專利名稱：活塞和制造方法
活塞和制造方法
本申請是申請?zhí)枮?200380107217.2"、申請日為2003年11月5 日、發(fā)明名稱為"活塞和制造方法"的專利申請的分案申請。
背景技術(shù)：
用于結(jié)合單獨形成的活塞各部分以產(chǎn)生活塞結(jié)構(gòu)的各種方法是公 知的。 一種這樣的方法是摩擦焊接法，其中活塞的一個部分以高速轉(zhuǎn) 動，同時壓罩在另一部分上，所得到的摩擦能量產(chǎn)生足夠的熱量而將 兩部分結(jié)合在一起。其它技術(shù)包括電阻焊接法、感應(yīng)加熱焊接法等， 其中，在使兩部分彼此接觸后，使能通量穿過接合表面，這使其被充 分加熱而使兩表面彼此接合。
美國專利第5，150，517號是摩擦焊接法的一個實例，而美國專利 第6， 291 806號是典型的感應(yīng)加熱法的另一實例，其中線圏配置于接 觸接合表面?zhèn)让嬉愿袘?yīng)能量，從而在界面感應(yīng)出熱量。這種感應(yīng)線圏 的側(cè)面配置有一種傾向，在鄰近感應(yīng)線圏的材料邊緣附近的接合表面 區(qū)域加熱速率快于遠離線圏的那些區(qū)域，因而在鄰近界面的材料區(qū)域 中產(chǎn)生熱流變化和受熱影響區(qū)。在需要的、高負(fù)載應(yīng)用場合如柴油發(fā) 動機的活塞中，需要提供橫跨界面熱影響區(qū)中均勻的焊接接頭，以便 盡量減小材料強度和整體性的任何變化。
美國專利第6，155，157號公開了一種活塞，這種活塞具有第一和 第二部分，這兩個部分借助摩擦焊接法橫跨兩個徑向間隔開來的接合 表面組相接合?？梢钥闯?，這種結(jié)構(gòu)顯示對于借助感應(yīng)加熱焊接法接 合兩部分的挑戰(zhàn)，這是由于對于接合表面所在的區(qū)域的接近受到限制， 而且在內(nèi)部冷卻通道的情形中，不可能接近相鄰于配合的接合表面的 任何感應(yīng)線圏的位置。在活塞領(lǐng)域中公知現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，人們并 不知道存在一種用于感應(yīng)加熱焊接如上述'642號專利中所示那種復(fù)雜 活塞結(jié)構(gòu)的適當(dāng)技術(shù)，而且，由于使這種感應(yīng)加熱技術(shù)適用于帶有多個徑向間隔開來的接合表面的復(fù)雜活塞結(jié)構(gòu)的實際困難，并不知道使 用過這樣的適當(dāng)技術(shù)。
在重型活塞領(lǐng)域以外，感應(yīng)加熱法被用于接合簡單的結(jié)構(gòu)，例如， 載運石油產(chǎn)品的對焊金屬管。這種管道是簡單的單壁圓筒形結(jié)構(gòu)，具 有平面端面。為了將一個端面接合于另一端面， 一個感應(yīng)線圏被引至 兩端面之間，端面被加熱至升高的溫度，其后將線圏抽出，并將端面 彼此接合以形成焊縫。在使端面接觸時，最好使其扭轉(zhuǎn)一個小量(幾 度)以取得焊接表面更密切的結(jié)合。令人驚訝的是，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)，至今為止局限于接合簡單的單壁圓筒形石油管道的感應(yīng)加熱焊接 技術(shù)可被改進，從而成功地用于接合復(fù)雜的活塞結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)牢固、高 整體性接頭，橫跨接合表面的界面具有均勻而很小的熱影響區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的第一方面， 一種制造活塞的方面包括制造活塞的第 一和第二部分，每個部分具有至少兩個接合表面。所述部分借助所述 表面以彼此間隔開來的關(guān)系被支承。當(dāng)被間隔開來時，將接合表面加 熱至一個提高的溫度，其后停止加熱，使接合表面彼此接觸以形成橫 過接合表面的冶金結(jié)合。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種制造活塞的方法，其中活塞第 一部分的接合表面以間隔開來的關(guān)系支承在活塞第二部分的接合表面 上，當(dāng)間隔開來時，所述表面被加熱，然后使其彼此接觸以形成冶金 結(jié)合。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種活塞，該活塞具有第一和第二 部分，這兩個部分帶有借助感應(yīng)加熱焊接接合部結(jié)合的配合的接合表 面，并且具有橫過接合部的均勻的熱影響區(qū)。
