基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞及其加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞及其加工方法。鋼活塞包括活塞本體和環(huán)形密封板，活塞本體于活塞頭部設有內(nèi)冷卻油道和燃燒室，內(nèi)冷卻油道上端設有環(huán)狀開口，環(huán)狀開口位于活塞頭部的頂端，環(huán)形密封板嵌入環(huán)狀開口并通過激光焊接連接固定，對內(nèi)冷卻油道上端密封。方法包括以下步驟：S1：零件加工；S2：激光焊接組裝：包括預熱環(huán)形密封板和環(huán)狀開口；使環(huán)形密封板與環(huán)狀開口冷卻至常溫時形成過盈配合；對活塞頭部和環(huán)形密封板進行焊前整體預熱；對環(huán)形密封板與環(huán)狀開口的內(nèi)外圈接口進行激光焊接；焊后緩冷；S3：熱處理；S4：后加工。具有加工方便、能有效提升活塞冷卻性能、延長使用壽命、減輕活塞重量、提高工作性能的優(yōu)點。
【專利說明】
基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鋼活塞及其加工工藝，尤其涉及基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞及其加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]車用柴油機的排放升級，活塞是關(guān)鍵零部件，鋼結(jié)構(gòu)活塞替代鋁結(jié)構(gòu)活塞，是車用柴油機滿足歐IV、歐V、歐VI達標排放的重要手段之一。近年來全鋼結(jié)構(gòu)活塞在車用柴油機的應用日益廣泛，全鋼活塞鍛造成形，但全鋼活塞的內(nèi)冷卻油腔加工工藝性較差，加工難度大，效率低、成本高。圍繞內(nèi)冷卻油腔的成型，國內(nèi)外有多種解決方案，如公開號為CN1813125A的中國專利文獻公開的制造內(nèi)燃機整體式活塞的方法；公開號為CN101903632A的中國專利文獻公開的用于在內(nèi)燃機用活塞上固定環(huán)形件的方法；公開號為CN101466938A的中國專利文獻公開的內(nèi)燃機活塞及其制造方法(活塞頂方向摩擦焊接方法成型內(nèi)冷卻油腔)。
[0003]整體鋼活塞結(jié)構(gòu)簡單，但是內(nèi)冷卻油腔的加工難度大，時間長，成本高。目前最有效的內(nèi)冷卻油腔成型方法是:活塞頂方向摩擦焊接方法成型內(nèi)冷卻油腔，此方法較好的解決了內(nèi)冷卻油道加工和內(nèi)冷卻油腔成型的問題，成本較低。但是也存在以下不足:一是摩擦焊接飛邊在內(nèi)冷卻油道中的殘留較大，影響了冷卻效果，也會增加活塞頭部的重量，影響活塞性能；二是受摩擦焊接軸向控制公差的局限(軸向公差±0.25mm)，內(nèi)冷卻油腔的有效高度尺寸公差較大，影響了活塞頭部軸向尺寸的控制；三是開口式梯形焊接面存在著工藝缺陷，在摩擦焊接頂鍛階段，頂鍛力加載受開口式梯形焊接面限制，過大的加載將導致焊接面變形，若頂鍛力加載不足，則導致焊縫固相連接后形成的焊接接頭質(zhì)量不可靠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種加工方便、能有效提升活塞冷卻性能、延長活塞使用壽命、減輕活塞重量、提高活塞工作性能的基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞及其加工方法。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞，包括活塞本體和環(huán)形密封板，所述活塞本體于活塞頭部設有內(nèi)冷卻油道和燃燒室，所述內(nèi)冷卻油道上端設有環(huán)狀開口，所述環(huán)狀開口位于活塞頭部的頂端，所述環(huán)形密封板嵌入所述環(huán)狀開口并通過激光焊接連接固定，對內(nèi)冷卻油道上端密封。
[0006]作為上述技術(shù)方案的進一步改進:
所述內(nèi)冷卻油道與環(huán)狀開口相接的一端設有用于促進構(gòu)成激光焊接熔池的輔助臺階。
[0007]所述內(nèi)冷卻油道與環(huán)狀開口相接的一端設有兩級階梯狀臺階，靠近所述內(nèi)冷卻油道的臺階為對環(huán)形密封板支撐的承載臺階，遠離所述內(nèi)冷卻油道的臺階為用于促進構(gòu)成激光焊接熔池的輔助臺階。
