专利名称：用于内燃机的复合式活塞及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的复合式活塞以及该复合式活塞的制造方法。
背景技术：
这里，如EP 1 483 493 Bl中详细说明了，活塞上部和活塞下部的连接会产生问题。活塞上部和活塞下部例如可以相互焊接在一起，或相互螺纹连接在一起，其中，每种连接技术都具有各自的优点和缺点。另外，由国际专利申请PCT/DE2 008/01394公开了，使活塞上部和活塞下部通过焊接材料相互连接在一起。然而，其中并没有指定方法参数。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种简单的用于制造复合式活塞的焊接方法，在尽可能小的耗费的基础上，该方法还确保实现了活塞上部和活塞下部之间的可靠焊接连接。上述目的通过具有权利要求1的技术特征的方法以及由该方法制造的活塞来实现。根据本发明，首先，制造活塞上部和活塞下部，该活塞上部和活塞下部分别包括具有接合面的内支撑件和具有接合面的外支撑件；然后，将高温焊接材料引入到至少一个接合面的区域中；通过建立接合面之间的接触，使活塞上部和活塞下部组装成活塞体；接下来，将活塞体引入到真空炉中；在对该真空炉进行抽真空处理之后，在压力最大为10_2mbar 的情况下，将活塞体加热到最高为1300°C的焊接温度。之后，在压力最大为IO-2Hibar的情况下，将焊接后的活塞冷却至使高温焊接材料完全凝固。通过本发明的方法，所需的本发明活塞的基本材料的材料性能在加热之后于真空炉中这样进行调整，即，不需要进行其它的热处理，特别是不需要进行去应力退火处理，并且，使基本材料在焊接过程之后仍然具有尽可能理想的参数值，特别是在强度、硬度和组织形态方面的参数值。因此，相比于现有技术公知的方法，本发明的方法省时且成本低。具有优势的扩展方案在从属权利要求中给出。基本上，适宜采用所有公知的高温焊接材料。然而优选采用基于镍、钴和/或铜的焊接材料。适宜的焊接材料的一个实施例为镍基焊料L-BNi2(根据EN1044和DIN8513)。 通过该焊接材料，特别在采用AFP钢的条件下，实现了活塞上部和活塞下部之间的特别牢固且可靠的连接。技术人员仍保持采用涂覆焊接材料的方式和方法。例如可以将焊接材料平面式地涂覆在至少一个接合面上，特别采用散布的方式或利用印模的冲压方式。还可以将焊接材料引入到至少一个补给凹陷部中，补给凹陷部设置在至少一个接合面的区域中。在此，可以采用制造技术特别简单的方式，使至少一个补给凹陷部形成为环绕的或直线形的凹槽，或形成为球冠状的凹陷部。适宜地，活塞上部和/或活塞下部设有至少一个定心面，以简化活塞上部和活塞下部的组装，并且以特别简单的方式确保实现活塞上部和活塞下部相互间的准确定位。为
3了优化焊接连接，可以使至少一个定心面同样也设有焊接材料。特别地，当至少一个定心面呈角度地设置在接合面上时，可以适宜地呈角度地引入焊接材料。优选，在真空炉中将活塞体加热到至少为1000°C的焊接温度，从而借助于在焊接过程中产生的毛细管作用力实现焊接材料的优化分布。适宜地，使焊接温度恒定保持至少 5min。本发明的方法适用于所有复合式活塞。活塞例如可以设有环形的内支撑件，该内支撑件限定出外侧环绕的冷却通道和位于内侧的冷却腔室。然而，活塞还可以设有位于中央的内支撑件，该内支撑件限定出外侧环绕的冷却通道，该冷却通道以较大范围在活塞顶凹坑的下方延伸。在这两种情况下，通过在冷却通道或冷却腔室中循环的冷却油实现了特别良好的冷却作用。本发明的活塞优选由基于钢的材料构成，该基于钢的材料具有铁素体-珠光体组织结构，例如为AFP钢。由本发明方法进行处理的基本材料的硬度优选为230HB至300HB。
接下来，结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。图中示出了示意性的且不受尺寸限定的示意图图1为本发明活塞的第一实施例的截面图；图2为本发明活塞的第二实施例的截面图；图3为本发明方法的冷却阶段的温度时间图表。
具体实施例方式图1示出了本发明活塞10的第一实施例，在该示意图中，该活塞作为组装在一起的活塞体而处于焊接过程之前的状态。活塞10由活塞上部11和活塞下部12组成，它们在该实施例中都是由AFP钢锻造而成。活塞上部11具有活塞顶凹坑13、环绕的活塞顶岸14 以及环绕的活塞环区15。活塞下部12具有活塞裙16和活塞毂17，该活塞毂具有用于容纳活塞销(未示出)的毂孔。活塞上部11和活塞下部12形成靠向外侧环绕的冷却通道19 和位于内侧中央的冷却腔室21。活塞上部11具有内支撑件22和外支撑件23。内支撑件22呈环形环绕设置在活塞上部11的底面上，并且，该内支撑件具有接合面24。内支撑件22还形成内侧冷却腔室 21的一部分环绕侧壁。在该实施例中，活塞上部11的外支撑件23形成在活塞环区15的内部，并且，该外支撑件具有接合面25。内支撑件22还具有溢出通道31，用于使冷却油从外侧冷却通道19溢出到内侧冷却腔室21中。活塞下部12同样具有内支撑件26和外支撑件27。内支撑件26环绕设置在活塞下部12的顶面上，并且，该内支撑件具有接合面28。内支撑件26还形成内侧冷却腔室21 的一部分环绕侧壁。在该实施例中，外支撑件27形成在活塞环区15的内部，并且，该外支撑件具有接合面29。内支撑件26还具有环绕的定心面32，在该实施例中，该定心面呈直角地设置在接合面28上。此外，在活塞下部12还设有环绕的凸缘，通过该凸缘使接合面29 径向变宽，并且，为焊接材料的涂覆提供了较大的表面。在焊接过程之后亦或是在活塞制造完成时，再将凸缘去掉(未示出)。
