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WO2018149632A1 - Verfahren zum herstellen eines kolbens - Google Patents

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WO2018149632A1
WO2018149632A1 PCT/EP2018/052297 EP2018052297W WO2018149632A1 WO 2018149632 A1 WO2018149632 A1 WO 2018149632A1 EP 2018052297 W EP2018052297 W EP 2018052297W WO 2018149632 A1 WO2018149632 A1 WO 2018149632A1
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WO
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piston
closure element
opening
connecting line
head
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2018/052297
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Hackh
Daniel Mock
Viktor Zeiser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of WO2018149632A1 publication Critical patent/WO2018149632A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/24—Electric supply or control circuits therefor
    • B23K11/26—Storage discharge welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/002—Resistance welding; Severing by resistance heating specially adapted for particular articles or work
    • B23K11/004—Welding of a small piece to a great or broad piece
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    • B23K2101/006—Vehicles
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249—Piston making
    • Y10T29/49252—Multi-element piston making

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a piston for an internal combustion engine.
  • the invention further relates to such a piston.
  • Pistons are used in internal combustion engines, where they are arranged adjustable in cylinders and each defining a combustion chamber. During operation of the internal combustion engine, the pistons transmit the energy released to a tapping unit, in particular a crankshaft, at which a corresponding torque can be tapped. Desirable performance as well
  • a piston is known.
  • the piston has a piston head with a combustion chamber trough facing the combustion chamber and a piston shaft, wherein a circumferential cooling channel for cooling the piston is provided in the piston head.
  • the piston can be exposed to elevated temperatures.
  • the piston has at least one bore which extends through the piston shaft and connects the cooling channel via an opening with the environment. A coolant can be introduced into the cooling channel via the opening and the bore. The opening is subsequently closed by means of a closure element.
  • DE 10 201 1 1 14 105 A1 proposes pressing the closure element into the opening or welding the closure element to the piston.
  • the pressing of the closure element in the opening can cause during operation of the piston to cause leakage in the region of the opening, which can lead to an undesirable leakage of coolant from the piston. If this mixes with the oil in the crankcase, such leaks can damage the piston and / or the associated
  • Closing element and / or the piston which can lead in particular by the high load and / or high temperatures during operation of the internal combustion engine to damage the piston and / or the formation of leaks in the region of the opening, which in turn a leakage of coolant through the leaks May have consequences.
  • the present invention therefore deals with the task for a
  • Method for producing a piston of the aforementioned type and for such a piston improved or at least provide alternative embodiments, which are characterized in particular by a simple production and / or increased stability of the piston.
  • the present invention is based on the general idea
  • closure element with a piston by a resistance welding method, wherein the closure element is used to close an opening connecting a connecting line of the piston with the environment.
  • the capacitor discharge welding previously used in the production of pistons is used to connect the
  • At least one electrical current pulse originating from at least one capacitor is sent through a connection region between the piston and the closure element, which results in a heat input which is essentially restricted to the connection region, so that, on the one hand, a stable and fluid-tight connection between the piston
  • Closing element and the piston comes about and on the other hand caused by welding structural changes of the piston and / or the
  • a piston is initially provided which has a piston head and a piston skirt. Furthermore, the piston has at least one such connecting line, which extends through the piston and is connected via the opening with the environment. Subsequently, the opening is closed with such a closure element by the closure element is welded to the piston by capacitor discharge welding.
  • the connecting line can one in the piston, in particular in the
  • the connecting line can serve in the piston for any purpose.
  • the connecting line can in particular serve the cooling of the piston.
  • connecting line via the opening with a coolant. It is also conceivable, other rooms within the piston, For example, to fill a circulating in the piston head cooling channel to fill via the opening and the connecting line with a coolant. Accordingly, at least one such connecting line can be fluidically connected to the cooling channel, in particular open into the cooling channel. The closing of the opening takes place here after filling with the respective coolant.
  • a hub is preferably provided, which serves to connect the piston to a crankshaft, for example via a connecting rod.
