一种提高钢活塞焊缝抗疲劳强度的结构的制作方法

本实用新型属于中重型柴油发动机技术领域，具体涉及一种提高钢活塞焊缝抗疲劳强度的结构。

背景技术：

本实用新型专利适用于中重型柴油发动机领域。钢活塞用于中重型内燃机领域已有几十年的历史，在该领域中，气缸内最高爆发压力可达25mpa。铝活塞材料在热负荷和机械负荷方面已无法承受如此高的爆发压力，并且铝活塞材料的疲劳寿命也无法满足耐久性的要求，于是钢活塞便在高爆发压力条件下替代了铝活塞；钢活塞的形式包括整体式钢活塞、铰接式钢顶铝裙活塞、焊接式钢活塞，其中焊接式钢活塞是采用顶部锻钢材料与裙部焊为一体结构，由于其冷却油道封闭，焊接式钢活塞具有较好的冷却效率，整体刚度特别是环岸区的刚度高，可靠性好的优点；由于钢活塞的工作温度比较高，燃烧室边缘的最高温度达450℃以上，在高温燃气的作用下，过高的工作温度易造成燃烧室边缘的材料表面出现氧化，产生疲劳源而导致活塞开裂。对于焊接式钢活塞而言，其焊缝同样会有发生疲劳开裂的风险，本实用新型涉及焊接式钢活塞领域，旨在提高钢活塞的焊缝的抗疲劳性能，有效降低钢活塞焊缝发生疲劳裂纹的风险。

目前，钢活塞的主流焊接方式有摩擦焊接、激光焊接、电子束焊接三种形式。摩擦焊接是一种固相锻压焊接技术，虽然在焊缝中不存在与熔化和凝固有关的焊接缺陷和脆化现象，焊缝强度能够达到甚至超过母材的强度，但是摩擦焊接受焊接方式的限制存在三方面的不足：1.只适用于环形、同轴焊件焊接；2.油腔内部的焊接飞边无法去除，影响活塞内冷油腔的冷却效果，焊接飞边容易造成应力集中；3.由于焊接过程中施加负载，会导致工件变形和轴向尺寸不稳定。激光焊接和电子束焊接同属于高能束焊接，激光焊接的深宽比一般在10：1以内，电子束焊接的深宽比一般为20：1，相比摩擦焊接而言，虽然高能束焊接可以制造出非同心的燃烧室结构，但是在焊接钢活塞时，仍然在焊缝位置存在密集性的气孔、未焊透、裂纹等缺陷，而这些缺陷会降低焊缝的抗疲劳性能。

目前，电子束焊接和激光焊接在活塞顶部的焊缝均使用直焊缝。使用直焊缝的焊接形式，虽然方便制作加工和定位，但存在以下不足：

(1)采用直焊缝，焊接表面积小；

(2)由于活塞顶部焊缝受压力(或拉力)和剪切力作用，而直焊缝在活塞径向方向无分量，因此在活塞工作的综合受力情况下，直焊缝的受力不好，更容易发生疲劳开裂；

(3)由于活塞结构限制，从活塞上取抗拉试棒困难，只能从焊接样件上取试棒进行类比判断。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种提高钢活塞焊缝抗疲劳强度的结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种提高钢活塞焊缝抗疲劳强度的结构，包括活塞本体，所述活塞本体上设置有内冷油腔a，所述内冷油腔a的外壁设置有燃烧室环，所述燃烧室环的外侧设置有喉口，所述活塞本体对应内冷油腔a的顶部设置有第一带倾角顶部焊缝，所述活塞本体对应内冷油腔a的侧方位设置有带倾角燃烧室焊缝，还包括右侧活塞本体，所述右侧活塞本体上设置有内冷油腔b，所述内冷油腔b的外侧设置有右侧喉口，还包括外圆环，所述外圆环上内冷油腔b的下方设置有右侧活塞本体，且外圆环上对应内冷油腔b上方设置有第二带倾角顶部焊缝，所述内冷油腔b的侧方设置有带倾角裙部焊缝。

优选的，还包括直焊缝活塞本体，所述直焊缝活塞本体的左侧顶部设置有第一顶部直焊缝，且直焊缝活塞本体的左侧侧方设置有燃烧室焊缝，所述直焊缝活塞本体的右侧顶部设置有第二顶部直焊缝，所述直焊缝活塞本体的右侧侧方设置有裙部焊缝。

优选的，所述第一带倾角顶部焊缝、带倾角燃烧室焊缝、第二带倾角顶部焊缝和带倾角裙部焊缝相比现有的焊缝具有一定的倾角。

优选的，所述第一顶部直焊缝、燃烧室焊缝、第二顶部直焊缝、裙部焊缝以及第一带倾角顶部焊缝、带倾角燃烧室焊缝、第二带倾角顶部焊缝和带倾角裙部焊缝均采用电子束焊接或激光焊接。

