DE102011107656A1

DE102011107656A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011107656A1
Application number: DE102011107656A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bischofberger Ulrich
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-01-17
Also published as: US20130014724A1; WO2013007238A1; US8459228B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, aus mindestens zwei Bauteilen (11, 111, 211; 18, 118, 218), die jeweils mindestens eine korrespondierende Fügefläche (23a, 23b; 24a, 24b) aufweisen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Vorbearbeiten der mindestens zwei Bauteile (11, 111, 211; 18, 118, 218) zumindest im Bereich der Fügeflächen; b) Beschichten zumindest eines Teils der Oberfläche mindestens eines Bauteils (11, 111, 211; 18, 118, 218) mit einem mindestens ein Schichtsilikat enthaltenden Abdeckmittel (25); c) Zusammensetzen der mindestens zwei Bauteile (11, 111, 211; 18, 118, 218); d) Verbinden der mindestens zwei Bauteile (11, 111, 211; 18, 118, 218) entlang ihrer korrespondierenden Fügeflächen mittels Strahlschweißen zu einem Kolbenrohling (10'); e) Entfernen des Abdeckmittels sowie ggf. daran haftendem überschüssigem Schweißgut; f) Fertigbearbeiten des Kolbenrohlings (10') zum fertigen Kolben (10, 110, 210).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, aus mindestens zwei Bauteilen, die jeweils mindestens eine korrespondierende Fügefläche aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen mit einem derartigen Verfahren herstellbaren Kolben.
Beim Strahlschweißen entsteht regelmäßig überschüssiges Schweißgut, in der Regel in Form von Schweißperlen oder Schweißspritzern. Im Folgenden werden mit dem Begriff „Schweißperlen” sämtliche Formen von überschüssigem Schweißgut bezeichnet.
Bei der Herstellung eines Kolbens mittels Strahlschweißen besteht die Gefahr, dass Schweißperlen am Kolben haften. Besonders nachteilig ist es, wenn die Schweißperlen in den Kühlkanal gelangen und sich dort festsetzen. Im Motorbetrieb können sich die Schweißperlen wieder lösen und in das Kühlöl und somit in den Kühlölkreislauf und den Schmierölkreislauf gelangen. In diesem Fall würde der Verbrennungsmotor irreparablen Schaden nehmen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens so weiterzuentwickeln, dass das Austreten von Schweißperlen in den Ölkreislauf im Motorbetrieb vermieden wird.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den folgenden Schritten: a) Vorbearbeiten der mindestens zwei Bauteile zumindest im Bereich der Fügeflächen; b) Abdecken zumindest eines Teils der Oberfläche mindestens eines Bauteils mit einem mindestens ein Schichtsilikat enthaltenden Abdeckmittel; c) Zusammensetzen der mindestens zwei Bauteile; d) Verbinden der mindestens zwei Bauteile entlang ihrer korrespondierenden Fügeflächen mittels Strahlschweißen zu einem Kolbenrohling; e) Entfernen des Abdeckmittels sowie ggf. daran haftendem überschüssigem Schweißgut; f) Fertigbearbeiten des Kolbens.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist und somit im Ergebnis mindestens zwei durch Strahlschweißen miteinander verbundene Bauteile aufweist und zugleich frei von daran haftendem überschüssigem Schweißgut ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vermieden, dass beim Verbinden der mindestens zwei Bauteile durch Strahlschweißen Schweißperlen an den Bauteilen haften bleibt. Insbesondere können Wände eines ggf. vorhandenen Kühlkanals frei von Schweißperlen gehalten werden. Die Schweißperlen bleiben entweder am Abdeckmittel haften oder setzen sich erst gar nicht fest. Das Abdeckmittel wird nach dem Strahlschweißen wieder von den Bauteilen entfernt. Im Ergebnis wird ein strahlgeschweißter Kolben erhalten, der frei von Schweißperlen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Schweißperlen treten nicht überall in gleicher Häufigkeit bzw. Dicke auf. So häufen sich die Schweißperlen auf jenen Zonen der Bauteile, die den Schweißnähten gegenüberliegen. Diese Bereiche sollten vorrangig geschützt werden.
