JP2016509152A - モノライトピストンのレーザ溶接のスパッタ制御 - Google Patents

Abstract

ピストンアセンブリを溶接するための代表的なシステムおよび方法は、冷却空洞とその中に配置されたさらさら粒状媒体とを有している。冷却空洞は、ピストン本体および冷却空洞リングにより形成され、例えばレーザ溶接機のような溶接機が、ピストン本体を冷却空洞リングへ溶接するためにそのアセンブリの近くに配置される。溶接の間にわたって、アセンブリは回転させられ、さらさら粒状媒体は冷却空洞の重力方向の低い箇所にとどめられる。溶接部は、溶接の間にわたって放出される溶接スパッタがさらさら粒状媒体の中に放出されるように、さらさら粒状媒体の近くの領域で形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、モノライトピストンのレーザ溶接のスパッタ制御に関するものである。

内燃機関の製造者は、常にその製品の出力および燃料効率を向上させることを追求している。おおむね効率や出力を向上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、およびその他のエンジンの可動部分の振動質量を低減させることである。エンジンの出力および効率の少なくとも一方を向上させる努力は、動作中の燃焼チャンバにおける圧力および温度の少なくとも一方の増大にもつながり得る。

エンジン、および特にエンジンのピストンは、したがってこれらの重量の低減の結果として、エンジンの動作に関連して、増大した重圧、圧力および温度の下におかれる。したがって、エンジンの寿命期間中にわたって、そのような動作状態の増大した重圧に耐えるために、ピストンの冷却がいっそう重要である。

ピストンの構成要素の動作温度を下げるために、ピストンの外周部の近くに内部の冷却空洞が設けられ得る。例えばクランクケースオイルのような冷却液が、ピストンの動作中に冷却空洞に案内されてもよいし、ピストンの往復運動により冷却空洞に分配されてもよく、そのことがピストンの動作温度を下げる。

冷却空洞は、ピストンおよびピストンの製造の全体的な複雑性を増大させ得る。例えば、冷却空洞は、冷却空洞を通って循環する冷却液（例えば、オイル）を一時的に貯留することにより、冷却空洞を通る冷却液の適切な循環を促進して誘導するために、例えば冷却空洞カバーのような追加的な構成要素を含み得る。しかしながら、追加的な構成要素（例えば、カバープレート）は複雑性を増し、さらに高価であり得るか、および／または、例えば軽量のまたは低負荷用のピストンのような小さなピストンアプリケーションを形成するのが困難であり得る。加えて、例えば摩擦溶接のような、一体型のピストン内に密閉された冷却空洞を形成するための既知の方法は、摩擦溶接プロセスにおいて意図しない変形が生じることなくピストンと冷却空洞の機構を適切に形成するために、非常に高い強度のピストンの構成要素を含んでおり、そのために結果としてできるピストンのサイズおよび重量が増大する。摩擦溶接においてピストンの構成要素に加えられる非常に大きな力は、また、どこに溶接継ぎ手が配置され得るかを制限する。

そのようなものとして、一体型のピストン内に密閉された冷却空洞を形成するための他の既知の方法は、ピストンに冷却空洞カバーをレーザ溶接することを含んでいる。典型的に、ピストンはまずその中に形成された冷却空洞を有して形成され、冷却空洞リングは別個に形成され、そして、ピストン内に冷却空洞を形成するために冷却空洞カバーがピストンにレーザ溶接される。溶接の完全な溶け込みを得るために、溶接される部品の深さの全体にわたって溶融接合が形成されるよう十分な出力が提供される。しかしながら、そうする際に溶接継ぎ手または溶融接合から溶接スパッタが放出され、冷却空洞の内側部分に付着する微粒子を発生させる。溶接スパッタは、スパッタが冷却空洞の壁部に付着し得るので、いったん冷却空洞リングが取り付けられると除去するのが困難であり得る。もしも溶接スパッタを冷却空洞内から除去することが出来なければ、スパッタは冷却液の流れを妨げるか、あるいはもしスパッタが動作中に外れるとピストンの性能問題を引き起こし得るので、製造した部品は廃棄されなければならないかも知れない。

したがって、冷却空洞を形成するためのレーザ溶接プロセスにおいて、冷却空洞に入る溶接スパッタを最小限にすることが必要である。

図１は、代表的なピストンアセンブリの斜視図である。 図２Ａは、代表的なピストンアセンブリの部分断面図である。 図２Ｂは、別の代表的なピストンアセンブリの部分断面図である。 図２Ｃは、別の代表的なピストンアセンブリの部分断面図である。 図３Ａは、ピストン本体と冷却空洞リングとの代表的なレーザ溶接の径方向外側の界面領域を示す断面図である。 図３Ｂは、ピストン本体と冷却空洞リングとの代表的なレーザ溶接の径方向内側の界面領域を示す断面図である。 図３Ｃは、ピストン本体と冷却空洞リングとの代表的なレーザ溶接の径方向内側および外側の界面領域を示す斜視図である。 図４Ａは、冷却空洞内にさらさら媒体（ｌｏｏｓｅ ｍｅｄｉａ）を有するピストンアセンブリを示す側面図である。 図４Ｂは、図４Ａのピストンアセンブリの平面図である。 図５は、ピストンアセンブリを溶接する代表的な方法のためのプロセスフロー図である。

以下、図面を参照して、説明に役立つ実例を詳細に示す。図面は以下に記載する代表的な例を表しているが、図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、一定の特徴は、代表例の革新的な面のより良い例示や説明のために強調されている。さらに、以下に記載する代表的な例は、網羅的なものを意図してはおらず、あるいは図面に示す構成および以下の詳細な説明で開示する構成に制限または限定するものではない。本発明の代表例を図面を参照して詳細に説明する。

