CN111173638A - 一种穿透焊接式锻钢活塞及其加工方法 - Google Patents

一种穿透焊接式锻钢活塞及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种穿透焊接式锻钢活塞及其加工方法，活塞包括：锻造而成的活塞头部，其底部限定出第一插接部，顶部形成燃烧室；活塞裙部锻造而成，其顶部限定出与第一插接部配合的第二插接部，且第一插接部和第二插接部处通过高能穿透焊形成主焊缝，燃烧室外壁与活塞裙部顶部和/或圆柱面形成辅助焊缝；活塞头部和活塞裙部焊接后形成封闭的冷却油腔。活塞头部及活塞裙部毛坯分开锻造，简化锻造工艺，对设备吨位的要求降低，减少设备投入。活塞头部与活塞裙部在燃烧室中间通过高能焊接，焊缝没有凸起，降低了因焊缝脱落造成拉缸的危险、高能穿透焊接方式连接，焊接速度快，冷却迅速，可以起到晶粒细化的作用，焊缝强度大于本体强度。

Description

一种穿透焊接式锻钢活塞及其加工方法
技术领域
本发明涉及活塞制造技术领域，更具体的说是涉及一种穿透焊接式锻钢活塞及其加工方法。
背景技术
活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销轴传给连杆驱使曲轴旋转，活塞的失效会导致发动机失去动力，甚至导致整台发动机报废。近十几年来，发动机设计、制造技术得以迅速提高，特别是柴油发动机都在向大功率、高负荷方向发展，强化程度不断提高，爆发力已经超过20MPa，同时排放要求越来越严格，铝材质已逐渐不能满足发动机高功率、高强度、的排放的要求。所以现在很多制造公司都在选用钢铁材料替代铝合金材料，特别是锻钢活塞材料的开发代表了当前活塞发展的方向。
现在钢活塞主要有两种：一种是铰接摆体式，一种是整体锻钢的。铰接摆体式结构是活塞头部为锻钢，裙部为铝，分开加工后通过活塞销连接起来，这种活塞难以形成封闭的冷却油腔，活塞冷却效果差，同时因为需要更长的活塞销进行连接，总体重量也有所增加，现在在一些发达国家已经逐步淘汰。整体锻钢活塞一般是头部和裙部分别锻造经过粗加工后，通过某种方式组合形成一个整体。
中国专利CN 1610601 A公开了一种制造锻钢活塞的方法，该方法是头部和裙部分别锻造，内冷油腔是在头部和裙部分别加工后通过摩擦焊接形成，头部和裙部两道端面焊缝一次焊接完成，焊接面积较大，受设备精度和能力的影响，大缸径活塞无法正常焊接。此外，大功率摩擦焊需要消耗很大的电量，浪费能源。中国专利CN 407431 B公开了一种带内冷油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺，该方法是整体毛坯加工出油道内侧部分和遮挡部位后，通过热旋压制对冷却油腔进行封闭。该工艺所需毛坯为一体结构，锻造工艺较复杂，由于活塞毛坯的壁厚较厚，热旋压制效率较低。在热旋压制过程中该发明提到需要旋压模，由于是封闭内冷油道，旋压模是如何工作及取出的未作说明，另外由于热旋压过程中的材料塑性变形，油道需要封闭或又很小的间隙，需要在加工油道遮挡部位加工精度较高。由此上述制造方法都存在一定的不足。
因此，如何提供一种穿透焊接式锻钢活塞解决上述不足是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为此，本发明的一个目的在于提出一种穿透焊接式锻钢活塞，简化了锻造工艺，毛坯锻造降低了对设备、刀具的投入，主焊缝焊接没有凸起，降低了因焊缝脱落造成的拉缸风险。
本发明提供了一种穿透焊接式锻钢活塞，包括：
活塞头部，活塞头部锻造而成，其底部限定出第一插接部，顶部形成燃烧室；
