの低減は、ピストン重量を少なくするというさらなる利点を有する。

リング１０４と本体１０２との例示的なレーザ溶接接合部の種々の例を図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、および図３Ｄに示す。図示のように、溶接接合部は、関連する境界面領域において本体１０２およびリング１０４の合わせ面を取り囲む略平滑な溶接輪郭を有する。さらに、追加の機械加工または仕上げ工程の必要を低減またはなくしさえしても、外面輪郭は略平滑のままおよび／または最低限の表面不連続を有する。例えば、接合部Ｗ_１およびＷ_２は、例えば摩擦溶接工程の結果生じ得る余分な材料バリを燃焼ボウル１２０内および／または上面１１０に沿って作り出さない。

図３Ａに示すように、本体１０２およびリング１０４は径方向外側の境界面領域Ｏでつなぎ合わされる。本体１０２とリング１０４との溶接部Ｗ_１は、本体１０２およびリング１０４の合わせ面１４４、１４６（仮想線で示す）をそれぞれ取り囲み、合わせ面１４４、１４６が概ね互いに固定される。本体１０２とリング１０４をつなぎ合わせるために使用する入射レーザビーム（例えば、レーザビームＬ_Ｂ、図２Ｂ参照）によって生じる概ね狭い熱影響域を反映して、溶接部Ｗ_１は、合わせ面１４４、１４６および／またはピストン軸（図３Ａには示さず）に平行な方向に概ね細長い。

図３Ｂに示すように、本体１０２およびリング１０４は径方向内側の境界面領域Ｉで接合される。本体１０２とリング１０４との溶接部Ｗ_２は、本体１０２およびリング１０４の合わせ面１４０、１４２（仮想線で示す）をそれぞれ取り囲み、合わせ面１４０、１４２が概ね互いに固定される。溶接部Ｗ_２もまた、合わせ面１４０、１４２に平行な方向にではあるが概ね細長い。さらに、それにより溶接部Ｗ_２も、本体１０２とリング１０４をつなぎ合わせるために使用する入射レーザビーム（例えば、レーザビームＬＡ、図２_Ｂ参照）によって生じる概ね狭い熱影響域を反映して、ピストン軸（図３Ａには示さず）に対して非平行かつ非直交な角度を画定する方向に細長くなり得る。

本明細書に開示する例示的なピストン１００は、概ね制限なく、大小口径の用途において用いることができる。低減された材料バリおよび溶接接合部の大きさは、有利にも、ピストン１００のより小さな全体形状を可能にする。コンプレッションハイト、すなわち、ピストン直径の、上面１１０と、ピンボス１０５によって画定される孔中心との間の距離に対する比を低減させることができる。一つの例示的な図では、ピストン１００は、（同等の摩擦溶接されるデザインの周知のコンプレッションハイト、約５５〜７０パーセントと比較して）約２５〜５５パーセントのコンプレッションハイトを有する。最低限のまたは存在しない溶接バリもまた、浅いボウル形状を容易にし得る。最後に、より小さなコンプレッションハイトはピストン１００の大きさおよび重量を減少させ、より小さなエンジンブロックおよび構成要素全体を可能にし、エンジンブロックまわりの車両パッケージングにさらに柔軟性を持たせることができる。エンジン運転中にエンジンボアに対する横力を低減させて、コンプレッションハイトが最小化されている場合は、より長いコネクティングロッドを使用することもできる。これにより、ピストン１００とボアとの摩擦が減らされ、エンジン効率を向上させ得る。

さらに、ピストンアセンブリ１００は、ピストンアセンブリ１００の剛性ゆえ、また材料選択の更なる自由度ゆえ、増大した最高燃焼圧力に耐え得る。製造コストもまた、一部の例示的な図で使用し得る簡易鍛造および溶接工程のために削減できる。

図４に移り、ピストン、例えばピストン１００を組み立てるための例示的な工程４００が示されている。工程４００はブロック４０２から始まり、ここではピストン本体が設けられる。例えば、上述したように、ピストン本体１０２は、例えば鋳造または鍛造工程で形成され得る。さらに、ピストン本体１０２は、径方向内側および外側合わせ面１４０、１４４を備えていてもよい。

