sowie mittels des Verfahrens hergestellter Kolben

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit mindestens zwei Kolbenbauteilen, wobei mindestens zwei Kolbenbauteile entlang ihrer korrespondierenden Fügeflächen über mindestens eine radial oder axial umlaufende Laserschweißnaht miteinander verbunden werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen mit einem derartigen Verfahren herstellbaren Kolben.

Kolbenbauteile werden immer häufiger mittels eines Laserschweißverfahrens gefügt, so dass diese Technik zunehmend an Bedeutung gewinnt. Bei axial oder radial umlaufenden Laserschweißnähten stellt sich das Problem, dass in dem Bereich, in dem sich der Anfang und das Ende der umlaufenden Laserschweißnaht überlappen, die Laserschweißnaht nicht durchgeschweißt ist, sondern eine reduzierte Schweißnahttiefe aufweist. Dies liegt darin begründet, dass die Leistungsdichte bzw. die Streckenenergie zu Beginn des Laserschweißvorgangs zunächst kontinuierlich gesteigert werden muss (sog. Auframpen) und gegen Ende des Laserschweißvorgangs kontinuierlich reduziert werden muss (sog. Abrampen). Während des Auframpens und des Abrampens findet aufgrund der dann zu geringen Leistungsdichte bzw. Streckenenergie kein Durchschweißen der Laserschweißnaht statt. Dies hat zur Folge, dass beim Abkühlen der Laserschweißnaht in ihrem nicht durchgeschweißten Bereich Gefügedefekte, bspw. Risse, auftreten können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Kolbens so weiterzuentwickeln, dass der Bildung von Gefügedefekten im nicht durchgeschweißten Bereich der Laserschweißnaht wirksam entgegengewirkt wird bzw. bereits entstandene Gefügedefekte behoben werden.

Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den folgenden Schritten: a) Ausrichten der mindes-

BESTÄTIGUNGSKOPIE tens zwei Kolbenbauteile entlang ihrer korrespondierenden Fügeflächen, b) Aktivieren eines für ein Tiefschweißverfahren eingerichteten Lasers und Ausrichten des vom Laser erzeugten Laserstrahls an einen definierten Startpunkt im Bereich der Fügeflächen, c) Steigern der Leistungsdichte (Auframpen) des Laserstrahls ausgehend vom definierten Startpunkt (SP) über eine definierte Strecke (Sl ) entlang der korrespondierenden Fügeflächen unter Erzeugung einer Auframpschweißnaht mit zunehmender Schweißnahttiefe, d) umlaufendes, vollständiges Durchschweißen entlang der korrespondierenden Fügeflächen mittels Tiefschweißen unter Erzeugung einer Tiefschweißnaht mit im Wesentlichen konstanter Schweißnahttiefe zumindest bis zu einem definierten Endpunkt (EP), e) Reduzieren der Leistungsdichte (Abrampen) des Laserstrahls über eine definierte Strecke (S2) unter Erzeugung einer Abrampschweißnaht mit abnehmender Schweißnahttiefe, f) Überschweißen zumindest eines Teils der definierten Strecken (S1 , S2) mittels Wärmeleitungsschweißen unter Verwendung eines für ein Wärmeleitungs- schweißverfahren eingerichteten Lasers unter Erzeugung mindestens einer Wärmeleitungsschweißnaht.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist und somit im Ergebnis eine Laserschweißnaht aufweist, die aus einer Tiefschweißnaht und einer Wärmeleitungsschweißnaht zusammengesetzt ist.

Im Rahmen der Offenbarung der vorliegenden Patentanmeldung werden die Begriffe„Wärmeleitungsschweißen" und„Tiefschweißen" wie folgt verstanden :

Beim Wärmeleitungsschweißen schmelzen die Werkstoffe der zu verbindenden Bauteile im Bereich der Fügeflächen ausschließlich durch Wärmeleitung, d.h. durch Absorption der Energie des Laserstrahls ausschließlich im Bereich der Bauteiloberflächen. Der aufgeschmolzene Werkstoff beider Bauteile verbindet nach seinem Erstarren die Bauteile miteinander. Die Nahtbreite ist in der Regel größer als die Nahttiefe. Die hierfür benötigte Energiedichte des Laserstrahls beträgt typischerweise 1 x 10 ⁴ W/cm ² bis 1 x 10 ⁵ W/cm ² . Beim Tiefschweißen wird der Werkstoff der Bauteile entlang der Fügeflächen so stark erwärmt, dass die Temperatur in diesem Bereich die Verdampfungstemperatur der Werkstoffe überschreitet. Dadurch wird entlang der Fügeflächen eine von geschmolzenem Werkstoff umgebene Dampf kapillare erzeugt, die sich mit dem Laserstrahl bewegt. Der auf der Rückseite der Dampfkapillare erstarrende Werkstoff erzeugt eine schmale Tiefschweißnaht, deren Schweißnahttiefe wesentlich größer ist als die Schweißnahtbreite. Die hierfür benötigte Energiedichte des Laserstrahls beträgt in der Regel mehr als 1 x 10 ⁶ W/cm ² .