在图1中活塞10作为组装在一起的活塞体而处于焊接过程之前的状态。在该实施例中，高温焊接材料以补给焊料(Lotd印ots)33的形式呈一定角度地涂覆在活塞下部12 的内支撑件26的接合面28和定心面32之间。焊接材料可以作为环绕的补给焊料33进行涂覆，或者以多点式或线形补给焊料的形式进行涂覆。另外，在该实施例中，焊接材料以薄层的形式涂覆在活塞上部11和/或活塞下部12的至少一个外接合面25亦或是29上(未示出)。然而这并不是必须的。在另一个变化方案中，焊接材料也可以仅平面式地涂覆在接合面上，而不采用补给焊料的形式。接下来，活塞上部11和活塞下部12沿着它们的接合面24、25以及28、29形成接触，并且组装成一个活塞体，其中，定心面32确保实现活塞上部11和活塞下部12的准确定位。图2示出了本发明活塞110的第二实施例，在该示意图中，该活塞作为组装在一起的活塞体而处于焊接过程之前的状态。该活塞110与图1的活塞10大体上一致。重要的区别在于，活塞上部11和活塞下部12仅形成外侧环绕的冷却通道119。对此，活塞上部11具有内支撑件122，该内支撑件在活塞上部11的底面上中央设置并且具有接合面124。与此相对应地，活塞下部12具有内支撑件126，该内支撑件在活塞下部12的顶面上中央设置并且具有接合面128。所生成的冷却通道119相应地特别广泛地在活塞顶凹坑13的下方延伸，从而实现特别高效的冷却功能。另一项区别在于，在该实施例中，活塞上部11的外支撑件123在活塞环区15的内部。该外支撑件123具有接合面125和环绕的定心面134，在该实施例中，该定心面呈直角地设置在接合面125上。活塞下部12的外支撑件127同样对应地形成在活塞环区15的内部，并且，该外支撑件具有接合面129。在图2中，活塞110同样在焊接过程之前形成为组装在一起的活塞体。在该实施例中，高温焊接材料以补给焊料133的形式呈一定角度地涂覆在活塞上部11的外支撑件123 的接合面125和定心面134之间。焊接材料可以作为环绕的补给焊料133进行涂覆，或者以多点式或线形补给焊料的形式进行涂覆。另外，在该实施例中，在活塞下部12的中央支撑件的接合面128上设有扩宽的、球冠状的、用焊接材料填充的补给焊料135。接下来，活塞上部11和活塞下部12沿着它们的接合面124、125以及128、129形成接触，并且组装成一个活塞体，其中，定心面134确保实现活塞上部11和活塞下部12的准确定位。在本发明的实施例中，用于制造活塞10、110的焊接方法如以下进行。作为基本材料根据DIN-Em0267选用AFP钢38MnVS6和1. 1303。作为高温焊接材料根据EN1044和 DIN8513选用镍基焊料L-BNi2。焊接材料的参考组成成分含有7重量％的铬、3. 1重量％的硼、4. 5重量％的硅、3重量％的铁以及最大0. 06重量％的碳和直至构成100重量％的镍含量(所有的百分比量都是基于焊接材料)。熔解温度的范围沿着熔解图表中的固液线而位于970°C至1000°C之间。焊接温度的范围在1010°C至1180°C之间。将活塞体引入到一个公知的高温真空炉中，该高温真空炉具有冷却气体装置。对真空炉进行抽真空处理，直至达到大约5X10_3mbar的压力。然后，将真空炉加热到1150°C 的焊接温度。在加热过程中使压力最高为l(T2mbar。在该实施例中，使该焊接温度恒定保持15min至60min，其中，压力降低至大约5X10_4mbar。接下来，对真空炉进行冷却(参见图3)，直至焊接材料完全凝固(在该实施例中大约960°C)。在该温度可以通过吹入冷却气体、例如氮气，实现加速冷却。冷却过程这样进行控制，即，使所生成的活塞10、110在AFP 钢中具有铁素体_珠光体组织结构，并且具有230HB至300HB的硬度。
在冷却过程的控制中通常要区分的是，技术人员要考虑到的公知参数。最简单的是，例如同样在采用AFP钢38MnVS6的情况下，在所谓的技术人员公知的时间温度变化图表 (ZTU)上进行定位，基本材料的制造商通常使用该图表。然而作为主要的参数，还要考虑真空炉的构造以及待加工工件的尺寸、几何形状和数量，这是因为，这些参数会影响到工件的热容量。另外，诸如热传递和热辐射的物理效应以及由组织转化决定的热效应也会影响冷却过程，这是因为，这些物理效应和热效应在各个温度区域上不总是线性变化。
权利要求
