激光焊接的活塞组件以及组装和接合活塞的方法
【专利摘要】本发明公开一种方法和活塞组件。示例性活塞可以包括活塞主体（102），活塞主体具有主体径向内侧配合表面和主体径向外侧配合表面。活塞还可以包括冷却通道环（104），冷却通道环与活塞主体协同形成连续的上燃烧碗表面以及冷却通道。冷却通道环（104）可以具有环径向内侧配合表面和环径向外侧配合表面，环径向内侧配合表面和环径向外侧配合表面抵靠着相应的主体径向内侧配合表面和主体径向外侧配合表面，从而使得冷却通道大致闭合。活塞主体（102）和冷却通道环（104）可以沿着径向内侧边界区域及径向外侧边界区域接合在一起，以形成基本上整体式的活塞组件。径向外侧边界区域可以沿与活塞轴线平行的方向延伸，例如，这有助于激光焊接接合处理。
【专利说明】激光焊接的活塞组件以及组装和接合活塞的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年9月21日提交的美国临时专利申请N0.61/537，370以及2012年9月20日提交的美国专利申请N0.13/623,632的优先权，这些申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
【背景技术】
[0003]内燃机制造商始终在想办法提高其产品的功率输出和燃料效率。一个常规的提高效率和功率的方法是减小发动机的振荡质量，例如，发动机的活塞、连杆以及其它移动部分的振荡质量。提高发动机功率和/或效率的努力还可能会导致在操作期间燃烧室内的压力和/或温度升高。
[0004]因此，由于这些重量的减小和与发动机操作相关的压力和温度的上升，发动机，特别是发动的活塞，将承受升高的应力。因此，对于在发动机的整个寿命中承受这种操作条件下的升高的应力来说，活塞冷却变得越发重要。
[0005]为了降低活塞部件的操作温度，可以围绕活塞的周部设置冷却通道。可以将诸如曲轴箱油等冷却剂引入冷却通道，并且可以借助活塞的往复运动来围绕冷却通道分散冷却齐U，由此降低活塞的操作温度。
[0006]与此同时，冷却通道可能会增加活塞组件的整体复杂性以及制造活塞组件的整体复杂性。例如，冷却通道可能需要诸如冷却通道盖等附加的部件，以便通过临时地捕集(trap)通过冷却通道而循环的冷却剂(例如，油)来促进冷却剂在整个冷却通道中的适当循环。然而，诸如盖板等附加的部件同样增加了复杂性。另外，在诸如轻量活塞或轻载活塞等较小活塞的应用中，冷却通道可能是昂贵的和/或难以形成的。另外，诸如摩擦焊接等在整体式活塞中形成封闭的冷却通道的已知方法需要极高强度的活塞部件才能适当地形成活塞和冷却通道特征且在摩擦焊接处理期间不会产生意外的变形，由此导致活塞的尺寸和重量的增大。在摩擦焊接处理期间施加在活塞部件上的大的力还限制了焊接接头可处的位置。
[0007]因此，需要这样一种活塞，其中将活塞的整体重量和制造复杂性最小化，同时通过诸如设置冷却通道等而能够将活塞适当地冷却。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]现在参考附图，对示例性实例进行详细描述。尽管附图表示在本文中描述的示例性实施方式，然而附图并非必须按比例绘制，而某些特征可以被夸大以便更好地说明和解释示例性实施方式的创新方面。此外，在本文中所描述的示例性实施方式并非意在穷举或者以其它方式将本发明限制或局限于在附图中示出并且在以下详细描述中公开的确切的形式和构造。通过参考以下附图来详细描述本发明的示例性实施方式:
[0009]图1是示例性活塞组件的透视图；
[0010]图2A是示例性活塞组件的局部剖视图；[0011]图2B是另一示例性活塞组件的局部剖视图；
[0012]图2C是另一示例性活塞组件的局部剖视图；
[0013]图3A示出了活塞主体与冷却通道环之间的径向外侧边界区域的示例性激光焊缝的剖视图；
[0014]图3B示出了活塞主体与冷却通道环之间的径向内侧边界区域的示例性激光焊缝的剖视图；
[0015]图3C示出了活塞主体与冷却通道环之间的径向内侧边界区域和径向外侧边界区域的示例性激光焊缝的透视图；以及
[0016]图4示出了制造活塞的示例性方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0017]说明书中提到的“示例性实施方式”、“实例”或类似的表达是指在至少一个实施方式中包含结合示例性方法而描述的具体特征、结构或特性。在说明书中各个位置出现的短语“在一个示例性实施方式中”或类似的表达不必全部指代相同的实施方式或实例。
