CH407712A - Verfahren zum Herstellen mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen und nach dem Verfahren hergestellter Kolben - Google Patents

Description

  Verfahren zum Herstellen mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen  und nach dem Verfahren hergestellter Kolben    Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren     zum     Herstellen mehrteiliger Kolben, insbesondere für  thermisch hochbeanspruchte Brennkraftmaschinen.  



  Die Herstellung     mehrteiliger    Kolben ist an sich  bekannt, ebenso ist bekannt, die einzelnen Teile     eines     mehrteiligen Kolbens mechanisch durch Schrauben  oder Schrumpfung oder durch Stumpfschweissung  oder eine andere Schweissmethode miteinander zu  verbinden. Diese Lösungen     halben    jedoch nicht be  friedigt. Bei der mechanischen Verbindung durch  Schrauben und beim     Aufschrumpfen    besteht die Ge  fahr, dass sich die Teile lösen. Beim     Stumpfschweis-          sen    ist man an     bestimmte    Formen. und Abmessungen  gebunden, und ausserdem lassen sich nur wenige  Legierungen einwandfrei stumpfschweissen.

   Zudem  wird der Werkstoff an der Schweisstelle stark über  hitzt und dadurch seine     Eigenschaften,    je nach Legie  rung, zum Teil unzulässig verändert bzw. verschlech  tert. Es ist auch schwierig bzw. kaum     möglich,    die  Qualität der Schweissung zerstörungsfrei zu kontrol  lieren.  



  Andere Schweissverfahren, zum Beispiel     Auto-          genschweissung,    Schutzgasschweissung oder elektri  sche Lichtbogenschweissung haben noch grössere  Nachteile. Bei der Autogenschweissung werden  grosse     Gebiete    der Schweissnaht überhitzt und der       Werkstoff    dadurch in seinen     Eigenschaften,    je nach  Legierung, unzulässig verschlechtert, insbesondere  das Verformungsvermögen wird beeinträchtigt bzw.  der Werkstoff versprödet.

   Ausserdem treten starke  Deformationen auf, und es besteht auch die Ein  schränkung, dass nicht jeder     in,    Frage kommende  Werkstoff     einwandfrei    autogen geschweisst werden  kann. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei der elektri  schen Lichtbogenschweissung und bei der Schutzgas-    schweissung. Diel Wärmezufuhr ist etwas geringer  als bei der     Autogenschweissung,    aber     in    vielen Fällen  immer noch unzulässig hoch, so dass. die bei der       Autogenschweissung    erwähnten Mängel     ebenfalls        in          Erscheinung    treten.  



  Alle diese Nachteile lassen sich durch das     erfin-          dungsgemässe        Verfahren    beheben. Dieses ist dadurch       gekennzeichnet,    dass man nach dem Zusammenbau  der     einzelnen    Kolbenteile den Kolben     in    eine Hoch  vakuumkammer     bringt,    ihn an die Anode     einer          Hochspannungsquelle        anschliesst    und die     einzelnen     Teile von einer gegenüberliegenden     Kathode    durch  einen gebündelten, gerichteten Kathodenstrahl durch  Elektronenstrahlschweissung miteinander verbindet.  



  Die     Erfindung    betrifft ferner einen nach dem  Verfahren hergestellten Kolben. Dieser ist dadurch       gekennzeichnet,        dass    auf dem     Kolbenkörper,    beste  hend aus Kolbenboden, Kolbenschaft und Bolzen  augen, mindestens     ein    über die     Ringpartie    geschobe  nes Stück vorhanden ist, welches durch     Elektronen-          strahlschweissung    mit dem Kolbenkörper verbunden       ist.     



  Das erfindungsgemässe Verfahren und Ausfüh  rungsbeispiele von erfindungsgemässen Kolben wer  den     anhand    der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:  Fig. 1 und 2 Längsschnitte durch Dieselmotor  kolben mit durch Elektronenstrahlschweissung mit  dem Kolbenkörper verbundenen     Koibenringträgerl     ringen,

         Fig.    3     einen        Schnitt    durch     einen    Teil     eines    Kol  bens     mit    einer Tiefschweissnaht in     vergrösserter    Dar  stellung und       Fig.    4 in schematischer Darstellung eine Vorrich  tung zur     Durchführung    des Verfahrens     in    schemati  scher Darstellung.