本明細書における「代表的な例」や「例」または似たような語は、代表的な方法を伴う特定の特性、構造、または特徴が少なくとも１つの例に含まれていることを意味する。本明細書におけるさまざまな場所での「例において」というフレーズまたは似たタイプの言葉の出現は、必ずしも同じ例に言及しているわけではない。

以下、ピストンアセンブリを製造する方法やシステムのさまざまな代表的な例を提供する。代表的なピストンは、ピストン軸を規定するピストン本体を有しており、ピストン本体は、スカートを有しかつ冷却空洞の下側面を形成している。本体は、径方向内側および径方向外側の本体接合面を有していてもよい。ピストンは、連続的な上側の燃焼ボウル面を形成するためにピストン本体と協働する冷却空洞リングをさらに有していてもよい。冷却空洞リングは、冷却空洞が実質的に密閉されるように、燃焼ボウルにおいて径方向内側の本体接合面を伴う径方向内側の界面領域に沿って隣接する径方向内側のリング接合面を有していてもよく、径方向外側の本体接合面を伴う径方向外側の界面領域に沿って隣接する径方向外側のリング接合面を有していてもよい。ピストン本体および冷却空洞リングは、一般的な一体型のピストンアセンブリを形成するために、径方向内側および径方向外側の界面領域に沿ってともに接合されてもよい。

いくつかの代表的な例では、ピストンは溶接プロセス、例えばレーザ溶接プロセスにおいて接合され得る。代表的なレーザ溶接プロセスは、以下に記載するように、生産柔軟性を十分に向上させることを容易にし得る。一つの例では、径方向内側および径方向外側の接合面の少なくとも一方は、ピストン軸に対して垂直に並べられていない。例えば、一般的な垂直な溶接継ぎ手、すなわちピストンの二つの構成要素が接合される接合面に対応する部分は、一般にピストンの縦軸に平行に並んでいる。さらに、レーザ溶接継ぎ手の接触面は、継ぎ手が衝突するレーザ溶接ビームにより接触可能である限り、実質的に任意の角度を規定する。さらには、レーザ溶接を形成するとき、冷却空洞内へ放出される溶接スパッタは、溶接プロセスに先立って冷却空洞内に置かれるさらさら粒状媒体のために、冷却空洞の壁部に付着しないようにされる。

図１には、代表的なピストンアセンブリ１００が図示されている。ピストンアセンブリ１００は、ピストン本体１０２とピストン本体１０２に受容される冷却空洞リング１０４とを備えていてもよい。ピストン本体１０２および冷却空洞リング１０４は、それにより、燃焼ボウル下側面１１８を有する燃焼ボウル１２０を規定し得る。本体１０２は、ピストンアセンブリ１００を受容するエンジンボア（図示せず）に対してシールするように構成されたリングベルト部１０６を有していてもよい。例えば、リングベルト部１０６は、ピストンリング（図示せず）を受容する１つ以上の円周溝１０７を規定していてもよく、円周溝は、エンジンボア内におけるピストンアセンブリ１００の往復運動の間にわたってエンジンボアの表面に対してシールする。本体１０２内に冷却空洞リング１０４を受容することにより、冷却空洞リング１０４、および／または、ピストンアセンブリ１００のサイズおよび形状に関して柔軟になり得る。すなわち、より低い全体的な圧縮高さ、および／または、ピストンアセンブリ１００の重心を許容する。

ピストン本体１０２は、エンジンの動作中にピストンアセンブリ１００を一般に支持する、すなわち、ボア内における往復運動の間ピストンアセンブリ１００を安定させるためにエンジンボア（図示せず）の表面に接触することによりピストンアセンブリを支持するスカート面１０３を有していてもよい。例えば、スカート面１０３は、ピストンアセンブリ１００の外周部の少なくとも一部について、円形の外形を概して規定し得る。外形はエンジンボアの面に一致しており、それは一般に円筒形である。

本体１０２は、また、ピストンピンボス１０５を規定し得る。ピストンピンボス１０５は、概して、ピストンピン（図示せず）を受容するように構成された開口またはピンボア１０９とともに形成され得る。例えば、ピストンピンはピンボア１０９を通ってピストンピンボス１０５に挿入され、それにより概してピストン１００をコンタクティングロッド（図示せず）に固定する。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃには、代表的なピストン１００ａ、１００ｂ、１００ｃ（一括して、１００）がさらに詳細に図示されている。ピストン１００の各々は、少なくとも部分的に冷却空洞１０８を規定するリングベルト部１０６を有していてもよい。冷却空洞１０８はピストンクラウンの外周部の周りを延びていて、作動中に冷却液、例えばオイルを循環させ、それによりピストンの動作温度を下げる。加えて、冷却液の循環は、ピストン１００について、特に、例えば燃焼ボウル１２０の近傍のピストンアセンブリ１００の上側部分について、より安定したまたは一定の温度を維持することを容易にし得る。

ピストン本体１０２およびリング１０４は、例えばレーザ溶接プロセスにおいて、固定的に接合されてもよい。ピストン本体１０２とリング１０４を固定的に接合することにより、ピストンアセンブリ１００ａ，１００ｂ，１００ｃは概して一体型のアセンブリとして形成される。

