本申請是申請日為2012年9月21日、申請?zhí)枮?01280046169.x、發(fā)明名稱為“激光焊接的活塞組件以及組裝和接合活塞的方法”的專利申請的分案申請。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求2011年9月21日提交的美國臨時專利申請no.61/537,370以及2012年9月20日提交的美國專利申請no.13/623,632的優(yōu)先權(quán)，這些申請的全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文。

背景技術(shù)：

內(nèi)燃機制造商始終在想辦法提高其產(chǎn)品的功率輸出和燃料效率。一個常規(guī)的提高效率和功率的方法是減小發(fā)動機的振蕩質(zhì)量，例如，發(fā)動機的活塞、連桿以及其它移動部分的振蕩質(zhì)量。提高發(fā)動機功率和/或效率的努力還可能會導致在操作期間燃燒室內(nèi)的壓力和/或溫度升高。

因此，由于這些重量的減小和與發(fā)動機操作相關(guān)的壓力和溫度的上升，發(fā)動機，特別是發(fā)動的活塞，將承受升高的應(yīng)力。因此，對于在發(fā)動機的整個壽命中承受這種操作條件下的升高的應(yīng)力來說，活塞冷卻變得越發(fā)重要。

為了降低活塞部件的操作溫度，可以圍繞活塞的周部設(shè)置冷卻通道?？梢詫⒅T如曲軸箱油等冷卻劑引入冷卻通道，并且可以借助活塞的往復運動來圍繞冷卻通道分散冷卻劑，由此降低活塞的操作溫度。

與此同時，冷卻通道可能會增加活塞組件的整體復雜性以及制造活塞組件的整體復雜性。例如，冷卻通道可能需要諸如冷卻通道蓋等附加的部件，以便通過臨時地捕集(trap)通過冷卻通道而循環(huán)的冷卻劑(例如，油)來促進冷卻劑在整個冷卻通道中的適當循環(huán)。然而，諸如蓋板等附加的部件同樣增加了復雜性。另外，在諸如輕量活塞或輕載活塞等較小活塞的應(yīng)用中，冷卻通道可能是昂貴的和/或難以形成的。另外，諸如摩擦焊接等在整體式活塞中形成封閉的冷卻通道的已知方法需要極高強度的活塞部件才能適當?shù)匦纬苫钊屠鋮s通道特征且在摩擦焊接處理期間不會產(chǎn)生意外的變形，由此導致活塞的尺寸和重量的增大。在摩擦焊接處理期間施加在活塞部件上的大的力還限制了焊接接頭可處的位置。

因此，需要這樣一種活塞，其中將活塞的整體重量和制造復雜性最小化，同時通過諸如設(shè)置冷卻通道等而能夠?qū)⒒钊m當?shù)乩鋮s。

附圖說明

現(xiàn)在參考附圖，對示例性實例進行詳細描述。盡管附圖表示在本文中描述的示例性實施方式，然而附圖并非必須按比例繪制，而某些特征可以被夸大以便更好地說明和解釋示例性實施方式的創(chuàng)新方面。此外，在本文中所描述的示例性實施方式并非意在窮舉或者以其它方式將本發(fā)明限制或局限于在附圖中示出并且在以下詳細描述中公開的確切的形式和構(gòu)造。通過參考以下附圖來詳細描述本發(fā)明的示例性實施方式：

圖1是示例性活塞組件的透視圖；

圖2a是示例性活塞組件的局部剖視圖；

圖2b是另一示例性活塞組件的局部剖視圖；

圖2c是另一示例性活塞組件的局部剖視圖；

圖3a示出了活塞主體與冷卻通道環(huán)之間的徑向外側(cè)邊界區(qū)域的示例性激光焊縫的剖視圖；

圖3b示出了活塞主體與冷卻通道環(huán)之間的徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域的示例性激光焊縫的剖視圖；

圖3c示出了活塞主體與冷卻通道環(huán)之間的徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域和徑向外側(cè)邊界區(qū)域的示例性激光焊縫的透視圖；以及

圖4示出了制造活塞的示例性方法的工藝流程圖。

具體實施方式

說明書中提到的“示例性實施方式”、“實例”或類似的表達是指在至少一個實施方式中包含結(jié)合示例性方法而描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性。在說明書中各個位置出現(xiàn)的短語“在一個示例性實施方式中”或類似的表達不必全部指代相同的實施方式或?qū)嵗?/p>

