WO2010142439A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbens einer brennkraftmaschine mittels induktiver energiezufuhr und laserbestrahlung - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines kolbens einer brennkraftmaschine mittels induktiver energiezufuhr und laserbestrahlung Download PDF

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    • B23K2101/003—Pistons

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a piston of an internal combustion engine by means of inductive energy supply and laser irradiation according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • the invention is therefore based on the object, a method for producing a piston of an internal combustion engine in which the combustion bowl trough edge is heated inductively and melted by means of a laser beam, to further improve.
  • the laser beam is deflected during a rotational relative movement with respect to the piston.
  • either the piston rests and the laser beam rotates relative to the piston i.e., the load beam itself is moved radially along the combustion bowl trough edge.
  • An alternative to this is to direct the laser beam to a point while rotating the piston relative to the laser beam.
  • the laser beam is directed from one laser beam source or even several laser beam sources directly to the combustion bowl trough edge or the supply of the at least one laser beam indirectly, for example by means of a mirror system (also referred to as -Scanner) to the combustion bowl trough edge judge.
  • a mirror system also referred to as -Scanner
  • the laser beam is directed onto the combustion bowl trough edge in such a way that the laser beam is deflected out of a laser beam source or out of several laser beam sources during the rotational relative movement with respect to the piston.
  • This deflection takes place, for example, with respect to a piston stroke axis, to a region above and below the vertex of the combustion bowl trough edge, based on its cross section.
  • This makes it possible, not with the inventive method only to melt a larger surface but also a greater depth of the combustion bowl edge and thus to achieve a hardening by changing the microstructure, which is substantially improved compared to the known method.
  • This means that the execution of the method according to the invention achieves a remelting track which is wider and deeper than the remelting track which is achieved with the known hardening method.
  • the laser beam is punctiformly directed punctiformly during the rotational movement onto the region of the combustion chamber bowl rim to be remelted.
  • the laser beam is split into several so-called laser spots or laser spots. This can e.g. be effected by the laser beam by a corresponding control briefly on and off or the generation of laser spots are achieved by a corresponding optics by the laser beam is once directed to the combustion chamber trough edge and another time of this pioneering.
  • This interrupted punctiform irradiation of the combustion bowl trough edge with the laser beam can in jsiner embodiment be carried out continuously during the rotational movement of either the piston or the laser beam source.
  • the piston is further rotatably moved relative to the laser beam (or vice versa, by the laser beam is further rotated rotatably and the piston rests), in which case the next Partial area is remelted, wherein the rotational advancement is carried out so often until the entire combustion bowl rim has been melted in its radial extent.
  • the combustion bowl rim is used to optimize the remelting process and to improve its resistance partially remelted, wherein the desired width and depth can be adjusted for the remelting process by the deflection of the laser beam and in particular in connection with the point-shaped irradiation.
  • the intensity of the laser beam in the course of the irradiation either remains the same or is changed.
  • the intensity and hence the energy input can remain the same, resulting in a uniform remelting process in the radial course of the combustion bowl rim.
  • the intensity of the laser beam during its deflection and also with respect to the rotational movement can be changed.
  • parts of the combustion bowl rim can be achieved with different degrees of hardness.
  • the residence time of the laser beam is set to the area to be reflowed and / or by the energy output of the laser source.
  • the invention thus offers the advantage that, on the one hand, the remelted area (in particular the width and the depth) of the combustion bowl trough edge is significantly increased and, if desired, different degrees of hardness of the combustion bowl trough edge can be set in its radial course.
  • the deflection of the laser beam over the remeltable area of the combustion bowl trough edge and in particular the interrupted point-like irradiation of the combustion bowl trough edge offers the significant advantage that sufficient Energy for remelting the combustion bowl rim is available to remelt the desired depth and width, while at the same time preventing the irradiated area from melting away and thus the combustion bowl rim in its geometric shape after being manufactured by a casting process (or forging process) is changed.
  • the present invention thus offers the advantage that a significantly larger Umschmelsvolumen can be generated either by the scanner, the beam splitting or by the use of multiple lasers at the same process time (for example, a revolution for the machining of the piston).
  • combustion bowl trough edge can be interrupted punctually irradiated during the deflection of the laser beam.
