專利名稱：活塞與加工方法
活塞與加工方法
本申請是國際申請日為2004年12月10日，中國申請?zhí)枮椤?00480041665. 1”(國際申請?zhí)枮椤癙CT/US2004/041371”)的“活塞與加工方法”的分案申請。
背景技術(shù)：
本申請是2003年11月4日提出的編號為10/701，274的申請的延續(xù)。已知有多種方法可以將獨立的活塞部件焊合成一個活塞。其中一種為摩擦焊，即將某一活塞部件快速旋轉(zhuǎn)并沖壓在另一個部件上，通過摩擦力產(chǎn)生充分的熱量將兩個部件焊合在一起。其它方法包括電阻焊、感應(yīng)焊，在此類方法中，在部件彼此接觸后，將能量流導(dǎo)入部件的焊接面，使其充分加熱，從而能夠彼此焊合。美國專利5，150，517是摩擦焊的一個范例，而美國專利6，291, 806是典型感應(yīng)加熱的范例。其中，在相接觸的焊接面兩側(cè)放置感應(yīng)線圈以傳導(dǎo)能量，使界面得到加熱。這種放置在側(cè)面的感應(yīng)線圈能使臨近于感應(yīng)線圈附近材質(zhì)邊緣的焊接面部分比其它部分更快地得到加熱，從而在臨近界面處的材質(zhì)上產(chǎn)生熱量流和熱影響區(qū)域的變化。在要求較高的場合，如柴油機活塞等重載用途，需要焊接界面的熱影響區(qū)域焊接均勻，從而使材料的強度和一體性的變化降到最低。美國專利6，155，157展示了通過摩擦焊將第一、二部件跨接兩個徑向間隔焊接面聯(lián)結(jié)成的活塞。此類構(gòu)造對通過感應(yīng)焊焊接這些部件提出了挑戰(zhàn)，因為通向焊接面所在區(qū)域的通道有限，而且在有內(nèi)部冷卻通道的情況下，無法將感應(yīng)線圈放置在配合的焊接面附近的位置。就現(xiàn)有的活塞領(lǐng)域的技術(shù)而言，對如上述‘642專利所展示的復(fù)雜結(jié)構(gòu)并無適當?shù)母袘?yīng)焊技術(shù)，同樣由于將此類感應(yīng)焊技術(shù)應(yīng)用于多個徑向間隔焊接面的復(fù)雜活塞設(shè)計有實際困難，故而無應(yīng)用實例。在重載活塞領(lǐng)域之外，感應(yīng)加熱被應(yīng)用于簡單結(jié)構(gòu)的焊接，如石油產(chǎn)品傳輸金屬管材的對接焊(butt-welding)。美國專利6，637，642展示了這一方法。該管為簡單的單層管壁的圓柱形管，具有平端面。為了聯(lián)結(jié)兩個焊接面，需在兩端面之間放置一個感應(yīng)線圈， 焊接面被加熱升溫，然后取出線圈并使兩面彼此接合以達到焊接的目的。最好端面接觸后， 相對扭轉(zhuǎn)少許(一些角度)使其焊接面更緊密。令人驚訝的是，發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)對目前只限于焊接簡單的圓柱形單層結(jié)構(gòu)石油管道的感應(yīng)焊技術(shù)可以進行改進，使其適用于焊接復(fù)雜的活塞結(jié)構(gòu)，使得焊接面焊接均勻而熱影響區(qū)域最小，達到強度高且一體化程度好的焊接效果。

發(fā)明內(nèi)容
]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，制造活塞的方法之一是制造至少各擁有兩個焊接面的第一、第二部件。所述部件被支起，使其焊接面之間形成間隔。間隔的焊接面被加熱到高溫， 然后停止加熱，將焊接面接觸在一起，通過焊合兩面而形成冶金學(xué)上的接合。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在焊接面仍然發(fā)熱的情況下將部件稍微拉開，在焊接接合處產(chǎn)生一個細頸區(qū)域。 這樣使材料的使用最少并可降低重量和成本。亦可在焊接的管壁部分設(shè)計空腔，以進一步節(jié)省材料和降低重量。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以有另一種制造活塞的方法，將該活塞的第一部件支起，使其焊接面與第二部件焊接面有間隔，當間隔時，加熱兩部件間隔端面，然后使其接觸并形成冶金學(xué)上的焊合。該活塞具有徑向間隔的壁，且貫穿活塞壁的焊接接頭可位于不同的平面上。焊接后，可通過回火加熱操作對焊接接頭進一步加熱，以控制焊接區(qū)域的微結(jié)構(gòu)加熱。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種活塞，包括具有通過感應(yīng)焊焊接的相匹配的焊接面的第一和第二部件，且接頭處熱影響區(qū)域均勻。本發(fā)明的優(yōu)點是提供了一種焊接多組件活塞的簡單的、低成本的方法。另外，本發(fā)明的優(yōu)點是提供一種焊接成本低，一體性程度高的焊接接頭，在接頭附近的熱影響區(qū)域小而均勻。