ピストン１００ａ，１００ｂ，１００ｃの各々では、本体１０２およびリング１０４の要素はレーザ溶接プロセスにおいて、径方向内側の界面領域Ｉおよび径方向外側の界面領域Ｏの両方に沿って接合されていてもよい。したがって、本体１０２とリング１０４とは別個の構成要素であるが、クラウンに固定された後に互いに対してそれぞれが固定されるように、ピストン本体１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ（一括して、１０２）は、それぞれの冷却空洞リング１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ（一括して、１０４）と一体化されていてもよい。冷却空洞リング１０４は、本体１０２およびリング１０４が協働してピストンアセンブリ１００の連続した上側の燃焼ボウル面１２０を形成するように、本体１０２に固定されてもよい。

図２Ｂにおいて、本体１０２およびリング１０４の、それぞれの対応する径方向外側の接合面１４４，１４６が、ピストン１００、例えばピストン１００ｂの径方向外側の界面領域Ｏにおいて上側面１１０に沿って接触している。加えて、本体１０２およびリング１０４の、それぞれの対応する径方向内側の接合面１４０，１４２が、径方向内側の界面領域Ｉの径方向内側に配置された燃焼ボウル１２０の第１径方向外側部１２０ｂを冷却空洞リング１０４が規定するように、燃焼ボウル１２０内で径方向内側の界面領域Ｉに沿って接触している。

燃焼ボウル面１２０は、リング１０４と本体１０２との間の界面、例えば径方向内側の界面領域Ｉ、および／または、径方向外側の界面領域Ｏの全体にわたって実質的に滑らかであって、それにより表面１２０における分裂、および／または、切れ目を最小限にしている。そのような分裂または切れ目を最小限にすることは、通常の長期的な作動の間にわたって、界面領域Ｉ，Ｏに沿った本体１０２とリング１０４との間の界面のひび割れや弛みを概して低減し得る。したがって、燃焼ボウル面１２０におけるいかなる傷または破損、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、が最小限に抑えられ得る。以下にさらに記載するように、ピストンアセンブリ１００を形成するために使用される溶接、および／または、機械加工の実施は、燃焼ボウル面１２０における表面の凹凸を低減し得る。

ピストン本体１０２および冷却空洞リング１０４は、例えばレーザ溶接のような溶接工程により互いに固定されるか、あるいは固定的に接合されてもよい。１つの代表的な例では、ピストン本体１０２と冷却空洞リング１０４とは、径方向内側および外側の界面領域Ｉ，Ｏの両方に沿って互いに固定されている。レーザ溶接では、本体１０２と冷却空洞リング１０４との接合に関連する溶接プロセスの前、および／または、後において最小限の機械加工工程を要する概して滑らかな燃焼ボウル面１２０を溶接工具により形成することが可能である。さらには、機械加工が全く必要でない例もある。

レーザ溶接の実施は、本体１０２とリング１０４との間の堅固な金属溶接の形成を可能とし得る一方でまた、関連する熱影響部の大きさを最小限に抑える。より具体的には、溶接レーザは、径方向内側の界面領域Ｉ、および／または、径方向外側の界面領域Ｏにおいて熱影響部を広めるために概して利用され、界面領域は、本体１０２およびリング１０４の接合面を含むかまたは直接的に隣接し、それにより界面領域Ｉ，Ｏにおいて接合面に沿って本体１０２およびリング１０４をともに溶接する。例えば、径方向外側の界面領域Ｏの熱影響部は、本体１０２の径方向外側の接合面１４４とリング１０４の径方向外側の接合面との両方を含み得る。

リング１０４と本体１０２とがレーザ溶接プロセスを用いて接合されるところでは、溶接レーザは、界面領域Ｉ、および／または、界面領域Ｏの全体の外周周りに実質的に延びる連続的な溶接プロセスにおいて使用され、溶接部がピストン１００の全体の周りに実質的に延びている。その代わりに、一連の不連続な溶接が、界面領域Ｉ、および／または、界面領域Ｏの周縁に沿って形成されてもよい。

上述したように、径方向内側の界面領域Ｉは、燃焼ボウル面１２０に沿って配置され得る。径方向外側の界面領域Ｏは、ピストン１００ｂの上側面１１０に沿って配置され得る。上側面１１０における径方向外側の界面領域Ｏの配置は、特にピストン１００が対応するボア（図示せず）内に装着されているとき、例えばピストンリング部１０６ｂに沿って、本体１０２が冷却空洞リング１０４を支持することを有利に可能とする。このような冷却空洞リング１０４の追加的な支持は、それによりピストン１００の耐久性と高い温度や圧力への抵抗力を高める。別の代表的な例では、径方向外側の界面領域Ｏは、ピストン１００の外側壁部１１２に沿って、例えばリングベルト部１０６ｂに沿って配置されていてもよい。

本体１０２と冷却空洞リング１０４とを接合するために使用されるレーザ溶接の実施は、例えば摩擦溶接のような他の溶接方法と比較していくつかの利点を有し得る。レーザ溶接の実施は、典型的に、ときには数ミリ程度となる比較的小さな熱影響部をもたらす。それでも、熱影響部は、有利なことに、下記に記載するように、本体１０２の接合面だけでなくリング１０４の対応する接合面を含んでいる。加えて、レーザ溶接は、実質的に、入射レーザビームが到達可能なピストン１００の任意の箇所において実行され得る。したがって、レーザ溶接の実施は、本体１０２とリング１０４との間の界面領域、例えば径方向内側および外側の界面領域Ｉ，Ｏのためのピストン１００における箇所の選択において十分な柔軟性を許容し得る。

したがって、レーザ溶接プロセスは、例えば図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃに示す例において有利であり、図２Ｂに最もよく見られるように、径方向外側の界面領域Ｏは、おおむね垂直な接合面１４４，１４６を含み、内側の界面領域Ｉは、ピストン１００の軸１１４、例えば軸Ｂ−Ｂ（１１４）に関して非平行かつ非垂直に傾斜した接合面１４０，１４２を含んでいる。

