專利名稱：用于內(nèi)燃機(jī)的復(fù)合式活塞及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的復(fù)合式活塞以及該復(fù)合式活塞的制造方法。
背景技術(shù)：
這里，如EP 1 483 493 Bl中詳細(xì)說(shuō)明了，活塞上部和活塞下部的連接會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題?；钊喜亢突钊虏坷缈梢韵嗷ズ附釉谝黄?，或相互螺紋連接在一起，其中，每種連接技術(shù)都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。另外，由國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/DE2 008/01394公開(kāi)了，使活塞上部和活塞下部通過(guò)焊接材料相互連接在一起。然而，其中并沒(méi)有指定方法參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種簡(jiǎn)單的用于制造復(fù)合式活塞的焊接方法，在盡可能小的耗費(fèi)的基礎(chǔ)上，該方法還確保實(shí)現(xiàn)了活塞上部和活塞下部之間的可靠焊接連接。上述目的通過(guò)具有權(quán)利要求1的技術(shù)特征的方法以及由該方法制造的活塞來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，首先，制造活塞上部和活塞下部，該活塞上部和活塞下部分別包括具有接合面的內(nèi)支撐件和具有接合面的外支撐件；然后，將高溫焊接材料引入到至少一個(gè)接合面的區(qū)域中；通過(guò)建立接合面之間的接觸，使活塞上部和活塞下部組裝成活塞體；接下來(lái)，將活塞體引入到真空爐中；在對(duì)該真空爐進(jìn)行抽真空處理之后，在壓力最大為10_2mbar 的情況下，將活塞體加熱到最高為1300°C的焊接溫度。之后，在壓力最大為IO-2Hibar的情況下，將焊接后的活塞冷卻至使高溫焊接材料完全凝固。通過(guò)本發(fā)明的方法，所需的本發(fā)明活塞的基本材料的材料性能在加熱之后于真空爐中這樣進(jìn)行調(diào)整，即，不需要進(jìn)行其它的熱處理，特別是不需要進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，并且，使基本材料在焊接過(guò)程之后仍然具有盡可能理想的參數(shù)值，特別是在強(qiáng)度、硬度和組織形態(tài)方面的參數(shù)值。因此，相比于現(xiàn)有技術(shù)公知的方法，本發(fā)明的方法省時(shí)且成本低。具有優(yōu)勢(shì)的擴(kuò)展方案在從屬權(quán)利要求中給出?；旧?，適宜采用所有公知的高溫焊接材料。然而優(yōu)選采用基于鎳、鈷和/或銅的焊接材料。適宜的焊接材料的一個(gè)實(shí)施例為鎳基焊料L-BNi2(根據(jù)EN1044和DIN8513)。 通過(guò)該焊接材料，特別在采用AFP鋼的條件下，實(shí)現(xiàn)了活塞上部和活塞下部之間的特別牢固且可靠的連接。技術(shù)人員仍保持采用涂覆焊接材料的方式和方法。例如可以將焊接材料平面式地涂覆在至少一個(gè)接合面上，特別采用散布的方式或利用印模的沖壓方式。還可以將焊接材料引入到至少一個(gè)補(bǔ)給凹陷部中，補(bǔ)給凹陷部設(shè)置在至少一個(gè)接合面的區(qū)域中。在此，可以采用制造技術(shù)特別簡(jiǎn)單的方式，使至少一個(gè)補(bǔ)給凹陷部形成為環(huán)繞的或直線形的凹槽，或形成為球冠狀的凹陷部。適宜地，活塞上部和/或活塞下部設(shè)有至少一個(gè)定心面，以簡(jiǎn)化活塞上部和活塞下部的組裝，并且以特別簡(jiǎn)單的方式確保實(shí)現(xiàn)活塞上部和活塞下部相互間的準(zhǔn)確定位。為
3了優(yōu)化焊接連接，可以使至少一個(gè)定心面同樣也設(shè)有焊接材料。特別地，當(dāng)至少一個(gè)定心面呈角度地設(shè)置在接合面上時(shí)，可以適宜地呈角度地引入焊接材料。優(yōu)選，在真空爐中將活塞體加熱到至少為1000°C的焊接溫度，從而借助于在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的毛細(xì)管作用力實(shí)現(xiàn)焊接材料的優(yōu)化分布。適宜地，使焊接溫度恒定保持至少 5min。本發(fā)明的方法適用于所有復(fù)合式活塞?；钊缈梢栽O(shè)有環(huán)形的內(nèi)支撐件，該內(nèi)支撐件限定出外側(cè)環(huán)繞的冷卻通道和位于內(nèi)側(cè)的冷卻腔室。然而，活塞還可以設(shè)有位于中央的內(nèi)支撐件，該內(nèi)支撐件限定出外側(cè)環(huán)繞的冷卻通道，該冷卻通道以較大范圍在活塞頂凹坑的下方延伸。在這兩種情況下，通過(guò)在冷卻通道或冷卻腔室中循環(huán)的冷卻油實(shí)現(xiàn)了特別良好的冷卻作用。本發(fā)明的活塞優(yōu)選由基于鋼的材料構(gòu)成，該基于鋼的材料具有鐵素體-珠光體組織結(jié)構(gòu)，例如為AFP鋼。由本發(fā)明方法進(jìn)行處理的基本材料的硬度優(yōu)選為230HB至300HB。