Das an sich bekannte Vorbearbeiten der zu verbindenden Bauteile umfasst auch das Reinigen und Entfetten, um in Schritt d) eine feste Schweißnaht zu erhalten.
Vorzugsweise wird in Schritt b) Bentonit verwendet, ein Gestein, das als wichtigsten Bestandteil Montmorillonit, ein Tonmineral aus der Klasse der Schichtsilikate, enthält. Bentonit hat den Vorteil, dass es sich thixotropisch verhält, also leicht aufgetragen werden kann und sich dann verfestigt.
Das Abdeckmittel kann ferner Dinatriumtetraborat (Borax) enthalten. Borax ist wasserlöslich, wirkt als Bindemittel bzw. Flussmittel und trägt somit dazu bei, dass sich das Abdeckmittel nach dem Schweißvorgang besonders leicht durch Spülen mit warmer oder kaltem Wasser entfernen lässt. Borax ist in der Regel sehr feinkörnig mit einem Teilchendurchmesser von unter 1 μm und weist aufgrund seiner schichtartigen Kristallstruktur und seiner geringen Mohs-Härte von 2 bis 2,5 keinerlei abrasive Eigenschaften auf, so dass das Risiko einer Beschädigung des Verbrennungsmotors im Motorbetrieb weiter reduziert wird. Borax widersteht ferner Temperaturen über 500°C und geht keinerlei Reaktion mit dem Werkstoff der zu verbindenden Bauteile ein.
Zweckmäßigerweise sollte in Schritt b) das Abdeckmittel mindestens 1 mm von der Kante jeder Fügefläche entfernt angebracht werden, um zu vermeiden, dass es während des Strahlschweißens beschädigt wird oder die Qualität, insbesondere die Festigkeit, der Schweißnaht beeinträchtigt. Die Fügeflächen selbst bleiben metallisch blank und unbeschichtet.
Das Abdeckmittel wird vorzugsweise in Schritt b) in Form einer Suspension aufgetragen, die besonders bevorzugt auf Wasser basieren kann. in dieser Form kann das Abdeckmittel besonders leicht aufgebracht werden, bspw. durch Aufstreichen, Aufsprühen, Aufwalzen oder Bedrucken. Zweckmäßigerweise werden die beschichteten Bauteile nach Schritt b) durch Erwärmen auf 80°C bis 180°C getrocknet.
Das Abdeckmittel kann in Schritt b) auch in Form eines Pulvers durch thermisches Spritzen auf die zu beschichteten Bauteile aufgebracht werden. Hierfür eignet sich besonders gut ein Dinatriumtetraborat enthaltendes Abdeckmittel, da Dinatriumtetraborat bei Temperaturen über 400°C sein Kristallwasser verliert und sein Schmelzpunkt in der wasserfreien Form 848°C beträgt. Diese Schmelze dient als Träger für das mindestens eine Schichtsilikat.
Das Abdeckmittel sollte mit einer Schichtdicke von mindestens 100 μm aufgetragen werden, um einen wirksamen Schutz des mindestens einen Bauteils zu gewährleisten und zuverlässig zu verhindern, dass Schweißperlen auf der Oberfläche des mindestens einen Bauteils haften bleiben.
Die mit dem Abdeckmittel zu beschichtenden Bauteile können vor dem Aufbringen des Abdeckmittels auf 50°C bis 80°C vorgewärmt werden, um eine gute Haftung des Abdeckmittels zu gewährleisten.
In Schritt e) wird das Abdeckmittel, ggf. mitsamt den darauf haftenden Schweißperlen, besonders bevorzugt durch Spülen mit warmer oder kaltem Wasser vom Kolbenrohling entfernt. Dies bietet sich vor allem dann an, wenn das Abdeckmittel Dinatriumtetraborat enthält. Borax ist in jeder Form wasserlöslich (11 g/l bei 20°C und 88 g/l bei 80°C), so dass die komplette Beschichtung mitsamt dem darin verteilten Schichtsilikat und ggf. mitsamt dem an der Beschichtung haftenden Schweißgut rückstandsfrei vom Kolbenrohling entfernt wird.
Die mindestens zwei zu verbindenden Bauteile können vor dem Strahlschweißen geheftet werden. Ferner kann mindestens ein Bauteil auf ein weiteres Bauteil aufgeschrumpft werden. Damit werden die zu verbindenden Bauteile in ihrer Position zueinander fixiert.