本發(fā)明的更多優(yōu)點是提供了可對活塞的兩個部件的焊接面的加熱進行精確控制的感應(yīng)加熱方法，使得每個活塞部件的焊接面在加熱到焊接溫度的過程中不會產(chǎn)生過度加熱或加熱不足的現(xiàn)象。本發(fā)明的其它優(yōu)點是在活塞的部件彼此分開時對其焊接面進行加熱，這樣相對于將它們接合后對焊接面進行加熱，將更精確、均勻且可控。例如，在摩擦焊的情況下，一個活塞，在其徑向間隔開的內(nèi)外壁部份的端面有毗連表面的上、下冠部，由于外壁的直徑較大， 旋轉(zhuǎn)時的角速度也較大，從而在較快速度下產(chǎn)生的摩擦熱量大于其內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦熱，必然導(dǎo)致其外壁比內(nèi)壁加熱要多。與摩擦焊不同，根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)加熱能使此類活塞的相關(guān)內(nèi)、外壁加熱能得到精確控制，由此在內(nèi)、外壁得到均勻的焊接?？刂埔员景l(fā)明的方法相接合的活塞的內(nèi)、外壁的加熱避免對環(huán)形槽所在的外壁過度加熱，從而與摩擦焊相比可以更好地控制環(huán)形帶區(qū)域的熱量流。依照本發(fā)明的感應(yīng)加熱的另一個優(yōu)點是與摩擦焊相比，只需要相對較小的壓力來接合部件，而摩擦焊是在相對較高的擠壓負載下(約1，OOOpsi對比摩擦焊的20，OOOpsi)， 通過部件的相對旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生焊接所需熱量。因此，按照本發(fā)明，對用于感應(yīng)焊的夾持和支承部件的緊固裝置和設(shè)備的要求不像對摩擦焊所要求的那么高。此外，由于不需承受摩擦焊所帶來的強大擠壓負載——該負載通常超過活塞使用中所受的負載，活塞結(jié)構(gòu)在某種程度上得到了解放。這樣，生產(chǎn)商可通過感應(yīng)焊生產(chǎn)部件更薄和重量更輕的活塞以降低成本，此類活塞在燃料及噴射效率方面也為用戶所認可。


下面接合詳細說明及附圖，可以更容易理解本發(fā)明的上述與其它特性及優(yōu)點，其中圖1是活塞上、下部件在焊接前的透視圖；圖2類似于圖1，顯示了部件被緊固以及它們的加熱焊接面；圖3是圖2中使用的加熱線圈的平面圖；圖4是通過圖2部件的截面圖；圖5類似于圖2，但顯示的是部件進行接觸并在加熱后扭轉(zhuǎn)；圖6是最后加工完成的活塞的透視圖7為圖6中7-7線的截面圖；圖8是將一個加熱線圈放置在相對更靠近其中一個活塞部件焊接面的放大的不完整的截面圖；圖9是本發(fā)明一種變化情況的截面圖；圖10是放大的本發(fā)明另一種變化情況放大的不完全截面圖。
具體實施例方式圖中的標號10總體顯示了根據(jù)本發(fā)明目前的首選實施例制造的活塞，它由至少兩個彼此分開的零件組成，至少有一對或者最好至少有兩對沿周向延伸的相配合的焊接面，它們開始是彼此分隔開的，然后加熱其至適合焊接的溫度，結(jié)束加熱后把它們彼此接合形成零件間的永久焊接。在圖示實施例中，活塞10包括第一部件12和第二部件14。部件12和14均由金屬——最好為合金鋼制造，當然本發(fā)明的材質(zhì)并不限于此。第一、第二部件可以鑄造、鍛造、 由粉末冶金生產(chǎn)，或通過其它任何制造金屬零件的方法制造。第一和第二部件12、14可采用相同或不同的合金，因此第一、第二部件為焊接所需加熱的溫度也可能相同或不同，這可根據(jù)用途要求確定。在圖示實施例中，第一部件12為活塞10的上冠部，第二部件14為活塞10的下冠部，焊接之后，零件12、14即組成了活塞10。第一部件12有帶有燃燒皿18的上壁16和可選的一個或多個閥套20。燃燒皿18 可以按活塞10的縱軸A成軸對稱，也可根據(jù)個案采用如圖所示不對稱的樣式。閥套22相對于下部部件14不對稱。換言之，閥套20和燃燒皿18可具有專門位置或相對于下部部件 14定位，即，如果活塞10有這種不對稱的特性，閥套20的角度位置和燃燒皿18相對于下部部件14的對應(yīng)的位置對活塞10的工作極為關(guān)鍵。上部部件12有一個向下延伸到燃燒皿18下的內(nèi)部環(huán)形壁22，還有一個自上壁16 垂下，由內(nèi)壁22向外徑向間隔的外環(huán)形壁或環(huán)形帶24。內(nèi)壁和外壁22J4具有各自的焊接面沈、28，形成在其端面或靠近端面處。焊接面沈、觀為周向伸展，且最好連續(xù)并對稱于縱軸A，即焊接面26,28同心于A軸。在將第一部件12與第二部件14焊接前，第一部件最好是已加工的，進一步而言最好是已經(jīng)加工完畢的，它具有一加工好的用于燃燒皿18的表面，任一閥套20，焊接面沈、 28，以及在內(nèi)外壁22J4之間從焊接面沈、28向上壁16延伸到燃燒皿18外部的環(huán)形冷卻通道30，及內(nèi)壁22向內(nèi)徑向延伸的內(nèi)腔32。