接下來(lái)，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖中示出了示意性的且不受尺寸限定的示意圖圖1為本發(fā)明活塞的第一實(shí)施例的截面圖；圖2為本發(fā)明活塞的第二實(shí)施例的截面圖；圖3為本發(fā)明方法的冷卻階段的溫度時(shí)間圖表。
具體實(shí)施例方式圖1示出了本發(fā)明活塞10的第一實(shí)施例，在該示意圖中，該活塞作為組裝在一起的活塞體而處于焊接過(guò)程之前的狀態(tài)。活塞10由活塞上部11和活塞下部12組成，它們?cè)谠搶?shí)施例中都是由AFP鋼鍛造而成。活塞上部11具有活塞頂凹坑13、環(huán)繞的活塞頂岸14 以及環(huán)繞的活塞環(huán)區(qū)15。活塞下部12具有活塞裙16和活塞轂17，該活塞轂具有用于容納活塞銷(未示出)的轂孔?；钊喜?1和活塞下部12形成靠向外側(cè)環(huán)繞的冷卻通道19 和位于內(nèi)側(cè)中央的冷卻腔室21?；钊喜?1具有內(nèi)支撐件22和外支撐件23。內(nèi)支撐件22呈環(huán)形環(huán)繞設(shè)置在活塞上部11的底面上，并且，該內(nèi)支撐件具有接合面24。內(nèi)支撐件22還形成內(nèi)側(cè)冷卻腔室 21的一部分環(huán)繞側(cè)壁。在該實(shí)施例中，活塞上部11的外支撐件23形成在活塞環(huán)區(qū)15的內(nèi)部，并且，該外支撐件具有接合面25。內(nèi)支撐件22還具有溢出通道31，用于使冷卻油從外側(cè)冷卻通道19溢出到內(nèi)側(cè)冷卻腔室21中?；钊虏?2同樣具有內(nèi)支撐件26和外支撐件27。內(nèi)支撐件26環(huán)繞設(shè)置在活塞下部12的頂面上，并且，該內(nèi)支撐件具有接合面28。內(nèi)支撐件26還形成內(nèi)側(cè)冷卻腔室21 的一部分環(huán)繞側(cè)壁。在該實(shí)施例中，外支撐件27形成在活塞環(huán)區(qū)15的內(nèi)部，并且，該外支撐件具有接合面29。內(nèi)支撐件26還具有環(huán)繞的定心面32，在該實(shí)施例中，該定心面呈直角地設(shè)置在接合面28上。此外，在活塞下部12還設(shè)有環(huán)繞的凸緣，通過(guò)該凸緣使接合面29 徑向變寬，并且，為焊接材料的涂覆提供了較大的表面。在焊接過(guò)程之后亦或是在活塞制造完成時(shí)，再將凸緣去掉(未示出)。
在圖1中活塞10作為組裝在一起的活塞體而處于焊接過(guò)程之前的狀態(tài)。在該實(shí)施例中，高溫焊接材料以補(bǔ)給焊料(Lotd印ots)33的形式呈一定角度地涂覆在活塞下部12 的內(nèi)支撐件26的接合面28和定心面32之間。焊接材料可以作為環(huán)繞的補(bǔ)給焊料33進(jìn)行涂覆，或者以多點(diǎn)式或線形補(bǔ)給焊料的形式進(jìn)行涂覆。另外，在該實(shí)施例中，焊接材料以薄層的形式涂覆在活塞上部11和/或活塞下部12的至少一個(gè)外接合面25亦或是29上(未示出)。然而這并不是必須的。在另一個(gè)變化方案中，焊接材料也可以僅平面式地涂覆在接合面上，而不采用補(bǔ)給焊料的形式。接下來(lái)，活塞上部11和活塞下部12沿著它們的接合面24、25以及28、29形成接觸，并且組裝成一個(gè)活塞體，其中，定心面32確保實(shí)現(xiàn)活塞上部11和活塞下部12的準(zhǔn)確定位。圖2示出了本發(fā)明活塞110的第二實(shí)施例，在該示意圖中，該活塞作為組裝在一起的活塞體而處于焊接過(guò)程之前的狀態(tài)。該活塞110與圖1的活塞10大體上一致。重要的區(qū)別在于，活塞上部11和活塞下部12僅形成外側(cè)環(huán)繞的冷卻通道119。對(duì)此，活塞上部11具有內(nèi)支撐件122，該內(nèi)支撐件在活塞上部11的底面上中央設(shè)置并且具有接合面124。與此相對(duì)應(yīng)地，活塞下部12具有內(nèi)支撐件126，該內(nèi)支撐件在活塞下部12的頂面上中央設(shè)置并且具有接合面128。