本發(fā)明涉及一種制造具有至少兩個活塞部件的內(nèi)燃機的活塞的方法，其中至少兩個活塞部件沿著它們的對應(yīng)的連接表面經(jīng)由至少一個沿徑向或沿軸向的圓周激光焊接縫彼此連接。本發(fā)明還涉及一種可通過這樣的方法制造的活塞。

背景技術(shù)：

活塞部件越來越普遍地通過激光焊接的方法連接，并且因此該技術(shù)變得越來越重要。沿軸向或沿徑向的圓周激光焊接縫引起如下問題：在圓周激光焊接縫的起點和終點重合的區(qū)域中，激光焊接縫并未被焊透，而是具有減小的焊接縫深度。這是因為起初必須在激光焊接操作的起點處連續(xù)地增加每單元長度的功率密度或能量輸入(被稱作遞增)，并且必須朝向激光焊接操作的終點連續(xù)地降低(被稱作遞減)。在遞增和遞減期間，由于那時每單位長度的功率密度或能量輸入太低，激光焊接縫未被焊透。因此，微結(jié)構(gòu)缺陷，例如裂縫，能夠在激光焊接縫的冷卻時在后者的區(qū)域中出現(xiàn)，這沒有經(jīng)受焊透。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的為以如下方式進一步開發(fā)普遍類型的制造活塞的方法：有效地抵消激光焊接縫的未經(jīng)受焊透的區(qū)域中的微結(jié)構(gòu)缺陷的形成，或者消除已經(jīng)形成的微結(jié)構(gòu)缺陷。

存在于方法中的技術(shù)方案包括如下步驟：a)將至少兩個活塞部件沿著它們的對應(yīng)的接合表面對齊，b)激活針對深度焊接方法設(shè)計的激光器并且使由激光器產(chǎn)生的激光束與限定的起點在接合表面的區(qū)域中對齊，c)增加從限定的起點(SP)在整個限定的路徑(S1)上沿著對應(yīng)的接合表面行進的激光束的功率密度(遞增),從而產(chǎn)生具有增加的焊接縫深度的遞增的焊接縫，d)通過深度焊接的方式沿著對應(yīng)的接合表面進行圓周的、完全的透焊，從而產(chǎn)生具有至少直到限定的終點(EP)基本上一致的焊接縫深度的深度焊接縫，e)在整個限定的路徑(S2)上降低激光束的功率密度(遞減)，從而產(chǎn)生具有減小的焊接縫深度的遞減的焊接縫，f)通過使用針對熱導(dǎo)焊接方法設(shè)計的激光器的熱導(dǎo)焊接對限定的路徑(S1，S2)的至少一部分進行過焊，從而產(chǎn)生至少一個熱導(dǎo)焊接縫。

本發(fā)明還涉及一種內(nèi)燃機的活塞，所述活塞可通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造，并且因此結(jié)果具有由深度焊接縫和熱導(dǎo)焊接縫組成的激光焊接縫。

為了本專利申請的公開的目的，術(shù)語“熱導(dǎo)焊接”以及“深度焊接”理解如下：

在熱導(dǎo)焊接的情況下，在接合表面的區(qū)域中待接合熔化的部件的材料完全通過熱導(dǎo)，即，在部件表面的區(qū)域中完全通過激光束的能量的吸收。從兩個部件熔化的材料在其已經(jīng)固化后將部件彼此連接。光束寬度通常大于焊縫深度。為此目的所需的激光束的能量密度通常為1x 10⁴W/cm²至1x 10⁵W/cm²。

在深度焊接的情況下，部件的材料被一定程度地加熱使得該區(qū)域的溫度超過材料的蒸發(fā)溫度。因此沿著接合表面產(chǎn)生被熔化的材料包圍并且通過激光束移動的細長孔洞。在細長孔洞的后側(cè)固化的材料產(chǎn)生窄的深度焊縫，其焊縫深度明顯大于焊縫寬度。為此目的所需的激光束的能量密度通常大于1x 10⁶W/cm²。