ブロック４０４に移り、冷却ギャラリリングが本体に組み付けられる。例えば、上述したように、冷却ギャラリリング１０４は、例えば鋳造または鍛造工程で形成し、ピストン本体１０２のそれらに対応する径方向内側および外側合わせ面１４２、１４６を備えていてもよい。リング１０４は、本体１０２に対するリング１０４の確実な位置決めを容易にするような方法で、二つの構成要素を恒久的に固定し合うことなく、本体１０２に組み付けてもよい。例えば、リング１０４が本体１０２に嵌入するように本体１０２の温度を十分高い温度にまでもっていくことで焼嵌めを利用してもよい。さらに、本体１０２およびリング１０４間の比較的小さな機械的締結、例えば溶接鋲を用いてもよい。さらに、上述したように、リング１０４は本体１０２と同じ材料または異なる材料で形成してもよい。その後、工程４００はブロック４０６に移る。

ブロック４０６では、本体１０２が径方向内側境界面領域に沿ってリング１０４に接合される。例えば、上述したように、一部の例示的な手法において、レーザ溶接部を用いてリング１０４および本体１０２の対応する合わせ面、例えば合わせ面１４２、１４０をそれぞれ接合してもよい。さらに、合わせ面は、レーザの入射に概ね平行な方向に細長くてもよい。レーザ装置自体が、比較的狭い溶接部および／または熱影響域をもたらし得る。例えば、溶接Ｗ_２は、高さ、すなわちレーザビームの入射に平行な方向における合わせ面１４０、１４２の長さより短い、合わせ面１４０、１４２に概ね垂直な方向における幅を有するように細長くてもよい。冷却ギャラリリング１０４および本体１０２の少なくとも一方を予熱して、レーザ溶接工程に起因するリング１０４および／または本体１０２内の温度勾配を低減させるだけでなく、例えばリング１０４と本体１０２の事前組立を容易にしてもよい。

ブロック４０８に移り、本体を径方向外側境界面領域に沿ってリングに接合する。径方向内側境界面領域と同様に、リング１０４および本体１０２の合わせ面は、入射するレーザビームに概ね平行に整列させてもよい。さらに、上述したように、本体１０２およびリング１０４の合わせ面１４４、１４６はそれぞれ概ね垂直に、すなわちピストン軸Ｂ−Ｂに概ね平行な方向に配向してもよい。その後、工程４００はブロック４１０に移る。

ブロック４１０では、レーザ出力をレーザ溶接工程中に低下させる。例えば、上述したように、リング１０４を本体１０２にレーザ溶接させる間のレーザ出力の低下は、二つの構成要素内での温度勾配を最小限にし、リング１０４および本体１０２の熱影響域における温度の初期低下を制御し得る。一例では、レーザ装置を径方向外側および内側境界面領域Ｏ、Ｉの一方に沿って向けながら、レーザ出力を低下させる。別の例示的な図では、レーザ装置をピストン１００の外周部の所定角度範囲に沿って向けながら、出力を低下させる。例えば、レーザ冷却は、約５〜４０度のピストン角度範囲に対して開始させてもよい。さらに、レーザ出力が定速で減少するように、レーザ出力におけるレーザ冷却の少なくとも一部は直線的であってもよい。さらに、レーザ冷却は、レーザ溶接工程のサブプロセスの間に、サブプロセスの最終仕上げ部分として、開始させてもよい。例えば、レーザ装置は、径方向外側境界面領域Ｏへ当てている間に電力供給をやめ、径方向内側境界面領域Ｉへ当てている間にさらに電力供給をやめてもよい。