Die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegende erfinderische Idee besteht darin, dass ein Tiefschweißverfahren und ein Wärmeleitungsschweißverfahren miteinander kombiniert werden, derart, dass im Bereich der definierten Strecken (Sl , S2) auftretende Gefügedefekte durch ein lokal begrenztes Wärmeleitschweißverfahren vermieden werden und/oder durch das erneute Aufschmelzen des Werkstoffs behoben werden. Dadurch wird auch eine Vergrößerung bereits vorhandener Gefügedefekte, ausgehend von den während der Abkühlung der Laserschweißnaht entstehenden Gefügedefekten, vermieden. Dieser Effekt beruht auf der größeren Schweißnahtbreite der Wärmeleitungsschweißnaht und somit auf einer reduzierten thermischen Spannung sowie einer gleichmäßigeren Gefügeausbildung während des Erstarrens des Werkstoffs. Insbesondere können bei der Fertigbearbeitung der Oberfläche des Kolbens im Bereich der Laserschweißnaht keine Gefügedefekte in Form von nach außen geöffneter Risse mehr entstehen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es besonders einfach in einen bestehenden Prozessablauf zur Herstellung des Kolbens integriert werden kann. Vor dem Laserschweißprozess bestehende Prozessstationen wie Vorbearbeitung, Ausrichten, ggf. Vorerwärmen der zu fügenden Bauteile bzw. nach dem Laserschweißprozess bestehende Prozessstationen wie Wärmenachbehandlung und Fertigbearbeitung können unverändert beibehalten werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Vorzugsweise wird in Schritt c) die Länge der definierten Strecke, abhängig von den Abmessungen des Kolbens, auf 5 mm bis 15 mm eingestellt. In vergleichbarer Weise wird in Schritt e) die Länge der definierten Strecke vorzugsweise auf 5 mm bis 25 mm eingestellt.

In Schritt d) wird die Schweißnahttiefe der Tiefschweißnaht vorzugsweise auf 2 mm bis 12 mm eingestellt. Besonders bevorzugt wird die Tiefschweißnaht vollständig durchgeschweißt.

Eine besonders bevorzugte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der zeitliche Abstand zwischen Schritt e) und Schritt f) maximal 10 Sekunden beträgt, um eine Ausbildung von Gefügedefekten während der Abkühlung besonders wirksam zu unterdrücken. Zur Verkürzung des zeitlichen Abstands können insbesondere in Schritt e) und in Schritt f) zwei separate Laser verwendet werden, wobei in Schritt f) vor der Beendigung von Schritt e) unter Verwendung eines separaten Lasers mit dem Wärmeleitungsschweißprozess begonnen wird.

Vorzugsweise wird in Schritt f) die definierte Strecke (S2) vollständig überschweißt, um eine weitergehende Ausbildung von Gefügedefekten besonders effektiv zu unterbinden. Gegebenenfalls kann auch die Laserschweißnaht teilweise oder vollständig überschweißt werden.

Die mindestens eine Wärmeleitungsschweißnaht ist bevorzugt längs zur Tiefschweißnaht orientiert, um eine möglichst einheitliche Gefügeausbildung während des Erstarrens des aufgeschmolzenen Werkstoffs zu erzielen. Es kann aber auch ein Schweißen quer und/oder parallel zur Tiefschweißnaht erfolgen, bspw. in Form von wellen- oder zickzackförmigen Schweißnähten. Die Schweißnahttiefe der Wärmeleitungsschweißnaht beträgt bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders zum Fügen eines ersten Kolbenbauteils in Form eines Kolbengrundkörpers und eines zweiten Kolbenbauteils in Form eines ringförmigen Bauteils, bspw. eines Muldenrandelements oder eines Ringnutenelements, geeignet. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Kolbens im Schnitt;