在本文中示出了活塞組件和制造活塞組件的方法的各個示例性實施方式。示例性活塞可以包括限定活塞軸線的活塞主體，活塞主體具有裙部并且形成冷卻通道的下表面?；钊黧w可以包括主體徑向內(nèi)側(cè)配合表面和主體徑向外側(cè)配合表面?；钊€可以包括冷卻通道環(huán)，冷卻通道環(huán)與活塞主體協(xié)同形成連續(xù)的上燃燒碗(燃燒室)表面。冷卻通道環(huán)可以包括環(huán)徑向內(nèi)側(cè)配合表面，該環(huán)徑向內(nèi)側(cè)配合表面在燃燒碗中沿著徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域抵靠主體徑向內(nèi)側(cè)配合表面，并且冷卻通道環(huán)包括環(huán)徑向外側(cè)配合表面，該環(huán)徑向外側(cè)配合表面沿著徑向外側(cè)邊界區(qū)域抵靠主體徑向外側(cè)配合表面，從而使得冷卻通道大致封閉。活塞主體和冷卻通道環(huán)可以沿著徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域及徑向外側(cè)邊界區(qū)域接合在一起，以形成基本上整體式的(一體的)活塞組件。徑向外側(cè)邊界區(qū)域可以沿與活塞軸線平行的方向延伸(伸長)。

在一些示例性實施方式中，可以在焊接處理，例如激光焊接處理中對活塞進行接合。如將在下文中進一步描述的那樣，示例性激光焊接處理對獲得制造的靈活性可具有實質(zhì)性的幫助。在一個實例中，徑向內(nèi)側(cè)配合表面和徑向外側(cè)配合表面中的至少一者與活塞軸線不相平行地布置。例如，基本上豎直的焊縫是可行的，即，兩個活塞部件的被接合的相應(yīng)配合表面與活塞的縱軸線基本上相平行地布置。此外，激光焊接接合處的抵靠表面實際上可以限定任何角度，只要入射的焊接激光束能夠照射到該接合處即可。在一個示例性實施方式中，細長的焊縫可以基本上通過這樣的激光焊接處理而獲得：其中，激光束基本上平行于活塞主體和冷卻通道環(huán)的相應(yīng)的配合表面而入射。

下面參考圖1，其中示出了示例性活塞組件100?；钊M件100可以包括活塞主體102和接納在活塞主體102中的冷卻通道環(huán)104。由此，活塞主體102和冷卻通道環(huán)104可以限定具有燃燒碗下表面118的燃燒碗120?；钊黧w102可以包括環(huán)帶部分106，環(huán)帶部分106構(gòu)造為將接納活塞組件100的發(fā)動機膛(未示出)密封。例如，環(huán)帶部分106可以限定一個或多個接納活塞環(huán)(未示出)的周向槽107，這反過來在活塞組件100于發(fā)動機膛內(nèi)作往復運動期間對發(fā)動機膛的表面進行密封。將冷卻通道環(huán)104接納在活塞主體102內(nèi)可使得冷卻通道環(huán)104和/或活塞組件100的尺寸和形狀具有靈活性，例如，使得能夠降低活塞組件100的整個壓縮高度和/或重心。

活塞主體102可以包括裙表面103，在發(fā)動機操作期間，裙表面103通過例如與發(fā)動機膛(未示出)的表面交界(interface，交接)而基本上支撐活塞組件，以便在活塞組件100于發(fā)動機膛內(nèi)作往復運動期間使活塞組件100保持穩(wěn)定。例如，裙表面103可基本上限定環(huán)繞活塞組件100的周部的至少一部分的圓形外形。該外形可以與可為大致圓筒形的發(fā)動機膛表面相一致。

活塞主體102還可以限定活塞銷座105?；钊N座105可基本上形成有孔或銷孔109，該孔或銷孔109構(gòu)造為接納活塞銷(未示出)。例如，活塞銷可以插入活塞銷座105中的銷孔109，從而基本上將活塞100固定到連桿(未示出)上。

下面參考圖2a、圖2b和圖2c，其中進一步地示出了示例性活塞100a、100b和100c(統(tǒng)一用100表示)。每個活塞100可以具有至少部分地限定了冷卻通道108的環(huán)帶部分106。冷卻通道108基本上圍繞活塞頂?shù)闹懿垦由?，并且可以在操作期間使冷卻劑(例如，發(fā)動機油)循環(huán)，由此降低活塞的操作溫度。另外，冷卻劑的循環(huán)可有助于在活塞100周圍保持更加穩(wěn)定或均勻的溫度，尤其是在活塞組件100的上部，例如，在燃燒碗120的附近。

活塞主體102和冷卻通道環(huán)104可以在例如激光焊接處理中固定接合。通過使活塞主體102與冷卻通道環(huán)104固定接合，活塞組件100a、100b、100c基本上形成為整體式組件。

如將在下文中進一步描述的那樣，在激光焊接處理中，在每個活塞100a、100b和100c中，活塞主體102和冷卻通道環(huán)104部件可以沿著徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i以及徑向外側(cè)邊界區(qū)域o兩者而接合。因此，活塞主體102a、102b、102c(統(tǒng)一用102表示)可以基本上與其相應(yīng)的冷卻通道環(huán)104a、104b、104c(統(tǒng)一用104表示)一體化，使得在固定至活塞頂之后，盡管活塞主體102與冷卻通道環(huán)104是單獨的部件，但是它們相對于彼此不可移動。冷卻通道環(huán)104可以固定在活塞主體102上，以使得活塞主體102與冷卻通道環(huán)104協(xié)同形成活塞組件100的連續(xù)的上燃燒碗表面120。