根據(jù)本發(fā)明的方法所基于的發(fā)明構(gòu)思存在于深度焊接方法與熱導(dǎo)焊接方法以如下方式結(jié)合的事實：通過局部限定的熱導(dǎo)焊接方法避免和/或通過更新的材料的熔化消除在限定的路徑(S1，S2)的區(qū)域中出現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)缺陷。這也避免了從在激光焊接縫的冷卻期間形成的微結(jié)構(gòu)缺陷行進的已有的微結(jié)構(gòu)缺陷的尺寸的增加。該效果基于熱導(dǎo)焊接縫的更大的焊接縫寬度并因此基于減小的熱負荷以及在材料的固化期間的微結(jié)構(gòu)的更加均勻的形成。特別地，當在激光焊接縫的區(qū)域中完成活塞的表面時，能夠不再形成向外開口的裂縫的形式的微結(jié)構(gòu)缺陷。

根據(jù)本發(fā)明的方法的又一個優(yōu)點存在于其能夠特別容易地整合到現(xiàn)有的制造活塞的加工中的事實。諸如能夠?qū)Υ雍系牟考M行預(yù)加熱的預(yù)先機加工、導(dǎo)向的存在于激光焊接加工上游的加工站，以及諸如隨后的熱處理和精加工的存在于激光焊接加工下游的加工站能夠保持不變。

有益的發(fā)展從從屬權(quán)利要求變得明白易懂。

在步驟c)中，優(yōu)選依據(jù)活塞的尺寸將限定的路徑的長度設(shè)定為5mm至15mm。在類似的方式中，在步驟e)中，限定的路徑的長度優(yōu)選被設(shè)定為5mm至25mm。

在步驟d)中，深度焊接縫的焊接縫深度優(yōu)選被設(shè)定為2mm至12mm。特別優(yōu)選的是深度焊接縫被完全焊透。

根據(jù)本發(fā)明的方法的特別有益的實施例在步驟e)與步驟f)之間提供了至多10秒的時間間隔，從而在冷卻期間特別有效地抑制微結(jié)構(gòu)缺陷的形成。為了縮短時間間隔，特別能夠?qū)蓚€單獨的激光器用于步驟e)和步驟f)中，其中在步驟f)中，在步驟e)結(jié)束之前使用單獨的激光器開始熱導(dǎo)焊接加工。

在步驟f)中，優(yōu)選地對限定的路徑(S2)完全地過焊，從而特別有效地防止微結(jié)構(gòu)缺陷的繼續(xù)形成。適當時，也能夠?qū)す夂附涌p部分地或者完全地過焊。

至少一個熱導(dǎo)焊接縫優(yōu)選關(guān)于深度焊接縫縱向地導(dǎo)向，從而在熔化的材料的固化期間實現(xiàn)盡可能均勻的微結(jié)構(gòu)的形成。也能夠?qū)崿F(xiàn)橫向于和/或平行于深度焊接縫的焊接，然而，例如波紋狀或Z狀的焊接縫的形式。熱導(dǎo)焊接縫的焊接縫深度優(yōu)選在1mm和3mm之間。

根據(jù)本發(fā)明的方法特別適于將活塞主體形式的第一活塞部件與環(huán)形部件形式(例如，凹陷邊緣元件或者環(huán)形溝槽元件)的第二活塞部件接合。

附圖說明

下文將參照附圖更加詳細地說明本發(fā)明的示例性實施例。在比例不正確的示例性的圖示中：

圖1部分地示出了由根據(jù)本發(fā)明的方法制造的活塞的第一示例性實施例；

圖2部分地示出了在實施根據(jù)本發(fā)明的方法之前的在圖1中示出的活塞的活塞部件；

圖3示出了圖1中示出的活塞的平面圖；

圖4部分地示出了根據(jù)本發(fā)明的活塞的又一個示例性實施例；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的示例性實施例的示意性圖示。

具體實施方式

圖1至圖3示出了活塞10的第一示例性實施例，在通過根據(jù)本發(fā)明的方法連接之前(圖2)以及在活塞部件11、18的連接之后(圖1和圖3)，在示例性實施例中均具有其兩個單獨的活塞部件11、18。在示例性實施例中，活塞10具有第一活塞部件11，所述第一活塞部件11為活塞主體的形式并且例如由諸如例如42CrMo4的熱處理鋼或者諸如例如38MnVS6的AFP鋼制造。第一活塞部件11具有活塞頂12的外部、圓周上環(huán)岸13以及具有用于接納活塞環(huán)(未示出)的環(huán)形溝槽的圓周環(huán)部14。第一活塞部件11還具有燃燒室凹陷15的基部15a。第一活塞部件11因此形成活塞10的活塞頭16的主要部分。以自身已知的方式，第一活塞部件11還形成活塞10的活塞裙17。