[0018]在本文中示出了活塞组件和制造活塞组件的方法的各个示例性实施方式。示例性活塞可以包括限定活塞轴线的活塞主体，活塞主体具有裙部并且形成冷却通道的下表面。活塞主体可以包括主体径向内侧配合表面和主体径向外侧配合表面。活塞还可以包括冷却通道环，冷却通道环与活塞主体协同形成连续的上燃烧碗(燃烧室)表面。冷却通道环可以包括环径向内侧配合表面，该环径向内侧配合表面在燃烧碗中沿着径向内侧边界区域抵靠主体径向内侧配合表面，并且冷却通道环包括环径向外侧配合表面，该环径向外侧配合表面沿着径向外侧边界区域抵靠主体径向外侧配合表面，从而使得冷却通道大致封闭。活塞主体和冷却通道环可以沿着径向内侧边界区域及径向外侧边界区域接合在一起，以形成基本上整体式的(一体的)活塞组件。径向外侧边界区域可以沿与活塞轴线平行的方向延伸(伸长)。
[0019]在一些示例性实施方式中，可以在焊接处理，例如激光焊接处理中对活塞进行接合。如将在下文中进一步描述的那样，示例性激光焊接处理对获得制造的灵活性可具有实质性的帮助。在一个实例中，径向内侧配合表面和径向外侧配合表面中的至少一者与活塞轴线不相平行地布置。例如，基本上竖直的焊缝是可行的，即，两个活塞部件的被接合的相应配合表面与活塞的纵轴线基本上相平行地布置。此外，激光焊接接合处的抵靠表面实际上可以限定任何角度，只要入射的焊接激光束能够照射到该接合处即可。在一个示例性实施方式中，细长的焊缝可以基本上通过这样的激光焊接处理而获得:其中，激光束基本上平行于活塞主体和冷却通道环的相应的配合表面而入射。
[0020]下面参考图1，其中示出了示例性活塞组件100。活塞组件100可以包括活塞主体102和接纳在活塞主体102中的冷却通道环104。由此，活塞主体102和冷却通道环104可以限定具有燃烧碗下表面118的燃烧碗120。活塞主体102可以包括环带部分106，环带部分106构造为将接纳活塞组件100的发动机膛(未示出)密封。例如，环带部分106可以限定一个或多个接纳活塞环(未示出)的周向槽107,这反过来在活塞组件100于发动机膛内作往复运动期间对发动机膛的表面进行密封。将冷却通道环104接纳在活塞主体102内可使得冷却通道环104和/或活塞组件100的尺寸和形状具有灵活性，例如，使得能够降低活塞组件100的整个压缩高度和/或重心。
[0021]活塞主体102可以包括裙表面103，在发动机操作期间，裙表面103通过例如与发动机膛(未示出)的表面交界(interface，交接)而基本上支撑活塞组件，以便在活塞组件100于发动机膛内作往复运动期间使活塞组件100保持稳定。例如，裙表面103可基本上限定环绕活塞组件100的周部的至少一部分的圆形外形。该外形可以与可为大致圆筒形的发动机膛表面相一致。
[0022]活塞主体102还可以限定活塞销座105。活塞销座105可基本上形成有孔或销孔109，该孔或销孔109构造为接纳活塞销(未示出)。例如，活塞销可以插入活塞销座105中的销孔109，从而基本上将活塞100固定到连杆(未示出)上。
[0023]下面参考图2A、图2B和图2C，其中进一步地示出了示例性活塞100a、100b和IOOc(统一用100表示)。每个活塞100可以具有至少部分地限定了冷却通道108的环带部分106。冷却通道108基本上围绕活塞顶的周部延伸，并且可以在操作期间使冷却剂(例如，发动机油)循环，由此降低活塞的操作温度。另外，冷却剂的循环可有助于在活塞100周围保持更加稳定或均匀的温度，尤其是在活塞组件100的上部，例如，在燃烧碗120的附近。
[0024]活塞主体102和冷却通道环104可以在例如激光焊接处理中固定接合。通过使活塞主体102与冷却通道环104固定接合，活塞组件100a、100b、IOOc基本上形成为整体式组件。
[0025]如将在下文中进一步描述的那样，在激光焊接处理中，在每个活塞100a、IOOb和IOOc中，活塞主体102和冷却通道环104部件可以沿着径向内侧边界区域I以及径向外侧边界区域O两者而接合。因此，活塞主体102a、102b、102c (统一用102表示)可以基本上与其相应的冷却通道环104a、104b、104c (统一用104表示)一体化，使得在固定至活塞顶之后，尽管活塞主体102与冷却通道环104是单独的部件，但是它们相对于彼此不可移动。冷却通道环104可以固定在活塞主体102上，以使得活塞主体102与冷却通道环104协同形成活塞组件100的连续的上燃烧碗表面120。
[0026]下面参考图2B，活塞主体102与冷却通道环104的相应的径向外侧配合表面144、146可以沿着活塞100 (例如，活塞100b)的径向外侧边界区域O中的上表面110而相贴。另外，活塞主体102与冷却通道环104的相应的径向内侧配合表面140、142可以在燃烧碗120内沿着径向内侧边界区域I而相贴，从而冷却通道环104限定燃烧碗120的第一径向外侧部分120a。此外，活塞主体102可以限定燃烧碗表面120的径向内侧部分120b，该径向内侧部分120b沿径向设置在径向内侧边界区域I的内侧。