下面參考圖2b，活塞主體102與冷卻通道環(huán)104的相應(yīng)的徑向外側(cè)配合表面144、146可以沿著活塞100(例如，活塞100b)的徑向外側(cè)邊界區(qū)域o中的上表面110而相貼。另外，活塞主體102與冷卻通道環(huán)104的相應(yīng)的徑向內(nèi)側(cè)配合表面140、142可以在燃燒碗120內(nèi)沿著徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i而相貼，從而冷卻通道環(huán)104限定燃燒碗120的第一徑向外側(cè)部分120a。此外，活塞主體102可以限定燃燒碗表面120的徑向內(nèi)側(cè)部分120b，該徑向內(nèi)側(cè)部分120b沿徑向設(shè)置在徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i的內(nèi)側(cè)。

燃燒碗表面120跨過冷卻通道環(huán)104與活塞主體102之間的邊界(例如，徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i和/或徑向外側(cè)邊界區(qū)域o)可以是基本光滑的，由此將燃燒碗表面120上的裂紋和/或不連續(xù)部分最小化。在正常的長期操作期間，沿著邊界區(qū)域i、o，對這種裂紋或不連續(xù)部分的最小化可基本上減少活塞主體102與冷卻通道環(huán)104之間的邊界的裂縫或其它松動。因此，可以將因例如在發(fā)動機使用活塞組件100操作期間所發(fā)生的磨損而造成的燃燒碗表面120中的任何缺陷或瑕疵最小化。如將在下文中所描述的那樣，在活塞組件100的形成中所使用的焊接和/或機械加工操作可以減小燃燒碗表面120的表面不規(guī)則。

在諸如激光焊接等焊接操作中，活塞主體102與冷卻通道環(huán)104可以固定地或牢固地彼此接合。在一個示例性實施方式中，活塞主體102與冷卻通道環(huán)104沿著徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i和徑向外側(cè)邊界區(qū)域o兩者而彼此固定。激光焊接可使得至多僅需要在與活塞主體102和冷卻通道環(huán)104的接合相關(guān)的焊接處理之前和/或之后的最小量的機械加工，就能夠由焊接工具形成基本上光滑的燃燒碗表面120。此外，在一些實例中，可完全不需要機械加工。

激光焊接操作可基本上使得在于活塞主體102與冷卻通道環(huán)104之間形成固態(tài)金屬焊縫的同時，還能夠?qū)⑾嚓P(guān)的熱影響區(qū)域的尺寸最小化。更具體地說，基本上可以應(yīng)用焊接激光使熱影響區(qū)域在徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i和/或徑向外側(cè)邊界區(qū)域o中蔓延，熱影響區(qū)域可以包括活塞主體102和冷卻通道環(huán)104的配合表面或者可以與活塞主體102和冷卻通道環(huán)104的配合表面直接鄰接，由此沿著邊界區(qū)域i、o中的配合表面將活塞主體102和冷卻通道環(huán)104焊接在一起。例如，徑向外側(cè)邊界區(qū)域o的熱影響區(qū)域可以包括活塞主體102的徑向外側(cè)配合表面144和冷卻通道環(huán)104的徑向外側(cè)配合表面。

在利用激光焊接處理將冷卻通道環(huán)104和活塞主體102接合起來的情況下，焊接激光可用在大致圍繞邊界區(qū)域i和/或邊界區(qū)域o的整個圓周的基本上連續(xù)的焊接處理中，使得焊縫大致圍繞整個活塞100而延伸。作為選擇，可以沿邊界區(qū)域i和/或邊界區(qū)域o的圓周范圍形成一系列離散的焊縫。

如上所述，徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i可以沿著燃燒碗表面120而定位。徑向外側(cè)邊界區(qū)域o可以沿著活塞100b的上表面110定位。將徑向外側(cè)邊界區(qū)域o定位在上表面110上可以有利地使活塞主體102能夠例如沿著活塞環(huán)帶部分106b支撐冷卻通道環(huán)104，尤其是在活塞100安裝在相應(yīng)的膛(未示出)內(nèi)的情況下。由此，以這種方式對冷卻通道環(huán)104進行額外的支撐可以提高活塞100的耐用性并且提高對高溫和高壓的耐受性。在另一示例性實施方式中，徑向外側(cè)邊界區(qū)域o可以沿著活塞100的外壁112(例如，沿著環(huán)帶部分106b)而定位。