Die mindestens zwei Bauteile können insbesondere mittels Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen verbunden werden, wobei die Verwendung eines CO₂-Lasers bevorzugt wird, da hiermit vergleichsweise geringe Mengen an Schweißperlen anfallen.
Vor dem Strahlschweißen können die zu verbindenden Bauteile in an sich bekannter Weise auf 400°C bis 550°C vorgewärmt werden, um eine besonders feste und zuverlässige Schweißverbindung zu erhalten und um Risse zu vermeiden.
Es ist zweckmäßig, den Kolbenrohling nach dem Entfernen des Abdeckmittels und ggf. nach einem Trocknungsvorgang in an sich bekannter Weise gegen Korrosion zu konservieren.
Der Kolbenrohling sollte ferner auf restlose Entfernung von Schweißperlen inspiziert werden. Die Inspektion eines ggf. vorhandenen Kühlkanals kann bspw. mit Hilfe eines Endoskops vorgenommen werden.
Das an sich bekannte Fertigbearbeiten des Kolbenrohlings umfasst ggf., abhängig von dem für die Bauteile verwendeten Werkstoff, eine dem Fachmann bekannte Wärmenachbehandlung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
4 eine Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 1 vor dem Zusammensetzen der zu verbindenden Bauteile;
5 eine Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 1 nach dem Strahlschweißen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist ein als Kolbengrundkörper ausgebildetes Bauteil 11 auf, der bspw. aus einem Vergütungsstahl wie bspw. 42CrMo4 oder einem AFP-Stahl wie bspw. 38MnSiVS6 oder einem mit 0,4 Gew.-% Molybdän legierten bainitischen AfP-Stahl hergestellt ist. Das Bauteil 11 weist einen Teil eines Kolbenbodens 12, einen umlaufenden Feuersteg 13 sowie eine umlaufende Ringpartie 14 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Das Bauteil 11 weist ferner den Boden 15a einer Verbrennungsmulde 15 auf. Das Bauteil 11 bildet somit einen wesentlichen Teil des Kolbenkopfes 16 des Kolbens 10. Das Bauteil 11 bildet ferner in an sich bekannter Weise den Kolbenschaft 17 des erfindungsgemäßen Kolbens 10.
Der erfindungsgemäße Kolben weist ferner ein als Einsatz ausgebildetes Bauteil 18 auf, der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die gesamte Muldenwand 15b sowie den Muldenrandbereich 15c der Verbrennungsmulde 15 und ferner einen Teil des Kolbenbodens 12 bildet. Das Bauteil 18 besteht vorzugsweise aus einem besonders widerstandsfähigen Werkstoff. Hierfür kann wie für den Kolbengrundkörper 11 ein Vergütungsstahl oder AFP-Stahl verwendet werden. Ferner bietet sich ein hochwarmfester, korrosions- und hitzebeständiger Stahl an. Ventilstähle wie bspw. CrSi-Stahl (X45CrSi93), Chromo193-Stahl (X85CrMoV182), 21-4 N-Stahl (X53CrMnNiN219), 21-2-Stahl (X55CrMnNiN208) und Werkstoffe wie Nimonic80A (NiCr20TiAl), ResisTEL oder VMS-513 sind besonders geeignet.
Die Bauteile 11, 18 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 19. Der Kühlkanal 19 verläuft einerseits in Höhe der Ringpartie 14 und andererseits in Höhe der Muldenwand 15b der Verbrennungsmulde 15.
Das Bauteil 18 weist eine untere umlaufende Fügefläche 24a (vgl. 4) auf, die mit einer umlaufenden, den Boden 15a der Verbrennungsmulde 15 umschließenden Fügefläche 23a (vgl. 4) am Bauteil 11 eine untere Schweißnaht 21 bildet. Die untere Schweißnaht 21 weist eine Länge von 3,5% bis 5,5% des Kolbendurchmessers D auf und schließt mit der Kolbenmittelachse M einen spitzen Winkel α ein. Die untere Schweißnaht 21 verläuft also ausgehend von der Muldenwand 15b radial nach außen und unten (in Richtung des Kolbenschafts 17) und mündet im Bereich des Kühlkanalbodens in den Kühlkanal 19.