[0027]燃烧碗表面120跨过冷却通道环104与活塞主体102之间的边界(例如，径向内侧边界区域I和/或径向外侧边界区域O)可以是基本光滑的，由此将燃烧碗表面120上的裂纹和/或不连续部分最小化。在正常的长期操作期间，沿着边界区域1、0，对这种裂纹或不连续部分的最小化可基本上减少活塞主体102与冷却通道环104之间的边界的裂缝或其它松动。因此，可以将因例如在发动机使用活塞组件100操作期间所发生的磨损而造成的燃烧碗表面120中的任何缺陷或瑕疵最小化。如将在下文中所描述的那样，在活塞组件100的形成中所使用的焊接和/或机械加工操作可以减小燃烧碗表面120的表面不规则。
[0028]在诸如激光焊接等焊接操作中，活塞主体102与冷却通道环104可以固定地或牢固地彼此接合。在一个示例性实施方式中，活塞主体102与冷却通道环104沿着径向内侧边界区域I和径向外侧边界区域O两者而彼此固定。激光焊接可使得至多仅需要在与活塞主体102和冷却通道环104的接合相关的焊接处理之前和/或之后的最小量的机械加工，就能够由焊接工具形成基本上光滑的燃烧碗表面120。此外，在一些实例中，可完全不需要机械加工。
[0029]激光焊接操作可基本上使得在于活塞主体102与冷却通道环104之间形成固态金属焊缝的同时，还能够将相关的热影响区域的尺寸最小化。更具体地说，基本上可以应用焊接激光使热影响区域在径向内侧边界区域I和/或径向外侧边界区域O中蔓延，热影响区域可以包括活塞主体102和冷却通道环104的配合表面或者可以与活塞主体102和冷却通道环104的配合表面直接邻接，由此沿着边界区域1、O中的配合表面将活塞主体102和冷却通道环104焊接在一起。例如，径向外侧边界区域O的热影响区域可以包括活塞主体102的径向外侧配合表面144和冷却通道环104的径向外侧配合表面。
[0030]在利用激光焊接处理将冷却通道环104和活塞主体102接合起来的情况下，焊接激光可用在大致围绕边界区域I和/或边界区域O的整个圆周的基本上连续的焊接处理中，使得焊缝大致围绕整个活塞100而延伸。作为选择，可以沿边界区域I和/或边界区域O的圆周范围形成一系列离散的焊缝。
[0031]如上所述，径向内侧边界区域I可以沿着燃烧碗表面120而定位。径向外侧边界区域O可以沿着活塞IOOb的上表面110定位。将径向外侧边界区域O定位在上表面110上可以有利地使活塞主体102能够例如沿着活塞环带部分106b支撑冷却通道环104，尤其是在活塞100安装在相应的膛(未示出)内的情况下。由此，以这种方式对冷却通道环104进行额外的支撑可以提高活塞100的耐用性并且提高对高温和高压的耐受性。在另一示例性实施方式中，径向外侧边界区域O可以沿着活塞100的外壁112(例如，沿着环带部分106b)而定位。
[0032]与诸如摩擦焊接等其它焊接方法相比，使用激光焊接来接合活塞主体102和冷却通道环104可以具有一些优点。激光焊接操作通常导致相对小的热影响区域，有时热影响区域小到只有几毫米。尽管如此，如下文所述，热影响区域可优选地包括活塞主体102的配合表面以及冷却通道环104的相应的配合表面。另外，激光焊接实际上可以在活塞100上入射激光束能够照射到的任何位置处实施。因此，激光焊接操作对于在活塞100上选择活塞主体102与冷却通道环104的边界区域的位置(例如，径向内侧边界区域I和径向外侧边界区域O的位置)来说能够提供相当的灵活性。
[0033]因此，激光焊接处理对诸如在图2A、图2B和图2C中所示出的那些实例来说可以是有利的，其中，如在图2B中最清晰地看出，径向外侧边界区域O包括基本上竖直的配合表面144、146，并且边界区域I包括相对于活塞100的轴线(例如，轴线B-B)不平行也不垂直的配合表面140、142。
[0034]可以沿着与边界区域1、0中的活塞主体102和冷却通道环104的配合表面基本上平行或大致平行的方向引导与边界区域1、0的激光焊接操作相关的激光。在一个示例性实施方式中，在激光焊接处理中所采用的激光束相对于活塞轴线B-B成角度。例如，如图2B所示，当被引导至焊接边界区域I时，激光束Lb可以被引导为相对于活塞轴线B-B成角度α。另外，沿着边界区域，激光束Lb可以被引导为与配合表面140、142大致平行。
[0035]在另一个示例性实施方式中，沿着活塞100的上表面110，当被引导至焊接边界区域O时，激光束La可以被引导为与活塞轴线B-B大致平行。此外，沿着边界区域O，激光束La可分别与活塞主体102和冷却通道环104之间的配合表面144、146大致平行。