與諸如摩擦焊接等其它焊接方法相比，使用激光焊接來接合活塞主體102和冷卻通道環(huán)104可以具有一些優(yōu)點。激光焊接操作通常導致相對小的熱影響區(qū)域，有時熱影響區(qū)域小到只有幾毫米。盡管如此，如下文所述，熱影響區(qū)域可優(yōu)選地包括活塞主體102的配合表面以及冷卻通道環(huán)104的相應(yīng)的配合表面。另外，激光焊接實際上可以在活塞100上入射激光束能夠照射到的任何位置處實施。因此，激光焊接操作對于在活塞100上選擇活塞主體102與冷卻通道環(huán)104的邊界區(qū)域的位置(例如，徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i和徑向外側(cè)邊界區(qū)域o的位置)來說能夠提供相當?shù)撵`活性。

因此，激光焊接處理對諸如在圖2a、圖2b和圖2c中所示出的那些實例來說可以是有利的，其中，如在圖2b中最清晰地看出，徑向外側(cè)邊界區(qū)域o包括基本上豎直的配合表面144、146，并且邊界區(qū)域i包括相對于活塞100的軸線(例如，軸線b-b)不平行也不垂直的配合表面140、142。

可以沿著與邊界區(qū)域i、o中的活塞主體102和冷卻通道環(huán)104的配合表面基本上平行或大致平行的方向引導與邊界區(qū)域i、o的激光焊接操作相關(guān)的激光。在一個示例性實施方式中，在激光焊接處理中所采用的激光束相對于活塞軸線b-b成角度。例如，如圖2b所示，當被引導至焊接邊界區(qū)域i時，激光束lb可以被引導為相對于活塞軸線b-b成角度α。另外，沿著邊界區(qū)域，激光束lb可以被引導為與配合表面140、142大致平行。

在另一個示例性實施方式中，沿著活塞100的上表面110，當被引導至焊接邊界區(qū)域o時，激光束la可以被引導為與活塞軸線b-b大致平行。此外，沿著邊界區(qū)域o，激光束la可分別與活塞主體102和冷卻通道環(huán)104之間的配合表面144、146大致平行。

已知的摩擦焊接方法基本上需要被接合部件的配合表面與接縫和/或活塞軸線垂直。更具體地說，在摩擦焊接處理期間，被摩擦焊接在一起的表面必須基本上垂直于與被接合部件的移動相關(guān)的方向，該方向通常平行于活塞軸線。另外，為了防止焊接期間部件受到損壞，用于驅(qū)動被焊接在一起的部件的極大的力需要相應(yīng)的對被焊接表面的很大程度上的支撐。最后，摩擦焊接必然需要部件的旋轉(zhuǎn)對稱，以通過高速旋轉(zhuǎn)來接合各圓筒形部分。通過比較可知，激光焊接處理不需要活塞部件(例如活塞主體102和冷卻通道環(huán)104)承受極大的施加力(諸如在摩擦焊接處理期間所施加的力)。另外，由于在激光焊接處理期間各部分都不需要移動或旋轉(zhuǎn)，因此激光焊接處理不需要旋轉(zhuǎn)對稱。事實上，可以采用非對稱或偏斜的邊界區(qū)域，其例如導致非對稱的燃燒碗(未示出)。

冷卻通道108可優(yōu)選地限定一個或多允許氣體在激光焊接處理期間逸出的開口150。在任何存在于冷卻通道108內(nèi)的氣體或空氣傾向于快速膨脹的焊接處理期間，提供至少一個開口可以是有利的。由此，開口可以防止因氣體或空氣的膨脹而造成冷卻通道108以及活塞100的相鄰表面的損壞。此外，膨脹氣體的“孔效應(yīng)”可能會沿著邊界區(qū)域i、o損壞焊縫。更具體地說，隨著焊縫密封冷卻通道108，膨脹的氣體將傾向于在熔融金屬充分硬化之前通過穿過熔融金屬逸出而損壞焊縫，除非通過例如開口而設(shè)置有用于膨脹氣體的逸出路徑。另外，可能需要開口以使得冷卻劑(例如，油)在操作期間能夠通過冷卻通道而循環(huán)。此外，如將在下文中進一步描述的那樣，任何開口還可以使得從激光焊接處理中能夠移除焊濺物(weldspatter)。在一個示例性實施方式中，一個或多個開口(例如，開口150)設(shè)置在冷卻通道108中冷卻通道108的下表面上，由此使得在活塞100的操作期間上述開口能夠用作油/冷卻循環(huán)入口或出口。

活塞主體102和冷卻通道環(huán)104可以由任何適當?shù)牟牧蠘?gòu)成，例如，易于被激光所焊接的材料。僅舉例來說，可以采用任何含有易于被激光所焊接的化合物的金屬。在一個示例性實施方式中，活塞主體102和冷卻通道環(huán)104由相同的材料(例如，鋼)形成。在另一個實例中，活塞主體102和冷卻通道環(huán)104由不同的材料形成。相應(yīng)地，用于部件的材料可以更容易地匹配基本需要和與每個基本需要相關(guān)的操作條件。僅作為實例，與冷卻通道環(huán)104相比，活塞主體102可以包括不同的材料特性，例如，屈服點、抗張強度或缺口韌性。可以采用對于活塞主體102和冷卻通道環(huán)104來說合適的任何材料或材料組合。僅作為實例，活塞主體102和/或冷卻通道環(huán)104可以由鋼材、鑄鐵、鋁材、復合材料或粉末金屬材料制成?；钊黧w102和/或冷卻通道環(huán)104還可以通過不同的處理而形成，例如，活塞主體102可以為基本上單個鑄件，而冷卻通道環(huán)104可以為鍛造的?？梢圆捎萌魏魏线m的材料和/或形成方式的組合。