如以下將會描述的那樣，活塞10的外部環(huán)形帶M中有一系列環(huán)形槽，但正如將要解釋的那樣，此類環(huán)形槽最好在焊接后再在活塞10上加工完成?；钊?0的第二下冠部14有一對從管頸36向下延伸的銷座34和一組按銷孔軸B 同軸對齊的銷孔38。管頸36由內(nèi)環(huán)形壁40和外環(huán)形壁42構(gòu)成。內(nèi)、外壁40、42形成有各自的焊接面44、46，這些焊接面是周向伸展的，最好是連續(xù)的并對準及匹配上冠部12的內(nèi)、外壁22J4各自的焊接面沈、28。如圖2所示，上冠部12的焊接面沈、28與下冠部14 的焊接面44、46最好都居于各自共同的平面內(nèi)，這樣更容易在零件之間放入及取出加熱線圈，這將在之后加以說明。然而，雖然提供了首選焊接面的平面布置，本發(fā)明不只限于該布置形式，焊接面可設(shè)置在不同平面內(nèi)，并具有不同形狀，只要表面相互間匹配(如配合面可為圓錐形、階梯型或類似形狀)。在將下冠部14與上冠部12焊接前，下冠部14最好已加工，更優(yōu)的是已經(jīng)加工完畢，使得在銷孔38，管頸36上形成冷卻通道48，它位于內(nèi)、外壁40、42之間，從焊接面44、 46向下延伸至底壁50，該底壁位于內(nèi)、外壁40、42之間并連接兩者的下端，并且最好形成一體。下冠部14還有一個作為其單獨的不可移動的結(jié)構(gòu)而加工的的活塞裙52，它固定在銷座 34上。作為銷座34的內(nèi)、外表面58、60，活塞裙52的內(nèi)、外表面M、56在焊接前已加工完成。銷孔38可進一步加工成包括一個環(huán)形槽62，以便在活塞10工作中，在銷孔38中保持活塞銷的定位。上、下冠部12、14的外壁M、42可在鄰近其自由端處進行徑向收縮或形成較薄的縮頸區(qū)域64、66，且在外壁M、42處的截面迅速遠離縮頸區(qū)域64、66。在首選實施例中，焊接面觀、46在縮頸區(qū)64、66處的自由端形成，使得當冠部12、14如圖4所示焊合后，立即在銷座34上方形成一個導(dǎo)油槽68，焊接界面70跨過導(dǎo)油槽68并在焊接面沈、44和觀、46的位置分別形成?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向更詳細的焊接操作，圖2顯示了單獨成形的，預(yù)加工的上、下冠部部件 12、14，它們通過各自獨立的，軸向?qū)实舜碎g隔開的焊接面沈、觀和44、46來定位。一個加熱線圈，最好為感應(yīng)加熱線圈72伸入上、下冠部12、14的間隔中，對線圈72供電來感應(yīng)加熱焊接面至適合焊接面彼此焊接的溫度，來完成冶金學(xué)上的彼此感應(yīng)焊接。如圖4所示，一旦加熱到合適的溫度，加熱線圈72被快速取出，軸向相向移動上、下冠部12、14，使其各自的焊接面26、44和觀、46在適合焊接的溫度中彼此接觸。根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)、外壁的焊接面同時加熱至合適的焊接溫度或只通過操作加熱線圈72所達到的溫度。加熱線圈72最好包括一個感應(yīng)加熱線圈，當通電后在內(nèi)、外壁引入感應(yīng)電流從而形成對焊接面的局部加熱， 使其達到焊接溫度，而內(nèi)、外壁材料大部分保持原樣(即未達到焊接高溫或者能引起材料微結(jié)構(gòu)的變化的溫度)。這樣，感應(yīng)加熱產(chǎn)生了一個可控制的熱量影響區(qū)域(HAZ)74，它在內(nèi)、外壁寬度范圍內(nèi)基本都是均勻的。一旦對上、下冠部12、14進行加熱并彼此接觸，最好對部件12、14進行少許扭轉(zhuǎn)， 將焊接面磨合，使得焊接界面70處上、下冠部的材料得到高度一體化的冶金學(xué)上的融合或接合。上、下冠部12、14扭轉(zhuǎn)少許角度，不大于一圈，最好為2-4度。如果上、下冠部有不對稱的地方，諸如閥套20或偏移的燃燒皿18，它們在焊接好的活塞中按銷孔軸B進行適當定位是很重要的。相應(yīng)的，小心控制上、下冠部12、14的位置和固定，使得在焊接前按銷孔軸 B錯位的地方通過扭轉(zhuǎn)進行適當定位。如圖6所示，焊接后，對活塞10進行最后的加工操作，在環(huán)形帶M上加工一系列環(huán)形槽76。環(huán)形槽76最好在導(dǎo)油槽68之上，這樣，焊接界面70在外壁M、42上的位置在最低的環(huán)形槽76之下。在焊接上、下冠部12、14之后，在冠部12、14之間，以內(nèi)、外壁22、40 ；24、42，上壁 16，下壁50為界，形成一個封閉的油溝78，焊接界面70暴露于該油溝78中。