活塞10還具有凹陷邊緣元件的形式的環(huán)形的第二活塞部件18。在示例性實施例中，第二活塞部件18包括燃燒室凹陷15的整個凹陷壁15b以及燃燒室邊緣區(qū)域15c，并且還包括活塞頂12的內(nèi)部。第二活塞部件18優(yōu)選地由特別耐久的材料組成。為此目的對于活塞主體11能夠使用等同或類似于熱處理鋼或AFP鋼。

第一活塞部件11和第二活塞部件18形成圓周外部的冷卻通道19。冷卻通道19首先與環(huán)部14齊平地延伸，并且其次與燃燒室凹陷15的凹陷壁15b齊平。

第二活塞部件18具有下圓周接合表面24a(參見圖2)，所述下圓周接合表面24a與包圍燃燒室凹陷15的基部15a的圓周接合表面23a一起形成第一活塞部件11的下激光焊接縫21(參見圖3)。在示例性實施例中，下激光焊接縫21沿徑向向外延伸，并且從凹陷壁15b在活塞裙17的方向上向下行進，并且開口到冷卻通道19中。

第二活塞部件18還具有上圓周接合表面24b(參見圖2)，所述上圓周接合表面24b與在上環(huán)岸13的區(qū)域中環(huán)繞的接合表面23b一起形成第一活塞部件11的上激光焊接縫22(參見圖2)。在示例性實施例中，上激光焊接縫22從活塞頂12在平行于活塞中心軸線M的豎直方向上行進延伸，并且開口到冷卻通道19中。

下激光焊接縫21與上激光焊接縫22通過激光焊接方法產(chǎn)生，并且以可接近激光器25、27或者由后者產(chǎn)生的激光束26、28的方式布置。

圖4示出了活塞110的在其活塞部件111、118已經(jīng)連接之后的又一個示例性實施例。在該示例性實施例中，活塞110具有第一活塞部件111，所述第一活塞部件111處于活塞主體的形式并且同樣能夠由諸如例如42CrMo4的熱處理鋼或者諸如例如38MnVS6的AFP鋼制造。第一活塞部件111具有活塞頂112的具有燃燒室凹陷115的內(nèi)部。第一活塞部件111因此形成活塞110的活塞頭116的主要部分。以自身已知的方式，部件111還形成活塞110的活塞裙。

活塞110還具有處于環(huán)形溝槽元件的形式的環(huán)形的第二活塞部件118。第二活塞部件118包括活塞頂112的外部，圓周上環(huán)岸113以及具有用于接納活塞環(huán)(未示出)的環(huán)形溝槽的圓周環(huán)部114。第二活塞部件118同樣能夠由特別耐久的材料組成。為此目的對于活塞主體111能夠使用等同或類似于熱處理鋼或AFP鋼。

第一活塞部件111與第二活塞部件118形成圓周外部的冷卻通道119。冷卻通道119首先與環(huán)部114齊平地延伸，并且其次與燃燒室凹陷15齊平。

與活塞10的活塞部件11、18類似地，活塞110的第一活塞部件111與第二活塞部件118具有接合表面(未示出)，沿著所述接合表面能夠形成激光焊接縫。下激光焊接縫121形成在活塞110的環(huán)部114以下。在示例性實施例中，下激光焊接縫121從環(huán)部114行進在徑向上水平向內(nèi)延伸，并且開口到冷卻通道119中。

上激光焊接縫122形成在活塞110的活塞頂112中。在示例性實施例中，上激光焊接縫122從活塞頂112行進，在平行于活塞中心軸線M的豎直方向上延伸，并且開口到冷卻通道119中。

下激光焊接縫121與上激光焊接縫122通過激光焊接方法產(chǎn)生，并且以可接近激光器25、27或者由后者產(chǎn)生的激光束26、28的方式布置。

在下文中將參照圖3和圖5更加詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的用于制造活塞10或110的方法的示例性實施例。