盡管一般來說，具有基本上高碳當量值的鋼材傳統(tǒng)上并不適合于焊接，但在一個示例性實施方式中，將相對高碳當量值的鋼用于活塞主體102和冷卻通道環(huán)104中的至少一者。例如，可以采用碳含量為0.38％的鋼(例如，38mnvs6)或碳含量為0.42％的鋼(例如，42crmo4)。以重量百分比計，碳當量值可能略高于實際碳含量。

部分歸因于冷卻通道環(huán)104的位置位于燃燒碗120的徑向外側(cè)區(qū)域，因此冷卻通道環(huán)104可能特別需要承受高溫和高壓，并且可以具有比活塞主體102低的導熱性。因此，可以采用諸如鉻鎳鐵合金(因科鎳合金)等耐熱材料。冷卻通道環(huán)104還可能需要比活塞主體102高的耐腐蝕性和/或抗氧化性。在另一示例性實施方式中，冷卻通道環(huán)104所采用的材料具有相對低的含硫量。低含硫量使得可以沿內(nèi)邊界區(qū)域i和外邊界區(qū)域o獲得更一致且更高質(zhì)量的焊縫。

在另一示例性實施方式中，活塞主體102和冷卻通道環(huán)104中的至少一者的更高的鎳含量可以提高焊接質(zhì)量。此外，在一些實例中，在焊接處理期間，可以添加鎳基材料(例如，鎳鐵)作為焊補材料以提高焊接質(zhì)量。

在經(jīng)由例如激光焊接將活塞主體102與冷卻通道環(huán)104固定到一起之前，可以以可靠但非永久的方式將活塞主體102與冷卻通道環(huán)104預(yù)組裝到一起。例如，可以在這兩個部件之間采用冷縮配合或過盈配合。在一個實例中，將活塞主體102置于升高的溫度中，使活塞主體102開始熱膨脹，從而足以使冷卻通道環(huán)104插入活塞主體102中。當將活塞主體102冷卻到較低溫度時，活塞主體102的熱膨脹發(fā)生逆轉(zhuǎn)，由此將冷卻通道環(huán)104約束就位。在另一示例性實施方式中，活塞主體102和冷卻通道環(huán)104由具有不同熱膨脹系數(shù)的材料形成，使得對兩個部件一起施加熱量將導致活塞主體102發(fā)生更大程度的熱膨脹，從而允許冷卻通道環(huán)104的插入。

作為選擇或除了上述冷縮配合或過盈配合之外，在例如激光焊接處理中將活塞主體102和冷卻通道環(huán)104永久性接合起來之前，可以采用小的點固焊將活塞主體102和冷卻通道環(huán)104進一步固定起來。

如上所述，激光焊接處理可以有利地使得部件中更小的(例如，僅幾毫米的)熱影響區(qū)域能夠被焊接在一起。然而，相對小的熱影響區(qū)域還可能導致在與熱影響區(qū)域或焊縫相鄰的材料內(nèi)產(chǎn)生極大的溫度梯度。因此，可能由于在被焊接材料中在非常小的距離里存在大的溫度變化，所以裂紋可能在被焊接材料中蔓延。因此，期望的是，可以通過例如在熔爐中或借助感應(yīng)預(yù)加熱被焊接部件來減小這種溫度梯度。在一個示例性實施方式中，活塞主體102和冷卻通道環(huán)104均被加熱至大約200到600攝氏度之間。

可以采用激光焊接系統(tǒng)的任何變型作為示例性激光焊接處理的一部分。例如，可以采用固態(tài)激光器、盤形激光器、二氧化碳激光器或光纖激光器。二氧化碳激光系統(tǒng)是公知的，并且因而在大規(guī)模制造領(lǐng)域里可能比例如較新開發(fā)的光纖激光系統(tǒng)更為人所熟悉。然而，二氧化碳激光處理通常還需要難以例如在制造設(shè)備周圍移動的大的機械，而固態(tài)激光器可以用在光纖或光傳輸介質(zhì)所能延伸到的任何地方。

通常，更厚的焊縫可能需要更大能量的激光，以便適當?shù)厝刍唤雍系牟牧?。在一個示例性實施方式中，采用束寬或厚度為300至400微米(μm)的6千瓦(kw)的激光，在每分鐘2.0米的供給速度下將厚度為6毫米(mm)的被接合材料適當?shù)睾附悠饋怼?/p>