Das Bauteil 18 weist ferner eine obere umlaufende Fügefläche 24b (vgl. 4) auf, die mit einer im Bereich des Feuerstegs 13 umlaufenden Fügefläche 23b (vgl. 4) am Bauteil 11 eine obere Schweißnaht 22 bildet. Die obere Schweißnaht 22 weist eine Länge von 4,5% bis 6,0% des Kolbendurchmessers D auf. Die obere Schweißnaht 22 verläuft im Ausführungsbeispiel von der Kühlkanaldecke zum Kolbenboden 12 sowie parallel zur Kolbenmittelachse M und schließt mit der unteren Schweißnaht 21 einen spitzen Winkel β ein.
Die untere Schweißnaht 21 und die obere Schweißnaht 22 sind mittels Strahlschweißen hergestellt und so angeordnet, dass sie einem Werkzeug zum Strahlschweißen zugänglich sind. Während des Strahlschweißens tritt überschüssiges Schweißgut bspw. in Form von Schweißspritzern in den Kühlkanal 19 ein und sammelt sich bspw. in Form von Schweißperlen bevorzugt in einem Bereich des Kühlkanals 19, der den Schweißnähten 21, 22 gegenüberliegt.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolben 110 weist ein als Kolbengrundkörper ausgebildetes Bauteil 111 auf, der bspw. aus einem Werkstoff, wie er für das Bauteil 11 gemäß 1 beschrieben wurde, bestehen kann. Das Bauteil 111 weist den Boden 115a einer Verbrennungsmulde 115 auf. Das Bauteil 111 bildet ferner in an sich bekannter Weise den Kolbenschaft 117 des erfindungsgemäßen Kolbens 110.
Der erfindungsgemäße Kolben 110 weist ferner ein Bauteil 118 auf, das bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die gesamte Muldenwand 115b sowie den Muldenrandbereich 115c der Verbrennungsmulde 115 und ferner den Kolbenboden 112, Feuersteg 113 und Ringpartie 114 bildet. Das Bauteil 118 besteht vorzugsweise aus einem besonders widerstandsfähigen Werkstoff, wie er für das Bauteil 18 gemäß 1 beschrieben wurde.
Die Bauteile 111, 118 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 119. Der Kühlkanal 119 verläuft einerseits in Höhe der Ringpartie 114 und andererseits in Höhe der Muldenwand 115b der Verbrennungsmulde 115.
Das Bauteil 118 weist eine innere umlaufende Fügefläche auf, die mit einer umlaufenden, den Boden 115a der Verbrennungsmulde 115 umschließenden Fügefläche am Bauteil 111 eine innere Schweißnaht 121 bildet. Die innere Schweißnaht 121 weist eine Länge von 3,5% bis 5,5% des Kolbendurchmessers D auf und schließt mit der Kolbenmittelachse M einen spitzen Winkel α ein. Die innere Schweißnaht 121 verläuft also ausgehend von der Muldenwand 115b radial nach außen und unten (in Richtung des Kolbenschafts 117) und mündet im Bereich des Kühlkanalbodens in den Kühlkanal 119.
Das Bauteil 118 weist ferner eine äußere umlaufende Fügefläche auf, die mit einer unterhalb der Ringpartie 114 umlaufenden Fügefläche am Bauteil 111 eine äußere Schweißnaht 122 bildet.
Die innere Schweißnaht 121 und die äußere Schweißnaht 122 sind mittels Strahlschweißen hergestellt und so angeordnet, dass sie einem Werkzeug zum Strahlschweißen zugänglich sind. Während des Strahlschweißens tritt überschüssiges Schweißgut bspw. in Form von Schweißspritzern in den Kühlkanal 119 ein und sammeln sich bspw. in Form von Schweißperlen bevorzugt in einem Bereich des Kühlkanals 119, der den Schweißnähten 121, 122 gegenüberliegt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210. Der Kolben 210 weist ein als Kolbengrundkörper ausgebildetes Bauteil 211 auf, der bspw. aus einem Werkstoff hergestellt ist, wie er für das Bauteil 11 gemäß 1 beschrieben wurde. Das Bauteil 211 weist einen Teil eines Kolbenbodens 212 sowie eine Verbrennungsmulde 215 auf. Das Bauteil 211 bildet ferner in an sich bekannter Weise den Kolbenschaft 217 des erfindungsgemäßen Kolbens 210.