本發(fā)明的優(yōu)點是可提供一種簡單、低成本的焊接多件式活塞的方法。
本發(fā)明還具有提供一種高整體性焊接接頭的優(yōu)點，鄰近焊接接頭 具有小而均勻的熱影響區(qū)。
本發(fā)明還具有提供一種能精確控制兩活塞部分的接合表面的加熱的感應(yīng)加熱方法的優(yōu)點，從而在將接合表面加熱至提高的結(jié)合溫度的 過程中，每個活塞部分的接合表面不會過熱或加熱不足。
本發(fā)明的另 一個優(yōu)點是，在彼此間隔開來時加熱活塞部分的接合 表面，與彼此接合后加熱表面相比較，表面的加熱更為精確、均勻及 受到控制。例如，在摩擦焊接時，活塞具有上、下冠部，在活塞部分 的徑向間隔開來的內(nèi)、外壁部的端面設(shè)置連接表面，這必然導(dǎo)致外壁 比內(nèi)壁相對更充分的加熱，這是由于外壁直徑較大，因而以比內(nèi)壁更 大的角速度轉(zhuǎn)動，從而以比內(nèi)壁更大的速率產(chǎn)生摩擦熱。與摩擦焊接 不同，按照本發(fā)明，感應(yīng)加熱能夠精確控制這種活塞的內(nèi)、外壁的相 對加熱，從而在內(nèi)、外壁間形成更為均勻的焊接接合部。
控制借助本發(fā)明的方法接合的活塞的內(nèi)、外壁的加熱，可避免過
度地加熱外壁，在外壁上形成環(huán)槽，以便與摩擦焊接比較，更好地控 制在環(huán)帶區(qū)域中的熱流。
按照本發(fā)明的感應(yīng)加熱的另一優(yōu)點是，與摩擦焊接比較，用感應(yīng) 加熱接合活塞部分需要較低的壓力，在摩擦焊接中焊接所需的熱量是 通過活塞部分在相對較高的壓縮負(fù)載下相對轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的(大約
1000psi對摩擦焊接的20，000psi)。因此，按照本發(fā)明固定和支承感應(yīng) 焊接的部分所需的夾具和設(shè)備無需象摩擦焊接所需要的那么牢固。另 外，由于結(jié)構(gòu)不必承受摩擦焊接中的那種往往超過活塞使用中所受載 荷的重壓載荷，因而活塞結(jié)構(gòu)更為自由。因此，使用感應(yīng)加熱焊接使 活塞各部分更薄，重量更輕，節(jié)約了制造成本，并使這樣的活塞的使 用者認(rèn)可燃油和排放效能。


當(dāng)結(jié)合下面的詳細(xì)說明和附圖來考慮時，將更容易理解本發(fā)明的 上述的和其它的特征和優(yōu)點。
圖l是焊接前活塞上、下部件的立體圖2與圖1的視圖類似，表示被固定的部件及其被加熱的接合表
面；
圖3是圖2中所使用的加熱線圏的平面圖；圖4是圖2部件的橫剖圖5與圖2的視圖類似，但表示在加熱后移入彼此接觸且被扭轉(zhuǎn) 的部件；
圖6是最后加工的活塞的立體圖； 圖7是沿圖6中7-7線截取的剖面圖8是放大剖面圖表示加熱線圏設(shè)置成離活塞部件之一比另一部 件更近。
具體實施例方式
按照本發(fā)明推薦實施例構(gòu)制的活塞在附圖中以附圖標(biāo)記10表示， 由至少兩個部件制成，這兩個部件彼此單獨形成，提供至少一組、最 好至少兩組周向延伸的可配合的接合表面，所述接合表面最初彼此間 隔開來，被加熱至足以焊接部件的溫度，其后，表面的加熱被終止， 使表面彼此接合以實現(xiàn)部件間的永久焊接。
