WO2020201246A1 - Verfahren zur herstellung von kolben für brennkraftmaschinen - Google Patents

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WO2020201246A1
WO2020201246A1 PCT/EP2020/059039 EP2020059039W WO2020201246A1 WO 2020201246 A1 WO2020201246 A1 WO 2020201246A1 EP 2020059039 W EP2020059039 W EP 2020059039W WO 2020201246 A1 WO2020201246 A1 WO 2020201246A1
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WO
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piston
internal combustion
weld
reduced
welding
Prior art date
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PCT/EP2020/059039
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English (en)
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Inventor
Anatoli Rebensdorf
Michael Janssen
Christian Schaller
Gerhard Luz
Steffen Stork
Original Assignee
Ks Kolbenschmidt Gmbh
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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
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/1224—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in vacuum
    • 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
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/003—Pistons

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a piston for an internal combustion engine with at least a first piston component and a second piston component, which are connected to one another by means of a weld, according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • Such a production method is known from EP 2 603 685 B1.
  • derived technologies and alternative blasting processes in an ambient atmosphere and / or with the use of protective gas e.g. nitrogen, argon or similar
  • protective gas e.g. nitrogen, argon or similar
  • joining processes at least two but also more than two separately manufactured elements of a piston, in particular an upper part which has at least one annular groove and possibly a combustion bowl and a lower part with a piston skirt with piston bosses and piston bores, possibly also with an annular groove, are permanently and permanently connected to each other in order to provide a ready-to-use piston after finishing.
  • Such joining processes are sometimes complex and not always satisfactory with regard to the weld seam.
  • the invention is therefore based on the object of providing a piston for an internal combustion engine in which the disadvantages described are eliminated.
  • the object is achieved in that the weld is carried out as a beam weld and that the weld takes place in a pressure-reduced ambient atmosphere.
  • the beam welding is preferably designed as laser beam welding, the laser beam welding also being carried out in a pressure-reduced ambient atmosphere.
  • the pressure-reduced atmosphere is preferably between 2 ⁇ 10 2 mbar and 7 ⁇ 10 4 mbar.
  • the lower weld seam can be, for example, a depth of 3% to 11% of the piston diameter.
  • the upper weld seam can for example be between 3% and 11.5% (+/- 25%, preferably +/- 20%, again preferably +/- 10%) of the piston diameter.
  • Multi-part pistons can be made from different materials (e.g. the upper part made of 42 CrMo4, MCG3 and the lower part made of 38 MnVS6).
  • Material combinations e.g. cast steel and heat-resistant steels
  • the parts to be joined can be manufactured using the same process or using different processes (such as casting, forging, etc.).
  • the method according to the invention makes it possible to significantly reduce the process times of the subsequent cooling.
  • the holding times can thus be reduced to up to 10% of the necessary holding time without the method according to the invention.
  • connection zone consisting of the weld metal, heat-affected zone and adjacent heat distributed by the thermal radiation between the heat-affected zone and the transition area of the base material
  • the hardness in the connection zone can be reduced to the range between the hardness of the base material x 1.03 (+/- 25%, preferably +/- 20%, again preferably +/- 10%) and the hardness of the base material x 1.73 (+/- 25%, preferably +/- 20%, again preferably +/- 10%).
  • the energy density during welding can be increased by a factor of 1.84 (+/- 25%, preferably +/- 20%, again preferably +/- 10%) with the same output power compared to the conventional welding method using the method according to the invention.
  • the requirements for the quality of the joint surface preparation are reduced.
  • one of the usual measures to be taken namely washing and laser cleaning, can be dispensed with in order to clean the joints.
  • a range between 1 mbar and 300 mbar negative pressure is sufficient to achieve the desired properties.
  • the method according to the invention significantly reduces the weld seam irregularities (e.g. cracks) when ramping out or in the overlapping area.
  • the weld seam speed can be increased by a factor of 1.6 (+/- 25%, preferably +/- 20%, again preferably +/- 10%) up to 5.3 using the method according to the invention while maintaining the weld seam quality.
  • the method according to the invention increases the stability of the vapor capillary, so that higher welding speeds are possible using the method according to the invention.
  • the weld seam area of the outer main support in relation to the weld seam area of the inner main support can be smaller than 2.02.
  • the ratio is greater than or equal to 2.03.
  • a welding process can be implemented within the ring groove.
  • the heat affected zone can be reduced by a factor of 1.86 (+/- 25%, preferably +/- 20%, again preferably +/- 10%).
  • the notch factor of the weld seam can be significantly reduced.
  • the high energy density when welding in a pressure-reduced ambient atmosphere enables two seams to be welded through simultaneously.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem ersten Kolbenbauteil und einem zweiten Kolbenbauteil, die mittels einer Schweißung miteinander verbunden sind, wobei die Schweißung als Strahlschweißung ausgeführt ist und die Schweißung in druckreduzierter Umgebungsatmosphäre erfolgt.