  • piston skirt has at least one in operation or in the assembled state on the cylinder piston skirt and at least one piston box, which is arranged offset inwardly and has the hub or the hub forming apertures. It is preferred if the opening is arranged in such a piston box.
  • the closure element becomes the
  • Capacitor discharge welding with a predetermined force pressed against the piston and at least one electrical current pulse through the
  • any number of current pulses which each have an arbitrary duration and are temporally spaced from one another as desired can be used for connecting the closure element to the piston. It is preferred if at least one such current pulse with a duration of less than 20 ms is used. It is particularly preferred if at least one such current pulse is used with a duration of 10 ms. As a result, the region of the heat input and thus the region in which structural changes take place in the piston and / or the closure element are at least reduced.
  • At least two current pulses are used. It is particularly advantageous if exactly two current pulses are used. It is also advantageous if the current pulses are used at a distance of between 0.1 s and 1 s in each case. It is particularly preferred if the successive current pulses are spaced apart for 0.5 s.
  • Embodiments in which at least one such current pulse, preferably all current pulses, having an amperage between 8 kA and 12 kA prove to be advantageous. Variants in which a current of 10 kA is used prove to be particularly advantageous. As a result, the heat input in an optimal manner for welding the
  • the closure element is pressed against the piston with a force between 1.5 kN and 3.5 kN. It is particularly preferred if the closure element is pressed against the piston with a force of 2.5 kN. This leads in particular to a more stable connection of the closure element to the piston.
  • Closing element filled with a coolant any coolant, for example. A water-containing mixture and the like. Be used. It is also conceivable to use as coolant sodium or potassium or a mixture of sodium and potassium.
  • the method is preferably carried out such that a
  • Capacitor discharge welding conditional structural changes of the piston and the closure element take place less than 400 ⁇ , in particular less than 200 ⁇ , is.
  • This extension preferably relates to a depth of the heat-affected zone running transversely to the contact region between the piston and the closure element.
  • Such a compound has sufficient mechanical strength due to the low heat-affected area.
  • the piston head of the piston may have a combustion bowl, which limits a combustion chamber of the internal combustion engine when mounted in an associated internal combustion engine. It is preferred in this case if the opening is arranged on the side facing away from the combustion bowl trough of the piston. It is conceivable that the piston head has an outer peripheral ring portion for receiving at least one piston ring. It is preferred if the cooling channel is arranged in the region of the ring part in the piston head.
  • the piston and the closure element may in principle be made of any materials, provided they are compatible with the
  • Weld capacitor discharge welding They are each made in particular of a metal or a metal alloy.
  • the closure element can in principle have any desired shape, provided that the opening can be sealed fluid-tight with the closure element.
  • the closure element has a shaft and a head, wherein the shaft is disposed within the opening and the head rests on the outside of the piston.
  • closure element is arranged in the opening or the connecting line in such a way, in particular recessed, that the closure element is flush with the outside of the piston.
  • FIG. 2 shows the section from FIG. 1 in the region of the closure element and in another exemplary embodiment, FIG.
  • Fig. 3 is an enlarged view of the designated in Fig. 2 with III
  • Fig. 4 is an illustration of the piston in another
  • Fig. 5 is a section of the piston of Fig. 4 in the region of
  • a piston 1 of an otherwise not shown internal combustion engine has, as can be seen in Fig. 1, a piston head 2 and one with the piston head. 2
  • the piston skirt 18 has shown in the For example, a piston stem 24 and a piston box 25 on.
  • Piston box 25 has at least one box wall 19 and the piston skirt 24 at least one skirt 3, wherein in the example shown two
  • the piston head 2 has frontally a combustion bowl 4, which limits a combustion chamber of the internal combustion engine, not shown, moreover.