[0008]所述活塞頭部還設有與內(nèi)冷卻油道相通的進油管和出油管。
[0009]所述進油管和出油管均與內(nèi)冷卻油道連通，所述出油管延伸至內(nèi)冷卻油道內(nèi)，且出油管的管口高于內(nèi)冷卻油道底部。
[0010]所述內(nèi)冷卻油道環(huán)繞燃燒室設置。
[0011]—種激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞加工方法，包括以下步驟:
S1:零件加工:包括鍛造活塞本體和加工環(huán)形密封板，在活塞本體的活塞頭部加工內(nèi)冷卻油道、燃燒室和環(huán)狀開口 ；
52:激光焊接組裝:包括以下分步驟:
521:預熱環(huán)狀開口外圈和環(huán)形密封板；
522:將環(huán)形密封板壓入環(huán)狀開口，使環(huán)形密封板與環(huán)狀開口冷卻至常溫時形成過盈配合；
523:對活塞頭部和環(huán)形密封板進行焊前整體預熱；
524:對環(huán)形密封板與環(huán)狀開口的內(nèi)外圈焊接對接接頭進行激光焊接；
525:焊后緩冷，并進入步驟S3 ；
53:熱處理:消除焊接應力，達到活塞機械性能要求；
54:后加工:完成機械精加工和表面處理。
[0012]作為上述技術(shù)方案的進一步改進:
在步驟SI中加工環(huán)狀開口時，于內(nèi)冷卻油道與環(huán)狀開口相接的一端加工輔助臺階；在步驟S22中將環(huán)形密封板壓入環(huán)狀開口時，使環(huán)形密封板與輔助臺階抵接；在步驟S24中利用輔助臺階阻擋焊接金屬熔液和金屬氣體，構(gòu)成激光焊接熔池。
[0013]在步驟S21中，環(huán)狀開口外圈的預熱溫度高于環(huán)形密封板的預熱溫度；在步驟S22中將環(huán)形密封板壓入環(huán)狀開口時，使環(huán)形密封板與環(huán)狀開口的內(nèi)外圈焊接對接接頭均形成過盈配合。
[0014]在步驟S24中，先對環(huán)形密封板與環(huán)狀開口的內(nèi)圈焊接對接接頭進行激光焊接，再對環(huán)形密封板與環(huán)狀開口的外圈焊接對接接頭進行激光焊接，且內(nèi)、外圈的焊接進給方向相反。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
本發(fā)明的基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞，在內(nèi)冷卻油道上端設有環(huán)狀開口，且環(huán)狀開口位于活塞頭部的頂端，將環(huán)形密封板嵌入環(huán)狀開口并通過激光焊接連接固定，對內(nèi)冷卻油道上端密封，在激光焊接環(huán)形密封板前可對內(nèi)冷卻油道獨立加工，工藝簡單、加工方便，便于形成大容積的內(nèi)冷卻油道，克服了整體式鋼活塞內(nèi)冷卻油道加工難度大、加工時間長、加工成本高的缺陷；同時，內(nèi)冷卻油道和環(huán)形密封板均可通過機械精加工來保證油腔精度，并且，通過激光焊接形成內(nèi)冷卻油道不會在內(nèi)冷卻油道內(nèi)留下焊渣、飛邊等影響冷卻效果的異物，更容易得到精確、整潔的內(nèi)冷卻油道，能有效提升活塞冷卻性能，延長活塞使用壽命，減輕活塞重量，提高活塞工作性能。
[0016]本發(fā)明的激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞加工方法，對環(huán)形密封板與環(huán)狀開口的內(nèi)外圈焊接對接接頭采用精準的激光焊接，保證了內(nèi)冷卻油道的精度，在內(nèi)冷卻油道內(nèi)無焊渣、飛邊殘留，大大提高了鋼活塞的加工質(zhì)量；在激光焊接組裝過程中環(huán)形密封板與環(huán)狀開口過盈配合，形成過盈自夾和無錯邊緊密對接，無需激光焊接夾具，激光焊接工藝得到簡化，并且焊接對接接頭錯邊量值及接頭間隙值趨于零，使焊縫質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性得到充分保證。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明第一種基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞實施例主剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明第二種基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞實施例主剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞加工方法的流程圖。