Description

Verfahren zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem ersten Kolbenbauteil und einem zweiten Kolbenbauteil, die mittels einer Schweißung miteinander verbunden sind, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 .
Ein derartiges Herstellungsverfahren ist aus der EP 2 603 685 B1 bekannt. Abgesehen von der dort beschriebenen Reibschweißung sind daraus abgeleitete Technologien und alternative Strahlverfahren unter Umgebungsatmosphäre und/oder unter dem Einsatz von Schutzgas (z.B. Stickstoff, Argon oder ähnliche) bekannt. Durch solche Fügeverfahren werden zumindest zwei aber auch mehr als zwei separat voneinander hergestellte Element eines Kolbens, insbesondere ein Oberteil, das zumindest eine Ringnut und ggf. eine Brennraummulde aufweist und ein Unterteil mit einem Kolbenschaft mit Kolbennaben und Kolbenbohrungen ggf. auch mit einer Ringnut dauerhaft und unlösbar miteinander verbunden, um nach einer Fertigbearbeitung einen einsatzbereiten Kolben bereitzustellen. Derartige Fügeverfahren sind zum Teil aufwändig und bezüglich der Schweißnaht nicht immer zufriedenstellend.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, bei dem die beschriebenen Nachteile behoben sind. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schweißung als Strahlschweißung ausgeführt ist und dass die Schweißung in druckreduzierter Umgebungsatmosphäre erfolgt.
Vorzugsweise ist das Strahlschweißen als Laserstrahlschweißen ausgebildet, wobei auch die Laserstrahlschweißung in druckreduzierter Umgebungsatmosphäre durchgeführt wird.
Die druckreduzierte Atmosphäre liegt vorzugsweise zwischen 2 x 102 mbar und 7 x 104 mbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die folgenden Vorteile erzielt:
Schweißnähte können gegenüber konventionellem Laserstrahlschweißen unter der druckreduzierten Atmosphäre bei gleichbleibender Leistung deutlich tiefer ausgeführt sein. Die untere Schweißnaht kann beispielsweise eine Tiefe von 3% bis 1 1 % des Kolbendurchmessers betragen. Die obere Schweißnaht kann beispielsweise zwischen 3% und 11 ,5% (+/- 25%, vorzugsweise +/- 20%, nochmals vorzugsweise +/- 10%) des Kolbendurchmessers betragen.
Durch das Schweißen im Unterdrück ist das Vorwärmen des Kolbens auf 100° C bis maximal 400° C ausreichend. Ohne das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist ein Vorwärmen auf 400° C bis 450° C erforderlich. Wird eine druckreduzierte Umgebungsatmosphäre von mehr als 150 mbar vorgesehen, kann auf das Vorwärmen sogar verzichtet werden. Mehrteilige Kolben lassen sich aus unterschiedlichen Werkstoffen realisieren (z.B. das Oberteil aus 42 CrMo4, MCG3 und das Unterteil aus 38 MnVS6).
Werkstoffkombinationen (z.B. Stahlguss und warmfeste Stähle) lassen sich verbinden. Die zu fügenden Teile können im gleichen Verfahren oder nach unterschiedlichen Verfahren (wie z.B. Gießen, Schmieden und dergl.) hergestellt sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Prozesszeiten des anschließenden Abkühlens deutlich zu reduzieren. Die Haltezeiten können somit auf bis zu 10% der notwendigen Haltezeit ohne das erfindungsgemäße Verfahren reduziert werden.
Die Härte in der Verbindungszone, bestehend aus dem Schweißgut, Wärmeeinflusszone und angrenzende durch die Wärmestrahlung verteilte Wärme zwischen der Wärmeeinflusszone und dem Übergangsbereich des Grundwerkstoffes kann durch das erfindungsgemäße Verfahren auf den Bereich zwischen Härte des Grundwerkstoffes x 1 ,03 (+/- 25%, vorzugsweise +/- 20%, nochmals vorzugsweise +/- 10 %) und Härte des Grundwerkstoffes x 1 ,73 (+/- 25%, vorzugsweise +/- 20%, nochmals vorzugsweise +/- 10 %) abgesenkt werden.
