WO2003074843A1 - Leichtbauventil - Google Patents

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WO2003074843A1
WO2003074843A1 PCT/EP2003/002178 EP0302178W WO03074843A1 WO 2003074843 A1 WO2003074843 A1 WO 2003074843A1 EP 0302178 W EP0302178 W EP 0302178W WO 03074843 A1 WO03074843 A1 WO 03074843A1
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WO
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valve
welding
plate cover
blank
valve body
Prior art date
Application number
PCT/EP2003/002178
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English (en)
French (fr)
Inventor
Arndt Bosler
Rainer Joos
Detlef Nowotni
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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Publication date
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Priority to US10/506,593 priority patent/US20060005792A1/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/02—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a press ; Diffusion bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/24—Electric supply or control circuits therefor
    • B23K11/26—Storage discharge welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/001—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass valves or valve housings
    • B23P15/002—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass valves or valve housings poppet valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/12—Cooling of valves
    • F01L3/14—Cooling of valves by means of a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in a valve

Definitions

  • the invention is based on a lightweight valve according to the preamble of claim 1, as is known for example from DE 198 04 053 AI. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a lightweight valve according to the preamble of claim 5.
  • valve weight-optimized valves in internal combustion engines can significantly reduce the loss of friction in the valve train. This is particularly important for high-speed internal combustion engines, but it also plays an important role in alternative valve train systems that are not based on conventional camshaft control.
  • the valve weight can be reduced in particular by introducing cavities in the valve stem and / or in the valve cone.
  • valve cone and valve plate together forming a cavity.
  • the valve cone and valve disc are thin-walled individual parts which are connected to one another and to the valve stem by means of soldering or welding.
  • the cavity of the valve is provided with a support structure which supports the valve plate cover with respect to the stem. This support structure should minimize the deformation of the valve head under load and prevent cracking in the area of the valve head.
  • valve cone and valve plate are connected with fillet welds;
  • the common fusion welding processes such as e.g. TIG, laser or electron beam welding - in question.
  • these welding processes can only be used to a limited extent in the case of thin-walled valve geometries, especially when the valve cavity is filled with a metallic cooling medium: Because of the spatially closely spaced arrangement of cooling metal and welding surface, there is in these cases the risk that the cooling metal will melt and reach the welding surface, which can result in a significant reduction in the strength and tightness of the weld.
  • the cooling medium can be retrofitted - i.e.
  • the invention is therefore based on the object of providing a lightweight valve which, on the one hand, has high stability with respect to the thermal and mechanical operating loads. tion, on the other hand is simple and inexpensive to manufacture. Furthermore, the invention has for its object to provide a large-scale production method for such a lightweight valve.
  • the lightweight valve then consists of a valve body - which in turn comprises the valve stem and the hollow valve cone - and a valve plate cover, which is connected to the valve cone using a press-fit welding process.
  • a weight-reducing cavity is formed between the valve cone and the valve plate cover, which cavity is provided with a strengthening support structure.
  • the press-connection welding processes have the advantage that these processes are accompanied by locally limited heating of the welding area. Therefore, negligible warpage of the workpieces occurs when using these methods.
  • process-reliable welding of the thin-walled valve components is therefore possible without the risk of a weakening of the welding area (for example due to contamination of the welding surface by molten cooling metal).
  • a wide range of different material combinations can be connected without protective gas using these processes.
  • the heat required for welding the valve plate cover to the valve body is generated by a relative movement of the individual components pressed against one another (see claim 6).
  • the valve body is set in rotation, while the valve plate cover is firmly clamped in an axially displaceable device and is pressed against the rotating valve body.
  • the rotating valve body is braked and, at the same time, the contact pressure is increased, so that the two parts are welded in an annular contact area by compressing the valve body against the valve plate cover.
  • the welding parameters (speed, friction force, braking and upsetting time etc.) depend on the material combination and the geometry of the joining partners in the welding area.
  • the workpieces to be welded - valve body and valve plate cover - are clamped into the welding device in such a way that the two workpieces touch along an annular contact area. Due to the high currents flowing (for example due to the discharge of a capacitor), the valve body and valve plate are welded to one another in this contact area, so that an annular, continuous connecting web is formed between the two workpieces (see claim 7). Since the welding pulse is very short (approx. 10 to 15 milliseconds for capacitor discharge welding) and since the currents are introduced into a locally narrowly limited area, there is only a slight distortion of the workpiece.
  • the quality of the welding result essentially depends on the fact that a continuous ring-shaped contact area is formed between the valve body and the valve disk cover, along which the local material heating and welding takes place.
  • the valve disk cover blank has a peripheral edge in the edge area on the side facing the valve body, which edge meets a conically shaped area of the valve body in the assembled position with the valve body (see claim 8).
  • the valve disk cover blank is provided with a frusto-conical edge region, while the valve body blank has an edge in the contact area of the valve disk cover blank between a hollow cylindrical and a planar section (see claim 9). In both cases, an annular edge meets a conically shaped counter region, whereby a high-strength annular weld is achieved.