激光焊接處理可能固有地導致在邊界區(qū)域i、o以外，尤其是在冷卻通道108的內(nèi)部產(chǎn)生至少一定程度的焊濺物。因此，期望的是，可以通過若干種方式中的一種方式來減少焊濺物。在一個實例中，在被焊接到一起的材料中添加鎳可以減少焊濺物的量。在另一示例性實施方式中，使諸如氦氣或氬氣等惰性氣體在冷卻通道108內(nèi)和/或圍繞焊縫位置循環(huán)也可以減少焊濺物。此外，可以將機械元件放置到冷卻通道108中以捕捉任何焊濺物，繼而將焊濺物清除。例如，可以將耐熱纖維材料裝填到冷卻通道里，并且在焊接處理完成之后將耐熱纖維材料移除。在另一實例中，在冷卻通道108的內(nèi)表面上施加碳涂層。對內(nèi)表面施加碳涂層可以基本上阻止或防止焊濺物粘附到該表面上，有利于后續(xù)通過例如清洗或高壓沖洗操作來清除焊濺物。

如上所述，由于不但產(chǎn)生相對小的熱影響區(qū)域(在某些情況下熱影響區(qū)域僅超過焊縫幾個毫米)，而且能夠承受在與焊縫相鄰的相應(yīng)的短距離內(nèi)的材料中的極大的溫度梯度，因此激光焊接處理可以是尤為有利的。為了防止部分歸因于該溫度梯度的裂縫或低質(zhì)量焊縫，可以控制激光處理自身以減少可能在冷卻通道108內(nèi)產(chǎn)生的焊濺物。在一個實例中，可以使激光能量逐漸地降低，使得材料中的溫度能夠從與焊接處理期間發(fā)生的材料熔化相關(guān)的最大溫度起可控地徐緩降低。在一個示例性實施方式中，采用可以更加逐漸地減小焊接材料的溫度的使激光能量逐漸徐緩降低的方式，而不是立刻中斷焊接作業(yè)而在材料中產(chǎn)生更加嚴重的冷卻溫度梯度。

在激光焊接的逐漸冷卻的一個示例性實施方式中，隨著激光的能量逐漸地降低，使焊接激光沿著焊接路徑(例如，沿著圍繞活塞100的周部的邊界區(qū)域i和/或邊界區(qū)域o)連續(xù)地移動，直到激光完全關(guān)閉為止。在另一示例性實施方式中，從激光能量開始降低時起到激光能量完全切斷為止，使激光相對于活塞100行進大約5度到40度之間的角度。在又一實例中，在激光能量相對于活塞100的時間和/或角度位置而徐緩降低期間，激光能量可以線性地降低。另外，期望的是，可以在活塞100的較低應(yīng)力區(qū)域(例如在沿著邊界區(qū)域i和/或邊界區(qū)域o的內(nèi)應(yīng)力小于沿著邊界區(qū)域i和/或邊界區(qū)域o的其它區(qū)域中的內(nèi)應(yīng)力的位置)中開始激光能量的徐緩降低。還可以通過對活塞主體102和/或冷卻通道環(huán)104的預(yù)熱來進一步改進材料溫度的可控降低，這是因為預(yù)熱可以減小焊接處理期間在整個活塞100上的總體溫差。

在將活塞主體102和冷卻通道環(huán)104焊接到一起之后，可以從冷卻通道108清除任何焊濺物。在一個示例性實施方式中，可以采用高壓沖洗操作，其中流體以高壓穿過冷卻通道108而循環(huán)。如上所述，借助冷卻通道108的內(nèi)表面上的涂層(例如碳涂層)可以有助于對焊濺物的清除。

激光焊接還可以有利地減少完成活塞100及相應(yīng)特征的形成所需的后處理的步驟。更具體地說，示例性激光焊接處理中典型的相對小的熱影響區(qū)域可以導致在與焊縫相鄰的區(qū)域中的小的形狀偏差。因此，當激光焊接處理完成時，活塞100可以形成為近終形，導致幾乎不需要對活塞100的與邊界區(qū)域i、o相鄰的區(qū)域進行任何機械加工。在一個示例性實施方式中，采用基本上圓形的加工機械或磨削工具對邊界區(qū)域i、o進行精加工。相應(yīng)地，作為切削掉與徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i相鄰的材料的結(jié)果，可以在冷卻通道環(huán)104中形成相對于燃燒碗120的頂點130。

另外，與固有地生成邊料(焊瘤，materialflash)的摩擦焊接處理不同，激光焊接處理幾乎不會產(chǎn)生邊料或者使焊縫的基底區(qū)域暴露。不含有邊料或焊縫卷曲改善了邊界區(qū)域附近的光滑表面，抑制了應(yīng)力的升高，否則，應(yīng)力的升高可能導致焊縫中的應(yīng)力或裂縫的傳播。反過來，邊料的減少減小了材料的浪費。邊料的減少還有利于在下述情況下減輕活塞的重量：其中，在封閉的空腔中形成了不容易在摩擦焊接所需的后續(xù)機械加工期間清除的邊料。