[0036]已知的摩擦焊接方法基本上需要被接合部件的配合表面与接缝和/或活塞轴线垂直。更具体地说，在摩擦焊接处理期间，被摩擦焊接在一起的表面必须基本上垂直于与被接合部件的移动相关的方向，该方向通常平行于活塞轴线。另外，为了防止焊接期间部件受到损坏，用于驱动被焊接在一起的部件的极大的力需要相应的对被焊接表面的很大程度上的支撑。最后，摩擦焊接必然需要部件的旋转对称，以通过高速旋转来接合各圆筒形部分。通过比较可知，激光焊接处理不需要活塞部件(例如活塞主体102和冷却通道环104)承受极大的施加力(诸如在摩擦焊接处理期间所施加的力)。另外，由于在激光焊接处理期间各部分都不需要移动或旋转，因此激光焊接处理不需要旋转对称。事实上，可以采用非对称或偏斜的边界区域，其例如导致非对称的燃烧碗(未示出)。
[0037]冷却通道108可优选地限定一个或多允许气体在激光焊接处理期间逸出的开口150。在任何存在于冷却通道108内的气体或空气倾向于快速膨胀的焊接处理期间，提供至少一个开口可以是有利的。由此，开口可以防止因气体或空气的膨胀而造成冷却通道108以及活塞100的相邻表面的损坏。此外，膨胀气体的“孔效应”可能会沿着边界区域1、0损坏焊缝。更具体地说，随着焊缝密封冷却通道108，膨胀的气体将倾向于在熔融金属充分硬化之前通过穿过熔融金属逸出而损坏焊缝，除非通过例如开口而设置有用于膨胀气体的逸出路径。另外，可能需要开口以使得冷却剂(例如，油)在操作期间能够通过冷却通道而循环。此外，如将在下文中进一步描述的那样，任何开口还可以使得从激光焊接处理中能够移除焊派物(weld spatter)。在一个示例性实施方式中，一个或多个开口(例如，开口 150)设置在冷却通道108中冷却通道108的下表面上，由此使得在活塞100的操作期间上述开口能够用作油/冷却循环入口或出口。
[0038]活塞主体102和冷却通道环104可以由任何适当的材料构成，例如，易于被激光所焊接的材料。仅举例来说，可以采用任何含有易于被激光所焊接的化合物的金属。在一个示例性实施方式中，活塞主体102和冷却通道环104由相同的材料(例如，钢)形成。在另一个实例中，活塞主体102和冷却通道环104由不同的材料形成。相应地，用于部件的材料可以更容易地匹配基本需要和与每个基本需要相关的操作条件。仅作为实例，与冷却通道环104相比，活塞主体102可以包括不同的材料特性，例如，屈服点、抗张强度或缺口韧性。可以采用对于活塞主体102和冷却通道环104来说合适的任何材料或材料组合。仅作为实例，活塞主体102和/或冷却通道环104可以由钢材、铸铁、铝材、复合材料或粉末金属材料制成。活塞主体102和/或冷却通道环104还可以通过不同的处理而形成，例如，活塞主体102可以为基本上单个铸件，而冷却通道环104可以为锻造的。可以采用任何合适的材料和/或形成方式的组合。
[0039]尽管一般来说，具有基本上高碳当量值的钢材传统上并不适合于焊接，但在一个示例性实施方式中，将相对高碳当量值的钢用于活塞主体102和冷却通道环104中的至少一者。例如，可以采用碳含量为0.38%的钢(例如，38MnVS6)或碳含量为0.42%的钢(例如，42CrMo4)。以重量百分比计，碳当量值可能略高于实际碳含量。
[0040]部分归因于冷却通道环104的位置位于燃烧碗120的径向外侧区域，因此冷却通道环104可能特别需要承受高温和高压，并且可以具有比活塞主体102低的导热性。因此，可以采用诸如铬镍铁合金(因科镍合金)等耐热材料。冷却通道环104还可能需要比活塞主体102高的耐腐蚀性和/或抗氧化性。在另一示例性实施方式中，冷却通道环104所采用的材料具有相对低的含硫量。低含硫量使得可以沿内边界区域I和外边界区域O获得更一致且更高质量的焊缝。
[0041]在另一示例性实施方式中，活塞主体102和冷却通道环104中的至少一者的更高的镍含量可以提高焊接质量。此外，在一些实例中，在焊接处理期间，可以添加镍基材料(例如，镇铁)作为焊补材料以提闻焊接质量。
[0042]在经由例如激光焊接将活塞主体102与冷却通道环104固定到一起之前，可以以可靠但非永久的方式将活塞主体102与冷却通道环104预组装到一起。例如，可以在这两个部件之间采用冷缩配合或过盈配合。在一个实例中，将活塞主体102置于升高的温度中，使活塞主体102开始热膨胀，从而足以使冷却通道环104插入活塞主体102中。当将活塞主体102冷却到较低温度时，活塞主体102的热膨胀发生逆转，由此将冷却通道环104约束就位。在另一示例性实施方式中，活塞主体102和冷却通道环104由具有不同热膨胀系数的材料形成，使得对两个部件一起施加热量将导致活塞主体102发生更大程度的热膨胀，从而允许冷却通道环104的插入。
[0043]作为选择或除了上述冷缩配合或过盈配合之外，在例如激光焊接处理中将活塞主体102和冷却通道环104永久性接合起来之前，可以采用小的点固焊将活塞主体102和冷却通道环104进一步固定起来。
[0044]如上所述，激光焊接处理可以有利地使得部件中更小的(例如，仅几毫米的)热影响区域能够被焊接在一起。然而，相对小的热影响区域还可能导致在与热影响区域或焊缝相邻的材料内产生极大的温度梯度。因此，可能由于在被焊接材料中在非常小的距离里存在大的温度变化，所以裂纹可能在被焊接材料中蔓延。因此，期望的是，可以通过例如在熔炉中或借助感应预加热被焊接部件来减小这种温度梯度。在一个示例性实施方式中，活塞主体102和冷却通道环104均被加热至大约200到600摄氏度之间。