  • a one-piece valve body blank (comprising a valve stem and a valve cone) is used to manufacture the lightweight valve (see claim 2).
  • This has the advantage that no additional process step for connecting the valve stem to the valve cone is necessary to produce the valve body blank; furthermore, in the case of one-piece valve bodies, there is no risk of a reduction in strength due to an incorrect connection of the individual parts.
  • the cavity between the valve plug and the valve plate cover is filled with a cooling medium, by means of which the heat dissipation from the thermally highly stressed areas of the valve plate cover and the zones of the valve plug adjacent to it is improved (see claim 3).
  • a cooling medium in particular Sodium used.
  • the good thermal conductivity of sodium is used, but in particular the transport of heat by the shaking movement of the valve during operation, whereby hot sodium is transported to cooler areas, where it emits heat and is then available again for cooling in the hotter plate area.
  • sodium other metals with a low melting point, such as potassium or sodium-potassium alloys, can also be used.
  • Fig. La an inventive lightweight valve
  • Fig. 2 is a schematic representation of the process steps in the manufacture of the lightweight valve of Figure la: valve body blank and valve plate cover blank ...
  • FIG. 2a shows before welding; Fig. 2b ... during welding Fig. 2c ... in the fully welded state.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the blanks to be welded.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a lightweight valve 1 according to the invention, consisting of a valve body 2 and a valve plate cover 3, which are welded together by means of a press-connection welding method.
  • the valve body 2 in turn consists of a valve stem 4 and a hollow valve cone 5 and is formed in one piece in the present exemplary embodiment.
  • Valve cone 5 and valve plate cover 3 together form the so-called valve head 6.
  • a weight-optimizing cavity 7 is formed between the valve cone 5 and the valve plate cover 3.
  • a support structure 8 arranged in the cavity 7 supports the valve plate cover 3 with respect to the shaft 4; in the present case, the support structure 8 is formed by a pin 9 arranged centrally in the cavity 7.
  • a valve body composed of several individual parts e.g. using different materials for the stem and valve cone
  • the valve plate cover 3 can, according to the invention, be welded to the valve cone 5, for example with the aid of capacitor discharge welding.
  • the associated method steps are shown schematically in FIGS. 2a to 2c.
  • a valve body blank 10 is assumed, which - as shown in FIG. 2a - is provided with an inner cavity 11 in the region of the valve cone 5.
  • a support structure 8 is provided, which projects a predetermined depth into the interior 11.
  • a conically shaped joining region 13 is provided on the wall 12 of the inner cavity 11.
  • the valve body blank 10 can be produced by forming (forging, extrusion, etc.) and / or by machining.
  • a valve plate cover blank 14 is used as joining partner, which in the present example has the shape of a cylindrical disk 15; the joining area 16 provided on the valve disk cover blank 14 thus has the shape of an annular peripheral edge 17 with a rectangular contour.
  • valve plate cover blank 14 is inserted into the cavity 11 of the valve body blank 10; the circumferential edge 17 of the valve disk cover blank 14 lies linearly on the conical joining area 13 in the inner cavity 11 of the valve cone 5. Then, with the aid of a capacitor discharge welding device 18 (indicated schematically by dashed lines in FIG. 2b), the valve plate blank 14 is pressed into the interior 11 of the valve body blank 10 (arrow 19 in FIG.
  • This contact surface 21 is parallel to the annular edge 17, which means that the entire edge 17 is pressed onto the opposite joining surface 13 of the joint in a precisely directed and uniform manner Valve body blanks 10 allowed. Since the contact surface 21 is substantially larger than the (approximately linear) contact surface of the edge 17 on the joining area 13 of the valve body blank 10, it is ensured that the material heating and plasticizing takes place reliably on the edge 17 during welding.
  • the cone angle 23 of the conical joining area 13 is preferably between 10 ° and 80 °.
  • the diameter of the disk 15 is matched to the diameter and the cone angle 23 of the joining area 13 and the welding parameters (current intensity, contact pressure etc.) are selected so that the valve plate blank 14 penetrates so deep into the inner cavity 11 during welding that it rests on the support structure 8; this ensures that the valve plate cover 3 is supported in later operation by the support structure 8 with respect to the valve stem 4.
  • valve body 10.2 and valve plate cover 14.3 can be selected according to the other requirements (e.g. on the functional side).
  • all known valve materials and e.g. Titanium aluminides, iron aluminides, metal matrix composites, titanium and aluminum alloys etc. are used and combined with one another. The method can therefore also be used in particular for applications for which other welding methods cannot be used or can only be used with difficulty.
  • FIG. 3 An alternative embodiment of the joining areas 13 ', 16' on the valve body blank 10 'and the valve plate cover blank 14' is shown in FIG. 3:
  • the joining area 16 'on the valve plate blank 14' has the shape of a truncated cone while on a circumferential edge 13 'is provided for the valve body blank 10'.
  • the contact area between the two blanks 10 ', 14' is also given here by an annular circumferential line contour.