活塞裙部，活塞裙部锻造而成，其顶部限定出与第一插接部配合的第二插接部，且第一插接部和第二插接部处通过高能穿透焊形成主焊缝，燃烧室外壁与活塞裙部顶部和/或圆柱面形成辅助焊缝；活塞头部和活塞裙部焊接后形成封闭的冷却油腔。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种穿透焊接式锻钢活塞，活塞头部及活塞裙部毛坯分开锻造，简化锻造工艺，对设备吨位的要求降低，减少设备投入，头部及裙部分开加工，降低对设备、刀具的要求。活塞头部与活塞裙部在燃烧室中间通过高能焊接，焊缝没有凸起，杜绝了因焊缝脱落造成拉缸的危险。活塞头部和裙部通过高能穿透焊接方式连接，焊接速度快，冷却迅速，可以起到晶粒细化的作用，焊缝强度大于本体强度。
其中，燃烧室外壁与活塞裙部顶部辅助焊缝因为工作环境恶劣，优先选用先进的电子束焊接方式焊接。活塞外圆辅助焊缝主要起支撑作用，为减低成本，可以选用氩弧焊焊接。
进一步地，冷却油腔为一个，或为相互连通的两个。
进一步地，第一插接部为阶梯台、凹陷的环槽或凸起的环形台阶，第二插接部对应为阶梯台、凸起的环形台阶或凹陷的环槽。根据穿透焊接的焊接厚度采用不同的插接部结构。
进一步地，第一插接部和第二插接部之间的配合间隙为0.05mm-0.2mm；安装辅助焊缝处过盈配合过盈量为0.03-0.1mm。第一插接部和第二插接部之间的配合间隙为0.05mm-0.2mm，以便可以达到较大的焊深，焊接深度是根据配合面距燃烧室内壁的距离确定，有间隙时在电压一定的情况下焊接深度比过盈配合要深很多。安装辅助焊缝处为过盈配合，以防止焊接过程中头部与裙部产生焊接变形。
本发明还提供了一种穿透焊接式锻钢活塞加工方法，包括如下步骤：
S1、分别锻造活塞头部和活塞裙部；并根据加工工艺要求分别通过机械加工活塞头部和活塞裙部；
S2、将活塞裙部加热后和活塞头部进行装配；
S3、通过燃烧室对第一插接部和第二插接部处进行高能穿透焊接；
S4、对通过S3步骤焊接后的部件进行缓慢冷却；
S5、对燃烧室外壁和活塞裙部顶面或外圆面的辅助焊缝进行焊接；
S6、根据材料不同对活塞进行调制或焊后退火处理；对活塞进行机械加工、表面处理至成品。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种穿透焊接式锻钢活塞的加工方法，活塞头部及活塞裙部毛坯分开锻造，简化锻造工艺，对设备吨位的要求降低，减少设备投入，头部及裙部分开加工，降低对设备、刀具的要求。活塞头部与活塞裙部在燃烧室中间通过高能焊接，焊缝没有凸起，杜绝了因焊缝脱落造成拉缸的危险。活塞头部和裙部通过高能穿透焊接方式连接，焊接速度快，冷却迅速，可以起到晶粒细化的作用，焊缝强度大于本体强度。
其中，燃烧室外壁与活塞裙部顶部辅助焊缝因为工作环境恶劣，优先选用先进的电子束焊接方式焊接。活塞外圆辅助焊缝主要起支撑作用，为减低成本，可以选用氩弧焊焊接。
进一步地，S2中第一插接部和第二插接部的配合间隙为0.05mm-0.2mm。
进一步地，安装辅助焊缝处过盈配合过盈量为0.03-0.1mm。
进一步地，S3中焊接在焊接室焊接后，S4步骤中将其取出放入保温炉中，随炉冷却至200℃后，取出空气冷却。
进一步地，穿透焊接的焊接厚度小于6mm时，第一插接部和第二插接部采用阶梯台方式配合；当焊接厚度大于6mm时，采用第一插接部和第二插接部配合面采用凹凸型配合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种穿透焊接式锻钢活塞实施例(第一插接部和第二插接部采用凹凸配合的实施例)的主视图的剖视图；