冠部12、14可以形成或加工有合適的流入油溝78的進油和排油管道，它可較優(yōu)地在焊接前隨前述的其它最后加工的表面一起形成的?？梢岳斫獾氖牵捎诤附用嫔?、觀和44、46是在接合之前被加熱線圈72所加熱而非接合之后，因而可對接合面進行直接、均勻和高度可控性的加熱。如圖8所示，由于材質(zhì)、 幾何結(jié)構(gòu)等的不同，若將線圈等距放置在兩個接合面之間，上、下冠部的接合面將不能被均勻加熱。如圖8中的范例所示，上冠部12的焊接面沈、28比下冠部需要更多或更強烈的加熱，因此感應(yīng)線圈72被偏向于焊接面沈、28，這樣能更接近上冠部。這樣，即使兩部分的焊接溫度不同或一部分需要比另一部分更多的能量來達到焊接溫度，也可保證根據(jù)各自的焊接溫度對配合的焊接面進行適當?shù)募訜嶂钡剿璧暮负蠝囟取Ｍㄟ^將線圈72移向需要更多熱量的部分以及從需要較少熱量的部分移開，可以達到適當?shù)钠胶馕恢茫瑢p少過熱并防止焊接前的加熱不足。對上、下冠部相對加熱的控制可使上、下冠部12、14由具有不同焊接溫度的不同材料、或有不同加熱要求的相同或不同的材質(zhì)的結(jié)構(gòu)制造，以便在適當?shù)臅r間達到適當?shù)暮附訙囟纫酝瓿珊附?。部?2、14最好由鋼，更佳的是由SAE 4140等級的鋼制成。部件12、14在焊接前先進行回火以達到回火馬氏體結(jié)構(gòu)，硬度為^_34Rc。焊接接頭中心的硬度為35-50，最好向該范圍內(nèi)的低端靠攏。采用感應(yīng)線圈對焊接面進行有控制的預(yù)加熱，焊接接頭的硬度能控制在38-42RC之間。預(yù)加熱有效地“徐熱”焊接面并將熱量穿透至表面以下。這有利于在焊接后降低焊接區(qū)域材質(zhì)的“淬火”作用，以達到防止在中間產(chǎn)生未回火馬氏體，而產(chǎn)生貝氏體。該4140材質(zhì)有利于被抑制的TTT弧線從而得到在合理時間內(nèi)(如幾秒)可控制冷卻的效果。圖9顯示的是圖8中活塞的一種變型，在上、下內(nèi)壁22、40上的焊接界面70與位于上、下外壁64、66上的焊接接頭70處于不同平面。同時顯示的是，在外壁64、66上的焊接界面70在臨近環(huán)形槽76，最好在最低環(huán)形槽上方的環(huán)形區(qū)中。圖10是本發(fā)明的另一個變型，一旦加熱，彼此接觸并通過焊接界面70相連的上、 下冠部12、14，在焊接界面70處的金屬仍然保持熱塑狀態(tài)下，被少許拉開，以從初始的微凸狀態(tài)局部降低連接壁的厚度，并在焊接界面70區(qū)域的壁處形成一個稍細的縮頸區(qū)域76。另外，至少內(nèi)壁22、40能在焊接前在其端面上形成凹槽，這樣在焊接后，可在壁22、40上形成空腔78。在焊接后，焊接界面70可用感應(yīng)加熱或其它方法進行熱處理以回火，以使焊接界面70處的金屬的微結(jié)構(gòu)改變，例如從馬氏體變成回火馬氏體。顯然，按以上示教，本發(fā)明有多種變化的可能。因此，在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)，本發(fā)明除上述說明外還可有多種實現(xiàn)方式。本發(fā)明由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種制造活塞的方法，包括制造一個至少擁有一個配合面的第一活塞部件；制造一個與第一部件分離的至少擁有一個配合面的第二活塞部件；將第一、第二活塞部件的配合面相間隔；隨著配合面相間隔，將配合面加熱到足夠焊接的溫度；將加熱后的接觸面彼此接觸并將活塞部件通過接觸面相焊接，在配合面仍然熱的情況下，將活塞部件彼此軸向拉開以降低配合面的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的配合面的加熱由感應(yīng)加熱完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，當配合面相間隔時，第一部件的和第二部件的配合面間形成一個間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的感應(yīng)加熱是通過將感應(yīng)線圈伸入該間隙中并通電以加熱配合面，然后，在第一和第二部件接觸前將感應(yīng)線圈從間隙中取出而完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在配合面接觸的過程中，第一和第二部件相互扭轉(zhuǎn)以使配合面相對滑動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，扭轉(zhuǎn)角度小于360°。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，扭轉(zhuǎn)角度小于180°。