  • any further geometric configurations are possible; it must be ensured that the two joining Touch the partner in the assembled position in a ring-shaped, linear contact area.
  • the two joining partners can be joined by projection welding, the peripheral edge 17, 13 'on the valve body blank 10, 10' or valve plate cover blank 14, 14 'acting as an ignition initiating projection.
  • the two joining partners can be connected to one another by friction welding.
  • the valve disk cover blank 14 is held in the friction welding machine in a torsionally fixed but axially movable manner, while the valve body blank 10 is mounted and driven in a stationary, rotating manner.
  • the blanking valve cover blank 14 is pressed against the conical joining surface 13 of the valve cone 5 with an initially moderate axial force, the material of both parts lying near the contact zone heating up due to friction and thereby softening.
  • the rotating valve body blank 10 is shut down very quickly and at the same time the axial force of the valve disk cover blank 14 is increased and this is moved by a certain axial stroke into the inner cavity 11 of the valve cone 5 pressed in.
  • the parts 10, 14 weld intimately to one another at the contact zone.
  • the contact surface between the two joining partners 10, 14 does not have to be linear when using friction welding; rather, depending on the wall thickness and the geometry of the joining partners 10, 14 in the joining area, it may be expedient to provide a two-dimensional contact zone.
  • valve 1 After the joining partners 10, 14 have been welded, the valve 1 is machined; Here, an area of the valve disk cover blank 14 protruding from the valve cone 5 is cut to the desired dimension (dashed line 24 in FIG. 2c). wear and remove any remaining burrs etc.
  • FIG. 1b An alternative embodiment of a lightweight valve 1 'according to the invention is shown in FIG. 1b:
  • the cavity 7' extends into the valve stem 4 '.
  • the support structure 8 is formed by a plurality of pins 9 ′, which are arranged equidistantly on a circular arc.
  • the cavity 7 ' is filled with a cooling medium 25 (e.g. sodium), which is in the liquid state at the usual operating temperatures of the valve 1'.
  • the cooling medium 25 therefore flows through the cavity 7' and thus supports the removal of heat from the hot area of the valve head 6 'into the cooler stem area 4'.
  • the interior 11 of the valve body blank 10, 10' is first filled with cooling medium 25 and then - using one of the methods described above - welded to the valve plate cover blank 14, 14 '.
  • the cooling medium is either pressed into the interior 11 of the valve body 10, 10 'in a solid state of aggregation and held there in position by the support structure 8, and / or the valve body blank 10, 10' is connected to the one contained in its interior 11 ( liquid or solid) cooling medium 25 vertically aligned during welding in such a way that the cooling medium 25 cannot flow out.
  • the inner support structure 8 can also have annular support walls and / or laterally projecting support ribs.
  • the wall thickness of the valve cone 5 or the valve plate cover 3 can be optimized in a targeted manner, taking into account the design of the support structure 8, in order to further reduce the weight of the valve 1, 1 '.

Abstract

Ein Leichtbauventil besteht aus einem Ventilkörper - der seinerseits den Ventilschaft und den hohlen Ventilkegel umfasst - und einem Ventiltellerdeckel, wobei der Ventilkörper mit Hilfe eines materialverdrängenden Schweissverfahrens mit dem Ventiltellerdeckel verbunden ist. Zwischen Ventilkegel und Ventiltellerdeckel ist in Zusammenbaulage des Ventils einen gewichtsreduzierender Hohlraum ausgebildet, welcher mit einer festigkeitserhöhenden Stützstruktur versehen ist. Als Schweissverfahren können insbesondere das Buckelschweissen, das Kondensator-Entladungsschweissen und das Reibschweissen eingesetzt werden.

Description

Leichtbauventil
Die Erfindung geht aus von einem Leichtbauventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE 198 04 053 AI als bekannt hervorgeht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leichtbauventils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
Durch den Einsatz gewichtsoptimierter Ventile in Verbrennungsmaschinen können die Reibleistungsverluste im Ventiltrieb erheblich vermindert werden. Dies ist insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit hohen Drehzahlen bedeutend, spielt aber auch eine wichtige Rolle bei alternativen Ventiltriebsystemen, die nicht auf einer herkömmlichen Nockenwellensteuerung basieren. Neben der Verwendung leichter Werkstoffe (wie z.B. Siliziumnitrid-Keramik, Titan-, Aluminiumlegierungen oder Titanaluminiden) kann das Ventilgewicht insbesondere durch die Einbringung von Hohlräumen in den Ventilschaft und/oder in den Ventilkegel vermindert werden.
Aus der gattungsbildenden DE 198 04 053 AI ist ein hohles Leichtbauventil mit einem Schaft, einem Ventilkegel und einem Ventilteller bekannt, wobei Ventilkegel und Ventilteller gemeinsam einen Hohlraum bilden. Ventilkegel und Ventilteller sind dünnwandige Einzelteile, welche mittels Löten oder Schweißen miteinander und mit dem Ventilschaft verbunden sind. Um - insbesondere im Bereich des Ventilkegels - trotz der geringen Wandstärke eine hohe Festigkeit und Steifigkeit des Ventils zu erreichen, ist der Hohlraum des Ventils mit einer Stützkonstruktion versehen, welche den Ventiltellerdeckel gegenüber dem Schaft abstützt. Diese Stützkonstruktion soll die Verformung des Ventilkopfes unter Last minimieren und Rissbildungen in Bereich des Ventilkopfes unterbinden.