图2附图为图1的侧视剖视图；
图3附图为本发明提供的一种穿透焊接式锻钢活塞另一个实施例(第一插接部和第二插接部阶梯状连接的实施例)的结构示意图；
图4附图为本发明提供的一种双冷却油腔的穿透焊接式锻钢活塞的结构示意图；
图中：100-活塞头部，101-第一插接部，200-活塞裙部，201-第二插接部，300-主焊缝，400-辅助焊缝，500-冷却油腔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参见附图1和2，本发明提供了一种穿透焊接式锻钢活塞，包括：
活塞头部100，活塞头部100锻造而成，其底部限定出第一插接部101，顶部形成燃烧室；
活塞裙部200，活塞裙部200锻造而成，其顶部限定出与第一插接部101配合的第二插接部201，且第一插接部101和第二插接部201处通过高能穿透焊形成主焊缝300，燃烧室外壁与活塞裙部200顶部或圆柱面形成辅助焊缝400；活塞头部100和活塞裙部200焊接后形成封闭的冷却油腔500。
本发明公开提供了一种穿透焊接式锻钢活塞，活塞头部及活塞裙部毛坯分开锻造，简化锻造工艺，对设备吨位的要求降低，减少设备投入，头部及裙部分开加工，降低对设备、刀具的要求。活塞头部与活塞裙部在燃烧室中间通过高能焊接，焊缝没有凸起，杜绝了因焊缝脱落造成拉缸的危险。活塞头部和裙部通过高能穿透焊接方式连接，焊接速度快，冷却迅速，可以起到晶粒细化的作用，焊缝强度大于本体强度。
参见附图1和3提供的实施例中冷却油腔500为一个，参见附图4提供的实施例中冷却油腔为相互连通两个，增加冷却效果。
有利的是，根据穿透焊接的焊接厚度采用不同的插接部结构。当焊接厚度大于6mm时，采用第一插接部和第二插接部配合面采用凹凸型配合，参见附图1。第一插接部101为阶梯台，第二插接部201对应为阶梯台。穿透焊接的焊接厚度小于6mm时，第一插接部和第二插接部采用阶梯台方式配合，参见附图3。
更有利的是，第一插接部101和第二插接部201之间的配合间隙为0.05mm-0.2mm；安装辅助焊缝处过盈配合，过盈量为0.03-0.1mm。第一插接部和第二插接部之间的配合间隙为0.05mm-0.2mm，以便可以达到较大的焊深，焊接深度是根据配合面距燃烧室内壁的距离确定，有间隙时在电压一定的情况下焊接深度比过盈配合要深很多。安装辅助焊缝处为过盈配合，以防止焊接过程中头部与裙部产生焊接变形。
本发明还提供了一种穿透焊接式锻钢活塞加工方法，包括如下步骤：
S1、分别锻造活塞头部和活塞裙部；并根据加工工艺要求分别通过机械加工活塞头部和活塞裙部；
S2、将活塞裙部加热后和活塞头部进行装配；
S3、通过燃烧室对第一插接部和第二插接部处进行高能穿透焊接；
S4、对通过S3步骤焊接后的部件进行缓慢冷却；
S5、对燃烧室外壁和活塞裙部顶面或外圆面的辅助焊缝进行焊接；
S6、根据材料不同对活塞进行调制或焊后退火处理；对活塞进行机械加工、表面处理至成品。
本发明公开提供了一种穿透焊接式锻钢活塞的加工方法，活塞头部及活塞裙部毛坯分开锻造，简化锻造工艺，对设备吨位的要求降低，减少设备投入，头部及裙部分开加工，降低对设备、刀具的要求。活塞头部与活塞裙部在燃烧室中间通过高能焊接，焊缝没有凸起，杜绝了因焊缝脱落造成拉缸的危险。活塞头部和裙部通过高能穿透焊接方式连接，焊接速度快，冷却迅速，可以起到晶粒细化的作用，焊缝强度大于本体强度。
其中，燃烧室外壁与活塞裙部顶部辅助焊缝因为工作环境恶劣，优先选用先进的电子束焊接方式焊接。活塞外圆辅助焊缝主要起支撑作用，为减低成本，可以选用氩弧焊焊接。
其中，S2中第一插接部和第二插接部的配合间隙为0.05mm-0.2mm。