所生成的冷卻通道119相應(yīng)地特別廣泛地在活塞頂凹坑13的下方延伸，從而實(shí)現(xiàn)特別高效的冷卻功能。另一項(xiàng)區(qū)別在于，在該實(shí)施例中，活塞上部11的外支撐件123在活塞環(huán)區(qū)15的內(nèi)部。該外支撐件123具有接合面125和環(huán)繞的定心面134，在該實(shí)施例中，該定心面呈直角地設(shè)置在接合面125上?；钊虏?2的外支撐件127同樣對(duì)應(yīng)地形成在活塞環(huán)區(qū)15的內(nèi)部，并且，該外支撐件具有接合面129。在圖2中，活塞110同樣在焊接過(guò)程之前形成為組裝在一起的活塞體。在該實(shí)施例中，高溫焊接材料以補(bǔ)給焊料133的形式呈一定角度地涂覆在活塞上部11的外支撐件123 的接合面125和定心面134之間。焊接材料可以作為環(huán)繞的補(bǔ)給焊料133進(jìn)行涂覆，或者以多點(diǎn)式或線形補(bǔ)給焊料的形式進(jìn)行涂覆。另外，在該實(shí)施例中，在活塞下部12的中央支撐件的接合面128上設(shè)有擴(kuò)寬的、球冠狀的、用焊接材料填充的補(bǔ)給焊料135。接下來(lái)，活塞上部11和活塞下部12沿著它們的接合面124、125以及128、129形成接觸，并且組裝成一個(gè)活塞體，其中，定心面134確保實(shí)現(xiàn)活塞上部11和活塞下部12的準(zhǔn)確定位。在本發(fā)明的實(shí)施例中，用于制造活塞10、110的焊接方法如以下進(jìn)行。作為基本材料根據(jù)DIN-Em0267選用AFP鋼38MnVS6和1. 1303。作為高溫焊接材料根據(jù)EN1044和 DIN8513選用鎳基焊料L-BNi2。焊接材料的參考組成成分含有7重量％的鉻、3. 1重量％的硼、4. 5重量％的硅、3重量％的鐵以及最大0. 06重量％的碳和直至構(gòu)成100重量％的鎳含量(所有的百分比量都是基于焊接材料)。熔解溫度的范圍沿著熔解圖表中的固液線而位于970°C至1000°C之間。焊接溫度的范圍在1010°C至1180°C之間。將活塞體引入到一個(gè)公知的高溫真空爐中，該高溫真空爐具有冷卻氣體裝置。對(duì)真空爐進(jìn)行抽真空處理，直至達(dá)到大約5X10_3mbar的壓力。然后，將真空爐加熱到1150°C 的焊接溫度。在加熱過(guò)程中使壓力最高為l(T2mbar。在該實(shí)施例中，使該焊接溫度恒定保持15min至60min，其中，壓力降低至大約5X10_4mbar。接下來(lái)，對(duì)真空爐進(jìn)行冷卻(參見(jiàn)圖3)，直至焊接材料完全凝固(在該實(shí)施例中大約960°C)。在該溫度可以通過(guò)吹入冷卻氣體、例如氮?dú)?，?shí)現(xiàn)加速冷卻。冷卻過(guò)程這樣進(jìn)行控制，即，使所生成的活塞10、110在AFP 鋼中具有鐵素體_珠光體組織結(jié)構(gòu)，并且具有230HB至300HB的硬度。
在冷卻過(guò)程的控制中通常要區(qū)分的是，技術(shù)人員要考慮到的公知參數(shù)。最簡(jiǎn)單的是，例如同樣在采用AFP鋼38MnVS6的情況下，在所謂的技術(shù)人員公知的時(shí)間溫度變化圖表 (ZTU)上進(jìn)行定位，基本材料的制造商通常使用該圖表。然而作為主要的參數(shù)，還要考慮真空爐的構(gòu)造以及待加工工件的尺寸、幾何形狀和數(shù)量，這是因?yàn)?，這些參數(shù)會(huì)影響到工件的熱容量。另外，諸如熱傳遞和熱輻射的物理效應(yīng)以及由組織轉(zhuǎn)化決定的熱效應(yīng)也會(huì)影響冷卻過(guò)程，這是因?yàn)椋@些物理效應(yīng)和熱效應(yīng)在各個(gè)溫度區(qū)域上不總是線性變化。
權(quán)利要求
1.一種用于制造內(nèi)燃機(jī)的復(fù)合式活塞(10、110)的方法，具有以下步驟a)制造活塞上部(11)和活塞下部(12)，該活塞上部和活塞下部分別包括具有接合面 (24,28 ；124,128)的內(nèi)支撐件(22,26 ；122,126)和具有接合面(25,29 ；125,129)的外支撐件(23,27 ；123,127)；b)將高溫焊接材料引入到至少一個(gè)接合面(24、28或25、29;124、128或125、129)的區(qū)域中；c)通過(guò)建立接合面(24、28或25、29;124、128或125、129)之間的接觸，使活塞上部 (11)和活塞下部(12)組裝成活塞體；d)將活塞體引入到真空爐中，并對(duì)該真空爐進(jìn)行抽真空處理；e)在壓力最大為IO-2Hibar的情況下，將活塞體加熱到最高為1300°C的焊接溫度；f)在壓力最大為IO-2Hibar的情況下，將焊接后的活塞(10、110)冷卻至使高溫焊接材料完全凝固。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用基于鎳、鈷和/或銅的高溫焊接材料。