[0045]可以采用激光焊接系统的任何变型作为示例性激光焊接处理的一部分。例如，可以米用固态激光器、盘形激光器、二氧化碳激光器或光纤激光器。二氧化碳激光系统是公知的，并且因而在大规模制造领域里可能比例如较新开发的光纤激光系统更为人所熟悉。然而，二氧化碳激光处理通常还需要难以例如在制造设备周围移动的大的机械，而固态激光器可以用在光纤或光传输介质所能延伸到的任何地方。
[0046]通常，更厚的焊缝可能需要更大能量的激光，以便适当地熔化被接合的材料。在一个示例性实施方式中，采用束宽或厚度为300至400微米(μ m)的6千瓦(kW)的激光，在每分钟2.0米的供给速度下将厚度为6毫米(mm)的被接合材料适当地焊接起来。
[0047]激光焊接处理可能固有地导致在边界区域1、O以外，尤其是在冷却通道108的内部产生至少一定程度的焊溅物。因此，期望的是，可以通过若干种方式中的一种方式来减少焊溅物。在一个实例中，在被焊接到一起的材料中添加镍可以减少焊溅物的量。在另一示例性实施方式中，使诸如氦气或氩气等惰性气体在冷却通道108内和/或围绕焊缝位置循环也可以减少焊溅物。此外，可以将机械元件放置到冷却通道108中以捕捉任何焊溅物，继而将焊溅物清除。例如，可以将耐热纤维材料装填到冷却通道里，并且在焊接处理完成之后将耐热纤维材料移除。在另一实例中，在冷却通道108的内表面上施加碳涂层。对内表面施加碳涂层可以基本上阻止或防止焊溅物粘附到该表面上，有利于后续通过例如清洗或高压冲洗操作来清除焊溅物。
[0048]如上所述，由于不但产生相对小的热影响区域(在某些情况下热影响区域仅超过焊缝几个毫米)，而且能够承受在与焊缝相邻的相应的短距离内的材料中的极大的温度梯度，因此激光焊接处理可以是尤为有利的。为了防止部分归因于该温度梯度的裂缝或低质量焊缝，可以控制激光处理自身以减少可能在冷却通道108内产生的焊溅物。在一个实例中，可以使激光能量逐渐地降低，使得材料中的温度能够从与焊接处理期间发生的材料熔化相关的最大温度起可控地徐缓降低。在一个示例性实施方式中，采用可以更加逐渐地减小焊接材料的温度的使激光能量逐渐徐缓降低的方式，而不是立刻中断焊接作业而在材料中产生更加严重的冷却温度梯度。
[0049]在激光焊接的逐渐冷却的一个示例性实施方式中，随着激光的能量逐渐地降低，使焊接激光沿着焊接路径(例如，沿着围绕活塞100的周部的边界区域I和/或边界区域O)连续地移动，直到激光完全关闭为止。在另一示例性实施方式中，从激光能量开始降低时起到激光能量完全切断为止，使激光相对于活塞100行进大约5度到40度之间的角度。在又一实例中，在激光能量相对于活塞100的时间和/或角度位置而徐缓降低期间，激光能量可以线性地降低。另外，期望的是，可以在活塞100的较低应力区域(例如在沿着边界区域I和/或边界区域O的内应力小于沿着边界区域I和/或边界区域O的其它区域中的内应力的位置)中开始激光能量的徐缓降低。还可以通过对活塞主体102和/或冷却通道环104的预热来进一步改进材料温度的可控降低，这是因为预热可以减小焊接处理期间在整个活塞100上的总体温差。
[0050]在将活塞主体102和冷却通道环104焊接到一起之后，可以从冷却通道108清除任何焊溅物。在一个示例性实施方式中，可以采用高压冲洗操作，其中流体以高压穿过冷却通道108而循环。如上所述，借助冷却通道108的内表面上的涂层(例如碳涂层)可以有助于对焊溅物的清除。
[0051]激光焊接还可以有利地减少完成活塞100及相应特征的形成所需的后处理的步骤。更具体地说，示例性激光焊接处理中典型的相对小的热影响区域可以导致在与焊缝相邻的区域中的小的形状偏差。因此，当激光焊接处理完成时，活塞100可以形成为近终形，导致几乎不需要对活塞100的与边界区域1、0相邻的区域进行任何机械加工。在一个示例性实施方式中，采用基本上圆形的加工机械或磨削工具对边界区域1、O进行精加工。相应地，作为切削掉与径向内侧边界区域I相邻的材料的结果，可以在冷却通道环104中形成相对于燃烧碗120的顶点130。
[0052]另外，与固有地生成边料(焊瘤,material flash)的摩擦焊接处理不同,激光焊接处理几乎不会产生边料或者使焊缝的基底区域暴露。不含有边料或焊缝卷曲改善了边界区域附近的光滑表面，抑制了应力的升高，否则，应力的升高可能导致焊缝中的应力或裂缝的传播。反过来，边料的减少减小了材料的浪费。边料的减少还有利于在下述情况下减轻活塞的重量:其中，在封闭的空腔中形成了不容易在摩擦焊接所需的后续机械加工期间清除的边料。