  • the piston skirt 18 is arranged on the side facing away from the combustion bowl 4 side of the piston head 2. Piston head 2 and piston skirt 18 are preferably
  • the piston head 2 has on the outside a circumferential annular portion 5, in which at least one outwardly open groove 6 is provided for receiving a piston ring, not shown, wherein in the example shown in FIG. 1, several such grooves 6 are provided.
  • a circumferential cooling channel 7 is provided inside the piston head 2.
  • a hub 17 is provided, which is the connection of the piston 1 with a not shown
  • the hub 17 is formed by opposite openings 20 in the box walls 19, of which in the sectional plane of FIG. 1, only a piston wall 19 and an opening 20 can be seen.
  • the piston 1 also has at least one connecting line 8, which is located on the side facing away from the combustion bowl 4 side of the cooling channel 7 from the cooling channel 7 with respect to a
  • Piston axis 23 of the piston 1 extends axially away.
  • two such connecting lines 8 can be seen. Both visible
  • Connecting lines 8 are fluidly connected in the example shown with the cooling channel 7 and open into this, wherein one of the connecting lines 8 via a on the side facing away from the combustion bowl 4 side of the piston 1, in particular in the region of the visible box wall 19, arranged opening 9 with the environment connected is.
  • the cooling channel 7 and / or the connecting lines 8 can be filled via the opening 9 with a coolant 10.
  • the coolant 10 may in principle be any.
  • the coolant 10 may contain sodium and / or potassium.
  • the respective connecting line 8, in particular the connection line 8 connected to the environment via the opening 9, can be introduced into the piston 1 as a bore 22.
  • the opening 9 is closed fluid-tight after filling the piston 1 with the coolant 10 by means of a closure element 1 1.
  • the closure element 1 1 according to the invention by
  • the closure element 1 1 with a force of preferably between 1, 5 kN and 3.5 kN, in particular of 2.5 kN, pressed against the piston 2.
  • at least one electrical current pulse is sent through a connection region 12 between the piston 2 and the closure element 11.
  • the respective current pulse preferably has a current intensity between 8 kA and 12 kA, in particular of 10 kA.
  • the respective current pulse lasts less than 20 ms.
  • the respective current pulse lasts 10 ms.
  • the closure element 1 1 is formed as a sunk in the opening 9 or received closure element 1 1, which terminates flush in the welded state with the piston 1 on the outside of the piston 1.
  • the closure element 1 1 is thus in particular bolt-like or formed as a bolt 13.
  • FIG. 2 and 3 show another embodiment of the piston 1, wherein in Fig. 3 is an enlarged view of the designated in Fig. 2 with III area.
  • This embodiment differs from the embodiment shown in Fig. 1 in particular by the formation of the
  • Closure element 1 which has a shaft 14 and a head 15.
  • the shaft 14 of the closure element 1 1 is arranged in the connecting line 8 or the opening 9, while the head 15 rests on the outside of the piston 1.
  • Figs. 2 and 3 it can be seen that the heat-affected zone 16 in
  • connection region 12 is arranged.
  • the heat-affected zone 16 is formed by the heat input in the capacitor discharge welding, characterized in that it comes to structural changes of the closure element 1 1 and / or the piston 1. In this case, melting of the connecting element 11 and / or of the piston 1 occurs in the heat-affected zone 16, which leads to a stable connection between the closure element 11 and the piston 1. In particular, it can be seen in FIG. 3 that the heat-affected zone 16 is very small.
  • the heat affected zone 16 extends, as already mentioned above, over a depth of less than 400 ⁇ m, in particular as 200 ⁇ m. Such a heat-affected zone 16 also exists in the example shown in FIG. 1, although this is not visible due to the illustration.
  • FIGS. 4 and 5 show a further exemplary embodiment of the piston 1.
  • This embodiment differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 1 in particular in that the visible connection lines 8 are not in fluid communication with the cooling channel 7.
  • the connecting lines 8 extend inclined to the piston axis 23.
  • the respective connecting line 8 is connected at one end via the disposed in the box wall 19 opening 9 with the environment, whereas the other end is closed and disposed below the combustion bowl 4.
