JP6480470B2 - 内燃エンジン用ピストンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの径方向または軸方向の周部レーザ溶接シームを介して対応する接合面に沿って互いに接続される少なくとも２つのピストン部品を備えた内燃エンジン用ピストンを製造するための方法に関する。本発明は、また、そのような方法によって製造可能なピストンに関する。

ピストン部品は、より一層頻繁にレーザ溶接方法によって接合されるようになってきており、したがってこの技術はますます重要になってきている。軸方向または径方向の周部レーザ溶接シームは、この周部レーザ溶接シームの開始部と終了部とがオーバーラップする領域において、レーザ溶接シームが十分に溶接されず、浅い溶接シームを形成するという問題を引き起こす。これは、出力密度または単位長さ当たりのエネルギー入力が、まずレーザ溶接作業の開始時において連続的に増大されなければならず（ランプアップと呼ばれる）、またレーザ溶接作業の終了に向かって連続的に低減されなければならない（ランプダウンと呼ばれる）ためである。ランプアップおよびランプダウンの間、レーザ溶接シームは、出力密度または単位長さ当たりのエネルギー入力が低すぎるために十分に溶接されない。その結果、微細構造欠陥、例えばクラックがレーザ溶接シームのうち十分に溶接されなかった領域において当該レーザ溶接シームの冷却時に生じ得る。

本発明の目的は、レーザ溶接シームのうち十分に溶接されなかった領域における微細構造欠陥の形成を効果的に抑制するか、既に形成された微細構造欠陥を解消するような態様で、ピストンを製造するための一般的なタイプの方法をさらに改良することである。

解決法は、少なくとも２つのピストン部品を対応する接合面に沿って並べるステップ（ａ）と、深溶込み溶接方法のために設計されたレーザ装置を作動させ、このレーザ装置によって生成されるレーザビームを対応する接合面の領域内の所定の始点に並べるステップ（ｂ）と、所定の始点（ＳＰ）から出発して対応する接合面に沿った所定の経路（Ｓ１）にわたって、増大していく溶接シーム深さを有するランプアップ溶接シームを形成するようにレーザビームの出力密度を増大させていく（ランプアップ）ステップ（ｃ）と、対応する接合面に沿って所定の終点（ＥＰ）まで、実質的に一定の溶接シーム深さを有する深溶込み溶接シームを形成するように深溶込み溶接によって周状の完全溶込み溶接を行うステップ（ｄ）と、低減していく溶接シーム深さを有するランプダウン溶接シームを形成するように、所定の経路（Ｓ２）にわたってレーザビームの出力密度を低減させていく（ランプダウン）ステップ（ｅ）と、所定の経路（Ｓ１，Ｓ２）の少なくとも一部を、少なくとも１つの熱伝導溶接シームを形成するように、熱伝導溶接方法のために設計されたレーザ装置を使用する熱伝導溶接によって重ね溶接するステップ（ｆ）とを含んでいる方法によって構成される。

本発明は、また、本発明に係る方法によって製造可能であって、その結果として深溶込み溶接シームおよび熱伝導溶接シームで構成されるレーザ溶接シームを有する内燃エンジン用ピストンに関する。

本特許出願の開示の目的において、「熱伝導溶接」および「深溶込み溶接」の語は次のように理解される。

熱伝導溶接の場合、接合される部品の材料は、もっぱら熱伝導を通じて、すなわちもっぱら部品表面の領域におけるレーザビームのエネルギーの吸収を通じて、接合面の領域において溶ける。２つの部品から溶け出した材料は、それが凝固した後に当該部品を互いに接続する。シーム幅は一般にシーム深さよりも大きくなる。この目的のために必要とされるレーザビームのエネルギー密度は、典型的には１×１０^４〜１×１０^５Ｗ／ｃｍ^２である。

深溶込み溶接の場合、部品の材料は、接合面に沿ってこの領域の温度が当該材料の蒸発温度を超える程度まで加熱される。溶けた材料によって囲まれかつレーザビームと共に移動する蒸気細孔が、それにより接合面にそって形成される。蒸気細孔の後側で凝固する材料が幅狭の深溶込み溶接シームを形成し、その溶接シーム深さは溶接シーム幅よりもはるかに大きい。この目的のために必要とされるレーザビームのエネルギー密度は、一般的には１×１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上である。