In den in der DE 198 04 053 AI gezeigten Ausführungsformen des Leichtbauventils sind Ventilkegel und Ventilteller mit Kehlnähten verbunden; als Schweißverfahren kommen hierfür insbesondere die gängigen Schmelzschweißverfahren wie z.B. WIG-, Laser- oder Elektronenstrahlschweißen - in Frage. Diese Schweißverfahren sind jedoch aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmeentwicklung für den Einsatzfall dünnwandiger Ventil- geometrien nur bedingt einsetzbar, insbesondere dann, wenn der Hohlraum des Ventils mit einem metallischen Kühlmedium gefüllt ist: Wegen der räumlich dicht benachbarten Anordnung von Kühlmetall und Schweißfläche besteht nämlich in diesen Fällen die Gefahr, dass das Kühlmetall aufgeschmolzen wird und an die Schweißfläche gelangt, was eine erhebliche Reduktion der Festigkeit und der Dichtheit der Schweißung zur Folge haben kann. Um dieser Problematik zu entgehen, kann das Kühlmedium nachträglich - d.h. nach erfolgter Schweißung eingefüllt werden; dies geht jedoch einher mit einem zusätzlichen Verfahrensschritt des Verschließens des Hohlraums und ist daher sehr aufwendig. Ein weiterer Nachteil der obengenannten Schweißverfahren besteht darin, dass die Prozesszeiten (unter Berücksichtigung von Positionierung und Ausrichtung des Ventiltellers gegenüber dem Ventilkegel, ein eventuelles nachträgliches Einfüllen des Kühlmetalls und anschließendes Verschließen des Hohlraums) unwirtschaftlich lang sind. Für einige Materialkombinationen von Ventilteller und Ventilkegel wie z.B. für Teile aus Titanbasis-Legierungen ist bei Verwendung dieser Schweißverfahren außerdem Schutzgasatmosphäre oder Vakuum erforderlich, was den Herstellungsaufwand und somit die Kosten eines solchen Leichtbauventils weiter erhöht .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Leichtbauventil bereitzustellen, das einerseits eine hohe Stabilität gegenüber den thermischen und mechanischen Betriebsbelas- tungen aufweist, andererseits einfach und kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein großserienfähiges Herstellungsverfahren für ein solches Leichtbauventil zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst .
Danach besteht das Leichtbauventil aus einem Ventilkörper - der seinerseits den Ventilschaft und den hohlen Ventilkegel umfasst - und einem Ventiltellerdeckel, welcher mit Hilfe eines Press-Verbindungs-Schweißverfahrens mit dem Ventilkegel verbunden ist. Zwischen Ventilkegel und Ventiltellerdeckel ist in Zusammenbaulage des Ventils einen gewichtsreduzierender Hohlraum ausgebildet, welcher mit einer festigkeitserhδ- henden Stützstruktur versehen ist.
Die Press-Verbindungs-Schweißverfahren haben - im Unterschied zu den gängigen Schmelzschweißverfahren - den Vorteil, dass diese Verfahren mit einer lokal eng begrenzten Erwärmung des Schweißbereichs einhergehen. Daher treten bei Verwendung dieser Verfahren vernachlässigbar geringe Verzüge der Werkstücke auf . Außerdem ist daher ein prozesssicheres Verschweißen der dünnwandigen Ventilkomponenten ohne die Gefahr einer Schwächung des Schweißbereiches (z.B. durch eine Verunreinigung der Schweißfläche durch aufgeschmolzenes Kühlmetall) möglich. Weiterhin lässt sich mit Hilfe dieser Verfahren ein weites Spektrum unterschiedlicher Werkstoffkombinationen schutzgasfrei verbinden. Ferner liegt bei den Press-Verbindungs- Schweißverfahren - im Gegensatz zum Schmelzschweißen - keine „Schweißbahn" im eigentlichen Sinne des Wortes vor, entlang derer ein Schweißkopf geführt werden müsste; daher kann bei Nutzung eines materialverdrängenden Schweißverfahrens die Rotationssymmetrie des zu erzeugenden Ventils genutzt werden, um eine sehr einfache - und somit kostengünstige - hochgenaue Relativpositionierung der Einzelteile in der zum Einsatz kommenden Schweißvorrichtung zu erreichen. Als Schweißverfahren zur Verbindung des Ventilkörpers mit dem Ventildeckel kommen insbesondere das Reibschweißen oder ein Widerstandspressschweißverfahren in Frage.