  • FIG. 4 shows a further variant in which the laser beam sweeps over the area of the combustion bowl trough edge during the rotational feed movement, wherein this sweeping can not be carried out in a punctiform manner but also continuously.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei der Kolben eine Brennraummulde mit einem Brennraummuldenrand aufweist und der Brennraummuldenrand dadurch gehärtet wird, dass er in einem ersten Schritt mittels induktiver Energiezufuhr und in einem weiteren Schritt mittels eines Laserstrahls umgeschmolzen wird, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Laserstrahl während der rotatorischen relativen Fortbewegung in Bezug auf den Kolben ausgelenkt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine mittels induktiver Energiezufuhr und Laserbestrahlung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine mittels induktiver Energiezufuhr und Laserbestrahlung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentsanspruches 1.
Aus der DE 10 2007 044 696.0 ist es bekannt, zur Herstellung eines Kolbens, der eine Brennraummulde mit einem Brennraummuldenrand aufweist, den Brennraum- muldenrand dadurch zu härten, dass er in einem ersten Schritt mittels induktiver Energiezufuhr und in einem weiteren Schritt mittels eines Laserstrahls umgeschmolzen wird. Dieses Umschmelzen des Randes der Brennraummulde führt zu einer widerstandsfähigeren Gefügestruktur, so dass die Lebensdauer des Kolbens, und insbesondere des Brennraumuldenrandes, den extremen Anforderungen an heutige Bre.n.nkraftmaschinen in Bezug auf Verbrennungsdrücke und Verbrennungstempera- turen besser genügt, als Brennraummuldenränder, die durch einfaches Gießen des Kolbens erzeugt werden.
Auf Grund steigender Festigkeitsanforderungen und Anforderungen an erhöhte Lebensdauer der Kolben ist dieses schon angewandte Verfahren noch nicht zufriedenstellend genug, da der Laserstrahl während seines radialen Umlaufes nur einen in der Größe durch die Form des Laserstrahls begrenzten Bereich aufschmilzt und härtet, wohingegen weitere Bereiche, d.h. tiefer gehende Bereiche des Brennraummul- denrandes, nicht aufgeschmolzen werden und die Gefügestruktur behalten, die sich beim Gießen des Kolbens, genauer des Kolbenrohlings, eingestellt hat. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, bei dem der Brennraummuldenrand induktiv erwärmt und mittels eines Laserstrahles aufgeschmolzen wird, weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentsanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Laserstrahl während einer rotatorischen relativen Fortbewegung in Bezug auf den Kolben ausgelenkt wird.
Hier ist zunächst festzuhalten, dass entweder der Kolben ruht und der Laserstrahl einer rotatorischen, relativen Fortbewegung in Bezug auf den Kolben ausführt, d.h., dass der Lasterstrahl selber radial entlang des Brennraummuldenrandes bewegt wird. Eine Alternative hierzu ist es, den Laserstrahl auf einen Punkt zu richten und gleichzeitig den Kolben rotatorisch relativ in Bezug auf den Laserstrahl zu bewegen. Bei diesen beiden Varianten ist es denkbar, dass der Laserstrahl aus einer Laserstrahlquelle oder auch mehreren Laserstrahlquellen direkt auf den Brennraummuldenrand gerichtet wird oder die Zufuhr des zumindest einen Laserstrahls indirekt, beispielsweise mittels eines Spiegelsystems (auch als -Scanner bezeichnet), auf- den Brennraummuldenrand zu richten.
Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun der Laserstrahl, entweder feststehend und bei rotierendem Kolben oder umgekehrt, derart auf den Brennraummuldenrand gerichtet, dass der Laserstrahl aus einer Laserstrahlquelle oder aus mehreren Laserstrahlquellen während der rotatorischen relativen Fortbewegung in Bezug auf den Kolben ausgelenkt wird. Diese Auslenkung erfolgt beispielsweise, bezogen auf eine Kolbenhubachse, auf einen Bereich oberhalb und unterhalb des Scheitelpunktes des Brennraummuldenrandes, bezogen auf dessen Querschnitt. Dadurch ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur eine größere Oberfläche, sondern auch eine größere Tiefe des Brennraummul- denrandes aufzuschmelzen und somit durch Veränderung der Gefügestruktur eine Härtung zu erreichen, die wesentlich verbessert ist gegenüber dem bekannten Verfahren. Das bedeutet, dass durch die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Umschmelzspur erzielt wird, die breiter und tiefer ist als die Umschmelz- spur, die mit dem bekannten Härtungsverfahren erzielt wird.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl unterbrochen punktförmig währen der rotatorischen Bewegung auf den umzuschmelzenden Bereich des Brennraummuldenrandes gerichtet wird. Um den Umschmelzprozess (Auf- schmelzprozess) zu optimieren und einen größeren Bereich (Breite und Tiefe) der Brennraummulde bzw. deren Brennraummuldenrandes umzuschmelzen, wird der Laserstrahl in mehrere so genannte Laserpunkte oder Laserspots aufgeteilt. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass der Laserstrahl durch eine entsprechende Steuerung kurzzeitig ein- und ausgeschaltet wird oder die Erzeugung der Laserspots durch eine entsprechend Optik erzielt werden, indem der Laserstrahl einmal auf den Brenn- raummuldenrand und ein anderes Mal von diesem wegweisend gerichtet wird. Diese unterbrochene punktförmige Bestrahlung des Brennraummuldenrandes mit dem Laserstrahl kann in jsiner Ausführungsform während der rotatorischen Bewegung entweder des Kolbens oder der Laserstrahlquelle kontinuierlich erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zunächst ein Teilbereich des Brennraummuldenrandes umgeschmolzen wird, dann der Kolben relativ zu dem Laserstrahl rotatorisch weiter bewegt wird (oder umgekehrt, indem der Laserstrahl rotatorisch weiter bewegt wird und der Kolben ruht), wobei dann der nächste Teilbereich umgeschmolzen wird, wobei die rotatorische Weiterbewegung so oft ausgeführt wird, bis der gesamte Brennraummuldenrand in seinem radialen Umfang aufgeschmolzen worden ist. Dadurch wird der Brennraummuldenrand zur Optimierung des Umschmelzprozesses und zur Verbesserung seiner Widerstandsfähig- keit teilbereichsweise umgeschmolzen, wobei durch die Auslenkung des Laserstrahls und insbesondere in Zusammenhang mit der punktförmigen Bestrahlung die gewünschte Breite und Tiefe für den Umschmelzprozess eingestellt werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Intensität des Laserstrahls im Verlauf der Bestrahlung, insbesondere der punktförmigen Bestrahlung, entweder gleich bleibt oder verändert wird. Das bedeutet, dass während der Auslenkung des Laserstrahls, d.h., während seines Überstreichens über den Brennraummuldenrand, die Intensität und damit die Energiezufuhr gleich bleiben kann, was zu einem gleichmäßigen Umschmelzprozess im Radialverlauf des Brennraummuldenrandes führt. Für den Fall, dass lokal, d.h. teilbereichsweise, unterschiedliche Härtegrade gewünscht sind, kann die Intensität des Laserstrahls während seiner Auslenkung und auch in Bezug auf die rotatorische Bewegung verändert werden. In Folge dessen lassen sich Teilbereiche des Brennraummuldenrandes mit unterschiedlichen Härtegraden erzielen.
Zur Erzielung unterschiedlicher Härtegrade des Brennraummuldenrandes in seinem radialen Verlauf kann daran gedacht werden, dass die Veränderung der Intensität und damit der Energieeintragung durch .die Verweildauer des Laserstrahles auf den umzuschmelzenden Bereich und/oder durch die Energieabgabe der Laserquelle eingestellt wird.
Insgesamt bietet die Erfindung somit den Vorteil, dass zum einen der umgeschmolzene Bereich (insbesondere die Breite und die Tiefe) des Brennraummuldenrandes deutlich erhöht wird und außerdem, falls gewünscht, unterschiedliche Härtegrade des Brennraummuldenrandes in seinem radialen Verlauf einstellbar sind. Darüber hinaus bietet die Auslenkung des Laserstrahles über den umzuschmelzenden Bereich des Brennraummuldenrandes und insbesondere die unterbrochen punktförmige Bestrahlung des Brennraummuldenrandes den wesentlichen Vorteil, dass genügend Energie zum Umschmelzen des Brennraummuldenrandes zur Verfügung steht, um die gewünschte Tiefe und Breite umzuschmelzen, wobei jedoch gleichzeitig damit verhindert wird, dass der bestrahlte Bereich wegschmilzt und somit der Brennraum- muldenrand in seiner geometrischen Gestaltung nach seiner Herstellung durch einen Gießprozess (oder einen Schmiedeprozess) verändert wird.