本発明に係る方法が基づく発明概念は、所定の経路（Ｓ１，Ｓ２）の領域内で生じる微細構造欠陥が、局所的に区切られた熱伝導溶接方法によって回避されるか、および／または材料の再溶融によって解消されるような態様で、深溶込み溶接方法と熱伝導溶接方法とが互いに組み合わされているという事実によって構成される。このことは、また、レーザ溶接シームの冷却の間にできる微細構造欠陥から進行する、既に存在する微細構造欠陥の大きさの増大を回避する。この効果は、熱伝導溶接シームの溶接シーム幅が大きく、したがって熱的負荷が低減されること、および材料の凝固の間におけるより均一な微細構造の形成に基づいている。特に、外側に開口するクラックの形態における微細構造欠陥は、レーザ溶接シームの領域においてピストン表面を仕上げるときにもはや生じない。

本発明に係る方法の別の利点は、当該方法がピストンを製造するための既存の方法に特に容易に組み込まれ得るという事実にある。例えば接合される部品の予備加工、方向付けあるいは予備加熱のようなレーザ溶接プロセスの上流側に存在する処理ステーションや、例えば熱処理および仕上げのようなレーザ溶接プロセスの下流側に存在する処理ステーションは、変更されないままであってもよい。

有利な展開は、従属請求項から明らかになる。

ステップ（ｃ）において、所定の経路の長さは、好ましくは、ピストンの寸法に応じて、５〜１５ｍｍに設定される。同様の態様で、ステップ（ｅ）において、所定の経路の長さは、好ましくは５〜２５ｍｍに設定される。

ステップ（ｄ）において、深溶込み溶接シームの溶接シーム深さは、好ましくは２〜１２ｍｍに設定される。深溶込み溶接シームが完全に裏側まで溶接されていることが特に好ましい。

本発明に係る方法の特に好ましい実施形態では、冷却の間における微細構造欠陥の形成を特に効果的に抑制するために、ステップ（ｅ）とステップ（ｆ）との間の時間間隔が最大で１０秒とする。時間間隔を短くするために、ステップ（ｅ）とステップ（ｆ）とにおいて２つの別個のレーザ装置を使用し、ステップ（ｆ）においてステップ（ｅ）の終了前に一方のレーザ装置を使用して熱伝導溶接プロセスを開始することが特に可能である。

ステップ（ｆ）において、所定の経路（Ｓ２）は、好ましくは、微細構造欠陥の連続形成を特に効果的に防止するために、全体を重ね溶接される。適切な場合には、レーザ溶接シームが、また、一部または全体を重ね溶接されてもよい。

少なくとも１つの熱伝導溶接シームが、好ましくは、溶けた材料の凝固の間において可能な限り均一な微細構造形成を実現するために、深溶込み溶接シームが延びる方向に向けられる。しかしながら、例えば波状またはジグザグ状の溶接シームの形態における、深溶込み溶接シームと交差するおよび／または平行な溶接が行われてもよい。熱伝導溶接シームの溶接シーム深さは、好ましくは１〜３ｍｍである。

本発明に係る方法は、特に、ピストン本体の形態における第１ピストン部品と、環状部品、例えばボウル縁部部品または環状溝部品の形態における第２ピストン部品との接合に適している。

図１は、本発明に係る方法によって製造されたピストンの第１の例示的な実施形態を示す断面図である。 図２は、本発明に係る方法が実行される前における図１のピストンのピストン部品の断面図である。 図３は、図１のピストンの平面図である。 図４は、本発明に係るピストンの別の例示的な実施形態を示す断面図である。 図５は、本発明に係る方法の例示的な実施形態の概略図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照してより詳細に説明する。なお、図面の縮尺は正確ではない。

図１〜図３は、ピストン１０の第１の例示的な実施形態を、当該例示的な実施形態における２つの別個のピストン部品１１，１８が本発明に係る方法によって接続される前と（図２）、ピストン部品１１，１８が接続された後と（図１および図３）の両方において示している。例示的な実施形態では、ピストン１０は、第１ピストン部品１１を備えており、この第１ピストン部品１１は、ピストン本体を形成していて、例えば、例えば４２ＣｒＭｏ４のような熱処理鋼から、または例えば３８ＭｎＶＳ６のようなＡＦＰ鋼から作られている。第１ピストン部品１１は、ピストンクラウン１２の外側部分と、外周トップランド１３と、ピストンリング（図示せず）を収容するための環状溝を含む外周リング部１４とを有している。第１ピストン部品１１は、さらに、燃焼ボウル１５のベース１５ａを有している。第１ピストン部品１１は、また、ピストン１０のピストンヘッド１６の大部分を形成している。それ自体公知の態様で、第１ピストン部品１１は、さらに、ピストン１０のピストンスカート１７を形成している。