界面領域Ｉ，Ｏのレーザ溶接の実施に関連したレーザビームは、界面領域Ｉ，Ｏにおいて本体１０２およびリング１０４の接合面に対して、おおむねあるいは実質的に平行に向けられ得る。１つの代表的な例では、レーザ溶接プロセスにおいて使用されるレーザビームは、ピストン軸１１４に関して傾斜している。例えば、図２Ｂに示すように、レーザビームＬ_Ｂは溶接界面領域Ｉに向けられるとき、ピストン軸１１４に関して角度αだけ傾斜して向けられ得る。さらには、レーザビームＬ_Ｂは、界面領域Ｉに沿って接合面１４０，１４２に対して実質的に平行に向けられ得る。

別の代表的な例では、レーザビームＬ_Ａは溶接界面領域Ｏに向けられるとき、ピストン１００の上側面１１０に沿って、ピストン軸１１４に対して実質的に平行に向けられ得る。さらには、レーザビームＬ_Ａは、界面領域Ｏに沿って本体１０２とリング１０４との間の接合面１４４，１４６に対してそれぞれに実質的に平行であり得る。

冷却空洞１０８は、有利なことに、レーザ溶接プロセスの間にガスが逃げるのを許容する１つ以上の開口部１５０を規定し得る。少なくとも１つの開口部を設けることは、冷却空洞１０８の内部に存在する任意のガスまたは空気が急速に膨張する傾向があるときに、溶接プロセスにおいて有益である。開口部は、それにより、ガスまたは空気の膨張による、冷却空洞１０８および隣接するピストン１００の表面へのダメージを防ぎ得る。さらには、膨張したガスの「キーホール効果」は、界面領域Ｉ，Ｏに沿った溶接部を損傷し得る。さらに詳細に述べると、溶接部は冷却空洞１０８がシールするとき、膨張したガスは、膨張したガスのための逃げ道、例えば開口部が設けられていない限り、材料が十分に硬化する前の溶融状態の材料を通って逃げることにより溶接領域を損傷する傾向にある。加えて、開口部は、冷却液、例えばオイルが動作中に冷却空洞を通って循環するのを許容するために必要とされ得る。１つの代表的な例では、１つ以上の開口部、例えば開口部１５０は、冷却空洞１０８の下側面に設けられており、それにより開口部は、ピストン１００の動作中にわたってオイルの冷却循環の入口または出口として使用され得る。さらに記載するように、開口部１５０は、また、溶接部および冷却空洞１０８内から放出された溶接スパッタが粒状の媒体により吸収されかつ冷却空洞１０８の壁部に付着するのを妨げるように、溶接に先立って冷却空洞内に配置され得る例えば砂のような粒状の媒体を除去するために使用され得る。

ピストン本体１０２および冷却空洞リング１０４は、例えばレーザ溶接に抵抗のない都合のよい材料から構成され得る。単なる一例として、レーザ溶接に対して受容的な金属含有材が用いられ得る。１つの代表的な例では、本体１０２および冷却空洞リング１０４は、同じ材料、例えば鋼で形成されている。別の例では、本体１０２および冷却空洞リング１０４は、互いに異なる材料で形成されている。したがって、構成要素に使用される材料は、一般要求事項および作動状態のそれぞれに関連して、より詳細に組み合わせられ得る。ピストン本体１０２は、単なる例として、冷却空洞リング１０４に比べて、さまざまな機械的性質、例えば降伏点、引っ張り強さ、または切欠靭性を有していてもよい。都合のよい任意の材料または組合せが、本体１０２および冷却空洞リング１０４に用いられ得る。単なる例として、本体１０２および冷却空洞リング１０４の少なくとも一方は、鋼材料、鋳鉄、アルミニウム材料、複合材、または粉末状の金属材料で形成されていてもよい。本体１０２および冷却空洞リング１０４の少なくとも一方は、また、例えば本体１０２は一般的な単一鋳片である一方、冷却空洞リング１０４は鍛造されるような、異なるプロセスで形成されてもよい。任意の材料、および／または、形成方法の組合せが都合のよいように用いられ得る。

一般に高い炭素当量値を有する鋼材料は伝統的に溶接に不向きであったが、１つの代表的な例では、比較的高い炭素当量値の鋼が本体１０２および冷却空洞リング１０４の少なくとも一方に使用されている。例えば、０．３８％の炭素量を有する鋼、例えば３８ＭｎＶＳ６、または、０．４２％の炭素量を有する鋼、例えばＣｒＭｏ４が使用され得る。炭素当量値は、重量ベースでのパーセンテージで、実際の炭素量よりもいくらか高い。

リング１０４は、燃焼ボウル１２０の径方向外側の領域におけるその配置のせいで、特に高温および高圧への耐久性が求められ得るし、本体１０２よりも低い熱伝導率を有し得る。したがって、例えばインコネルのような耐熱材料が使用され得る。リング１０４は、また、本体１０２よりも高い耐腐食性、および／または、耐酸化性が求められ得る。別の代表的な例では、リング１０４に使用される材料は比較的低い硫黄分を有している。低い硫黄分は、内側および外側の界面領域Ｉ，Ｏの両方において、より均一で高品質の溶接をもたらし得る。

別の代表的な例では、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量は、溶接の品質を高め得る。さらには、より高品質の溶接を促進するための溶接プロセスにおいて、ニッケル系材料、例えばフィラー材料としてのニッケルと鉄の合金が加えられる例もある。