        Während für die meisten in der Praxis vorkom  menden Schweissungen das an sich bekannte     Elek-          tronenstrahlschweissverfahren    ausscheidet bzw. zu  umständlich und infolge des Auftretens von Röntgen  strahlen auch zu gefährlich ist, handelt es sich für die  Herstellung von     mehrteiligen    Kolben um eine neuar  tige     Erkenntnis.,    die gestattet, in idealer Weise die  bisherigen     Schwierigkeiten    zu     vermeiden.     



  In den Fig. 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele  der oberen Hälften von mehrteiligen Kolben darge  stellt, die nach dem     erfindungsgemässen        Verfahren.     hergestellt sind. In     den    beiden Figuren sind die bei  den Kolbenhälften anders ausgebildet, so dass insge  samt vier verschiedene Ausführungsbeispiele darge  stellt sind. Die     Kolben    besitzen einen     Kolbenkörper     2, der in bekannter Weise einen Kolbenboden 2a,  einen Kolbenschaft 2b und Bolzenaugen 2c umfasst.  Im Bereiche des Kolbenbodens ist     ein    Ring 3, der als  Kolbenringträger dient, durch Schweissnähte 1a und  1b mit dem Kolben verbunden.  



  Das     Verschweissen    des Ringes 3 mit dem Kolben  geschieht in einer in Fig. 4 schematisch dargestellten  Hochvakuumkammer 11. An diese sind eine Flügel  radpumpe 14 und eine Öldampfpumpe 15 ange  schlossen. Der     zu    schweissende Kolben 10 wird mit  aufgesetztem Ring 3 durch eine Schleuse 16 in die  Kammer 11 eingebracht und auf einen Halter 17     ge-          setzt,    der     mittels    eines Motors 18 in Rotation versetzt  werden kann. Durch einen weiteren Motor 19 lässt  sich der     Halter    17 axial, d. h. in der Höhe verstellen.

    Der Halter 17 ist     an    die Anode einer Hochspan  nungsquelle 12 von beispielsweise 100-150     kV    an  geschlossen. Gegenüber dem Halter. 17 mit dem Kol  ben 10     ist    eine an die Hochspannungsquelle 12 ange  schlossene Kathode mit Strahlbündler 13 angeordnet.  Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung dient zum       Schweissen    der Naht la auf der     Stirnseite    des Kol  bens.

   Die Schweissung wird bei einem Vakuum von  beispielsweise 10-4 bis 10-9 Torr durch einen ge  bündelten,     gerichteten    Kathodenstrahl unter gleich  zeitiger Drehung des Halters 17     durchgeführt.    Für  die Schweissung der Naht 1b auf der Mantelfläche  des Kolbens wird eine     gleiche    Vorrichtung mit einem  in Fig. 4a dargestellten Halter, 17a verwendet, in der  mittels eines Motors 20 der liegend     eingespannte     Kolben 10 um seine Hauptachse gedreht werden       kann.     



  Durch die Elektronenstrahlschweissung im Hoch  vakuum werden alle     schädlichen    Einflüsse durch  Oxydation, Gasaufnahme und andere chemische Ein  wirkungen vollständig vermieden; es braucht auch  keine Flussmittel. Man erhält eine absolut reine  Schweissung, frei von allen Verunreinigungen. Das  feine Elektronenstrahlbündel als Ladungsträgerstrahl  aus     elektrisch    geladenen Atomteilchen ermöglicht  eine bisher nicht gekannte Leistungskonzentration  auf kleinstem Raum. Die Energie     ist        örtlich        scharf     lokalisiert und ergibt eine genau trägheitslos regulier  bare Schweissung von sehr geringer Nahtbreite, die  in der Regel auch bei mehreren Zentimetern Tiefe    nur ca. 1 mm beträgt.