优选的，所述活塞本体和右侧活塞本体均为抗高压抗高温材质，且材质均为现有技术中的材质。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型结构科学合理，使用安全方便，由于受活塞结构、压缩高以及重量的制约，在活塞壁厚不变的情况下，采用斜焊缝的焊接表面积大于直焊缝；斜焊缝在活塞轴向和径向方向都有分力，通过调整焊缝倾斜角度θ，使焊缝受力达到最佳；相同条件下，钢活塞斜焊缝的抗疲劳性能优于直焊缝；钢活塞高能束焊接的焊缝形式有两种：顶部和燃烧室部位两道焊缝，顶部和环槽部位两道焊缝；使用顶部和燃烧室部位焊缝的结构时，采用增加工艺接头的形式，保证加工、制作方便；使用顶部和环槽部位焊缝的结构时，与直焊缝结构加工工艺相同，但是增大了焊接面积，提高了焊缝的抗疲劳性能。

附图说明

图1为本实用新型直焊缝组合形式的结构示意图；

图2为本实用新型顶部斜焊缝的结构示意图；

图3为本实用新型顶部斜焊缝的倾角分析图一；

图4为本实用新型顶部斜焊缝的倾角分析图二；

图5为本实用新型倾斜角度θ对焊缝的受力分析图；

图中：1-第一顶部直焊缝、2-燃烧室焊缝、3-第二顶部直焊缝、4-裙部焊缝、5-第一带倾角顶部焊缝、6-带倾角燃烧室焊缝、7-第二带倾角顶部焊缝、8-带倾角裙部焊缝、11-活塞本体、12-燃烧室环、13-内冷油腔a、14-喉口、21-右侧活塞本体、22-内冷油腔b、23-外圆环、24-右侧喉口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-图5，本实用新型提供一种提高钢活塞焊缝抗疲劳强度的结构技术方案：一种提高钢活塞焊缝抗疲劳强度的结构，包括活塞本体11，活塞本体11上设置有内冷油腔a13，内冷油腔a13的外壁设置有燃烧室环12，燃烧室环12的外侧设置有喉口14，活塞本体11对应内冷油腔a13的顶部设置有第一带倾角顶部焊缝5，活塞本体11对应内冷油腔a13的侧方位设置有带倾角燃烧室焊缝6，还包括右侧活塞本体21，右侧活塞本体21上设置有内冷油腔b22，内冷油腔b22的外侧设置有右侧喉口24，还包括外圆环23，外圆环23上内冷油腔b22的下方设置有右侧活塞本体21，且外圆环23上对应内冷油腔b22上方设置有第二带倾角顶部焊缝7，内冷油腔b22的侧方设置有带倾角裙部焊缝8。

本实施例中，优选的，还包括直焊缝活塞本体，直焊缝活塞本体的左侧顶部设置有第一顶部直焊缝1，且直焊缝活塞本体的左侧侧方设置有燃烧室焊缝2，直焊缝活塞本体的右侧顶部设置有第二顶部直焊缝3，直焊缝活塞本体的右侧侧方设置有裙部焊缝4。

本实施例中，优选的，第一带倾角顶部焊缝5、带倾角燃烧室焊缝6、第二带倾角顶部焊缝7和带倾角裙部焊缝8相比现有的焊缝具有一定的倾角。

本实施例中，优选的，第一顶部直焊缝1、燃烧室焊缝2、第二顶部直焊缝3、裙部焊缝4以及第一带倾角顶部焊缝5、带倾角燃烧室焊缝6、第二带倾角顶部焊缝7和带倾角裙部焊缝8均采用电子束焊接或激光焊接。

本实施例中，优选的，活塞本体11和右侧活塞本体21均为抗高压抗高温材质，且材质均为现有技术中的材质。

本实用新型的工作原理：本实用新型图3中，φ标记是指的是燃烧室环外径；θ1标记是指的是顶部焊缝倾角；θ2标记是指的是燃烧室焊缝倾角；t标记是指的是毛坯工艺接头；l标记是指的是焊缝斜长；b标记是指的是焊缝厚度。

本实用新型图4中，θ1标记是指的是顶部焊缝倾角；θ2标记是指的是外圆焊缝倾角；l标记是指的是焊缝斜长；b标记是指的是焊缝厚度。

图3所示为一种提高钢活塞焊缝抗疲劳的结构和制作方法，图中活塞本体11上的内冷油腔a13焊接前精加工完成，燃烧室环12上的内冷油腔a13同样进行精加工，活塞本体11和燃烧室环12组合后形成完成并且封闭的内冷油腔a13。

活塞本体11上的倾角为θ1的第一带倾角顶部焊缝5，其截面长度为l，焊缝厚度为b，由图3可知b＝lcosθ1，即斜焊缝的焊接表面积大于直焊缝的焊接表面积；在相同焊接条件下，钢活塞顶部斜焊缝的抗疲劳强度大于直焊缝的抗疲劳强度。

根据gb50017《钢结构设计规范》第7.1.1条，在对接接头和t形接头中，承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝，焊缝与作用力间的夹角θ符合tanθ≤1.5时，其强度可不计算，通过调整顶部焊缝倾角θ1和燃烧室焊缝倾角θ2，在满足高能束焊接时可以使焊缝受力达到最佳，达到提高钢活塞焊缝抗疲劳性能，并且斜焊缝的抗疲劳性能优于直焊缝。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。