本体１０２およびリング１０４を例えばレーザ溶接によりともに固定する前に、本体１０２およびリング１０４は、固定されかつまだ非永続的な態様でプリアセンブルされ得る。例えば、２つの構成要素の間において焼ばめまたは締まりばめが用いられ得る。１つの例では、本体１０２は、高温度下に置かれ、本体１０２内へのリング１０４の挿入を許容するのに十分な熱膨張を始める。本体１０２を低温まで冷却するとき、本体１０２の熱膨張は逆転し、それによりリング１０４が所定の位置に拘束される。別の代表的な例では、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され、両構成要素への熱の適用はより大きな程度の本体１０２の熱膨張をもたらし、リング１０４の挿入を許容する。

本体１０２とリング１０４とを例えばレーザ溶接プロセスにおいて永久的に接合する前に、本体１０２とリング１０４とをより強く固定するために、上述した焼ばめまたは締まりばめの代わりにあるいは加えて、小さな仮付け溶接が使用されてもよい。

レーザ溶接プロセスは、上述したように、有利なことに、ともに溶接された構成要素におけるより小さな熱影響部、例えば数ミリだけの熱影響部を許容する。しかしながら、比較的小さな熱影響部は、また、その熱影響部または溶接部に隣接する材料における極度の温度勾配をもたらし得る。したがって、非常に短い距離における材料の大きな温度変化のために、溶接された材料においてひび割れが広がり得る。したがって、例えば炉内でまたは誘導加熱によって溶接される構成要素を予備加熱することにより、この温度勾配を低減することが望ましい。１つの代表的な例では、本体１０２およびリング１０４の両方は、摂氏約２００〜６００℃まで加熱される。

代表的なレーザ溶接プロセスの一環として、任意の種類のレーザ溶接システムが使用されてもよい。例えば、固体レーザ、ディスクレーザ、二酸化炭素レーザ、またはファイバレーザが使用されてもよい。二酸化炭素レーザシステムはよく知られており、したがって、例えばより新しく開発されたファイバレーザシステムよりも、大量生産の設定によりなじみがある。しかしながら、二酸化炭素レーザプロセスは、また、例えば製造設備のような容易に移動できない大きな機械を典型的に必要とし、その一方で、固体レーザは、ファイバまたは光伝送媒体が広げられる任意の場所で使用され得る。

典型的には、より厚い溶接継ぎ手ほど、接合される材料を適切に溶かすためにより大きな出力のレーザを必要とする。１つの代表的な例では、接合される６ミリ厚の材料は、２．０ｍ／分の送り速度で、３００〜４００μｍの幅または厚さのビームを用いて、６ｋＷのレーザで十分に溶接される。

上述したように、レーザ溶接プロセスは、溶接継ぎ手の向こうにたった数ミリであることもある、比較的小さな熱影響部のために特に有利であり得るが、また、それに対応して短い距離の溶接部に隣接する材料の極度の温度勾配に悩まされ得る。この温度勾配のために生じ得るひび割れまたは低品質の溶接部を防止するために、レーザプロセスは、冷却空洞１０８内に生じるスパッタを低減するためにそれ自身が制御され得る。１つの例では、レーザの出力は段階的に減少させられ、溶接プロセスにおいて生じる材料の融解物に関連する最高温度からの、材料における制御された温度低下が許容される。１つの代表的な例では、溶接の活動を速やかに中止して材料内でのより激しい冷却温度勾配を生じさせる代わりに、溶接材料の温度をより漸進的に低下させる、レーザの出力の段階的な低減が使用され得る。

レーザ溶接のクールダウンの１つの代表的な例では、溶接レーザは、レーザが完全に止まるまでレーザ出力が段階的に低減されるとき、溶接経路に沿って、例えばピストン１００の周縁部の周りを進展する界面領域Ｉ、および／または、界面領域Ｏに沿って移動し続ける。別の代表的な例では、レーザは、レーザの出力が低下し始めたときからレーザの出力が完全に絶たれるときまで、ピストン１００に関して約５〜４０°の角度をもって往復運動する。さらに別の例では、レーザの出力は、時間、および／または、ピストン１００の角度位置に関して直線的に低下し得る。加えて、ピストン１００のより低い応力の領域から、例えば界面領域Ｉ、および／または、界面領域Ｏに沿った他の領域よりも内部応力が小さい界面領域Ｉ、および／または、界面領域Ｏに沿った位置から、レーザの出力の低下を開始することが望ましい。材料温度の制御された低下は、本体１０２、および／または、冷却空洞リング１０４の予備加熱によりさらに向上され得る。当該予備加熱は、溶接プロセスの間におけるピストン１００中の全体的な温度差を低下させるためである。

レーザ溶接プロセスは、本質的に、界面領域Ｉ，Ｏを越える少なくともいくらかの溶接スパッタを生じさせ、特に冷却空洞１０８内において放出する。したがって、冷却空洞１０８内にいかなるスパッタも捕らえるさらさら粒状媒体または材料を配置することによりスパッタを低減することが望ましく、そのような粒状媒体または材料はその後に除去され得る。本体１０２およびリング１０４をともに溶接した後、さらさら粒状材料を除去することにより、冷却空洞１０８からいかなる溶接スパッタをも除去することができる。１つの代表的な例では、高圧洗浄操作が行われてもよく、その場合、高圧の流れが冷却空洞１０８内を循環する。

リング１０４と本体１０２との間におけるレーザ溶接のさまざまな例が図３Ａおよび図３Ｂに示されており、図３Ｃは界面領域Ｉおよび界面領域Ｏを有する本体１０２の平面図を示している。図３Ａは、例えば、レーザＬ_Ａにより形成され、そこから溶接スパッタ１６０が放出される溶接部Ｗ_１を示している。同様に、図３Ｂは、レーザＬ_Ｂにより形成され、同様にそこから溶接スパッタ１６０が放出される溶接部Ｗ_２を示している。