在圖示實施例中，活塞IO包括第一部件12和第二部件14。兩部 件12， 14是由金屬、最好是由合金鋼制成的，不過，本發(fā)明并不局限 于這些材料。第一和第二部件可鑄造、鍛造、由粉末金屬制成或由用 于制造金屬部件的任何其它方法制成。第一和第二部件12， 14所用合 金可以是相同的或不同的，因此，為實現(xiàn)材料的焊接第一和第二部件 所需加熱溫度可以是相同的或不同的，這取決于具體應(yīng)用場合的需要。
在圖示實施例中，第一部件12包括活塞10的上冠部，圖中第二 部件14為活塞10的下冠部，與上部件12互補，因而在接合時，部件 12， 14構(gòu)成活塞10。
第一部件12具有一個上壁16,該上壁形成有一個燃燒碗18，以 及可選擇設(shè)置一個或多個閥槽20。燃燒碗18可以圍繞活塞10的縱軸 線A對稱，或者可以按照具體應(yīng)用場合而象圖示那樣是非對稱的。閥 槽22關(guān)于下部件14是非對稱的。換言之，閥槽20和燃燒碗18被形 成得相對于下面的部件14具有特定的位置或定向，從而，如果非對稱 特征被形成在活塞10上，使閥槽20和燃燒碗18的位置相對于下部件 14的角位對于活塞10的操作是決定性的。上部件12形成有一個環(huán)形內(nèi)壁22和一個環(huán)形外壁或環(huán)帶24,所 述內(nèi)環(huán)壁在燃燒碗18下面向下延伸，所述外壁或環(huán)帶在內(nèi)壁22徑向 外間隔開來，并從上壁16向下懸垂。內(nèi)、外壁22, 24在其端部或端 部附近形成有各自的接合表面26， 28。接合表面26， 28周向延伸， 最好是連續(xù)的，相對于縱軸線A對稱地形成，因而接合表面26， 28 圍繞軸線A是同心的。
將第一部件12焊接在第二部件14上之前，第一部件最好被加工， 更為推薦的是進行最終加工，以便向燃燒碗18、任何閥槽20、接合表 面26, 28和設(shè)置在內(nèi)、外壁22, 24之間并從接合表面26， 28向著上 壁16向上延伸至燃燒碗18的外面的環(huán)形冷卻凹槽30，以及在內(nèi)壁22 徑向之內(nèi)延伸的一個內(nèi)拱頂32提供最終精制表面。下面將講到，活塞 10形成有一系列在外部環(huán)帶24上的環(huán)槽，但是，這些環(huán)槽最好在將 要描述的接合之后在活塞10上加工出來。
活塞10的下部的第二部件14形成有一對銷轂34，所述銷轂從一 個頸部36向下延伸，并形成有一組沿銷孔軸線B同軸對準(zhǔn)的銷孔。 頸部36形成有一環(huán)形內(nèi)壁40和一環(huán)形外壁42。內(nèi)、外壁40， 42形 成有各自的接合表面44， 46，所述接合表面周向延伸，最好是連續(xù)的， 分別與上部的冠狀部件12的內(nèi)、外壁22， 24的接合表面26， 28對準(zhǔn) 并配合。如圖2所示，上部的冠狀部件12的接合表面26， 28和下部 的冠狀部件14的接合表面44, 46最好被包含在各自的公共平面內(nèi)， 以便易于在部件間引入和去除加熱線圏，這將在下文中講到。雖然推 薦平面的接合表面布置，但是，本發(fā)明并不局限于這種布置，接合表 面可以布置在不同的平面內(nèi)，并具有多種形狀，只要這些表面彼此配 合即可(例如，配合的表面是圓錐形，臺階狀等)。
在將下面的冠狀部件14焊接在上面的冠狀部件12上之前，最好 對下面的冠狀部件14進行加工，更為推薦的是進行最終加工，從而在 銷轂38、頸部36，包括設(shè)在內(nèi)、外壁40， 42之間從接合表面44， 46 向下延伸到一底壁50的冷卻凹槽48上形成精整加工，上述底壁50 在內(nèi)、外壁40， 42的下端之間延伸并將其連接起來，最好使其成為一個構(gòu)件。下面的冠狀部件14還包括一個活塞裙52，該活塞裙與下面 的冠狀部件14的結(jié)構(gòu)制成單一的、不可活動的結(jié)構(gòu)，并且不可活動地 固定在銷轂34上?；钊?2的內(nèi)、外表面54， 56在焊接前被最終加 工，銷轂34的內(nèi)、外表面58， 60也是這樣。銷孔38還可被最終加工 以包括一個環(huán)槽62，其用于在活塞10工作中將一個十字頭銷保持在 銷孔38內(nèi)。