   Dabei wird nur ein sehr kleines  Gebiet in der Naht verflüssigt, das     sehr    schnell wie  der     erstarrt.    Die Elektronenstrahlen besitzen eine  aussergewöhnliche Stabilität als Träger elektrischer La  dung sowie eine verschwindend kleine Masse. Sie wei  sen bequeme Erzeugungs- und Beschleunigungsmög  lichkeiten auf, bei einem sehr hohen Wirkungsgrad,  wobei etwa 99 % der Strahlung beim Auftreffen in       Wärme    umgesetzt werden. Dadurch wird eine über  hitzung des Kolbenwerkstoffes weitgehend vermie  den. Die Absorption der Energie erfolgt ohne Zeit  verlust bis etwa 1000 Mal schneller als die Ausbrei  tung der Wärme durch Leitung.

   Die Schweissnaht  weist infolge der raschen Erstarrung und der dadurch  bedingten, feinkörnigen Kristallisation sehr gute  mechanische Eigenschaften auf. Bei bestimmter     gros-          ser        Leistungsdichte-        dringt    der     Elektronenstrahl     als schmaler Kanal in die Naht, gibt seitlich  seine Energie ab, und es entsteht     örtlich    ein feiner,  geschmolzener, spitzkeilförmiger Kanal (vgl. Fig. 3).

    Das Gefüge des Grundmaterials bleibt praktisch     un-          verändert,    abgesehen von der sehr     schmalen,    ther  misch     beeinflussten    Übergangszone.     Schrumpfung     und Verzug     fallen    praktisch ausser Betracht, so dass  eine Schweissung in weitgehend bearbeitetem Zu  stand des Kolbens möglich ist. Man kann sowohl bei  konstantem Strom als auch mit Impulsen arbeiten,  letzteres, um die     Erwärmung    noch geringer zu     halten.     Die Durchschweissung lässt sich genau einstellen, so  dass Gewähr für einwandfreie Durchschweissung       vorhanden    ist.

   Infolge der Eigenart des     Elektronen-          strahles    und seiner hohen Leistungsdichte bei klein  sten Auftreff-Querschnitten spielen Querschnittsun  terschiede keine Ralle, d. h. es lassen sich dünne und  dicke Querschnitte ohne Schwierigkeit     zusammen-          schweissen.    Es     (besteht    eine weitgehende Beeinfluss  barkeit des thermischen Vorganges für den günstig  sten Ablauf der Schweissung. Auch die Eigenschaften  der zu verschweissenden Werkstoffe sind nicht mehr  ausschlaggebend; im     Gegenteil,    es lassen sich z. B.

         ganz    verschiedene Werkstoffe mit verschiedenen       Eigenschaften    einwandfrei miteinander     verschweis-          sen.    Ein wesentlicher     Vorteil    des     Verfahrens    besteht  auch darin, dass nach den üblichen     Schweissverfah-          ren    nicht einwandfrei schweissbare Legierungen, z. B.  übereutektische Al-Si-Kolbenlegierungen, mit dem       Elektronenstrahl        einwandfrei        verschweisst    werden  können. Die Ausführung der Schweissung lässt sich  voll mechanisieren.

   Die Elektronenstrahl-Leistung ist       klein    und beträgt in der Regel nur einige     hundert     Watt. Nach Einstellung von     Spannung,    Stromstärke  und Vorschubgeschwindigkeit arbeitet eine     Elektro-          nenschweissanlage    selbständig mit grösster Sicherheit,  und unter Verwendung einer Schleuse lassen sich  ohne weiteres kontinuierlich Kolben in die     Hochva-          kuum-Kammer    einbringen.  



  Durch das beschriebene Verfahren der     Elektro-          nenstrahl-Schweissung    lassen sich somit Kolben aus  einer     Aluminium-Legierung        mit        Kolbenringträgern    3  aus einem     Werkstoff    von höherer Verschleiss- und      Warmfestigkeit, z. B. aus austenitischem Gusseisen,  aus einem Aluminium-Sinterwerkstoff oder aus einer  Kupferlegierung     einwandfrei        verschweissen.    Es muss  lediglich darauf geachtet werden,     dass    der Kolben  körper und der aufgeschweisste Ring einen ungefähr  gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufwei  sen.