ピストン１０は、さらに、ボウル縁部部品の形態における環状の第２ピストン部品１８を備えている。例示的な実施形態では、第２ピストン部品１８は、燃焼ボウル１５のボウル壁１５ｂ全体およびボウル縁部１５ｃと、ピストンクラウン１２の内側部分とを有している。第２ピストン部品１８は、好ましくは、耐性の高い材料で構成されている。ピストン本体１１に使用される熱処理鋼またはＡＦＰ鋼と同一または類似の材料がこの目的のために使用されてもよい。

第１ピストン部品１１と第２ピストン部品１８とは、環状外側冷却チャネル１９を形成する。冷却チャネル１９は、第一にリング部１４の高さで、第二に燃焼ボウル１５のボウル壁１５ｂの高さで延びている。

第２ピストン部品１８は、下側周部接合面２４ａを有しており（図２を参照）、この下側周部接合面２４ａは、第１ピストン部品１１の燃焼ボウル１５のベース１５ａを取り囲む周部接合面２３ａ（図３を参照）と共に下側レーザ溶接シーム２１を形成する。例示的な実施形態では、下側レーザ溶接シーム２１は、ボウル壁１５ｂからピストンスカート１７の方へ向かって径方向外側および下側に延びていて、冷却チャネル１９に開けている。

第２ピストン部品１８は、さらに、上側周部接合面２４ｂを有しており（図２を参照）、この上側周部接合面２４ｂは、第１ピストン部品１１のトップランド１３の領域において周方向に延びる接合面２３ｂ（図２を参照）と共に上側レーザ溶接シーム２２を形成する。例示的な実施形態では、上側レーザ溶接シーム２２は、ピストンクラウン１２からピストン中心軸Ｍに平行な鉛直方向に延びていて、冷却チャネル１９に開けている。

下側レーザ溶接シーム２１および上側レーザ溶接シーム２２は、レーザ溶接方法によって形成されるものであって、レーザ装置２５，２７または当該レーザ装置２５，２７によって生成されるレーザビーム２６，２８によってアクセス可能となるように配置されている。

図４は、ピストン１１０の別の例示的な実施形態であって、当該ピストン１１０のピストン部品１１１，１１８が接続された後のものを示している。この例示的な実施形態では、ピストン１１０は、第１ピストン部品１１１を備えており、この第１ピストン部品１１１は、ピストン本体を形成していて、同様に例えば４２ＣｒＭｏ４のような熱処理鋼から、または例えば３８ＭｎＶＳ６のようなＡＦＰ鋼から作られていてもよい。第１ピストン部品１１１は、燃焼ボウル１１５を含むピストンクラウン１１２の内側部分を有している。第１ピストン部品１１１は、したがって、ピストン１１０のピストンヘッド１１６の大部分を形成する。それ自体公知の態様で、部品１１１は、さらに、ピストン１１０のピストンスカート１１７を形成している。

ピストン１１０は、さらに、環状溝部品の形態における環状の第２ピストン部品１１８を備えている。第２ピストン部品１１８は、ピストンクラウン１１２の外側部分と、外周トップランド１１３と、ピストンリング（図示せず）を収容するための環状溝を含む外周リング部１１４とを有している。第２ピストン部品１８は、同様に耐性の高い材料で構成されていてもよい。ピストン本体１１１に使用される熱処理鋼またはＡＦＰ鋼と同一または類似の材料がこの目的のために使用されてもよい。

第１ピストン部品１１１および第２ピストン部品１１８は、環状外側冷却チャネル１１９を形成する。冷却チャネル１１９は、第一にリング部１１４の高さで、第二に燃焼ボウル１１５の高さで延びている。

ピストン１０のピストン部品１１，１８と同様に、ピストン１１０の第１ピストン部品１１１および第２ピストン部品１１８は接合面（図示せず）を有しており、当該接合面に沿ってレーザ溶接シームが形成され得る。下側レーザ溶接シーム１２１は、ピストン１１０のリング部１１４の下方に形成されている。例示的な実施形態では、下側レーザ溶接シーム１２１は、リング部１１４から径方向内側に向かって水平に延びていて、冷却チャネル１１９に開けている。

上側レーザ溶接シーム１２２は、ピストン１１０のピストンクラウン１１２に形成されている。例示的な実施形態では、上側レーザ溶接シーム１２２は、ピストンクラウン１１２からピストン中心軸Ｍに水平な鉛直方向に延びていて、冷却チャネル１１９に開けている。