[0053]在图3A、图3B、图3C和图3D中示出了冷却通道环104与活塞主体102之间的示例性激光焊缝的各种实例。如图所示，焊缝具有在相关的边界区域中包围活塞主体102和冷却通道环104的配合表面的大致平滑的焊缝轮廓。另外，外表面轮廓保持大致平滑和/或具有最小的表面不连续性，这减少甚至消除了对附加机械加工或精加工步骤的任何需要。例如，在燃烧碗120内和/或沿着上表面110，焊缝W1和W2不会产生多余的边料(例如可能在摩擦焊接处理中所产生的边料)。
[0054]如图3A所示，活塞主体102和冷却通道环104在径向外侧边界区域O中接合在一起。活塞主体102与冷却通道环104之间的焊缝W1分别包围活塞主体102的配合表面144和冷却通道环104的配合表面146 (以假想线示出)，使得配合表面144、146被基本上固定在一起。考虑到由用于焊接活塞主体102和冷却通道环104的入射激光束(例如，激光束Lb，见图2B)形成基本上窄的热影响区域，焊缝W1基本上沿与配合表面144、146和/或活塞轴线(在图3A中未示出)平行的方向延伸。
[0055]如图3B所示，活塞主体102和冷却通道环104在径向内侧边界区域I中接合在一起。活塞主体102与冷却通道环104之间的焊缝W2分别包围活塞主体102的配合表面140和冷却通道环104的配合表面142 (以假想线示出)，使得配合表面140、142被基本上固定在一起。焊缝W2也是基本上细长的，然而是沿与配合表面140、142平行的方向延伸。然而，考虑到由用于焊接活塞主体102和冷却通道环104的入射激光束(例如，激光束La，见图2B)形成基本上窄的热影响区域，焊缝W2由此还可以沿限定了相对于活塞轴线(在图3A中未示出)不平行且不垂直的角度的方向延伸。
[0056]在本文中所描述的示例性活塞100可以基本上无限制地应用在大、小膛径的设备上。减少的边料和减小的焊缝尺寸可以有利地减小活塞100的整体几何尺寸。可以减小压缩高度，即，活塞直径与从上表面110到由销座105所限定膛的中心的距离的比例。在一个示例性实施方式中，活塞100可以具有大约25%到55%的压缩高度(与相对比的摩擦焊接设计的大约55%至70%的已知压缩高度相对比)。将焊瘤最小化或将焊瘤消除还可以有助于获得浅的燃烧室形状。最后，更小的压缩高度减小了活塞100的尺寸和重量，允许获得更小的发动机体和更小的整体部件，允许发动机体周围的车辆布置具有更大的自由度。在将压缩高度最小化的情况下，还可以采用更长的连杆，其减小了发动机操作期间相对于发动机膛的横向力。这反过来可以减小活塞100与膛之间的摩擦，提高发动机的效率。
[0057]另外，由于活塞组件100的刚度以及材料选择中的额外灵活性，因此活塞组件100可以承受提高的峰值燃烧压力。由于可用在一些示例性实施方式中的简化的锻造和焊接处理，因此还可以降低制造成本。
[0058]下面参考图4，图中示出了组装活塞(例如，活塞100)的示例性过程400。过程400可以开始于步骤402，在此步骤里设置活塞主体。例如，如上文所述，可以在例如铸造或锻造处理中形成活塞主体102。此外，活塞主体102可以包括径向内侧配合表面140和径向外侧配合表面144。
[0059]过程进行到步骤404，可以将冷却通道环组装到活塞主体上。例如，如上文所述，可以在例如铸造或锻造处理中形成冷却通道环104，并且冷却通道环104可以包括分别与活塞主体102的径向内侧配合表面140和径向外侧配合表面144配合的径向内侧配合表面142和径向外侧配合表面146。冷却通道环104可以以下述方式组装到活塞主体102上:便于相对于活塞主体102定位冷却通道环104，但不将活塞主体102与冷却通道环104永久性地固定在一起。例如，可以采用冷缩配合，例如，通过使活塞主体102的温度达到足够高的温度以使得冷却通道环104配合到活塞主体102内。此外，可以在活塞主体102与冷却通道环104之间应用相对小的机械固定手段，例如，点固焊。另外，如上所述，冷却通道环104可以由与活塞主体102相同或不同的材料形成。过程400然后可以进行到步骤406。
[0060]在步骤406，可以沿径向内侧边界区域将活塞主体102与冷却通道环104接合起来。例如，如上所述，在一些示例性方法中，可以采用激光焊接来分别接合冷却通道环104和活塞主体102的相应的配合表面,例如,配合表面142、140。此外,配合表面可以沿与入射激光基本上平行的方向延伸。激光本身可以导致相对窄的焊缝和/或热影响区域。例如，焊缝W2可以延伸为使得焊缝W2沿基本上垂直于配合表面140、142的方向的宽度小于高度(即，配合表面140、142沿与入射激光束平行的方向的长度)。可以将冷却通道环104和活塞主体102中的至少一者预加热，例如，这有助于冷却通道环104和活塞主体102的预组装，并且减小了因激光焊接处理而在冷却通道环104和/或活塞主体102内产生的温度梯度。