   Es spielt keine Rolle, ob der Kolbenkörper oder  der übergeschobene Ring 3 aus gegossenem oder  knetverformtem Material hergestellt sind.  



  Es besteht auch     die    Möglichkeit, nach diesem  Verfahren die Kolben mit einer Kühlung zu verse  hen. Zu diesem Zweck kann man in der Ringträger  partie Kühlkanäle 4     einarbeiten,    einen Ring 3 dar  überschieben, wobei man in der Werkstoffwahl weit  gehend frei ist, und diesen mit dem Kolbenkörper  verschweissen. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten  Ausführungsbeispiele von mittels Elektronenstrahl  geschweissten Kolben zeigen vier verschiedene Aus  führungsformen von     Kühlkanälen    4.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum Herstellen mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass man nach dem Zusammenbau der einzelnen Kolbenteile den Kolben in eine Hochvakuumkammer bringt, ihn an die Anode einer Hochspannungsquelle anschliesst und die einzelnen Teile von einer gegen überliegenden Kathode durch einen gebündelten, ge richteten Kathodenstrahl durch Elektronenstrahl- schweissung miteinander verbindet. II.

   Nach dem Verfahren nach Patentanspruch I hergestellter, mehrteiliger Kolben für Brennkraftma- schinen, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kol benkörper, bestehend aus Kolbenboden, Kolben schaft und Bolzenaugen, mindestens ein über die Ringpartie geschobenes Stück vorhanden ist, welches durch Elektronenstrahlschweissung mit dem Kolben körper verbunden ist. UNTERANSPRÜCHE 1. Kolben nach Patentanspruch II, dadurch ge kennzeichnet, dass das an der Ringpartie überge schobene und elektronenstrahlverschweisste Stück (3) einen mindestens annähernd gleichen linearen Aus- dehnungskoeffizienten aufweist wie der Kolbenkör per. 2.

   Kolben nach Patentanspruch II, dadurch ge kennzeichnet, dass das an der Ringpartie Überge schobene und elektronenstrahlgeschweisste Stück (3) eine höhere Wärmefestigkeit und Verschleissfestigkeit aufweist als die übrigen Kolbenteile. 3. Kolben nach Patentanspruch II, dadurch ge- kennzeichnet, dass die miteinander verschweissten Teile aus verschiedenen Legierungen bestehen. 4.

   Kolben nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass das an der Ringpartie übergeschobene, die Kolbenringnuten enthaltende und elektronenstrahlgeschweisste Stück (3) aus einer warmfesten, verschleissfesten Aluminium-Legierung besteht, der Kolbenkörper dagegen aus einer Alumi nium-Kolbenlegierung. 5. Kolben nach Patentanspruch II, dadurch ge kennzeichnet, dass das an der Ringpartie überge schobene, die Kolbenringnuten enthaltende und elek- tronenstrahlgeschweisste Stück aus einer warmfesten, verschleissfesten Eisenlegierung besteht, der Kolben körper dagegen aus einer Aluminiumkolbenlegierung. 6.

   Kolben nach Patentanspruch II, dadurch ge- kennzeichnet, dass das an der Ringpartie überge schobene, die Kolbenringnuten enthaltende und elek- tronenstrahlgeschweisste Stück aus austenitischem Gusseisen, oder Sphäroguss besteht, der Kolbenkör per dagegen aus einer Aluminium-Kolbenlegierung. 7.

   Kolben nach Patentanspruch II, dadurch ge kennzeichnet, dass das an der Ringpartie überge schobene, die Kolbenringnuten enthaltende und elek- tronenstrahlgeschweisste Stück aus einer warm- und verschleissfesten Kupferlegierung besteht, der Kol benkörper dagegen aus einer normalen Aluminium- Kolbenlegierung. B.

   Kolben nach Patentanspruch II, dadurch ge kennzeichnet, dass das an der Ringpartie überge schobene, die Kolbenringnuten enthaltende und elek- tronenstrahlgeschweisste Stück (3) am Übergang zum Kolbenkörper eingearbeitete Kühlkanäle (4) aufweist.