下側レーザ溶接シーム１２１および上側レーザ溶接シーム１２２は、レーザ溶接方法によって形成されるものであって、レーザ装置２５，２７または当該レーザ装置２５，２７によって生成されるレーザビーム２６，２８によってアクセス可能となるように配置されている。

次に、ピストン１０，１１０を製造するための本発明に係る方法の例示的な実施形態について、図３および図５を参照して詳細に説明する。

まず、接続される第１および第２ピストン部品１１，１１１，１８，１１８が予備加工される。特に、ピストン１０における第１ピストン部品１１の周部接合面２３ａ，２３ｂおよび第２ピストン部品１８の対応する周部接合面２４ａ，２４ｂ、またはピストン１１０における第１ピストン部品１１１および第２ピストン部品の接合面が、それ自体公知の態様でレーザ溶接のために準備される。

そして、２つのピストン部品１１，１８，１１１，１１８は、それ自体公知の態様で、対応する接合面に沿って並べられる。好適には、まず下側レーザ溶接シーム２１，１２１が、続いて上側レーザ溶接シーム２２，１２２がピストンクラウン１２，１１２の領域において作られる。この目的のために、例えば、深溶込み溶接方法に適した方法パラメータのために設計された固体レーザ装置が使用される。それ自体公知の態様で、これらの方法パラメータは、特に材料のタイプおよびレーザ溶接シームの深さに依存する。したがって、以下の仕様は、深溶込み溶接方法のための方法パラメータが好ましく選択される範囲を意味する仕様として理解されるべきである。
・レーザ出力 ２０００〜８０００Ｗ
・溶接速度 ２〜６ｍ／分、好ましくは３ｍ／分
・ビーム径 ２００〜６００μｍ

レーザ装置によって生成されるレーザビーム２６，２８は、対応する接合面（図３および図４を参照）の領域において所定の始点ＳＰ（図５を参照）に並べられる。始点ＳＰ（図５を参照）から出発して、レーザビームは接合面に沿って案内される。同時に、レーザビームの出力密度または単位長さ当たりのエネルギー入力が、増大していく溶接シーム深さを有するランプアップ溶接シーム３１を形成するように、所定の経路Ｓ１にわたって連続的に増大される（ランプアップ）。所定の経路Ｓ１の長さは、例えば、５〜１５ｍｍであってもよい。深溶込み溶接に必要とされる少なくとも１×１０^６Ｗ／ｃｍ^２の出力密度に到達すると、実質的に一定の、例えば２〜１２ｍｍの溶接シーム深さを有する深溶込み溶接シーム３２を形成するように周状の完全溶込み溶接が行われる。当該溶接シーム深さは、材料のタイプおよびピストン部品の寸法に依存する。プロセスにおいては、レーザビーム２６，２８は対応する接合面に対して平行に向けられる。完全溶込み溶接は所定の終点ＥＰに到達するまで続けられ、このときランプアップ溶接シーム３１の少なくとも一部が重ね溶接される。続いて、終点ＥＰから、低減していく溶接シーム深さを有するランプダウン溶接シーム３３を形成するように、レーザビームの出力密度が所定の経路Ｓ２にわたって低減される（ランプダウン）。終点ＥＰは、好ましくは、ランプアップ溶接シーム３１の下流側に位置しており、したがってランプアップ溶接シーム３１の全体が重ね溶接され、またランプダウンは深溶込み溶接シーム３２の領域で始まる。所定の経路Ｓ２の長さは、例えば、５〜２５ｍｍであってもよく、好ましくは２０ｍｍ以下である。経路Ｓ２の長さは、好ましくは、経路Ｓ１の２倍である。

次の重ね溶接の方法ステップは、可能である限り、ランプダウンの終了後すぐに実行されるべきである。重ね溶接は、また、その目的のために使用されるレーザ装置が深溶込み溶接のために設計されたレーザ装置を追いかけるように、ランプダウンの終了前に既に開始されてもよい。

深溶込み溶接の方法ステップでは、所定の経路Ｓ１，Ｓ２の少なくとも一部が、好ましくは最小で１ｍｍから最大で３ｍｍの溶接深さを有する少なくとも１つの熱伝導溶接シーム３４（図３）を形成するように、熱伝導溶接方法のために設計されたレーザ装置を使用して、１×１０^４〜１×１０^５Ｗ／ｃｍ^２のレーザビーム出力密度を伴う熱伝導溶接によって重ね溶接される。この目的のために、例えば、熱伝導溶接方法に適した方法パラメータのために設計された固体レーザ装置が使用される。それ自体公知の態様で、これらの方法パラメータは、特に材料のタイプおよびレーザ溶接シームの深さに依存する。したがって、以下の仕様は、熱伝導溶接方法のための方法パラメータが好ましく選択される範囲を意味する仕様として理解されるべきである。
・レーザ出力 ５００〜４０００Ｗ
・溶接速度 ０．５〜３ｍ／分、好ましくは１ｍ／分
・ビーム径 ５００〜３０００μｍ