Figur 2 die Kolbenbauteile des Kolbens gemäß Figur 1 vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schnitt;

Figur 3 eine Draufsicht auf den Kolben gemäß Figur 1 ;

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;

Figur 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen

Verfahrens.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kolbens 10, sowohl mit seinen im Ausführungsbeispiel zwei einzelnen Kolbenbauteilen 1 1 , 18 vor dem Verbinden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren (Figur 2) als auch nach dem Verbinden der Kolbenbauteile 1 1 , 18 (Figuren 1 und 3). Der Kolben 10 weist im Ausführungsbeispiel ein als Kolbengrundkörper ausgebildetes erstes Kolbenbauteil 1 1 auf, das bspw. aus einem Vergütungsstahl wie bspw.

42CrMo4 oder einem AFP-Stahl wie bspw. 38MnVS6 hergestellt ist. Das erste Kolbenbauteil 1 1 weist einen äußeren Teil eines Kolbenbodens 12, einen umlaufenden Feuersteg 13 sowie eine umlaufende Ringpartie 14 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Das erste Kolbenbauteil 1 1 weist ferner den Boden 15a einer Verbrennungsmulde 15 auf. Das erste Kolbenbauteil 1 1 bildet somit einen wesentlichen Teil des Kolbenkopfes 16 des Kolbens 10. Das erste Kolbenbauteil 1 1 bildet ferner in an sich bekannter Weise den Kolbenschaft 17 des Kolbens 10.

Der Kolben 10 weist ferner ein als Muldenrandelement ausgebildetes, ringförmiges zweites Kolbenbauteil 18 auf. Das zweite Kolbenbauteil 18 umfasst im Ausführungsbeispiel die gesam- te Muldenwand 15b sowie den Muldenrandbereieh 15c der Verbrennungsmulde 15 und ferner einen inneren Teil des Kolbenbodens 12. Das zweite Kolbenbauteil 18 besteht vorzugsweise aus einem besonders widerstandsfähigen Werkstoff. Hierfür kann wie für den Kolbengrundkörper 1 1 ein identischer oder artgleicher Vergütungsstahl oder AFP-Stahl verwendet werden.

Das erste Kolbenbauteil 1 1 und das zweite Kolbenbauteil 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 zweite Kolbenbauteil 18 weist eine untere umlaufende Fügefläche 24a (vgl. Figur 2) auf, die mit einer umlaufenden, den Boden 15a der Verbrennungsmulde 15 umschließenden Fügefläche 23a (vgl. Figur 3) des ersten Kolbenbauteils 1 1 eine untere Laserschweißnaht 21 bildet. Die untere Laserschweißnaht 21 verläuft im Ausführungsbeispiel, ausgehend von der Muldenwand 15b, radial nach außen und unten in Richtung des Kolbenschafts 17 und mündet in den Kühlkanal 19.

Das zweite Kolbenbauteil 18 weist ferner eine obere umlaufende Fügefläche 24b, (vgl. Figur 2) auf, die mit einer im Bereich des Feuerstegs 13 umlaufenden Fügefläche 23b (vgl. Figur 2) des ersten Kolbenbauteils 1 1 eine obere Laserschweißnaht 22 bildet. Die obere Laserschweißnaht 22 verläuft im Ausführungsbeispiel vom Kolbenboden 12 ausgehend in vertikaler Richtung parallel zur Kolbenmittelachse M und mündet in den Kühlkanal 19.

Die untere Laserschweißnaht 21 und die obere Laserschweißnaht 22 sind mittels eines Laserschweißverfahrens hergestellt und so angeordnet, dass sie einem Laser 25, 27 bzw. den von ihnen erzeugten Laserstrahlen 26, 28, zugänglich sind.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbens 1 10, nach dem Verbinden seiner Kolbenbauteile 1 1 1 , 1 18. Der Kolben 1 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein als Kolbengrundkörper ausgebildetes erstes Kolbenbauteil 1 1 1 auf, das ebenfalls aus einem Vergütungsstahl wie bspw. 42CrMo4 oder einem AFP-Stahl wie bspw. 38MnVS6 hergestellt sein kann. Das erste Kolbenbauteil 1 1 1 weist einen inneren Teil eines Kolbenbodens 1 12 mit einer Verbrennungsmulde 1 15 auf. Das erste Kolbenbauteil 1 1 1 bildet somit einen wesentlichen Teil des Kolbenkopfes 1 16 des Kolbens 1 10. Das Bauteil 1 1 1 bildet ferner in an sich bekannter Weise den Kolbenschaft 1 17 des Kolbens 1 10.