Der erfindungsgemäße Kolben weist ferner ein ringförmig ausgebildetes Bauteil 218 auf, das einen Teil des Kolbenbodens 212, einen umlaufenden Feuersteg 213 sowie eine umlaufende Ringpartie 214 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) bildet. Das Bauteil 218 besteht vorzugsweise aus einem besonders widerstandsfähigen Werkstoff, wie er bereits für das Bauteil 18 beschrieben wurde.
Die Bauteile 211, 218 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 219. Der Kühlkanal 219 verläuft einerseits in Höhe der Ringpartie 214 und andererseits in Höhe der Muldenwand der Verbrennungsmulde 215.
Das Bauteil 218 weist unterhalb der Ringpartie 214 eine untere umlaufende Fügefläche auf, die mit einer unteren umlaufenden Fügefläche am Bauteil 211 eine untere Schweißnaht 221 bildet. Das Bauteil 218 weist ferner im Bereich des Feuerstegs 213 eine obere umlaufende Fügefläche auf, die mit einer oberen umlaufenden Fügefläche im Bereich der Verbrennungsmulde 215 am Bauteil 211 eine obere Schweißnaht 222 bildet. Die obere Schweißnaht 222 verläuft von der Kühlkanaldecke zum Kolbenboden 212 sowie parallel zur Kolbenmittelachse M.
Die untere Schweißnaht 221 und die obere Schweißnaht 222 sind mittels Strahlschweißen hergestellt und so angeordnet, dass sie einem Werkzeug zum Strahlschweißen zugänglich sind. Während des Strahlschweißens tritt überschüssiges Schweißgut bspw. in Form von Schweißspritzern in den Kühlkanal 219 ein und sammelt sich bspw. in Form von Schweißperlen bevorzugt in einem Bereich des Kühlkanals 219, der den Schweißnähten 221, 222 gegenüberliegt.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens, bspw. der Kolben 10, 110, 210 wird im Folgenden anhand eines Kolbens 10 gemäß 1 sowie anhand der 4 und 5 näher beschrieben. Das im Folgenden beschriebene Verfahren gilt selbstverständlich entsprechend für die Herstellung der Kolben 110, 210 gemäß den 2 bzw. 3.
Zunächst werden die zu verbindenden Bauteile 11, 18 vorbearbeitet. Insbesondere werden die umlaufenden Fügeflächen 23a, 23b des Bauteils 11 sowie die korrespondierenden umlaufenden Fügeflächen 24a, 24b des Bauteils 18, die Bereiche des Kühlkanals 19 (vgl. 5), der Kolbenboden 12 und die Außenkontur vorgedreht. Ggf. kann ein Einpass eingedreht werden, um die zu verbindenden Bauteile 11, 18 sicher gegeneinander zu fixieren. Die Bereitstellung sauber gedrehter Fügeflächen 23a, 23b; 24a, 24b sowie Innen- und Außenkonturen dient der Vorbereitung der Schweißnähte 21, 22 (vgl. 5) um eine feste und zuverlässige Schweißverbindung zu erhalten. Ferner sollten die Fügeflächen 23a, 23b; 24a, 24b gereinigt und entfettet werden, bspw. mit Aceton.
Bei den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen wird das erfindungsgemäß vorgesehene Abdeckmittel 25 im Bereich Kühlkanals 19 aufgebracht, da die Fügeflächen 23a, 23b; 24a, 24b so positioniert sind, dass während des Schweißvorgangs Schweißperlen 26 in den Bereich des Kühlkanals 19 eintreten (vgl. 5). Das verwendete Abdeckmittel 25 sollte in einem Abstand von mindestens 1 mm zu jeder Kante der Fügeflächen 23a, 23b; 24a, 24b entfernt angebracht werden, damit es während des späteren Schweißvorgangs nicht beschädigt und die Qualität, insbesondere die Festigkeit, der Schweißnähte 21, 22 (vgl. 5) nicht beeinträchtigt wird. Das Abdeckmittel 25 kann in denjenigen Bereichen, die den Fügeflächen 23a, 23b; 24a, 24b gegenüberliegen, verdickt aufgetragen werden, da in diesen Bereichen während des späteren Schweißvorgangs die meisten Schweißperlen auftreffen.