[0020]圖中各標號表不:
1、活塞本體；10、活塞頭部；11、內(nèi)冷卻油道；111、頂端；12、燃燒室；13、環(huán)狀開口 ；14、輔助臺階；15、進油管；16、出油管；17、承載臺階；2、環(huán)形密封板。
【具體實施方式】
[0021]圖1示出了本發(fā)明的第一種基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞實施例，該鋼活塞包括活塞本體I和環(huán)形密封板2，活塞本體I于活塞頭部10設有內(nèi)冷卻油道11和燃燒室12，內(nèi)冷卻油道11環(huán)繞燃燒室12設置，內(nèi)冷卻油道11上端設有環(huán)狀開口 13，環(huán)狀開口13位于活塞頭部10的頂端111，環(huán)形密封板2嵌入環(huán)狀開口 13并通過激光焊接連接固定，對內(nèi)冷卻油道11上端密封，在激光焊接環(huán)形密封板2前可對內(nèi)冷卻油道11獨立加工，工藝簡單、加工方便，便于形成大容積的內(nèi)冷卻油道11，克服了整體式鋼活塞內(nèi)冷卻油道11加工難度大、加工時間長、加工成本高的缺陷；同時，內(nèi)冷卻油道11和環(huán)形密封板2均可通過機械精加工來保證油腔精度，并且，通過激光焊接形成內(nèi)冷卻油道11不會在內(nèi)冷卻油道11內(nèi)留下焊渣、飛邊等影響冷卻效果的異物，更容易得到精確、整潔的內(nèi)冷卻油道11，能有效提升活塞冷卻性能，延長活塞使用壽命，減輕活塞重量，提高活塞工作性能。
[0022]本實施例中，內(nèi)冷卻油道11與環(huán)狀開口 13相接的一端設有用于促進構(gòu)成激光焊接熔池的輔助臺階14，該輔助臺階14可在激光焊接過程中阻擋焊接熔液及金屬氣體的流動，形成穩(wěn)定的激光焊接恪池，保證激光焊接質(zhì)量。
[0023]本實施例中，活塞頭部10還設有與內(nèi)冷卻油道11相通的進油管15和出油管16，進油管15和出油管16均與內(nèi)冷卻油道11連通，出油管16延伸至內(nèi)冷卻油道11內(nèi)，且出油管16的管口高于內(nèi)冷卻油道11底部，用于保持內(nèi)冷卻油道11內(nèi)的冷卻液面高度，滿足內(nèi)冷卻油道11的冷卻液填充率，達到活塞內(nèi)冷卻油道11振蕩冷卻的工藝要求，利于冷卻液在內(nèi)冷卻油道11內(nèi)的留存、流動和振蕩冷卻，提升冷卻效果。
[0024]本實施例在環(huán)形密封板下端面設有與內(nèi)冷卻油道11相配合的凸臺，在環(huán)形密封板2嵌入環(huán)狀開口 13時通過該凸臺對環(huán)形密封板2導向。
[0025]圖2示出了本發(fā)明的第二種基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞實施例，本實施例與第一種實施例基本相同，區(qū)別僅在于:內(nèi)冷卻油道11與環(huán)狀開口 13相接的一端設有兩級階梯狀臺階，靠近內(nèi)冷卻油道11的臺階為對環(huán)形密封板2支撐的承載臺階17，遠離內(nèi)冷卻油道11的臺階為用于促進構(gòu)成激光焊接熔池的輔助臺階14。承載臺階17主要用于承載環(huán)形密封板2受到的氣缸壓力，減少焊縫受力。
[0026]圖3示出了本發(fā)明的激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞加工方法實施例的流程，本實施例以制造第一種實施例的鋼活塞為基礎對鋼活塞加工方法作進一步詳細說明，其包括以下步驟:
51:零件加工:包括鍛造活塞本體I和加工環(huán)形密封板2，在活塞本體I的活塞頭部10加工內(nèi)冷卻油道11、燃燒室12和環(huán)狀開口 13，完成加工后對環(huán)形密封板2和內(nèi)冷卻油道11及環(huán)狀開口 13進行清潔；
52:激光焊接組裝:包括以下分步驟:
521:預熱環(huán)狀開口 13外圈和環(huán)形密封板2，環(huán)狀開口 13外圈的預熱溫度高于環(huán)形密封板2的預熱溫度；