上、下部的冠狀部件12, 14的外壁24， 42可鄰近于其自由端形 成有一個徑向減小的頸區(qū)64， 66，所述頸區(qū)64， 66在緊靠其的壁24， 42的區(qū)域內(nèi)有較薄橫截面。按照推薦實施例，接合表面形成在頸區(qū)64， 66的自由端上，從而當(dāng)如圖4所示接合部件12, 14時，緊靠銷轂34 上方在活塞上形成一泄油槽68，分別在接合表面26， 44和28， 46的 位置上橫過泄油槽68形成焊接接合部70。
現(xiàn)在詳細(xì)描述焊接操作，圖2表示單獨形成的、預(yù)先加工的上、
下部的冠狀部件12， 14，這兩個部件被固定，使其各自的接合表面26，
28和44， 46軸向?qū)?zhǔn)，但又彼此間隔開來。 一個加熱線圏、最好是
感應(yīng)加熱線圏72伸入上、下冠狀部件12， 14之間，線圏72^皮通電以
感應(yīng)加熱接合表面，使其升至足以使接合表面借助感應(yīng)加熱焊接接合
部彼此冶金結(jié)合的溫度。 一旦加熱至足夠高的溫度，將加熱線圏72
快速去除，如圖4所示，使上、下冠狀部件12， 14彼此軸向相向移動， 使其各自的接合表面在足以結(jié)合的溫度下彼此一致接合。按照本發(fā)明，
內(nèi)、外壁的接合表面在借助加熱線圈72的一次操作中同時加熱至適當(dāng) 的一個結(jié)合溫度或不同的結(jié)合溫度。加熱線圏72最好包括一個感應(yīng)加 熱線圏，在通電時，在內(nèi)、外壁中感應(yīng)出電子流，使接合表面局部加 熱至升高的結(jié)合溫度，而大部分內(nèi)、外壁材料仍基本未受感應(yīng)加熱的 影響(即，不升至引起材料微結(jié)構(gòu)變化的溫度)。因此，感應(yīng)加熱可產(chǎn) 生良好受控的熱影響區(qū)(HAZ)74，該區(qū)域橫過內(nèi)、外壁的寬度基本 是均勻的。
當(dāng)上、下冠狀部件12， 14已被加熱并使其彼此接觸時，最好使部 件12， 14扭轉(zhuǎn)一個相對較小的量，以便混合或涂抹接合表面，以便橫過焊接界面70實現(xiàn)上、下冠狀部件的整體性很高的冶金結(jié)合。上、下 冠狀部件12， 14在比一轉(zhuǎn)小幾度的范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)，最好在比一轉(zhuǎn)小大約 2-4度的范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)。在上或下冠狀部件包括非對稱特征，如閥槽20 或偏置的燃燒碗18的情形中，重要的是使它們在最終的活塞中相對于 銷孔軸線B適當(dāng)定向。因此，冠狀部件12， 14的位置和夾具要精心 控制，從而在接合前使這些特征與軸線B誤對準(zhǔn)一個量，從而在扭轉(zhuǎn) 后使這些特征相對于銷孔軸線B進入適當(dāng)定向。
如圖6所示，在焊接后，在活塞10上進行最終加工，以便在環(huán)帶 24內(nèi)形成一系列環(huán)槽76。環(huán)槽76最好在泄油槽68上方，因而在最低 的環(huán)槽76下面使焊接接合部70設(shè)置在外壁24， 42內(nèi)。
作為上、下冠狀部件12, 14焊接的結(jié)果，在冠狀部件12， 14之 間形成封閉的油溝78，該油溝以內(nèi)、外壁22, 40; 24， 42、上壁16 和底壁50為界，焊接接合部暴露于油溝78。冠狀部件12， 14可形成 或加工有進入油溝78的供油或泄油通道，其最好在焊接前與上述的其 它最終加工表面一起形成。