在圖3a、圖3b、圖3c和圖3d中示出了冷卻通道環(huán)104與活塞主體102之間的示例性激光焊縫的各種實例。如圖所示，焊縫具有在相關(guān)的邊界區(qū)域中包圍活塞主體102和冷卻通道環(huán)104的配合表面的大致平滑的焊縫輪廓。另外，外表面輪廓保持大致平滑和/或具有最小的表面不連續(xù)性，這減少甚至消除了對附加機械加工或精加工步驟的任何需要。例如，在燃燒碗120內(nèi)和/或沿著上表面110，焊縫w1和w2不會產(chǎn)生多余的邊料(例如可能在摩擦焊接處理中所產(chǎn)生的邊料)。

如圖3a所示，活塞主體102和冷卻通道環(huán)104在徑向外側(cè)邊界區(qū)域o中接合在一起。活塞主體102與冷卻通道環(huán)104之間的焊縫w1分別包圍活塞主體102的配合表面144和冷卻通道環(huán)104的配合表面146(以假想線示出)，使得配合表面144、146被基本上固定在一起?？紤]到由用于焊接活塞主體102和冷卻通道環(huán)104的入射激光束(例如，激光束lb，見圖2b)形成基本上窄的熱影響區(qū)域，焊縫w1基本上沿與配合表面144、146和/或活塞軸線(在圖3a中未示出)平行的方向延伸。

如圖3b所示，活塞主體102和冷卻通道環(huán)104在徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i中接合在一起。活塞主體102與冷卻通道環(huán)104之間的焊縫w2分別包圍活塞主體102的配合表面140和冷卻通道環(huán)104的配合表面142(以假想線示出)，使得配合表面140、142被基本上固定在一起。焊縫w2也是基本上細長的，然而是沿與配合表面140、142平行的方向延伸。然而，考慮到由用于焊接活塞主體102和冷卻通道環(huán)104的入射激光束(例如，激光束la，見圖2b)形成基本上窄的熱影響區(qū)域，焊縫w2由此還可以沿限定了相對于活塞軸線(在圖3a中未示出)不平行且不垂直的角度的方向延伸。

在本文中所描述的示例性活塞100可以基本上無限制地應(yīng)用在大、小膛徑的設(shè)備上。減少的邊料和減小的焊縫尺寸可以有利地減小活塞100的整體幾何尺寸?？梢詼p小壓縮高度，即，活塞直徑與從上表面110到由銷座105所限定膛的中心的距離的比例。在一個示例性實施方式中，活塞100可以具有大約25％到55％的壓縮高度(與相對比的摩擦焊接設(shè)計的大約55％至70％的已知壓縮高度相對比)。將焊瘤最小化或?qū)⒑噶鱿€可以有助于獲得淺的燃燒室形狀。最后，更小的壓縮高度減小了活塞100的尺寸和重量，允許獲得更小的發(fā)動機體和更小的整體部件，允許發(fā)動機體周圍的車輛布置具有更大的自由度。在將壓縮高度最小化的情況下，還可以采用更長的連桿，其減小了發(fā)動機操作期間相對于發(fā)動機膛的橫向力。這反過來可以減小活塞100與膛之間的摩擦，提高發(fā)動機的效率。

另外，由于活塞組件100的剛度以及材料選擇中的額外靈活性，因此活塞組件100可以承受提高的峰值燃燒壓力。由于可用在一些示例性實施方式中的簡化的鍛造和焊接處理，因此還可以降低制造成本。

下面參考圖4，圖中示出了組裝活塞(例如，活塞100)的示例性過程400。過程400可以開始于步驟402，在此步驟里設(shè)置活塞主體。例如，如上文所述，可以在例如鑄造或鍛造處理中形成活塞主體102。此外，活塞主體102可以包括徑向內(nèi)側(cè)配合表面140和徑向外側(cè)配合表面144。

過程進行到步驟404，可以將冷卻通道環(huán)組裝到活塞主體上。例如，如上文所述，可以在例如鑄造或鍛造處理中形成冷卻通道環(huán)104，并且冷卻通道環(huán)104可以包括分別與活塞主體102的徑向內(nèi)側(cè)配合表面140和徑向外側(cè)配合表面144配合的徑向內(nèi)側(cè)配合表面142和徑向外側(cè)配合表面146。冷卻通道環(huán)104可以以下述方式組裝到活塞主體102上：便于相對于活塞主體102定位冷卻通道環(huán)104，但不將活塞主體102與冷卻通道環(huán)104永久性地固定在一起。例如，可以采用冷縮配合，例如，通過使活塞主體102的溫度達到足夠高的溫度以使得冷卻通道環(huán)104配合到活塞主體102內(nèi)。此外，可以在活塞主體102與冷卻通道環(huán)104之間應(yīng)用相對小的機械固定手段，例如，點固焊。另外，如上所述，冷卻通道環(huán)104可以由與活塞主體102相同或不同的材料形成。過程400然后可以進行到步驟406。