522:將環(huán)形密封板2壓入環(huán)狀開口 13，使環(huán)形密封板2與環(huán)狀開口 13冷卻至常溫時形成過盈配合；
523:對活塞頭部10和環(huán)形密封板2進行焊前整體預熱；
524:對環(huán)形密封板2與環(huán)狀開口 13的內(nèi)外圈焊接對接接頭進行激光焊接；
525:焊后緩冷，并進入步驟S3 ；
53:熱處理:消除焊接應力，達到活塞機械性能要求；
54:后加工:完成機械精加工和表面處理。
[0027]S23:對活塞頭部10和環(huán)形密封板2進行焊前整體預熱；
524:對環(huán)形密封板2與環(huán)狀開口 13的內(nèi)外圈焊接對接接頭進行激光焊接；
525:焊后緩冷，并進入步驟S3 ；
53:熱處理:消除焊接應力，達到活塞機械性能要求；
54:后加工:完成機械精加工和表面處理。
[0028]本發(fā)明的激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞加工方法，對環(huán)形密封板2與環(huán)狀開口 13的內(nèi)外圈接口采用精準的激光焊接，保證了內(nèi)冷卻油道11的精度，在內(nèi)冷卻油道11內(nèi)無焊渣、飛邊殘留，大大提高了鋼活塞的加工質(zhì)量；在激光焊接組裝過程中環(huán)形密封板2與環(huán)狀開口 13過盈配合，形成過盈自夾和無錯邊緊密對接，無需激光焊接夾具，激光焊接工藝得到簡化，并且接頭錯邊量值及接頭間隙值趨于零，使焊縫質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性得到充分保證。
[0029]本實施例中，在步驟SI中加工環(huán)狀開口 13時，于內(nèi)冷卻油道11與環(huán)狀開口 13相接的一端加工輔助臺階14 ;在步驟S22中將環(huán)形密封板2壓入環(huán)狀開口 13時，使環(huán)形密封板2與輔助臺階14抵接；在步驟S24中利用輔助臺階14阻擋焊接金屬熔液和金屬氣體的流動，易于構(gòu)成激光焊接熔池，從而進一步提高激光焊接質(zhì)量。
[0030]本實施例中，在步驟S22中將環(huán)形密封板2壓入環(huán)狀開口 13時，使環(huán)形密封板2與環(huán)狀開口 13的內(nèi)外圈接口均形成過盈配合，且過盈量為δ，0< δ <0.01;在步驟S24中，先對環(huán)形密封板2與環(huán)狀開口 13的內(nèi)圈焊接對接接頭進行激光焊接，再對環(huán)形密封板2與環(huán)狀開口 13的外圈焊接對接接頭進行激光焊接，且內(nèi)、外圈的焊接進給方向相反，這種焊接方式具有一定的誤差均化效應，可最大限度的減少焊接熱導致的工件變形；在焊接時，便于控制激光光斑與接口縫隙嚴格對中，進一步確保焊接質(zhì)量。
[0031]本實施例進一步在活塞本體I的活塞頭部10鉚接了進油管15和出油管16，進油管15和出油管16分別連通至內(nèi)冷卻油道11，且出油管16的管口高于內(nèi)冷卻油道11底部，用于保持內(nèi)冷卻油道11內(nèi)的冷卻液面高度；在加工環(huán)狀開口 13和輔助臺階14時，在環(huán)狀開口 13與輔助臺階14的相交部加工過渡圓角，該處過渡圓角小于環(huán)形密封板2外側(cè)下邊緣的圓角；環(huán)形密封板2由優(yōu)質(zhì)無縫鋼管切片成型，加工方便、成本低，在其它實施例中也可采用鍛造成型；加工加工環(huán)狀開口 13和環(huán)形密封板2的內(nèi)外圈時，應保證加工精度，使環(huán)形密封板2壓入環(huán)狀開口 13后滿足過盈配合要求。
[0032]雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍的情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞，包括活塞本體(I)和環(huán)形密封板(2)，所述活塞本體(I)于活塞頭部(10)設有內(nèi)冷卻油道(11)和燃燒室(12)，其特征在于:所述內(nèi)冷卻油道(11)上端設有環(huán)狀開口( 13 )，所述環(huán)狀開口( 13 )位于活塞頭部(10 )的頂端(111)，所述環(huán)形密封板(2 )嵌入所述環(huán)狀開口( 13 )并通過激光焊接連接固定，對內(nèi)冷卻油道(11)上端密封。