Beim Reibschweißen wird die zur Verschweißung des Ventiltellerdeckels mit dem Ventilkörper benötigte Wärme durch eine Relativbewegung der gegeneinander gepressten Einzelkomponenten erzeugt (siehe Anspruch 6) . Hierzu wird beispielsweise der Ventilkörper in Rotation versetzt, während der Ventiltellerdeckel in einer axial verschiebbaren Vorrichtung fest eingespannt ist und gegen den rotierenden Ventilkörper gepresst wird. Beim Erreichen der zum Schweißen erforderlichen Temperatur und Plastizität wird der rotierende Ventilkörper abgebremst und gleichzeitig der Anpressdruck erhöht, so dass durch Stauchung des Ventilkörpers gegen den Ventiltellerdeckel eine Verschweißung der beiden Teile in einem ringförmigen Kontaktbereich erreicht wird. Die Schweißparameter (Drehzahl, Reibkraft, Brems- und Stauchzeitpunkt etc.) hängen dabei von der Werkstoffkombination und der Geometrie der Füge- partner im Schweißbereich ab.
Beim Widerstandspressschweißen (z.B. Buckelschweißen oder Kondensator-Entladungsschweißen) werden die zu verschweißenden Werkstücke - Ventilkörper und Ventiltellerdeckel - so in die Schweißvorrichtung eingespannt, dass sich die beiden Werkstücke entlang eines ringförmigen Kontaktbereiches berühren. Durch die (z.B. aufgrund der Entladung eines Kondensators) fließenden hohen Ströme werden Ventilkörper und Ventil- teller in diesem Kontaktbereich miteinander verschweißt, so dass ein ringförmiger, durchgängiger Verbindungssteg zwischen den beiden Werkstücken gebildet wird (siehe Anspruch 7) . Da der Schweißimpuls sehr kurz (beim Kondensator- Entladungsschweißen etwa 10 bis 15 Millisekunden) ist und da die Ströme in einen lokal eng begrenzten Bereich eingeleitet werden, tritt hierbei nur ein geringer Verzug des Werkstücks ein. Sowohl beim Buckelschweißen als auch beim Kondensator- Entladungsschweißen hängt die Qualität des Schweißergebnisses wesentlich davon ab, dass zwischen Ventilkörper und Ventil - tellerdeckel ein durchgehender ringförmiger Kontaktbereich gebildet ist, entlang dessen die lokale Materialerwärmung und Verschweißung erfolgt. In einer besonders einfach herstellbaren Ausführungsform weist der Ventiltellerdeckelrohling im Randbereich auf der dem Ventilkörper zugewandten Seite eine umlaufende Kante auf, welche in Zusammenbaulage mit dem Ven- tilkδrper auf einen konisch geformten Bereich des Ventilkörpers trifft (siehe Anspruch 8) . In einer weiteren einfach herzustellenden Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventil- tellerdeckelrohling mit einem abschnittsweise kegelstumpfför- migen Randbereich versehen, während der Ventilkörperrohling im Kontaktbereich des Ventiltellerdeckelrohlings eine Kante zwischen einem hohlzylindrischen und einem planaren Abschnitt aufweist (siehe Anspruch 9) . In beiden Fällen trifft eine ringförmige Kante auf einen konisch geformten Gegenbereich, wodurch eine hochfeste ringförmige Schweißung erreicht wird.
Vorteilhafterweise wird zur Herstellung des Leichtbauventils ein einstückig ausgebildeter Ventilkörperrohling (umfassend einen Ventilschaft und einen Ventilkegel) verwendet (siehe Anspruch 2) . Dies hat den Vorteil, dass zur Erzeugung des Ventilkδrperrohlings kein zusätzlicher Verfahrensschritt zur Verbindung des Ventilschafts mit dem Ventilkegel notwendig ist; weiterhin entfällt bei einstückig ausgebildeten Ventil- körpern das Risiko einer Festigkeitsreduktion durch eine fehlerhafte Verbindung der Einzelteile.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Hohlraum zwischen Ventilkegel und Ventiltellerdeckel mit einem Kühlmedium befüllt, durch welches die Wärmeabfuhr aus den thermisch hochbelasteten Bereichen des Ventiltellerdeckels und der an ihn angrenzenden Zonen des Ventilkegels verbessert wird (siehe Anspruch 3) . Als Kühlmedium wird insbesondere Natrium verwendet. Hierbei nutzt man die gute Wärmeleitfähigkeit von Natrium, insbesondere aber den Transport der Wärme durch die Schüttelbewegung des Ventils im Betrieb, wodurch heißes Natrium in kühlere Bereiche transportiert wird, dort Wärme abgibt und abgekühlt wieder im heißeren Tellerbereich zur Wärmeaufnahme zur Verfügung steht. Anstelle von Natrium können auch andere Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt wie z.B. Kalium oder Natrium-Kalium Legierungen verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, den Hohlraum im Inneren des Ventils bis in den Ventilschaft hinein zu erstrecken (siehe Anspruch 4) . Dies bietet insbesondere dann große Vorteile, wenn der Hohlraum mit einem Kühlmedium befüllt ist, da in diesem Fall das Kühlmedium durch die Schüttelbewegung des Ventils vom heißen Bereich des Ventiltellers in das kühlere Schaftinnere transportiert werden kann, wo es - aufgrund der größeren Temperaturdifferenz eine besonders effektive Kühlung erfährt .