可以看出，由于接合表面26, 28和44， 46是由加熱線圏72在接 合這些表面之前加熱，而不是在接合這些表面之后加熱的，因而可以 得到并高度控制接合表面的直接而均勻的加熱。圖8表示的情形中， 由于不同的材料、幾何形狀等，如果線圏與各組接合表面的每一個接 合表面等距離設(shè)置，那么，上、下冠狀部件的接合表面不會被均勻加 熱。在圖8所示的實例中，上冠狀部件12的接合表面26， 28比下冠 狀部件的接合表面需要更大、更強的加熱，因而感應(yīng)線圏72向著接合 表面26，28偏置或偏移，以便相對更靠近上冠狀部件而非下冠狀部件。 這樣，甚至當(dāng)兩部件的結(jié)合溫度不同或一個部件比另一部件需要更多 能量以達到一定的結(jié)合溫度時，也可保證配合的接合表面被適當(dāng)?shù)丶?熱至它們各自所需的結(jié)合溫度。通過向著需要更多加熱的部件、背離 需要較少加熱的部件移動線圏72，可以達到適當(dāng)?shù)钠胶馕恢茫员銣p 少在結(jié)合前部件的過熱及防止加熱不足。這種控制上、下冠狀部件的 相對加熱的能力使上、下冠狀部件12、 14可由具有不同結(jié)合溫度的材料制造，或具有相同結(jié)構(gòu)或不同材料，需要不同的加熱，以便在與互 補部件接合的適當(dāng)時間達到適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合溫度。
部件12， 4最好由鋼制成，更為推薦的是由SAE 4140級制成。 在焊接前，部件12， 14被回火以提供具有28-34Rc范圍內(nèi)的硬度的回 火馬氏體結(jié)構(gòu)。焊接接合部在中央的硬度在35至50的范圍內(nèi)，最好 偏向該范圍的低端。由于借助感應(yīng)線圏對接合表面的受控預(yù)加熱，焊 接接合部的硬度可被控制在38-42Rc的范圍內(nèi)。這種預(yù)加熱有效地"浸 透"接合表面，使熱量進入表面之下。這帶來的好處是減少焊接區(qū)材 料在接合后的"淬火"作用，其目的是避免在中央形成未回火的馬氏 體，而是形成貝氏體。上述4140材料的優(yōu)點是受到抑制的TTT曲線， 使受控的冷卻在合理的時間內(nèi)(即，以秒計算)。
按照上面的技術(shù)內(nèi)容顯然可以對本發(fā)明作出許多修改和變化。因 此，顯然可在權(quán)利要求的范圍內(nèi)與具體描述不同的方式實施本發(fā)明。 本發(fā)明是由權(quán)利要求書限定的。
權(quán)利要求
1.一種活塞，包括一個具有配合表面的活塞上部；一個具有配合表面的活塞下部；一個結(jié)合上述配合表面的感應(yīng)加熱焊接接合部。
2. 如權(quán)利要求l所述的活塞，其特征在于所述活塞上部和下部 具有徑向間隔開來的壁，活塞上部的徑向外壁借助感應(yīng)加熱焊接接合 部與活塞下部的徑向外壁相接合，活塞上部的徑向內(nèi)壁借助感應(yīng)焊接 接合部與活塞下部的徑向內(nèi)壁相接合。
3. 如權(quán)利要求2所述的活塞，其特征在于活塞上部包括一個燃 燒結(jié)合和多個環(huán)槽，活塞下部包括一對間隔開來的銷轂。
4. 如權(quán)利要求3所述的活塞，其特征在于活塞下部包括一個活 塞裙。
5. 如權(quán)利要求4所述的活塞，其特征在于活塞裙由一個不可活 動件與活塞下部制成。
6. 如權(quán)利要求l所述的活塞，其特征在于活塞上、下部由相同 的材料制成。
7. 如權(quán)利要求l所述的活塞，其特征在于活塞上、下部由不同 的材料制成。
8. 如權(quán)利要求l所述的活塞，其特征在于活塞的一個部分是鑄 造的，另一部分是鍛造的。
9. 如權(quán)利要求l所述的活塞，其特征在于活塞的一個部分是粉 末金屬制成的。
10. 如權(quán)利要求l所述的活塞，其特征在于活塞上部包括閥槽。
11. 如權(quán)利要求l所述的活塞，其特征在于它包括環(huán)形冷卻溝。
全文摘要
一種特別適用于重型柴油機的活塞是用單獨的部件構(gòu)成的，所述部件具有周向延伸的接合表面，這些接合表面在結(jié)合前被加熱至足以使其結(jié)合起來的升高的溫度，其后，將接合表面相互接觸并扭轉(zhuǎn)，從而在接合表面的界面實現(xiàn)永久的冶金焊接。
文檔編號F16J1/00GK101629629SQ20091015112
公開日2010年1月20日 申請日期2003年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月6日
發(fā)明者C·里貝羅, R·蓋澤, T·埃格雷爾 申請人:聯(lián)邦莫沃爾公司