図３Ａに示すように、本体１０２とリング１０４とは、径方向外側の界面領域Ｏにおいてともに接合されている。溶接部Ｗ_１は、本体１０２とリング１０４との接合面１４４，１４６（想像線で示す）をそれぞれに取り囲む本体１０２とリング１０４との間に見られ、接合面１４４，１４６は概してともに固定されている。同様に図３Ｂに示すように、本体１０２とリング１０４とは、径方向内側の界面領域Ｉにおいてともに接合されている。溶接部Ｗ_２は、本体１０２とリング１０４との接合面１４０，１４２（想像線で示す）をそれぞれに取り囲む本体１０２とリング１０４との間に見られ、接合面１４０，１４２は概してともに固定されている。図３Ｃは、ピストン本体と冷却空洞リングとの間における、径方向内側の界面領域および径方向外側の界面領域の代表的なレーザ溶接の斜視図を示している。

ここに開示する代表的なピストン１００は、大小さまざまなボア径のアプリケーションに、概して無制限に使用され得る。コンプレッションハイト、すなわち上側面１１０とピンボス１０５により規定されるボアの中心との間の距離に対するピストン径の比率は低減され得る。

図４には、ピストンアセンブリ４００の側面図が示されており、ピストンアセンブリ４００はピストン本体１０２および冷却空洞リング１０４を含んでいる。ピストンアセンブリ４００は、溶接される前のアセンブリでもあり、２つの構成要素１０２，１０４を溶接のためにともに配置することにより形成されており、そしてピストンアセンブリ４００をクランプ４０６を有する固定具４０４を含む溶接システム４０２内に配置しており、ピストンアセンブリ４００は固定具内に収容されまたはクランプされている。クランプ４０６は、ピストンアセンブリ４００を保持または固定するとともに、軸１１４回りにピストンアセンブリ４００を回転（矢印４０８で示す）させるように構成されている。クランプ４０６の回転は、上述した方法による溶接を可能とするように制御部（図示せず）により制御され得る。システム４０２は、第１の支持構造体４１４および第２の支持構造体４１６により保持されあるいは支持されている、レーザ部４１０のような第１の溶接装置とレーザ部４１２のような第２の溶接装置とを備えている。各レーザ部４１０，４１２は、ピストンアセンブリ４００に向けられていて、各レーザ部４１０，４１２は、それぞれレーザＬ_ＡおよびレーザＬ_Ｂを放出する。上記のように、レーザ部４１０，４１２はアセンブリ４００に向けられていて、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、それぞれの領域Ｏおよび領域Ｉにおいて溶接部Ｗ_１および溶接部Ｗ_２を形成する。また、上記のように、溶接部Ｗ_１および溶接部Ｗ_２が形成されるとき、それぞれが冷却空洞１０８内にスパッタ１６０を放出する傾向がある。そういうものだから、さらさらまたは粒状の材料または媒体４１８が冷却空洞１０８内に配置されており、それは溶接プロセスの間にわたって溶接部Ｗ_１および溶接部Ｗ_２から放出されたスパッタ１６０を吸収し得る。

さらさら媒体４１８は、冷却空洞１０８内に配置されたときに、媒体４１８が冷却空洞１０８内を移動しまたは動くことができるように十分に小さな粒状化されたまたは粒状の材料を含んでいて、冷却空洞内で重力方向の低い箇所にとどまっている。１つの例では、媒体４１８は、２ｍｍよりも小さい径で、溶接プロセスで遭遇する温度において溶融または燃焼に対して抵抗のある物質を含み得る。媒体４１８は、例えば、砂、セラミックス、磁器、およびアルミナのような物質を含み得るが、これらに限定されるものではない。そのようなやり方で、溶接プロセスの間と、領域Ｏおよび領域Ｉのそれぞれにおいて溶接部Ｗ_１および溶接部Ｗ_２を形成するためにアセンブリ４００が回されている間とにおいて、媒体４１８は、該媒体４１８が溶接スパッタ１６０を吸収できる位置に常にあるように移動する。すなわち、レーザ部４１２およびレーザ部４１０は、アセンブリ４００の回転４０８に関わらず、それぞれにレーザＬＡおよびレーザＬＢを冷却空洞１０８の重力方向の低い箇所に向けて放出し、そこでは媒体４１８が溶接スパッタを吸収する位置に存在する。

図４Ａに示すように、ピストンアセンブリ４００は、軸１１４が重力４２０の方向にほぼ直交するように、溶接システム４０２内に維持されている。アセンブリ４００が回転（矢印４０８で示す）するとき、媒体４１８は冷却空洞１０８内を移動するが、高さ４２２をもって重力方向の低い箇所に概してとどまる。アセンブリ４００の平面図である図４Ｂに示すように、レーザは溶接部Ｗ_１および溶接部Ｗ_２を形成するために領域Ｏおよび領域Ｉに向けられ、領域Ｏおよび領域Ｉが重力方向の低い箇所に保たれ、そこではアセンブリ４００の回転４０８の間にわたって媒体が継続的に移動しているので、冷却空洞１０８内で壁部にスパッタが付着することが妨げられる。