有利的是，安装辅助焊缝处过盈配合过盈量为0.03-0.1mm。
S3中焊接在焊接室焊接后，S4步骤中将其取出放入保温炉中，随炉冷却至200℃后，取出空气冷却。
上述方法中，穿透焊接的焊接厚度小于6mm时，第一插接部和第二插接部采用阶梯台方式配合；当焊接厚度大于6mm时，采用第一插接部和第二插接部配合面采用凹凸型配合。
本发明中高能穿透焊接主要是电子束焊接和激光焊接，通过高能量密度使得需要焊接的材料瞬间融化，电子束、激光穿过活塞头部将配合面焊接，然后快速冷却，达到焊接的目的。焊接要求两种材料的熔点相差不大。具体的焊接步骤：电子束焊接步骤：将工件放入焊接室中---焊接室抽真空---调整焊接参数(聚焦，高压，偏压，束流，焊接速度等)---进行焊接---焊接室充气---取出工件。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种穿透焊接式锻钢活塞，其特征在于，包括：
活塞头部(100)，所述活塞头部(100)锻造而成，其底部限定出第一插接部(101)，顶部形成燃烧室；
活塞裙部(200)，所述活塞裙部(200)锻造而成，其顶部限定出与所述第一插接部(101)配合的第二插接部(201)，且所述第一插接部(101)和所述第二插接部(201)处通过高能穿透焊形成主焊缝(300)，所述燃烧室外壁与所述活塞裙部(200)顶部或圆柱面形成辅助焊缝(400)；所述活塞头部(100)和/或所述活塞裙部(200)焊接后形成封闭的冷却油腔(500)。
2.根据权利要求1所述的一种穿透焊接式锻钢活塞，其特征在于，所述冷却油腔(500)为一个，或为相互连通的两个。
3.根据权利要求1所述的一种穿透焊接式锻钢活塞，其特征在于，所述第一插接部(101)为阶梯台、凹陷的环槽或凸起的环形台阶，所述第二插接部(201)对应为阶梯台、凸起的环形台阶或凹陷的环槽。
4.根据权利要求1所述的一种穿透焊接式锻钢活塞，其特征在于，所述第一插接部(101)和所述第二插接部(201)之间的配合间隙为0.05mm-0.2mm；安装辅助焊缝处过盈配合，过盈量为0.03-0.1mm。
5.一种穿透焊接式锻钢活塞加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、分别锻造活塞头部和活塞裙部；并根据加工工艺要求分别通过机械加工活塞头部和活塞裙部；
S2、将活塞裙部加热后和活塞头部进行装配；
S3、通过燃烧室对第一插接部和第二插接部处进行高能穿透焊接；
S4、对通过S3步骤焊接后的部件进行缓慢冷却；
S5、对燃烧室外壁和活塞裙部顶面或外圆面的辅助焊缝进行焊接；
S6、根据材料不同对活塞进行调制或焊后退火处理；对活塞进行机械加工、表面处理至成品。
6.根据权利要求5所述的一种穿透焊接式锻钢活塞加工方法，其特征在于，S2中第一插接部和第二插接部的配合间隙为0.05mm-0.2mm。
7.根据权利要求5所述的一种穿透焊接式锻钢活塞加工方法，其特征在于，安装辅助焊缝处为过盈配合，过盈量为0.03-0.1mm。
8.根据权利要求5所述的一种穿透焊接式锻钢活塞加工方法，其特征在于，S3中焊接在焊接室焊接后，S4步骤中将其取出放入保温炉中，随炉冷却至200℃后，取出空气冷却。
9.根据权利要求5所述的一种穿透焊接式锻钢活塞加工方法，其特征在于，穿透焊接的焊接厚度小于6mm时，第一插接部和第二插接部采用阶梯台方式配合；当焊接厚度大于6mm时，采用第一插接部和第二插接部配合面采用凹凸型配合。
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