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen:
Fig. la ein erfindungsgemäßes Leichtbauventil;
Fig. lb eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Leichtbauventils ;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte bei der Herstellung des Leichtbauventils der Figur la: Ventilkörper-Rohling und Ventiltellerdeckel-Rohling ...
Fig. 2a ... vor dem Verschweißen; Fig. 2b ... während des Verschweißens Fig. 2c ... in fertig verschweißtem Zustand. Fig. 3 eine alternative Ausgestaltung der zu verschweißenden Rohlinge.
Figur la zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Leichtbauventils 1, bestehend aus einem Ventil- körper 2 und einem Ventiltellerdeckel 3, welche mittels eines Press-Verbindungs-Schweißverfahrens miteinander verschweißt sind. Der Ventilkörper 2 seinerseits besteht aus einem Ventilschaft 4 und einem hohlen Ventilkegel 5 und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einstückig ausgebildet. Ventilkegel 5 und Ventiltellerdeckel 3 gemeinsam bilden den sogenannten Ventilkopf 6. Zwischen dem Ventilkegel 5 und dem Ventiltellerdeckel 3 ist ein gewichtsoptimierender Hohlraum 7 ausgebildet. Eine im Hohlraum 7 angeordnete Stützstruktur 8 stützt den Ventiltellerdeckel 3 gegenüber dem Schaft 4 ab; im vorliegenden Fall ist die Stützstruktur 8 durch einen mittig im Hohlraum 7 angeordneten Stift 9 gebildet . Anstelle des in Figur 1 gezeigten einstückigen Ventilkörpers 2 kann auch ein aus mehreren Einzelteilen (z.B. unter Verwendung verschiedenen Werkstoffe für Schaft und Ventilkegel) zusammengesetzter Ventilkörper zum Einsatz kommen.
Der Ventiltellerdeckel 3 kann erfindungsgemäß z.B. mit Hilfe des Kondensator-Entladungsschweißens mit dem Ventilkegel 5 verschweißt sein. Die zugehörigen Verfahrensschritte sind schematisch in Figuren 2a bis 2c dargestellt. Dabei wird von einem Ventilkδrper-Rohling 10 ausgegangen, der - wie in Figur 2a dargestellt - im Bereich des Ventilkegels 5 mit einem Innenhohlraum 11 versehen ist. Im Innenraum 11 des Ventilkegels 5 ist eine Stützstruktur 8 vorgesehen, welche eine vorgegebene Tiefe in den Innenraum 11 hineinragt. Auf der Wandung 12 des Innenhohlraums 11 ist ein konisch ausgestalteter Fügebereich 13 vorgesehen. Der Ventilkörper-Rohling 10 kann durch Umformung (Schmieden, Fließpressen etc.) und/oder durch spanende Bearbeitung hergestellt sein. - Als Fügepartner wird ein Ventiltellerdeckel-Rohling 14 verwendet, der im vorliegenden Beispiel die Form einer zylindrischen Scheibe 15 hat; der auf dem Ventiltellerdeckel-Rohling 14 vorgesehene Fügebereich 16 hat somit die Form einer ringförmig umlaufenden Kante 17 mit rechtwinkliger Kontur.
Zum Verschweißen der beiden Fügepartner 10,14 wird der Ventiltellerdeckel-Rohling 14 in den Hohlraum 11 des Ventilkörper-Rohlings 10 eingesetzt; die umlaufende Kante 17 des Ventiltellerdeckel-Rohlings 14 liegt dabei linienförmig auf dem konischen Fügebereich 13 im Innenhohlraum 11 des Ventilkegels 5 auf. Dann wird mit Hilfe einer (in Figur 2b schematisch gestrichelt angedeuteten) Kondensator-Entladungsschweißvorrichtung 18 der Ventiltellerdeckel-Rohling 14 in den Innenraum 11 des Ventilkörper-Rohlings 10 hineingepresst (Pfeil 19 in Figur 2b) und gleichzeitig der im Stromkreis der Schweißvorrichtung 18 integrierte Kondensator entladen; aufgrund der dabei durch die Fügepartner 10,14 fließenden hohen Ströme verschweißt die Kante 17 mit dem ihr gegenüberliegenden Fügebereich 13 auf dem Ventilkörper-Rohling 10, so dass ein ringförmiger, durchgängiger Verbindungssteg 20 zwischen dem Ventiltellerdeckel-Rohling 14 und Ventilkörper-Rohling 10 gebildet wird und der zwischen den beiden Fügepartnern 10,14 gebildete Hohlraum 7 dicht gegenüber der Außenwelt verschlossen wird. Da der Schweißimpuls beim Kondensator-Entladungs- schweißen mit 10 - 15 Millisekunden sehr kurz ist, tritt hierbei nur ein geringer Verzug der Fügepartner 10,14 auf. Die ebene Unterseite des Ventiltellerdeckel-Rohlings 14 gewährleistet eine große Kontaktfläche 21 mit dem Schweißstempel 22 der Kondensator-Entladungsschweißvorrichtung 18. Diese Kontaktfläche 21 liegt parallel zur ringförmigen Kante 17, was ein präzise