Der Kolben 1 10 weist ferner ein als Ringnutenelement ausgebildetes ringförmiges zweites Kolbenbauteil 1 18 auf. Das zweite Kolbenbauteil 1 18 umfasst den äußeren Teil des Kolbenbodens 1 12, einen umlaufenden Feuersteg 1 13 sowie eine umlaufende Ringpartie 1 14 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt). Das zweite Kolbenbauteil 1 18 kann ebenfalls aus einem besonders widerstandsfähigen Werkstoff bestehen. Hierfür kann wie für den Kolbengrundkörper 1 1 1 ein identischer oder artgleicher Vergütungsstahl oder AFP-Stahl verwendet werden.

Das erste Kolbenbauteil 1 1 1 und das zweite Kolbenbauteil 1 18 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 1 19. Der Kühlkanal 1 19 verläuft einerseits in Höhe der Ringpartie 1 14 und andererseits in Höhe der Verbrennungsmulde 1 15.

Das erste Kolbenbauteil 1 1 1 und das zweite Kolbenbauteil 1 18 des Kolbens 1 10 weisen analog zu den Kolbenbauteilen 1 1 , 18 des Kolbens 10 Fügeflächen auf (nicht dargestellt), entlang der Laserschweißnähte gebildet werden können. Unterhalb der Ringpartie 1 14 des Kolbens 1 10 ist eine untere Laserschweißnaht 121 ausgebildet. Die untere Laserschweißnaht 121 verläuft im Ausführungsbeispiel, ausgehend von der Ringpartie 1 14, in radialer Richtung horizontal nach innen und mündet in den Kühlkanal 1 19.

Im Kolbenboden 1 12 des Kolbens 1 10 ist eine obere Laserschweißnaht 122 ausgebildet. Die obere Laserschweißnaht 122 verläuft im Ausführungsbeispiel vom Kolbenboden 1 12 ausgehend in vertikaler Richtung parallel zur Kolbenmittelachse M und mündet in den Kühlkanal 1 19.

Die untere Laserschweißnaht 121 und die obere Laserschweißnaht 122 sind mittels eines La- serschweißverfahrens hergestellt und so angeordnet, dass sie einem Laser 25, 27 bzw. den von ihnen erzeugten Laserstrahlen 26, 28, zugänglich sind.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kolbens 10 bzw. 1 10 wird im Folgenden anhand der Figuren 3 und 5 näher beschrieben.

Zunächst werden die zu verbindenden ersten und zweiten Kolbenbauteile 1 1 , 1 1 1 ; 18, 1 18 vorbearbeitet. Insbesondere werden die umlaufenden Fügeflächen 23a, 23b des ersten Kolbenbauteils 1 1 sowie die korrespondierenden umlaufenden Fügeflächen 24a, 24b des zweiten Kolbenbauteils 18 des Kolbens 10 bzw. die Fügeflächen des ersten Kolbenbauteils 1 1 1 und des zweiten Kolbenbauteils 1 18 des Kolbens 1 10 in an sich bekannter Weise für das Laserschweißen vorbereitet.

Nun werden die beiden Kolbenbauteile 1 1 , 18; 1 1 1 , 1 18 in an sich bekannter Weise entlang ihrer korrespondierenden Fügeflächen ausgerichtet. Zweckmäßigerweise wird zunächst die untere Laserschweißnaht 21 , 121 und anschließend die obere Laserschweißnaht 22, 122 im Bereich des Kolbenbodens 12, 1 12 hergestellt. Dazu wird bspw. ein Festkörperlaser verwendet, der für die für ein Tiefschweißverfahren geeigneten Verfahrensparameter eingerichtet ist. Diese Verfahrensparameter hängen in an sich bekannter Weise insbesondere von der Art des Werkstoffs und der Tiefe der Laserschweißnaht ab. Daher sind die folgenden Angabe als Bereichsangaben zu verstehen, innerhalb derer die Verfahrensparameter für das Tiefschweißverfahren bevorzugt gewählt werden.