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞，其特征在于:所述內(nèi)冷卻油道(11)與環(huán)狀開口(13)相接的一端設有用于促進構(gòu)成激光焊接熔池的輔助臺階(14)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞，其特征在于:所述內(nèi)冷卻油道(11)與環(huán)狀開口(13)相接的一端設有兩級階梯狀臺階，靠近所述內(nèi)冷卻油道(11)的臺階為對環(huán)形密封板(2)支撐的承載臺階(17)，遠離所述內(nèi)冷卻油道(11)的臺階為用于促進構(gòu)成激光焊接熔池的輔助臺階(14 )。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞，其特征在于:所述活塞頭部(10)還設有與內(nèi)冷卻油道(11)相通的進油管(15)和出油管(16)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞，其特征在于:所述進油管(15)和出油管(16)均與內(nèi)冷卻油道(11)連通，所述出油管(16)延伸至內(nèi)冷卻油道(11)內(nèi)，且出油管(16)的管口高于內(nèi)冷卻油道(11)底部。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞，其特征在于:所述內(nèi)冷卻油道(11)環(huán)繞燃燒室(12)設置。7.一種激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞加工方法，其特征在于，包括以下步驟: 51:零件加工:包括鍛造活塞本體(I)和加工環(huán)形密封板(2)，在活塞本體(I)的活塞頭部(10)加工內(nèi)冷卻油道(11)、燃燒室(12)和環(huán)狀開口(13); 52:激光焊接組裝:包括以下分步驟: 521:預熱環(huán)狀開口(13)外圈和環(huán)形密封板(2); 522:將環(huán)形密封板(2)壓入環(huán)狀開口( 13)，使環(huán)形密封板(2)與環(huán)狀開口( 13)冷卻至常溫時形成過盈配合； 523:對活塞頭部(10)和環(huán)形密封板(2)進行焊前整體預熱； 524:對環(huán)形密封板(2)與環(huán)狀開口(13)的內(nèi)外圈焊接對接接頭進行激光焊接； 525:焊后緩冷，并進入步驟S3 ； 53:熱處理:消除焊接應力，達到活塞機械性能要求； 54:后加工:完成機械精加工和表面處理。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞加工方法，其特征在于:在步驟SI中加工環(huán)狀開口( 13)時，于內(nèi)冷卻油道(11)與環(huán)狀開口( 13)相接的一端加工輔助臺階(14);在步驟S22中將環(huán)形密封板(2)壓入環(huán)狀開口(13)時，使環(huán)形密封板(2)與輔助臺階(14)抵接；在步驟S24中利用輔助臺階(14)阻擋焊接金屬恪液和金屬氣體，構(gòu)成激光焊接熔池。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞加工方法，其特征在于:在步驟S21中，環(huán)狀開口(13)外圈的預熱溫度高于環(huán)形密封板(2)的預熱溫度；在步驟S22中將環(huán)形密封板(2)壓入環(huán)狀開口(13)時，使環(huán)形密封板(2)與環(huán)狀開口(13)的內(nèi)外圈焊接對接接頭均形成過盈配合。10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的激光焊接成型內(nèi)冷卻油道的鋼活塞加工方法，其特征在于:在步驟S24中，先對環(huán)形密封板(2)與環(huán)狀開口(13)的內(nèi)圈焊接對接接頭進行激光焊接，再對環(huán)形密封板(2)與環(huán)狀開口( 13)的外圈焊接對接接頭進行激光焊接，且內(nèi)、外圈的焊接進給方向相反。
【文檔編號】B23K26/21GK105986922SQ201510040273
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月27日
【發(fā)明人】強哲菲
【申請人】強哲菲