そういうものとして、図５を参照すると、溶接プロセス５００は、ステップ５０２でスタートして、ステップ５０４でピストン本体を提供することを含んでいる。例えば、ピストン本体は、冷却空洞１０８の一部を形成するくぼみを含むピストン本体１０２であり得る。ステップ５０６では、媒体４１８が冷却空洞１０８のくぼみ内に配置され、ステップ５０８では、溶接前アセンブリ４００を形成するために本体１０２が冷却空洞カバー１０４に取り付けられ得る。１つの例では、アセンブリ４００は、ステップ５１０において固定具４０２内に置かれ、軸１１４が重力４２０の方向にほぼあるいは概して直交するように配置される。そのようなやり方では、さらさら媒体４１８は、冷却空洞１０８内において重力方向の低い箇所に落ちるかまたは移動させられる。別の例では、アセンブリ４００は、重力４２０の方向に対して軸１１４が直交しないように配置されるが、そのような方法でも、媒体４１８は冷却空洞１０８内の重力方向の低い箇所にとどまる。ステップ５１２では、アセンブリ４００はピストン軸１１４回りに回転（矢印４０８で示す）させられ、その一方で、媒体４１８は重力方向の低い箇所にとどめられる。すなわち、アセンブリ４００の回転は、その速度がレーザ溶接のための溶接の要求に基づいて主に決められるが、また、遠心力により媒体４１８が冷却空洞１０８内の一定箇所にとどまらないよう、むしろ重力方向の低い箇所の近くにとどまるように、十分にゆっくりである。

アセンブリ４００の回転の間にわたって、ステップ５１４では、レーザ部４１０，４１２の一方または両方が、上述したように領域Ｏおよび領域Ｉにおいて溶接部を形成させられる。そのような方法では、重力方向の低い箇所にほぼ高さ４２２においてとどまる媒体４１８により、溶接部の形成はいかなる溶接スパッタ１６０も媒体４１８内へ放出されながら起こり、当該プロセスにおいて溶接スパッタから冷却空洞１０８の壁部を保護する。１つの例では、アセンブリの回転は、全体的なまたは選択的な量のさらさら媒体を、最下点からほぼ中心がずれるよう部分的に引き上げるように、十分に大きい速度である。この例では、媒体のかたまりの中心は重力方向の低い箇所からわずかに離れており、さらさら媒体は溶接前アセンブリの回転の結果として冷却空洞内を移動するので、冷却空洞リングのピストン本体への溶接が、さらさら媒体の集まったかたまりのほぼ中心に置かれた位置での溶接を含むように、溶接の位置が調節され得る。

溶接が完了すると、アセンブリ４００は固定具４０２から取り外され、媒体４１８は、ステップ５１６において、冷却空洞１０８から除去される。媒体４１８は、開口部１５０を通じて媒体４１８および溶接スパッタ１６０を除去するためにアセンブリを単に揺さぶることを含むあらゆる方法により除去され得る。または、媒体４１８および溶接スパッタ１６０は、溶媒または他の液体とともに流す湿式処理により除去されてもよい。媒体４１８および溶接スパッタ１６０は、また、乾いた空気または不活性ガスを開口部１５０を通じて吹き入れることにより除去されてもよい。プロセスは、ステップ５１８において終了する。

本明細書に記載されたプロセス、システム、方法、発見的方法等に関しては、そのようなプロセス等のステップは一定の順序に従って起こるように記載されているが、そのようなプロセスは本明細書に記載された順序以外の順序でも実行され得る。さらに、一定のステップが同時に実行されてもよく、他のステップが追加されてもよく、あるいは本明細書に記載された一定のステップが省略されてもよい。換言すれば、本明細書におけるプロセスの説明は、一定の実施形態を例示するためのものであり、クレームされた発明を限定するものと解釈されてはならない。

したがって、上記の説明は、説明的なものであって限定的なものではないことを意図していることを理解されたい。提供された例以外の多くの実施形態およびアプリケーションが、上記の説明の中に存在するだろう。発明の範囲は、上記の説明を参照して決められるものではなく、その代わりに添付されたクレームを参照して決められるべきであり、そのようなクレームによって権利が与えられる均等物の全範囲に沿って決められるべきである。本明細書で述べた技術における将来的な開発が予想されまたは意図されるが、開示され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も含まれる。要するに、本発明は、変更および変形が可能であって、下記のクレームによってのみ限定されることが理解されるべきである。

クレームで用いられる全ての用語は、本明細書における相容れない明白な指示がない限り、その最も広い妥当な構成、および、当業者によって理解されるその通常の意味を与えるように意図されている。特に、クレームにおける明確な相容れない限定がない限り、名詞は、単数および複数の両方を含む。

Claims (22)