Laserleistung 2000 W bis 8000 W

Schweißgeschwindigkeit 2 bis 6 m/min, bevorzugt 3 m/min

Strahldurchmesser 200 μιη bis 600 μιτι

Der von dem Laser erzeugte Laserstrahl 26 bzw. 28 wird auf einen definierten Startpunkt SP (vgl. Figur 5) im Bereich korrespondierender Fügeflächen (vgl. Figuren 3 und 4) ausgerichtet. Ausgehend vom Startpunkt SP (vgl. Figur 5) wird der Laserstrahl entlang der Fügeflächen geführt. Zugleich wird seine Leistungsdichte bzw. Streckenenergie über eine definierte Strecke S1 unter Erzeugung einer Auframpschweißnaht 31 mit zunehmender Schweißnahttiefe kontinuierlich erhöht (Auframpen). Die Länge der definierten Strecke S1 kann bspw. 5 mm bis 15 mm betragen. Wenn die für das Tiefschweißen erforderliche Leistungsdichte von mindestens 1 x 10 ^G W/cm ² erreicht ist, erfolgt ein umlaufendes, vollständiges Durchschweißen entlang der korrespondierenden Fügeflächen unter Erzeugung einer Tiefschweißnaht 32 mit im Wesentlichen konstanter Schweißnahttiefe von bspw. 2 mm bis 12 mm, die von der Art des Werkstoffs und der Abmessungen der Kolbenbauteile abhängig ist. Der Laserstrahl 26, 28 ist dabei parallel zu den korrespondierenden Fügeflächen ausgerichtet. Das Durchschweißen wird bis zum Erreichen eines definierten Endpunktes EP fortgesetzt, wobei die Auframpschweißnaht 31 zumindest teilweise überschweißt wird. Anschließend wird ab dem Endpunkt EP die Leistungsdichte des Laserstrahls über eine definierte Strecke S2 unter Erzeugung einer Abrampschweißnaht 33 mit abnehmender Schweißnahttiefe reduziert (Abrampen). Der Endpunkt EP liegt bevorzugt hinter der Auframpschweißnaht 31 , so dass diese vollständig überschweißt wird und dass das Abrampen im Bereich der Tiefschweißnaht 32 beginnt. Die Länge der definierten Strecke S2 kann bspw. 5 mm bis 25 mm, bevorzugt bis zu 20 mm, betragen. Die Länge der Strecke S2 beträgt bevorzugt das Doppelte der Länge der Strecke S1.

Der folgende Verfahrensschritt des Überschweißens sollte möglichst unmittelbar nach Beendigung des Abrampens durchgeführt werden. Das Überschweißen kann auch schon vor Beendigung des Abrampens begonnen werden, so dass der dazu verwendete Laser dem für das Tiefschweißen eingerichteten Laser nachläuft.

Im Verfahrensschritt des Überschweißens wird zumindest ein Teil der definierten Strecken S1 , S2 mittels Wärmeleitungsschweißen mit einer Leistungsdichte des Laserstrahls von 1 x 10 ⁴ W/cm ² bis 1 x 10 ⁵ W/cm ² unter Verwendung eines für ein Wärmeleitungsschweißverfahren eingerichteten Lasers unter Erzeugung mindestens einer Wärmeleitungsschweißnaht 34 (Figur 3) mit einer Schweißtiefe von bevorzugt mindestens 1 mm und höchstens 3 mm überschweißt. Dazu wird bspw. ein Festkörperlaser verwendet, der für die für ein Wärmeleitungsschweißverfahren geeigneten Verfahrensparameter eingerichtet ist. Diese Verfahrensparameter hängen in an sich bekannter Weise insbesondere von der Art des Werkstoffs und der Tiefe der Laser- Schweißnaht ab. Daher sind die folgenden Angabe als Bereichsangaben zu verstehen, innerhalb derer die Verfahrensparameter für das Wärmeleitungsschweißverfahren bevorzugt gewählt werden.

Laserleistung 500 W bis 4000 W

Schweißgeschwindigkeit 0,5 bis 3 m/min, bevorzugt 1 m/min

Strahldurchmesser 500 μιη bis 3000 μηι

Im Ergebnis wird ein Kolben 10, 1 10 mit mindestens einer Laserschweißnaht 21 ,22; 121 ,122 erhalten, die sich aus einer Tiefschweißnaht 32 und einer Wärmeleitungsschweißnaht 34 zusammensetzt (vgl. Figur 4).

Der Kolben 10, 1 10 wird schließlich in an sich bekannter Weise fertig bearbeitet. Hierzu zählt auch, abhängig von den verwendeten Werkstoffen, eine dem Fachmann bekannte Wärmenachbehandlung.