gerichtetes und gleichmäßiges Aufdrücken der gesamten Kante 17 auf die gegenüberliegende Fügefläche 13 des Ventilkörper-Rohlings 10 gestattet. Da die Kontaktfläche 21 wesentlich größer ist als die (näherungsweise linienfδrmige) Auflagefläche der Kante 17 auf dem Fügebereich 13 des Ventil - körper-Rohlings 10, ist sichergestellt, dass die Materialerwärmung und -plastifizierung beim Schweißen prozesssicher an der Kante 17 erfolgt. Der Konuswinkel 23 des konischen Fügebereiches 13 liegt vorzugsweise zwischen 10° und 80°. Der Durchmesser der Scheibe 15 ist so auf den Durchmesser und den Konuswinkel 23 des Fügebereichs 13 abgestimmt und die Schweißparameter (Stromstärke, Anpressdruck etc.) sind so gewählt, dass der Ventiltellerdeckel-Rohling 14 während des Verschweißens so tief in den Innenhohlraum 11 eindringt, dass er auf der Stützstruktur 8 aufliegt; damit ist sichergestellt, dass der Ventiltellerdeckel 3 im späteren Betrieb durch die Stützstruktur 8 gegenüber dem Ventilschaft 4 abgestützt wird.
Mittels Kondensator-Entladungsschweißens kann ein weites Spektrum unterschiedlicher Werkstoffe geschweißt werden, so dass der Werkstoff von Ventilkörper 10,2 und Ventiltellerdeckel 14,3 den anderweitig (z.B. funktionsseitig) gestellten Anforderungen entsprechend gewählt werden können. Insbesondere können alle bekannten Ventilwerkstoffe sowie z.B. Titana- luminide, Eisenaluminide, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Titan- und Aluminiumlegierungen etc. eingesetzt und miteinander kombiniert werden. Das Verfahren ist somit insbesondere auch für Anwendungsfälle verwendbar, für die andere Schweißverfahren nicht oder nur unter Schwierigkeiten eingesetzt werden können .
Eine alternative Ausgestaltung der Fügebereiche 13 ',16' auf Ventilkörper-Rohling 10' und Ventiltellerdeckel-Rohling 14' ist in Figur 3 dargestellt: In diesem Fall hat der Fügebereich 16' auf dem Ventiltellerdeckel-Rohling 14' die Form eines Kegelstumpfes, während auf dem Ventilkörper-Rohling 10' eine umlaufende Kante 13' vorgesehen ist. Analog zum Beispiel der Figuren 2a und 2b ist der Kontaktbereich zwischen den beiden Rohlingen 10 ',14' auch hier durch eine ringförmig umlaufende Linienkontur gegeben. Neben den in Figuren 2a und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen der Fügepartner 10,14 sind beliebige weitere geometrische Ausgestaltungen möglich; es muss dabei sichergestellt sein, dass sich die beiden Füge- partner in Zusammenbaulage in einem ringförmig umlaufenden linienförmigen Kontaktbereich berühren.
Alternativ zum Kondensator-Entladungsschweißen können die beiden Fügepartner durch Buckelschweißen verbunden werden, wobei die umlaufende Kante 17,13' auf dem Ventilkörper- Rohling 10,10' bzw. Ventiltellerdeckel-Rohling 14,14' als zündungsinitiierender Buckel wirkt.
Weiterhin können die beiden Fügepartner durch Reibschweißen miteinander verbunden werden. In diesem Fall wird z.B. der Ventiltellerdeckel-Rohling 14 verdrehfest aber axial beweglich in der Reibschweißmaschine gehalten, während der Ventil- körper-Rohling 10 ortsfest rotierend gelagert und angetrieben ist. Zunächst wird der Ventiltellerdeckel-Rohling 14 mit anfänglich noch mäßiger Axialkraft an die konische Fügefläche 13 des Ventilkegels 5 angepresst, wobei der nahe der Kontakt- zone liegende Werkstoff beider Teile sich reibungsbedingt erwärmt und dabei erweicht. Ist dann eine für das Schweißen geeignete Temperatur und in der Kontaktzone der Teile ein teigiger Zustand erreicht, so wird der rotierende Ventilkörper- Rohling 10 sehr rasch stillgesetzt und zugleich die Axialkraft des Ventiltellerdeckels-Rohlings 14 erhöht und dieser um einen gewissen Axialhub in den Innenhohlraum 11 des Ventilkegels 5 hineingepresst . Dabei verschweißen die Teile 10,14 an der Kontaktzone innig miteinander. - Im Gegensatz zu Buckel- und Kondensator-Entladungsschweißen braucht bei Verwendung des Reibschweißens die Kontaktfläche zwischen den beiden Fügepartnern 10,14 nicht linienförmig zu sein; vielmehr kann es - in Abhängigkeit von der Wanddicke und der Geometrie der Fügepartner 10,14 im Fügebereich - zweckmäßig sein, eine flächenhafte Kontaktzone vorzusehen.