Die zu verbindenden Bauteile können vorab auf 50°C bis 80°C vorgewärmt werden, um eine gute Haftung des Abdeckmittels 25 auf den Bauteilen zu erreichen.
Zur Herstellung des erfindungsgemäß vorgesehenen Abdeckmittels werden 50 g bis 100 g Bentonit sowie 5 g bis 10 g Borax (Na₂[B₄O₅(OH)₄] × 8H₂O) in 100 ml heißem Wasser gelöst und etwa 10 min intensiv gerührt. Die resultierende wässrige Suspension wird mittels einer gebräuchlichen Lackspritzpistole auf die zu beschichtenden Bauteile im Bereich des Kühlkanals 19 als geschlossene Schicht mit einer Schichtdicke von 100 μm aufgetragen. Die resultierende Beschichtung wird anschließend bei Raumtemperatur getrocknet. Die Fügeflächen 23a, 23b; 24a, 24b werden nicht beschichtet.
Nach dem Aufbringen des Abdeckmittels 25 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Bauteil 18 auf das Bauteil 11 in an sich bekannter Weise aufgeschrumpft, indem das Bauteil 11 im Ausführungsbeispiel auf 180°C bis 200°C erwärmt, das Bauteil 18 aufgesetzt und das Bauteil 11 anschließend abgekühlt wird. Das Aufschrumpfen sollte möglichst spaltfrei erfolgen, d. h. die Fügeflächen 23a, 23b; 24a, 24b sollten fest und plan aufeinander liegen, so dass beim späteren Schweißvorgang glatte, feste Schweißnähte 21, 22 erhalten werden. Zusätzlich können die zu verbindenden Bauteile 11, 18 entlang ihrer Fügeflächen 23a, 23b, 24a, 24b punktuell oder umlaufend mit wenig Einschweißtiefe geheftet werden.
Im Ausführungsbeispiel werden die Bauteile 11, 18 in an sich bekannter Weise durch Laserschweißen unter Verwendung mindestens eines handelsüblichen CO₂-Laser 27a, 27b verbunden. Hierfür werden die Bauteile vorab auf 400°C bis 550°C erwärmt. Dabei verliert das im Abdeckmittel 25 enthaltene Borax sein Kristallwasser und geht in die wasserfreie Form Na₂B₄O₇ über. Davon abgesehen bleibt das Abdeckmittel 25 gegenüber diesen Temperaturen stabil.
Bei Verwendung eines CO₂-Lasers 27a, 27b entstehen besonders wenig Schweißperlen 26. Selbstverständlich sind auch andere Laser, wie Festkörperlaser, geeignet. Die Bauteile 11, 18 können auch mittels Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden werden. Die erforderliche Leistung des Schweißwerkzeugs ist abhängig von den für die Bauteile 11, 18 verwendeten Werkstoffen sowie der Länge der zu bildenden Schweißnaht 21, 22. Die erforderlichen Parameter können vom Fachmann in an sich bekannter Weise eingestellt werden. Ein zusätzlicher Schweißwerkstoff ist nicht erforderlich.
Die Fügeflächen 23a, 23b; 24a, 24b sollten so gelegt werden, dass die Schweißnähte 21, 22 im fertigen Kolben 10 in denjenigen Bereichen angeordnet sind, in denen im Motorbetrieb möglichst wenig Spannungen entstehen, um die Gefahr von Rissbildungen im Bereich der Schweißnähte 21, 22 zu reduzieren. Selbstverständlich müssen die Fügeflächen 23a, 23b; 24a, 24b auch so gelegt werden, dass sie für die Schweißstrahlen, im Ausführungsbeispiel die Laserstrahlen 28b, 28b zugänglich sind. Die Lage der Fügeflächen 23a, 23b; 24a, 24b stellt also in der Regel einen Kompromiss zwischen der Stabilität des fertigen Kolbens 10 und den Anforderungen des Herstellungsverfahrens dar. Schräge Fügeflächen 23a, 24a bzw. Schweißnähte 21 dienen in an sich bekannter Weise der selbsttätigen Zentrierung der Bauteile 11, 18 gegeneinander.