1.一种用于制造内燃机的复合式活塞(10、110)的方法，具有以下步骤a)制造活塞上部(11)和活塞下部(12)，该活塞上部和活塞下部分别包括具有接合面 (24,28 ；124,128)的内支撑件(22,26 ；122,126)和具有接合面(25,29 ；125,129)的外支撑件(23,27 ；123,127)；b)将高温焊接材料引入到至少一个接合面(24、28或25、29;124、128或125、129)的区域中；c)通过建立接合面(24、28或25、29;124、128或125、129)之间的接触，使活塞上部 (11)和活塞下部(12)组装成活塞体；d)将活塞体引入到真空炉中，并对该真空炉进行抽真空处理；e)在压力最大为IO-2Hibar的情况下，将活塞体加热到最高为1300°C的焊接温度；f)在压力最大为IO-2Hibar的情况下，将焊接后的活塞(10、110)冷却至使高温焊接材料完全凝固。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用基于镍、钴和/或铜的高温焊接材料。
3.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，将焊接材料平面式地涂覆在至少一个接合面(24,28 或 25,29 ；124,128 或 125,129)上。
4.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，将焊接材料引入到至少一个补给凹陷部(33、133、135)中，所述补给凹陷部设置在至少一个接合面的区域中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一个补给凹陷部(33、133、135) 形成为环绕的或直线形的凹槽，或形成为球冠状的凹陷部。
6.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述活塞上部(11)和/或所述活塞下部(12)设有至少一个定心面(32、134)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个定心面(32、134)设有焊接材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一个定心面(32、134)呈角度地设置在接合面(25、125)上，并且呈角度地引入焊接材料。
9.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，将活塞体加热到至少为 1000°C的焊接温度。
10.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，使焊接温度恒定保持至少5min。
11.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，选择冷却速度为1°C/min至 50°C /min。
12.一种用于内燃机的复合式活塞(10、110)，由权利要求1至11中任意一项所述的方法制成。
13.根据权利要求12所述的活塞，其特征在于，设有环形的内支撑件(22、26)，该内支撑件限定出外侧环绕的冷却通道(19)和位于内侧的冷却腔室(21)。
14.根据权利要求12所述的活塞，其特征在于，设有位于中央的内支撑件(122、126)， 该内支撑件限定出外侧环绕的冷却通道(119)。
15.根据权利要求12至14中任意一项所述的活塞，其特征在于，所述活塞由基于钢的材料构成，该基于钢的材料具有铁素体_珠光体组织结构并具有230HB至300HB的硬度，该基于钢的材料特别为AFP钢。
全文摘要
本发明涉及一种用于内燃机的复合式活塞(10、110)的制造方法，具有以下步骤制造活塞上部(11)和活塞下部(12)，分别包括具有接合面(24、28；124、128)的内支撑件(22、26；122、126)和具有接合面(25、29；125、129)的外支撑件(23、27；123、127)；将高温焊接材料引入到至少一个接合面(24、28和25、29；124、128和125、129)的区域中；通过建立接合面(24、28和25、29；124、128和125、129)之间的接触，使活塞上部(11)和活塞下部(12)组装成活塞体；将活塞体引入到真空炉中，并对该真空炉进行抽真空处理；在压力最大为10-2mbar的情况下，将活塞体加热到最高为1300℃的焊接温度；在压力最大为10-2mbar的情况下，将焊接后的活塞(10、110)冷却至使高温焊接材料完全凝固。本发明还涉及一种用该方法制造的活塞(10、110)。
文档编号B23K1/00GK102483009SQ201080038350
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月29日 优先权日2009年7月14日
发明者约亨·科尔塔什, 约阿希姆·舒尔茨 申请人:马勒国际公司