ブロック４１２に移り、溶接スパッタをピストンから、特に冷却ギャラリ１０８から除去する。例えば、耐熱性材料または難燃性材料をレーザ溶接前に冷却ギャラリ１０８内に配置し、材料がスパッタを「捕捉し」、それが冷却ギャラリ１０８の内面に付着することを防止してもよい。別の例では、高圧洗浄作業を利用して、冷却ギャラリ１０８の内面に付着する溶接スパッタを取り除いて除去する。

本明細書に記載の工程、システム、方法、ヒューリスティクス等に関しては、そのような工程等の手順が、特定の順序付けられたシーケンスに従って起きるように記載しているが、そのような工程は、本明細書に記載した順序以外の順序で記載した手順を実施しながら実行することができることは理解すべきである。さらに、特定の手順を同時に実施できること、他の手順を追加できること、または本明細書に記載の特定の手順を省略できることも理解すべきである。換言すれば、ここでの工程の説明は、特定の実施形態を例示するために提供されたものであり、請求された発明を限定するように決して解釈されるべきではない。

したがって、上記説明は、説明のためのものであり、限定するためのものではないことを理解されたい。上記説明を読めば、提供した例以外に多くの実施形態および適用例があるであろう。本発明の範囲は、上記説明を参照して決定されるべきではなく、代わりに、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲に与えられる均等物の全範囲と共に決定されるべきである。ここに述べた技術において将来的な発展があり、開示したシステムおよび方法はそのような将来的な実施形態に組み込まれるであろうことが予期され、意図されている。つまり、本発明は、変更および変形可能であり、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されることは理解すべきである。

特許請求の範囲で使用される全ての用語は、それとは反対の明示がここになされない限り、当事者が理解するような最も広く合理的な構成と通常の意味を与えられることを意図している。特に、「一つの」、「その」、「前記」等の単数冠詞の使用は、請求項がそれとは反対の明確な限定を記載しない限り、一つ以上の示した要素を記載していると解釈すべきである。

Claims (20)