[0061]过程进行到步骤408，可以沿径向外侧边界区域将活塞主体与冷却通道环接合起来。与径向内侧边界区域类似地，冷却通道环104和活塞主体102的配合表面可与入射激光束基本上相平行地布置。此外，如上文所述，活塞主体102的配合表面144和冷却通道环104的配合表面146可分别沿基本上竖直的方向取向，即，沿与活塞轴线B-B基本上平行的方向布置。过程400然后可以进行到步骤410。
[0062]在步骤410中，可以在激光焊接处理期间降低激光能量。例如，如上所述，在冷却通道环104和活塞主体102的激光焊接期间的激光能量的降低可以将两个部件内的温度梯度最小化，此外，控制冷却通道环104和活塞主体102的热影响区域中的温度的初始降低。在一个实例中，激光能量随着激光沿着径向外侧边界区域O和径向内侧边界区域I之一受到引导而降低。在另一个示例性实施方式中，激光能量随着激光沿着活塞100周部的预定角度范围受到引导而降低。例如，可以在活塞的大约5到40度的角度范围里开始激光的逐渐冷却。此外，激光能量的逐渐冷却(降低)过程的至少一部分可以是线性的，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过程期间开始激光的逐渐冷却，作为该子过程的结束阶段。例如，可以在将激光应用于径向外侧边界区域O时降低激光的能量，然后可以在将激光应用于径向内侧边界区域I时再次降低激光的能量。
[0063]过程进行到步骤412，从活塞上清除焊溅物，具体地说，从冷却通道108清除焊溅物。例如，可以在激光焊接之前将耐热材料或耐火材料放置到冷却通道108内，使得该材料可以“捕捉”任何焊溅物并防止焊溅物粘附到冷却通道108的内表面上。在另一个实例中，采用高压冲洗操作来去除和清除粘附在冷却通道108的内表面上的任何焊溅物。
[0064]关于本文中所描述的处理、系统、方法、直观推断等，应该理解:尽管已经说明了根据特定的顺序发生的这种处理等的步骤，但这种处理可以用所说明的步骤按不同于本文所述的执行顺序来实行。还应该理解:某些步骤可以同时执行，可以增加其它步骤，或可以省略本文所述的某些步骤。换句话说，本文提供的处理的描述，目的在于说明某些实施例，而决不该解释为限制所要求的发明。
[0065]因此，应该理解以上描述的目的在于说明而非限制。通过阅读上述说明，可以提供除所提供的实例之外的许多实施例和应用。本发明的范围不应该参考以上描述确定，而应该参考后附的权利要求，以及支持权利要求的等同内容的全部范围。预见并预期到将来本文所述技术将会发展，并且所公开的系统和方法将并入将来的实施例。总之，应该了解本发明能够进行变型和更改，并且仅由后附的权利要求来限制。
[0066]权利要求中使用的所有术语目的是给出它们最宽的合理的构造和如本领域的技术人员所理解的它们的普通含义，除非本文作出明确相反的指示。具体地，诸如“一个”，“所述”，“上述”等冠词的使用应该理解为所指元件的一个或多个，除非权利要求记载了明确相反的限制。
【权利要求】
1.一种方法，包括: 提供活塞主体，所述活塞主体限定活塞轴线，所述活塞主体形成冷却通道的下表面，所述活塞主体包括主体径向内侧配合表面和主体径向外侧配合表面； 将冷却通道环与所述活塞主体组装起来，使得所述活塞主体与所述冷却通道环协同形成连续的上燃烧碗表面，所述连续的上燃烧碗表面包括由所述活塞主体所限定的径向内侧部分和由所述冷却通道环所限定的径向外侧部分，所述冷却通道环包括环径向内侧配合表面和环径向外侧配合表面； 沿着径向内侧边界区域将所述活塞主体与所述冷却通道环接合起来，所述径向内侧边界区域包括所述活塞主体的主体径向内侧配合表面和所述冷却通道环的相应的环径向内侧配合表面；以及 沿着径向外侧边界区域将所述活塞主体与所述冷却通道环接合起来，所述径向外侧边界区域包括所述活塞主体的主体径向外侧配合表面和所述冷却通道环的环径向外侧配合表面，其中，所述径向外侧边界区域沿着与所述活塞轴线平行的方向延伸。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括:以包含激光焊接的方式实现所述活塞主体与所述冷却通道环的沿着径向内侧边界区域的接合和所述活塞主体与所述冷却通道环的沿着径向外侧边界区域的接合中的至少一者。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述激光焊接包括:与所述活塞轴线大致平行地朝向所述活塞主体的主体径向外侧配合表面和所述冷却通道环的环径向外侧配合表面引导焊接激光。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述激光焊接包括:沿着朝向所述活塞主体的主体径向内侧配合表面和所述冷却通道环的环径向内侧配合表面的方向引导焊接激光，所述方向限定了与所述活塞轴线不平行的角度。