Die vorliegende Erfindung bietet somit den Vorteil, dass entweder durch den Scanner, die Strahlteilung oder durch die Verwendung mehrerer Laser bei gleichbleibender Prozesszeit (beispielsweise eine Umdrehung für die Bearbeitung des Kolbens) ein deutlich größeres Umschmelsvolumen erzeugt werden kann.
In den Figuren sind Beispiele gezeigt, wie auf unterschiedliche Art und Weise der Brennraummuldenrand während der Auslenkung des Laserstrahls unterbrochen punktförmig bestrahlt werden kann.
Dabei ist in Figur 1 , bezogen auf eine Vorschubrichtung V entweder des Kolbens oder des Laserstrahls während des rotatorischen Vorschubs, gezeigt, dass zunächst, bezogen auf den Brennraummuldenrand oberhalb und unterhalb in Bezug auf eine Kqlbenhubachse überstreichend, mehrere Laserspots- durch Ein- und Aussehalten der Laserquelle oder durch eine geeignete Optik mit dem Laserstrahl bestrahlt werden, dann ein Vorschub erfolgt, die Bestrahlung wiederholt wird, danach wieder eine Fortbewegung in Vorschubrichtung erfolgt und wieder mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, und zwar solange, bis der Brennraummuldenrand einmal in seinem radialen Umfang abgefahren worden ist.
Das gleiche Verfahren ist in den Figuren 2 und 3 gezeigt, wobei hier auf Grund der unterschiedlichen Anzahl der Laserspots unterschiedliche Energien zum Umschmelzen des Brennraummuldenrandes zugeführt werden. Figur 4 schließlich zeigt eine weitere Variante, bei der der Laserstrahl während der rotatorischen Vorschubbewegung den Bereich des Brennraummuldenrandes überstreicht, wobei dieses Überstreichen nicht zwangsweise punktförmig, sondern auch kontinuierlich ausgeführt werden kann.
Während in den Figuren 1 bis 4 gezeigt ist, dass auf Grund eines jeweiligen Laserspots immer die gleiche Umschmelzenergie zugeführt wird, kann auch daran gedacht werden, für einen oder mehrere Laserspots unterschiedliche Energien und/oder unterschiedliche Verweildauern während der Bestrahlung einzusetzen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei der Kolben eine Brennraummulde mit einem Brennraummuldenrand aufweist und der Brennraummuldenrand dadurch gehärtet wird, dass er in einem ersten Schritt mittels induktiver Energiezufuhr und in einem weiteren Schritt mittels eines Laserstrahls umgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl während einer rotatorischen relativen Fortbewegung in Bezug auf den Kolben ausgelenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl unterbrochen punktförmig auf den umzuschmelzenden Bereich des Brennraummul- denrandes gerichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Teilbereich des Brennraummuldenrandes umgeschmolzen wird, dann der Kolben relativ zu dem Laserstrahl rotatorisch weiter bewegt wird (oder umgekehrt), dann der nächste Teilbereich des Brennraummuldenrandes umgeschmolzen wird, wobei die rotatorische Weiterbewegung schrittweise so oft ausgeführt wird, bis der gesamte Brennraummuldenrand in seinem radialen Umfang aufgeschmolzen worden ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Laserstrahls im Verlauf der Bestrahlung, insbesondere der punktförmigen Bestrahlung, gleich bleibt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Laserstrahls im Verlauf der Bestrahlung, insbesondere der punktförmigen Bestrahlung, verändert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Intensität durch die Verweildauer des Laserstrahls auf den umzuschmel- zenden Bereich des Brennraummuldenrandes eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Intensität durch die Energieabgabe der Laserstrahlquelle auf den umzu- schmelzenden Bereich des Brennraummuldenrandes eingestellt wird.
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