1. ピストン軸を画定するピストン本体であって、冷却ギャラリの下面を形成し、径方向内側および外側の本体合わせ面を含むピストン本体を設け、
   前記ピストン本体が径方向内側のリング合わせ面と径方向外側のリング合わせ面を備える冷却ギャラリリングと協動して、前記ピストン本体によって画定される径方向内側部と、前記冷却ギャラリリングによって画定される径方向外側部とを有する連続した上部燃焼ボウル面を形成するように前記冷却ギャラリリングを前記ピストン本体に組み付け、
   前記本体および前記冷却ギャラリリングの前記対応する合わせ面を含む径方向内側境界面領域に沿って前記本体を前記冷却ギャラリリングに接合し、
   前記本体および前記冷却ギャラリリングの前記径方向外側合わせ面を含み、前記ピストン軸に平行な方向に細長い径方向外側境界面領域に沿って前記本体を前記冷却ギャラリリングに接合することを特徴とする方法。
2. レーザ溶接を含めて、前記径方向内側境界面領域に沿って前記本体を前記冷却ギャラリリングに接合することおよび径方向外側境界面領域に沿って前記本体を前記冷却ギャラリリングに接合することの少なくとも一方を確立することをさらに備える請求項１の方法。
3. 前記レーザ溶接は、溶接レーザ装置を前記本体および前記冷却ギャラリリングの前記径方向外側合わせ面に向かって前記ピストン軸と略平行に向けることを含む請求項２の方法。
4. 前記レーザ溶接は、溶接レーザ装置を前記本体および冷却ギャラリリングの前記径方向内側合わせ面に向かった方向に向けることを含み、前記方向は前記ピストン軸に対して非平行な角度を画定することを特徴とする請求項２の方法。
5. 前記ピストン本体は、エンジンボア面と接するよう構成されたスカートを含むことを特徴とする請求項１の方法。
6. 前記レーザ溶接は、レーザ装置が第１レーザ出力で動作する第１部分と、前記レーザ装置が前記第１レーザ出力より小さな第２レーザ出力で動作する、前記第１部分の後の第２部分を含むことを特徴とする請求項２の方法。
7. 前記第２部分は、前記ピストン本体の外周部の所定角度範囲に沿って前記レーザ装置を向けることを含む請求項６の方法。
8. 前記所定角度範囲は、約５〜４０度であることを特徴とする請求項７の方法。
9. 前記第２部分は、前記第１レーザ出力から直線的な出力低下を含むことを特徴とする請求項６の方法。
10. 前記レーザ溶接の前に、前記本体および前記冷却ギャラリリングの少なくとも一方を加熱することをさらに備える請求項２の方法。
11. 前記本体および前記冷却ギャラリリングの少なくとも一方の加熱は、前記本体および前記冷却ギャラリリングの少なくとも一方を少なくとも摂氏２００度に加熱することを含む請求項１０の方法。
12. 前記レーザ溶接の後に前記冷却ギャラリから溶接スパッタを除去することをさらに備える請求項２の方法。
13. ピストン軸を画定するピストン本体であって、冷却ギャラリの下面を形成し、径方向内側および外側の本体合わせ面を備えるピストン本体を設け、
    前記ピストン本体が径方向内側のリング合わせ面と径方向外側のリング合わせ面を備える冷却ギャラリリングと協動して、前記ピストン本体によって画定される径方向内側部と、前記冷却ギャラリリングによって画定される径方向外側部とを有する連続した上部燃焼ボウル面を形成するように前記冷却ギャラリリングを前記ピストン本体に組み付け、
    前記本体および前記冷却ギャラリリングの前記対応する合わせ面を含む径方向内側境界面領域に沿って前記本体を前記冷却ギャラリリングにレーザ溶接し、
    前記本体および前記冷却ギャラリリングの前記径方向外側合わせ面を含み、前記ピストン軸に平行な方向に細長い径方向外側境界面領域に沿って前記本体を前記冷却ギャラリリングにレーザ溶接することを特徴とする方法。
14. 前記レーザ溶接の少なくとも一方は、レーザ装置が第１レーザ出力で動作する第１部分と、前記レーザ装置が前記第１レーザ出力より小さな第２レーザ出力で動作する、前記第１部分の後の第２部分を含むことを特徴とする請求項１３の方法。
15. 前記第２部分は、前記第１レーザ出力から直線的な出力低下を含むことを特徴とする請求項１４の方法。
16. 前記レーザ溶接の前に、前記本体および前記冷却ギャラリリングの少なくとも一方を加熱することをさらに備える請求項１３の方法。
17. ピストン軸を画定するピストン本体であって、スカートを有しかつ冷却ギャラリの下面を形成し、径方向内側および外側の本体合わせ面を備えるピストン本体と、
    前記ピストン本体と協動して、連続した上部燃焼ボウル面を形成する冷却ギャラリリングであって、前記冷却ギャラリを実質的に密閉するように、前記燃焼ボウルにおいて径方向内側境界面領域に沿って前記径方向内側の本体合わせ面に当接する径方向内側のリング合わせ面を備え、径方向外側境界面領域に沿って前記径方向外側の本体合わせ面に当接する径方向外側のリング合わせ面を備える冷却ギャラリリングと、
    から成り、
    前記径方向内側および径方向外側境界面領域に沿って、前記ピストン本体と前記冷却ギャラリリングとを溶接し、前記径方向内側および外側合わせ面のうち少なくとも一方は前記ピストン軸に平行に並び、それにより、前記ピストン軸に平行な方向に細長い溶接部を画定することを特徴とするピストンアセンブリ。
18. 前記本体は、前記燃焼ボウル面の径方向外側部を画定し、前記リングは、前記燃焼ボウル面の径方向内側部を画定することを特徴とする請求項１７のピストンアセンブリ。
19. 前記ピストン本体および前記冷却ギャラリリングの前記径方向外側合わせ面は、前記ピストン軸に略平行に並んでいることを特徴とする請求項１７のピストンアセンブリ。
20. 前記ピストン本体および前記冷却ギャラリリングの前記径方向内側合わせ面は、前記ピストン軸に非平行な方向に並んでいることを特徴とする請求項１９のピストンアセンブリ。

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