Die Energiedichte beim Schweißen kann durch das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem konventionellen Schweißverfahren insbesondere um den Faktor 1 ,84 (+/- 25%, vorzugsweise +/- 20%, nochmals vorzugsweise +/- 10%) bei gleichbleibender Ausgangsleistung erhöht werden. Die Anforderungen an die Qualität der Fügeflächenvorbereitung werden reduziert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zur Reinigung der Fügestellen eines der üblicher Weise vorzunehmenden Maßnahmen, nämlich Waschen und Laserreinigung entfallen.
Ein Bereich zwischen 1 mbar und 300 mbar Unterdrück ist bereits ausreichend, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Schweißnahtunregelmäßigkeiten (z.B. Risse) beim Ausrampen bzw. im Überlappbereich deutlich reduziert.
Die Schweißnahtgeschwindigkeit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren bei gleichbleibender Schweißnahtqualität um einen Faktor von 1 ,6 (+/- 25%, vorzugsweise +/- 20%, nochmals vorzugsweise +/- 10%) bis zu 5,3 erhöht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Stabilität der Dampfkapillare erhöht, so dass höhere Schweißgeschwindigkeiten durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich sind.
Durch das Schweißen in druckreduzierter Umgebungsatmosphäre können schlanke Nähte erzeugt werden. Dadurch lassen sich dünnwandige Strukturen hersteilen. Üblicher Weise beträgt die Länge bzw. die Tiefe der unteren bzw. oberen Schweißnaht 3% (+/- 25%, vorzugsweise +/- 20%, nochmals vorzugsweise +/- 10%) bis 6% des Kolbendurchmessers. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bei einem Kolben somit die Schweißnahtfläche der äußeren Hauptabstützung in Relation zur Schweißnahtfläche der inneren Hauptabstützung (muldenmäßig) kleiner als 2,02 betragen. Ohne das erfindungsmäßige Verfahren liegt das Verhältnis bei größer oder gleich 2,03.
Aufgrund der schlanken Nähte kann ein Schweißvorgang innerhalb der Ringnut umgesetzt werden. Dabei kann die Wärmeeinflusszone um den Faktor 1 ,86 (+/- 25%, vorzugsweise +/- 20%, nochmals vorzugsweise +/- 10%) reduziert werden. Dadurch kann der Kerbfaktor der Schweißnaht deutlich herabgesetzt werden.
Die hohe Energiedichte beim Schweißen in druckreduzierter Umgebungsatmosphäre ermöglicht ein simultanes Durchschweißen von zwei Nähten.
Insgesamt ergeben sich folgende vorteilhafte Wirkungen:
Erhöhung der Wirtschaftlichkeit sowie der Produktivität,
Verschlankung der Produktionskette (Kostenreduzierung),
kleinere Anlagen reichen aus (verglichen mit der Leistung),
schlanke Nähte,
kleinere Wärmeeinflusszone,
Verbesserung der technologisch-mechanischen Eigenschaften des Kolbens (z.B. Reduzierung der Härte der Schweißnaht),
Erhöhung der Bauteilsauberkeit (verglichen mit der Spritzerbildung).

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem ersten Kolbenbauteil und einem zweiten Kolbenbauteil, die mittels einer Schweißung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißung als Strahlschweißung ausgeführt ist und dass die Schweißung in druckreduzierter Umgebungsatmosphäre erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlschweißen als Laserstrahlschweißen ausgebildet ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die druckreduzierte Umgebungsatmosphäre zwischen 2 x 10 2 mbar und 7 x 10 4 mbar liegt.
PCT/EP2020/059039 2019-04-01 2020-03-31 Verfahren zur herstellung von kolben für brennkraftmaschinen WO2020201246A1 (de)

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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS60203384A (ja) * 1984-03-28 1985-10-14 Mitsubishi Motors Corp 複合金属製品の製造方法およびピストン
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DE202017107573U1 (de) * 2017-12-12 2018-01-17 Ktw Systems Gmbh Hochvakuumkammer

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