首先，對待連接的第一和第二活塞部件11、111；18、118進行預(yù)先機加工。特別地，活塞10的第一活塞部件11的圓周接合表面23a、23b以及對應(yīng)的第二活塞部件18的圓周接合表面24a、24b或者活塞110的第一活塞部件111的接合表面以及第二活塞部件118的接合表面以自身已知的方式準備激光焊接。

然后，將兩個活塞部件11、18；111、118沿著它們的對應(yīng)的接合表面以自身已知的方式對齊。方便的是，首先在活塞頂12、112的區(qū)域中產(chǎn)生下激光焊接縫21、121然后產(chǎn)生上激光焊接縫22、122。為此目的，例如使用針對適于深度焊接方法的方法參數(shù)設(shè)計的固態(tài)激光器。以自身已知的方式，這些方法參數(shù)特別依靠材料的類型以及激光焊接縫的深度。因此，接下來的說明書理解為優(yōu)選地選擇的針對深度焊接方法的方法參數(shù)所在的范圍內(nèi)的有意義的說明。

激光功率 2000W至8000W

焊機速度 2至6米/分鐘，優(yōu)選3米/分鐘

光束直徑 200微米至600微米

由激光器產(chǎn)生的激光束26或28通過限定的起點SP(參見圖5)在對應(yīng)的接合表面的區(qū)域中(參見圖3和圖4)對齊。從起點SP(參見圖5)行進，激光束被沿著接合表面引導(dǎo)。同時，其功率密度或每單位長度的能量輸入在整個限定的路徑S1連續(xù)地增加(遞增)，從而產(chǎn)生具有增加的焊接縫深度的遞增的焊接縫31。限定的路徑S1的長度例如可以是5mm至15mm。當達到至少1x10⁶W/cm²的深度焊接所需的功率密度時，圓周的、整個透焊沿著對應(yīng)的接合表面起作用，從而產(chǎn)生具有基本上一致的焊接縫厚度，例如2mm至12mm(這依靠材料的類型以及活塞部件的尺寸)的深度焊接縫32。在過程中，平行于對應(yīng)的接合表面對激光束26、28定向。通過至少部分地過焊的遞增的焊接縫31繼續(xù)透焊，直到達到限定的端點EP。然后，從端點EP在整個限定的路徑S2降低(遞減)激光束的功率密度，從而產(chǎn)生具有減小的焊接縫厚度的遞減的焊接縫33。端點EP優(yōu)選地位于遞減的焊接縫31的下游，并且因此后者被完全過焊且在深度焊接縫32的區(qū)域中開始遞減。限定的路徑S2的長度例如可以是5mm至25mm，優(yōu)選達到20mm。路徑S2的長度優(yōu)選為路徑S1的長度的兩倍。

在遞減結(jié)束后，接下來的過焊的方法步驟應(yīng)當盡可能地立即實施。過焊也能夠在遞減結(jié)束前開始，以便用于該目的的激光器跟在為深度焊接而設(shè)計的激光器之后。

在過焊的方法步驟中，限定的路徑S1、S2的至少一部分通過具有1x10⁴W/cm²至1x10⁵的激光束的功率密度、使用為熱導(dǎo)焊接方法而設(shè)計的激光器的熱導(dǎo)焊接進行過焊，從而產(chǎn)生具有優(yōu)選至少1mm且至多3mm的焊接深度的至少一個熱導(dǎo)焊接束34(圖3)。為此目的，例如使用針對適于熱導(dǎo)焊接方法的方法參數(shù)設(shè)計的固態(tài)激光器。以自身已知的方式，這些方法參數(shù)特別依靠材料的類型以及激光焊接縫的深度。因此，接下來的說明書理解為優(yōu)選地選擇的針對熱導(dǎo)焊接方法的方法參數(shù)所在的范圍內(nèi)的有意義的說明。

激光功率 500W至4000W

焊機速度 0.5至3米/分鐘，優(yōu)選1米/分鐘

光束直徑 500微米至3000微米

結(jié)果獲得了具有至少一個激光焊接縫21、22；121、122的活塞10、110，所述至少一個激光焊接縫21、22；121、122由深度焊接縫32和熱導(dǎo)焊接縫34組成(參見圖4)。

以自身已知的方式，最終完成活塞10、110。依靠所使用的材料，這也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的隨后的熱處理。