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，扭轉(zhuǎn)角度小于90°。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，扭轉(zhuǎn)角度小于45°。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，扭轉(zhuǎn)角度小于30°。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，扭轉(zhuǎn)角度小于20°。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，扭轉(zhuǎn)角度小于10°。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，扭轉(zhuǎn)角度小于5°。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，相對于第一或第二部件配合面中的另一個，所述感應(yīng)線圈更靠近其中的一個配合面放置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，第一和第二部件由不同材料制造。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在加熱和焊接配合面之前，第一部件中有加工完成的燃燒皿，第二部件中有加工完成的銷座和銷孔。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，制成的活塞在環(huán)形帶中有感應(yīng)焊接頭， 感應(yīng)焊接頭位置在環(huán)形帶中的最低的環(huán)形槽以下。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在加熱并同第二部件連接之前，第一部件中有裝配閥套。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在配套的第一、第二部件相配合的壁上形成有配合面。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述壁是環(huán)形的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，配合面在壁的縮頸端部區(qū)域中。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在配合面彼此接觸之前和之后，任何需要將配合面加熱以達到焊接溫度的加熱過程是不連續(xù)的。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一和第二部件間的環(huán)形冷卻通道形成在由徑向間隔的成對的側(cè)壁、上壁和下壁焊合而成的第一和第二部件之間。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，配合面在側(cè)壁上形成，使焊接接頭在暴露于冷卻通道的各個配合面處的側(cè)壁中形成。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一部件中形成有燃燒皿，第二部件中形成有一對銷座和對于銷座不可移動的活塞裙。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一部件關(guān)于一個含有第一部件縱軸線的平面不對稱。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在配合面間形成一個空腔。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在焊接后，焊接的配合面通過回火操作來進一步加熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種活塞，特別是適用于重型柴油機引擎的活塞，由獨立的，具有沿圓周伸展的焊接面的部件裝配而成，焊接面被加熱至適合于焊合焊接面的溫度，然后焊接面彼此接觸并在接合界面處扭轉(zhuǎn)以完成永久性的冶金學(xué)上的焊接。該活塞具有同時焊接的徑向間隔開的壁。焊接接頭可位于相同或不同的平面。一旦焊接并且部件還是熱的時候，可將部件稍微拉開以減少焊接接頭處的壁厚。
文檔編號F01B31/08GK102380679SQ20111022270
公開日2012年3月21日 申請日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者蘭德爾·蓋澤, 卡爾莫·里貝羅, 托馬斯·埃格雷爾 申請人:費德羅-莫格爾公司