結果として得られるものは、深溶込み溶接シーム３２および熱伝導溶接シーム３４で構成された少なくとも１つの溶接シーム２１，２２，１２１，１２２を有するピストン１０，１１０である（図４を参照）。

それ自体公知の態様で、ピストン１０，１１０は最終仕上げされる。使用される材料に応じて、この最終仕上げは当業者において公知の熱処理をまた含んでいる。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの径方向または軸方向の周部レーザ溶接シーム（２１，２２，１２１，１２２）を介して対応する接合面（２３ａ，２４ａ，２３ｂ，２４ａ）に沿って互いに接続される少なくとも２つのピストン部品（１１，１８，１１１，１１８）を備えた内燃エンジン用のピストン（１０，１１０）を製造するための方法であって、
   上記少なくとも２つのピストン部品（１１，１８，１１１，１１８）を上記対応する接合面（２３ａ，２４ａ，２３ｂ，２４ｂ）に沿って並べるステップ（ａ）と、
   深溶込み溶接方法のために設計されたレーザ装置（２５，２７）を作動させ、該レーザ装置（２５，２７）によって生成されるレーザビーム（２６，２８）を上記対応する接合面（２３ａ，２４ａ，２３ｂ，２４ｂ）の領域内の所定の始点（ＳＰ）に並べるステップ（ｂ）と、
   上記所定の始点（ＳＰ）から出発して上記対応する接合面（２３ａ，２４ａ，２３ｂ，２４ｂ）に沿った所定の経路（Ｓ１）にわたって、増大していく溶接シーム深さを有するランプアップ溶接シーム（３１）を形成するように上記レーザビーム（２６，２８）の出力密度を増大させていく（ランプアップ）ステップ（ｃ）と、
   上記対応する接合面（２３ａ，２４ａ，２３ｂ，２４ｂ）に沿って所定の終点（ＥＰ）まで、実質的に一定の溶接シーム深さを有する深溶込み溶接シーム（３２）を形成するように深溶込み溶接によって周状の完全溶込み溶接を行うステップ（ｄ）と、
   低減していく溶接シーム深さを有するランプダウン溶接シーム（２３）を形成するように、所定の経路（Ｓ２）にわたって上記レーザビーム（２６，２８）の出力密度を低減させていく（ランプダウン）ステップ（ｅ）と、
   上記所定の経路（Ｓ１，Ｓ２）の少なくとも一部を、少なくとも１つの熱伝導溶接シーム（３４）を形成するように、熱伝導溶接方法のために設計されたレーザ装置を使用する熱伝導溶接によって重ね溶接するステップ（ｆ）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、
   上記ステップ（ｃ）において、上記所定の経路（Ｓ１）の長さを５〜１５ｍｍに設定する
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１において、
   上記ステップ（ｅ）において、上記所定の経路（Ｓ２）の長さを５〜２５ｍｍに設定する
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１において、
   上記ステップ（ｄ）において、上記深溶込み溶接シーム（３２）の溶接シーム深さを２〜１２ｍｍに設定する
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１において、
   上記ステップ（ｅ）と上記ステップ（ｆ）との間の時間間隔を最大で１０秒とする
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項１において、
   上記ステップ（ｅ）と上記ステップ（ｆ）とにおいて、２つの別個のレーザ装置を使用し、
   上記ステップ（ｅ）の終了前に一方の上記レーザ装置を使用して上記ステップ（ｆ）を開始する
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項１において、
   上記ステップ（ｆ）において、上記所定の経路（Ｓ２）の全体を重ね溶接する
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項１において、
   上記ステップ（ｆ）において、上記レーザ溶接シーム（３２）の少なくとも一部を重ね溶接する
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項１において、
   上記ステップ（ｆ）において、上記熱伝導溶接シーム（３４）の溶接シーム深さを最小で１ｍｍかつ最大で３ｍｍに設定する
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項１において、
    ピストン本体の形態における第１ピストン部品（１１，１１０）と、環状部品の形態における第２ピストン部品（１８，１１８）とを使用する
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項１において、
    ボウル縁部部品の形態における環状部品（１８）を使用する
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項１において、
    環状溝部品の形態における環状部品（１１８）を使用する
    ことを特徴とする方法。