[发明专利]内燃机活塞及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种内燃机活塞，该活塞含活塞头，该活塞头具有环绕的冷却通道以及含有环绕的凹坑壁的活塞顶凹坑，凹坑壁经凹坑边缘区域过渡到活塞顶，其中活塞顶凹坑至少部分地由活塞主体构成以及凹坑壁至少部分地由嵌件构成。本发明还涉及一种此类活塞的制造方法。

背景技术

在DE 30 32 671 A1中描述了这种活塞。该活塞具有冲挤钢构成的活塞主体以及和活塞主体焊接或熔焊的、由高耐热材料构成的嵌件。该活塞主体在活塞头区域内设有活塞顶凹坑，该活塞顶凹坑由环绕的凹坑壁所限定，该凹坑壁经凹坑边缘区域过渡到活塞顶。活塞主体和嵌件构成环绕的冷却通道。

凹坑壁及特别是凹坑边缘区域在活塞运转过程中受到特别高的机械负荷和热负荷，这些负荷在一定时间后导致材料疲劳，由此还会产生裂缝。因此有设计成各种形式的嵌件，用于减少或抵消作用在凹坑边缘区域上的负荷。随着发动机技术的发展，根据这些方案的活塞不再能够满足在发动机运行过程中不断升高的机械负荷和热负荷。

发明内容

本发明的目的在于，这样地改进这种活塞及其制造方法，即，使得该活塞经得住升高的机械负荷和热负荷。

实现方案在于：通过射束焊接使嵌件和活塞主体连接；在凹坑壁中形成下侧焊缝，该焊缝和活塞中轴夹成锐角并通到冷却通道的下半部分；上侧焊缝从冷却通道顶延伸至活塞顶并设置在相对于冷却通道内部宽度的中间或径向靠外。

根据本发明的方法的特征在于以下工艺步骤a）至少在接合面范围内对所述活塞主体（11）和嵌件（18）进行预处理；b）将所述活塞主体（11）和嵌件（18）组合；c）通过射束焊接使所述活塞主体（11）和嵌件（18）沿着它们之间的接合面连接；d）对所述活塞进行精加工。

根据本发明的活塞很好地经受住高的热负荷和机械负荷，因为活塞主体和嵌件通过射束焊接的连接特别牢固且稳定。另外，焊缝位于活塞头的这些区域中，在该区域中由于发动机运行过程中的热负荷和机械负荷在材料中只产生少量应力，因此降低了在焊缝区域中形成裂缝的风险。此外，活塞主体和嵌件的接合面的位置是这样选择的，即，该接合面对于射束焊接来说是容易触及的，由此优化了所产生焊缝的位置。

从属权利要求给出了有利的扩展方案。

特别优选使活塞主体和嵌件通过激光焊接相互结合，以便在这两个构件之间获得特别牢固且可靠的连接。

下侧焊缝和上侧焊缝优选夹成锐角，从而在连接活塞主体和嵌件之前可以特别容易地触及相关接合面。

在一个特别优选的扩展方案中，下侧焊缝在冷却通道底区域中通入冷却通道中。发动机运行时在该区域中出现极少量的应力，因此降低了在下侧焊缝区域中形成裂缝的风险。

下侧焊缝优选具有占活塞直径3.5%至5.5%的长度。上侧焊缝优选平行于活塞中轴延伸并优选具有占活塞直径4.5%至6.0%的长度。

在本发明的一个优选设计方案中，活塞顶在冷却通道上方的厚度径向朝外增大。由此促进通过第一活塞环的散热。

结构上特别简单且有效的设计方案在于，嵌件构成整个凹坑壁。活塞主体和嵌件优选由不同的材料构成。于是可以仅通过选择合适的嵌件材料而将相同的活塞主体加工成用于许多不同内燃机的不同活塞类型。

本发明的另一个优选扩展方案在于，活塞销直径和活塞直径之比为0.33至0.38。该比例对于特别是由钢制造的汽车活塞特别有利，因为这样的制造会得到特别有利的压缩高度。

额外地有利扩展方案在于，活塞销长度和活塞直径之比为0.57至0.63。该比例对于特别是由钢制造的汽车活塞也特别有利，因为具有这种尺寸的封闭式活塞特别轻且稳定。

适宜的是，嵌件由耐高温、抗腐蚀和耐热的钢构成，特别是由阀门钢构成。与此不同的是，活塞主体例如可以由调质钢构成。

根据本发明的方法的扩展方案在于，在步骤a）中使活塞主体和嵌件的接合面干净且平滑，以便获得特别牢固且可靠的焊缝。之后可以在步骤b）中例如通过压配合和/或通过定位焊接将活塞主体和嵌件合在一起，以便在随后的焊接过程中使构件彼此特别可靠地固定。

活塞主体和嵌件优选通过电子束焊接、特别优选通过激光焊接相互连接。在焊接过程之前可以将活塞主体和/或嵌件预热到400℃至550℃，从而降低了焊接过程中由于热负荷而在材料中产生应力的风险。

附图说明

接下来结合附图进一步阐明本发明的实施例。在示意性的、未按精确比例示出的图示中：

图1以剖面图示出了根据本发明的活塞的第一实施例；