3.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，將焊接材料平面式地涂覆在至少一個(gè)接合面(24,28 或 25,29 ；124,128 或 125,129)上。
4.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，將焊接材料引入到至少一個(gè)補(bǔ)給凹陷部(33、133、135)中，所述補(bǔ)給凹陷部設(shè)置在至少一個(gè)接合面的區(qū)域中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)補(bǔ)給凹陷部(33、133、135) 形成為環(huán)繞的或直線形的凹槽，或形成為球冠狀的凹陷部。
6.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述活塞上部(11)和/或所述活塞下部(12)設(shè)有至少一個(gè)定心面(32、134)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)定心面(32、134)設(shè)有焊接材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)定心面(32、134)呈角度地設(shè)置在接合面(25、125)上，并且呈角度地引入焊接材料。
9.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，將活塞體加熱到至少為 1000°C的焊接溫度。
10.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，使焊接溫度恒定保持至少5min。
11.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，選擇冷卻速度為1°C/min至 50°C /min。
12.一種用于內(nèi)燃機(jī)的復(fù)合式活塞(10、110)，由權(quán)利要求1至11中任意一項(xiàng)所述的方法制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的活塞，其特征在于，設(shè)有環(huán)形的內(nèi)支撐件(22、26)，該內(nèi)支撐件限定出外側(cè)環(huán)繞的冷卻通道(19)和位于內(nèi)側(cè)的冷卻腔室(21)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的活塞，其特征在于，設(shè)有位于中央的內(nèi)支撐件(122、126)， 該內(nèi)支撐件限定出外側(cè)環(huán)繞的冷卻通道(119)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任意一項(xiàng)所述的活塞，其特征在于，所述活塞由基于鋼的材料構(gòu)成，該基于鋼的材料具有鐵素體_珠光體組織結(jié)構(gòu)并具有230HB至300HB的硬度，該基于鋼的材料特別為AFP鋼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的復(fù)合式活塞(10、110)的制造方法，具有以下步驟制造活塞上部(11)和活塞下部(12)，分別包括具有接合面(24、28；124、128)的內(nèi)支撐件(22、26；122、126)和具有接合面(25、29；125、129)的外支撐件(23、27；123、127)；將高溫焊接材料引入到至少一個(gè)接合面(24、28和25、29；124、128和125、129)的區(qū)域中；通過(guò)建立接合面(24、28和25、29；124、128和125、129)之間的接觸，使活塞上部(11)和活塞下部(12)組裝成活塞體；將活塞體引入到真空爐中，并對(duì)該真空爐進(jìn)行抽真空處理；在壓力最大為10-2mbar的情況下，將活塞體加熱到最高為1300℃的焊接溫度；在壓力最大為10-2mbar的情況下，將焊接后的活塞(10、110)冷卻至使高溫焊接材料完全凝固。本發(fā)明還涉及一種用該方法制造的活塞(10、110)。
文檔編號(hào)B23K1/00GK102483009SQ201080038350
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者約亨·科爾塔什, 約阿希姆·舒爾茨 申請(qǐng)人:馬勒國(guó)際公司