Nach dem Verschweißen der Fügepartner 10,14 wird das Ventil 1 spanend bearbeitet; hierbei wird ein aus dem Ventilkegel 5 herausragender Bereich des Ventiltellerdeckel-Rohlings 14 auf das gewünschte Maß (gestrichelte Linie 24 in Figur 2c) abge- tragen und eventuell noch verbleibende Schweißgrate etc. entfernt .
Eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leichtbauventils 1' ist in Figur lb dargestellt: In diesem Fall erstreckt sich der Hohlraum 7' bis in den Ventilschaft 4' hinein. Die Stützstruktur 8 ist in diesem Ausführungsbei- spiel durch mehrere Stifte 9' gebildet, welche äquidistant auf einem Kreisbogen angeordnet sind. Der Hohlraum 7' ist mit einem Kühlmedium 25 (z.B. Natrium) gefüllt, welches bei den gängigen Betriebstemperaturen des Ventils 1' im flüssigen Aggregatzustand vorliegt. Im Betrieb des Ventils 1' durchströmt das Kühlmedium 25 daher den Hohlraum 7' und unterstützt so die Wärmeabfuhr aus dem heißen Bereich des Ventilkopfes 6' in den kühleren Schaftbereich 4'. Zur Herstellung des Ventils 1' der Figur lb wird der Innenraum 11 des Ventilkörper-Rohlings 10,10' zunächst mit Kühlmedium 25 befüllt und anschließend - mittels eines der oben beschriebenen Verfahren - mit dem Ventiltellerdeckel-Rohling 14,14' verschweißt. Zum Verschweißen wird das Kühlmedium entweder in festem Aggregatzustand in den Innenraum 11 des Ventilkörpers 10,10' eingedrückt und dort über die Stützstruktur 8 in Position gehalten, und/oder der Ventilkörper-Rohling 10,10' wird mit dem in seinem Innenraum 11 enthaltenen (flüssigen oder festen) Kühlmedium 25 während des Schweißens in einer solchen Weise vertikal ausgerichtet, dass das Kühlmedium 25 nicht ausfließen kann.
Die innere Stützstruktur 8 kann alternativ zu bzw. zusätzlich zu den in Figuren la und lb gezeigten Stiften 9,9' auch ringförmig umlaufende Stützwände und/oder seitlich abragende Stützrippen aufweisen. Die Wanddicke des Ventilkegels 5 bzw. des Ventiltellerdeckels 3 kann - unter Einbeziehung der Gestaltung der Stützstruktur 8 - gezielt optimiert werden, um das Gewicht des Ventils 1,1' weiter zu reduzieren.
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Claims

Patentansprüche
1. Leichtbauventil, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einem einen Ventilschaft und einen Ventilkegel umfassenden Ventilkörper und einem Ventiltellerdeckel, wobei Ventilkegel und Ventiltellerdeckel gemeinsam einen Hohlraum bilden und wobei in diesem Hohlraum eine Stützstruktur zur Abstützung des Ventiltellerdeckels gegenüber dem Ventilschaft vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ventiltellerdeckel (3) mit dem Ventilkegel (5,5') mittels eines Press-Verbindungs-Schweißverfahrens verbunden ist.
2. Leichtbauventil nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ventilkörper (2,2') einstückig ausgebildet ist.
3. Leichtbauventil nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Hohlraum (7,7') des Ventils (1,1') mit einem Kühlmedium (25), insbesondere mit Natrium, befüllt ist.
4. Leichtbauventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sich der Hohlraum (7') in den Ventilschaft (4) hinein erstreckt .
5. Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauventils, insbesondere für einen Verbrennungsmotor,
- wobei ein Ventilkörperrohling, welcher einen Ventil- schaft und einen abschnittsweise hohlen Ventilkegel um- fasst, mit einem Ventiltellerdeckelrohling verschweißt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Schweißverfahren ein Press-Verbindungs-Schweißverfahren eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Schweißverfahren das Reibschweißen eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Schweißverfahren ein Widerstandspressschweißver- fahren, insbesondere das Buckelschweißen oder das Kondensator-Entladungsschweißen, eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zum Verbinden des Ventilkörper-Rohlings (10) mit dem Ventiltellerdeckel-Rohling (14) ein mit einer Kante (17) versehener Fügebereich (16) des Ventiltellerdeckel- Rohlings (14) mit einer abschnittsweise konisch geformten Wandung (13) des Innenraums (11) des Ventilkörper-Rohlings (10) verschweißt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zum Verbinden des Ventilkörper-Rohlings (10') mit dem Ventiltellerdeckel-Rohling (14') ein abschnittsweise kegelstumpfförmiger Randbereich (17') des Ventiltellerdeckel-Rohlings (14') mit einer den Innenraum (11) begrenzende linienförmigen Kante (13') des Ventilkörper-Rohlings (10') verschweißt wird.
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