在步驟406，可以沿徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域?qū)⒒钊黧w102與冷卻通道環(huán)104接合起來。例如，如上所述，在一些示例性方法中，可以采用激光焊接來分別接合冷卻通道環(huán)104和活塞主體102的相應(yīng)的配合表面，例如，配合表面142、140。此外，配合表面可以沿與入射激光基本上平行的方向延伸。激光本身可以導致相對窄的焊縫和/或熱影響區(qū)域。例如，焊縫w2可以延伸為使得焊縫w2沿基本上垂直于配合表面140、142的方向的寬度小于高度(即，配合表面140、142沿與入射激光束平行的方向的長度)。可以將冷卻通道環(huán)104和活塞主體102中的至少一者預(yù)加熱，例如，這有助于冷卻通道環(huán)104和活塞主體102的預(yù)組裝，并且減小了因激光焊接處理而在冷卻通道環(huán)104和/或活塞主體102內(nèi)產(chǎn)生的溫度梯度。

過程進行到步驟408，可以沿徑向外側(cè)邊界區(qū)域?qū)⒒钊黧w與冷卻通道環(huán)接合起來。與徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域類似地，冷卻通道環(huán)104和活塞主體102的配合表面可與入射激光束基本上相平行地布置。此外，如上文所述，活塞主體102的配合表面144和冷卻通道環(huán)104的配合表面146可分別沿基本上豎直的方向取向，即，沿與活塞軸線b-b基本上平行的方向布置。過程400然后可以進行到步驟410。

在步驟410中，可以在激光焊接處理期間降低激光能量。例如，如上所述，在冷卻通道環(huán)104和活塞主體102的激光焊接期間的激光能量的降低可以將兩個部件內(nèi)的溫度梯度最小化，此外，控制冷卻通道環(huán)104和活塞主體102的熱影響區(qū)域中的溫度的初始降低。在一個實例中，激光能量隨著激光沿著徑向外側(cè)邊界區(qū)域o和徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i之一受到引導而降低。在另一個示例性實施方式中，激光能量隨著激光沿著活塞100周部的預(yù)定角度范圍受到引導而降低。例如，可以在活塞的大約5到40度的角度范圍里開始激光的逐漸冷卻。此外，激光能量的逐漸冷卻(降低)過程的至少一部分可以是線性的，使得激光能量以恒定的速率下降。另外，可以在激光焊接的任何子過程期間開始激光的逐漸冷卻，作為該子過程的結(jié)束階段。例如，可以在將激光應(yīng)用于徑向外側(cè)邊界區(qū)域o時降低激光的能量，然后可以在將激光應(yīng)用于徑向內(nèi)側(cè)邊界區(qū)域i時再次降低激光的能量。

過程進行到步驟412，從活塞上清除焊濺物，具體地說，從冷卻通道108清除焊濺物。例如，可以在激光焊接之前將耐熱材料或耐火材料放置到冷卻通道108內(nèi)，使得該材料可以“捕捉”任何焊濺物并防止焊濺物粘附到冷卻通道108的內(nèi)表面上。在另一個實例中，采用高壓沖洗操作來去除和清除粘附在冷卻通道108的內(nèi)表面上的任何焊濺物。

關(guān)于本文中所描述的處理、系統(tǒng)、方法、直觀推斷等，應(yīng)該理解：盡管已經(jīng)說明了根據(jù)特定的順序發(fā)生的這種處理等的步驟，但這種處理可以用所說明的步驟按不同于本文所述的執(zhí)行順序來實行。還應(yīng)該理解：某些步驟可以同時執(zhí)行，可以增加其它步驟，或可以省略本文所述的某些步驟。換句話說，本文提供的處理的描述，目的在于說明某些實施例，而決不該解釋為限制所要求的發(fā)明。

因此，應(yīng)該理解以上描述的目的在于說明而非限制。通過閱讀上述說明，可以提供除所提供的實例之外的許多實施例和應(yīng)用。本發(fā)明的范圍不應(yīng)該參考以上描述確定，而應(yīng)該參考后附的權(quán)利要求，以及支持權(quán)利要求的等同內(nèi)容的全部范圍。預(yù)見并預(yù)期到將來本文所述技術(shù)將會發(fā)展，并且所公開的系統(tǒng)和方法將并入將來的實施例?？傊?，應(yīng)該了解本發(fā)明能夠進行變型和更改，并且僅由后附的權(quán)利要求來限制。

權(quán)利要求中使用的所有術(shù)語目的是給出它們最寬的合理的構(gòu)造和如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的它們的普通含義，除非本文作出明確相反的指示。具體地，諸如“一個”，“所述”，“上述”等冠詞的使用應(yīng)該理解為所指元件的一個或多個，除非權(quán)利要求記載了明確相反的限制。