1. ピストン軸を有するピストン本体を提供することを含み、上記ピストン本体は、上記ピストン軸周りに円周方向に配置された冷却空洞の一部を形成するくぼみを有し、
   冷却空洞リングを提供することと、
   上記くぼみ内にさらさら媒体を配置することと、
   溶接前アセンブリを形成するために上記冷却空洞リングを上記ピストン本体に取り付けることとを含み、上記ピストン本体の上記くぼみおよび上記冷却空洞リングは、上記冷却空洞を形成するよう協働しかつ上記さらさら媒体を取り囲み、
   上記さらさら媒体が上記冷却空洞の重力方向の低い箇所に移動するように、上記溶接前アセンブリを配置することと、
   溶接の間にわたって放出される溶接スパッタが上記さらさら媒体内へ放出されるように、溶接継ぎ手を形成するために上記冷却空洞リングを上記ピストン本体に溶接することとを含んでいる
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１において、
   上記冷却空洞リングを上記ピストン本体に溶接することは、上記冷却空洞リングの表面と上記ピストン本体の表面とを含む一対の表面に向かってレーザビームを向けることを含んでいる
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１において、
   上記ピストン軸が重力の方向とほぼ直交するように上記溶接前アセンブリを配置することをさらに含んでいる
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１において、
   上記冷却空洞リングを上記ピストン本体に溶接している間、上記さらさら媒体が上記冷却空洞内を移動しかつ該冷却空洞の重力方向の低い箇所に概してとどまるように、上記溶接前アセンブリを上記ピストン軸回りに回転させることをさらに含んでいる
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項４において、
   上記冷却空洞リングを上記ピストン本体に溶接することは、上記溶接前アセンブリの回転の結果として上記さらさら媒体が上記冷却空洞内を移動するときに、上記さらさら媒体の集まったかたまりのほぼ中心の位置で溶接することを含んでいる
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項１において、
   上記さらさら媒体を配置することは、砂材料、セラミックス、磁器、およびアルミナのうち１つを配置することを含んでいる
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項１において、
   上記さらさら媒体を配置することは、２ｍｍよりも小さい径を有する粒状の材料を配置することを含んでいる
   ことを特徴とする方法。
8. ２つの構成要素を溶接するためにピストンアセンブリを配置することを含み、上記２つの構成要素は、ピストン本体と冷却空洞リングとを含み、上記ピストンアセンブリは、その外周部周りに円周方向に配置され、少なくとも上記２つの構成要素により形成された冷却空洞を含み、
   上記冷却空洞内の粒状の材料が該冷却空洞の重力方向の低い箇所に移動するように上記ピストンアセンブリを向けることと、
   溶接において放出される溶接スパッタが上記粒状の材料に移るように、上記２つの構成要素の間に溶接継ぎ手を形成するために上記２つの構成要素をともに溶接することとを含んでいる
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項８において、
   上記２つの構成要素をともに溶接することは、上記冷却空洞リングと上記ピストン本体との一対の接合面にレーザビームを向けることを含んでいる
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項８において、
    ピストンの軸が重力の方向とほぼ直交するように上記ピストンアセンブリを配置することをさらに含んでいる
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項８において、
    上記２つの構成要素を溶接している間、上記粒状の材料が上記冷却空洞内を移動しかつ該冷却空洞の重力方向の低い箇所に概してとどまるように、ピストンの軸回りに上記ピストンアセンブリを回転させることをさらに含んでいる
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項１１において、
    上記２つの構成要素を溶接することは、上記ピストンアセンブリの回転の結果として上記粒状の材料が上記冷却空洞内を移動するときに、上記粒状の材料の集まったかたまりのほぼ中心の位置で溶接することを含んでいる
    ことを特徴とする方法。
13. 請求項８において、
    上記粒状の材料は、砂材料、セラミックス、磁器、およびアルミナのうち１つを含んでいる
    ことを特徴とする方法。
14. 請求項８において、
    上記粒状の材料を配置することは、２ｍｍよりも小さい粒径を有する材料を配置することを含んでいる
    ことを特徴とする方法。
15. ピストンアセンブリを溶接するためのシステムであって、
    ピストン本体と冷却空洞リングとから構成されるピストン溶接前アセンブリを保持するように構成された溶接固定具を含み、上記ピストン本体と上記冷却空洞リングとは、ともに接合されたときに冷却空洞を形成する接合面を有し、
    上記ピストン本体と上記冷却空洞リングとが接触する位置で上記ピストン本体を上記冷却空洞リングに溶接するために配置された溶接装置を含み、
    上記溶接固定具は、上記冷却空洞内に配置されたさらさら粒状媒体が上記溶接装置の近くおよび溶接位置の近くに位置するように配置されており、上記ピストン本体が上記冷却空洞リングに溶接されるとき、そこから放出される溶接スパッタが上記冷却空洞において上記さらさら粒状媒体内へ放出される
    ことを特徴とするシステム。
16. 請求項１５において、
    上記溶接装置は、レーザ溶接機である
    ことを特徴とするシステム。
17. 請求項１５において、
    上記溶接固定具は、さらに、上記ピストン溶接前アセンブリの中心軸が重力の方向とほぼ直交するように配置されている
    ことを特徴とするシステム。
18. 請求項１５において、
    上記ピストン溶接前アセンブリの回転の間、上記さらさら粒状媒体が上記冷却空洞内で移動しかつ該冷却空洞の重力方向の低い箇所に概してとどまるように、上記ピストン溶接前アセンブリを回転させるように構成された制御部をさらに含んでいる
    ことを特徴とするシステム。
19. 請求項１５において、
    上記さらさら粒状媒体は、砂材料、セラミックス、磁器、およびアルミナのうち１つを含んでいる
    ことを特徴とするシステム。
20. 請求項１５において、
    上記さらさら粒状媒体は、２ｍｍよりも小さい径を有する粒状の材料を含んでいる
    ことを特徴とするシステム。
21. 溶接前のピストンアセンブリであって、
    ピストン本体と、
    冷却空洞リングとを含み、上記ピストン本体と上記冷却空洞リングとは、ともに接合されたときに冷却空洞を形成する接合面を有し、
    上記冷却空洞内に配置されかつ上記接合面の近くに配置されたさらさら粒状媒体を含み、該さらさら粒状媒体は、該さらさら粒状媒体が上記冷却空洞の重力方向の低い箇所に移動するように配置されている
    ことを特徴とする溶接前のピストンアセンブリ。
22. 請求項２１において、
    上記さらさら粒状媒体は、上記ピストン本体が上記冷却空洞リングに溶接されるときに、そこから放出される溶接スパッタが上記冷却空洞において上記さらさら粒状媒体内に放出されるように配置されている
    ことを特徴とする溶接前のピストンアセンブリ。
    

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