Entsprechende Überlegungen gelten selbstverständlich analog auch für die Kolben 110, 210 gemäß den 2 bzw. 3.
Im Ausführungsbeispiel wurde das Bauteil 18 mittels zweier CO₂-Laser 27a, 27b durch zwei Stumpfnähte 21, 22 an das Bauteil 11 lasergeschweißt.
Nach dem Schweißvorgang wird das Abdeckmittel 25 mitsamt den ggf. daran haftenden Schweißperlen vom resultierenden Kolbenrohling 10' entfernt. Hierzu wird im Ausführungsbeispiel der Kühlkanal 19 mit warmem Wasser gespült. Dabei löst sich das wasserfreie Dinatriumtetraborat Na₂B₄O₇ im Wasser, so dass das Bentonit wieder aufgeschlämmt und zusammen mit den ggf. vorhandenen Schweißperlen ausgespült wird. Das Spülen wird so lange fortgesetzt, bis nur noch klares Wasser aus dem Kolbenrohling 10' austritt.
Anschließend wird der Kolbenrohling 10' getrocknet und sofort gegen Korrosion konserviert. Im Ausführungsbeispiel empfiehlt sich anschließend die Inspektion des Kühlkanals 19 mittels eines Endoskops zur Prüfung auf restlose Entfernung der Schweißperlen.
Der Kolbenrohling wird schließlich in an sich bekannter Weise zum Kolben 10, 110, 210 fertig bearbeitet. Hierzu zählt auch, abhängig von den verwendeten Werkstoffen, eine dem Fachmann bekannte eine Wärmenachbehandlung.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, aus mindestens zwei Bauteilen (11, 111, 211; 18, 118, 218), die jeweils mindestens eine korrespondierende Fügefläche (23a, 23b; 24a, 24b) aufweisen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Vorbearbeiten der mindestens zwei Bauteile (11, 111, 211; 18, 118, 218) zumindest im Bereich der Fügeflächen (23a, 23b; 24a, 24b); b) Beschichten zumindest eines Teils der Oberfläche mindestens eines Bauteils (11, 111, 211; 18, 118, 218) mit einem mindestens ein Schichtsilikat sowie Dinatriumtetraborat enthaltenden Abdeckmittel (25); c) Zusammensetzen der mindestens zwei Bauteile (11, 111, 211; 18, 118, 218); d) Verbinden der mindestens zwei Bauteile (11, 111, 211; 18, 118, 218) entlang ihrer korrespondierenden Fügeflächen (23a, 23b; 24a, 24b) mittels Strahlschweißen zu einem Kolbenrohling (10'); e) Entfernen des Abdeckmittels sowie ggf. daran haftenden überschüssigen Schweißguts (26) vom Kolbenrohling (10'); f) Fertigbearbeiten des Kolbenrohlings (10') zum fertigen Kolben (10, 110, 210).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) Bentonit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckmittel (25) ferner Dinatriumtetraborat enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das Abdeckmittel (25) mindestens 1 mm von der Kante jeder Fügefläche (23a, 23b; 24a, 24b) entfernt angebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das Abdeckmittel (25) in Form einer Suspension aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine wässrige Suspension verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten Bauteile (11, 111, 211; 18, 118, 218) nach Schritt b) durch Erwärmen auf 80°C bis 180°C getrocknet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das Abdeckmittel (25) in Form eines Pulvers thermisch gespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das Abdeckmittel (25) mit einer Schichtdicke von mindestens 100 μm aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Abdeckmittel (25) zu beschichtenden Bauteile (11, 111, 211; 18, 118, 218) vor dem Schritt b) auf 50°C bis 80°C vorgewärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) das Abdeckmittel (25) durch Spülen mit warmem oder kaltem Wasser entfernt wird.
Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, herstellbar mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1.
Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, aus mindestens zwei Bauteilen (11, 111, 211; 18, 118, 218), die mittels Strahlschweißen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10, 110, 210) frei von daran haftendem überschüssigem Schweißgut (26) ist.