5.根据权利要求1所述的方`法，其中，所述活塞主体包括裙部，所述裙部构造为与发动机膛的表面交界。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述激光焊接包括:第一阶段，其中以第一激光能量施加激光；以及第二阶段，其中以比所述第一激光能量小的第二激光能量施加激光，所述第二阶段在所述第一阶段之后。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二阶段包括沿着所述活塞主体的周部的预定角度范围引导激光。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预定角度范围为大致5度与40度之间。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二阶段包括从所述第一激光能量起线性地降低能量。
10.根据权利要求2所述的方法，还包括:在所述激光焊接之前加热所述活塞主体与所述冷却通道环中的至少一者。
11.根据权利要求11所述的方法，其中，加热所述活塞主体与所述冷却通道环中的至少一者包括将所述活塞主体与所述冷却通道环中的至少一者加热到至少200摄氏度。
12.根据权利要求2所述的方法，还包括:在所述激光焊接之后从所述冷却通道移除焊溅物。
13.—种方法,包括:提供活塞主体，所述活塞主体限定活塞轴线，所述活塞主体形成冷却通道的下表面，所述活塞主体包括主体径向内侧配合表面和主体径向外侧配合表面； 将冷却通道环与所述活塞主体组装起来，使得所述活塞主体与所述冷却通道环协同形成连续的上燃烧碗表面，所述连续的上燃烧碗表面包括由所述活塞主体所限定的径向内侧部分和由所述冷却通道环所限定的径向外侧部分，所述冷却通道环包括环径向内侧配合表面和环径向外侧配合表面； 沿着径向内侧边界区域将所述活塞主体与所述冷却通道环激光焊接起来，所述径向内侧边界区域包括所述活塞主体的主体径向内侧配合表面和所述冷却通道环的相应的环径向内侧配合表面；以及 沿着径向外侧边界区域将所述活塞主体与所述冷却通道环激光焊接起来，所述径向外侧边界区域包括所述活塞主体的主体径向外侧配合表面和所述冷却通道环的环径向外侧配合表面，其中，所述径向外侧边界区域沿着与所述活塞轴线平行的方向延伸。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，上述两次激光焊接中的至少一次包括:第一阶段，其中以第一激光能量施加激光；以及第二阶段，其中以比所述第一激光能量小的第二激光能量施加激光，所述第二阶段在所述第一阶段之后。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二阶段包括从所述第一激光能量起线性地降低能量。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括:在所述激光焊接之前加热所述活塞主体与所述冷却通道环中的至少一者。
17.—种活塞组件,包括: 活塞主体，其限 定活塞轴线，所述活塞主体具有裙部并且形成冷却通道的下表面，所述活塞主体包括主体径向内侧配合表面和主体径向外侧配合表面；以及 冷却通道环，其与所述活塞主体协同形成连续的上燃烧碗表面，所述冷却通道环包括环径向内侧配合表面，所述环径向内侧配合表面在燃烧碗中沿着径向内侧边界区域抵靠所述主体径向内侧配合表面，所述冷却通道环包括环径向外侧配合表面，所述环径向外侧配合表面沿着径向外侧边界区域抵靠所述主体径向外侧配合表面，从而使得所述冷却通道大致封闭； 其中，所述活塞主体和所述冷却通道环沿着所述径向内侧边界区域以及所述径向外侧边界区域焊接在一起，并且所述主体径向内侧配合表面和所述环径向内侧配合表面以及所述主体径向外侧配合表面和所述环径向外侧配合表面中的至少一对与所述活塞轴线相平行地布置，由此限定沿与所述活塞轴线平行的方向延伸的焊缝。
18.根据权利要求17所述的活塞组件，其中，所述活塞主体限定所述上燃烧碗表面的径向外侧部分，并且所述冷却通道环限定所述上燃烧碗表面的径向内侧部分。
19.根据权利要求17所述的活塞组件，其中，所述活塞主体的主体径向外侧配合表面和所述冷却通道环的环径向外侧配合表面与所述活塞轴线基本上相平行地布置。
20.根据权利要求19所述的活塞组件，其中，所述活塞主体的主体径向内侧配合表面和所述冷却通道环的环径向内侧配合表面沿与所述活塞轴线不平行的方向布置。
【文档编号】B23K26/32GK103826793SQ201280046169
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月21日 优先权日:2011年9月21日
【发明者】沃尔夫冈·赖因, 迪特尔·加布里埃尔, 史蒂夫·瓦尔克, 福尔克尔·魏瑟, 米夏埃尔·乌尔里希 申请人:马勒国际公司