  • the respective connecting line 8 is filled with a coolant 10, which may be the same or different from the coolant 10 in the cooling channel 7.
  • the associated opening 9 as can be seen in Fig. 5, sealed fluid-tight with such a closure element 1 1, wherein the closure element 1 1 in Fig. 5 for the better
  • Embodiment is thereby the closure element 1 1 means
  • Capacitor discharge welding is connected to the piston 1 or the box wall 19. Although not shown, such a heat-affected zone 16 also forms.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (1) für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben (1) einen Kolbenkopf (2) und ein Kolbenhemd (18) aufweist, in dem eine Verbindungsleitung(8) vorgesehen ist, welche über eine Öffnung (9) mit der Umgebung fluidisch verbunden ist, wobei die Öffnung (9) durch ein Verschlusselement (11) verschlossen wird. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass das Verschlusselement (11) durch Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben (1) verschweißt wird. Hierdurch wird eine stabile Verbindung zwischen dem Verschlusselement (11) und dem Kolben (1) sowie ein fluiddichtes Verschließen der Öffnung (9) unter möglichst geringer Beschädigung des Kolbens (1) bzw. des Verschlusselements (11) erreicht. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen solchen Kolben (1).

Description

Verfahren zum Herstellen eines Kolbens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft desweiteren einen solchen Kolben.
Kolben kommen in Brennkraftmaschinen zum Einsatz, wo sie hubverstellbar in Zylindern angeordnet sind und jeweils einen Brennraum begrenzen. Im Betrieb der Brennkraftmaschine übertragen die Kolben die frei werdende Energie an eine Abgriffseinheit, insbesondere eine Kurbelwelle, an der ein entsprechendes Moment abgegriffen werden kann. Erwünschte Leistungs- sowie
Effizienzsteigerungen derartiger Brennkraftmaschinen führen dazu, dass ein solcher Kolben immer extremeren thermodynamischen Bedingungen,
insbesondere erhöhten Temperaturen, ausgesetzt ist.
Aus der DE 10 201 1 1 14 105 A1 ist ein solcher Kolben bekannt. Der Kolben weist einen Kolbenkopf mit einer dem Brennraum zugewandten Brennraummulde sowie einen Kolbenschaft auf, wobei im Kolbenkopf ein umlaufender Kühlkanal zum Kühlen des Kolbens vorgesehen ist. Hierdurch kann der Kolben erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden. Zudem weist der Kolben zumindest eine Bohrung auf, die sich durch den Kolbenschaft erstreckt und den Kühlkanal über eine Öffnung mit der Umgebung verbindet. Über die Öffnung und die Bohrung kann ein Kühlmittel in den Kühlkanal eingebracht werden. Die Öffnung wird im Anschluss mit Hilfe eines Verschlusselements verschlossen. Die DE 10 201 1 1 14 105 A1 schlägt hierbei das Einpressen des Verschlusselements in die Öffnung oder das Verschweißen des Verschlusselements mit dem Kolben vor. Das Einpressen des Verschlusselements in die Öffnung kann im Betrieb des Kolbens dazu führen, dass im Bereich der Öffnung Leckagen entstehen, welche zu einem unerwünschten Ausströmen von Kühlmittel aus dem Kolben führen können. Sofern sich dieses mit dem Öl im Kurbelgehäuse mischt, können solche Leckagen zu einer Beschädigung des Kolbens und/oder der zugehörigen
Brennkraftmaschine führen.
Das gängige Verschweißen des Verschlusselements mit dem Kolben führt durch den hierfür notwendigen Wärmeeintrag zu einer Strukturänderung des
Verschlusselements und/oder des Kolbens, die insbesondere durch die hohe Last und/oder hohen Temperaturen im Betrieb der Brennkraftmaschine zu Beschädigungen des Kolbens und/oder zur Entstehung von Leckagen im Bereich der Öffnung führen können, welche wiederum ein Ausströmen von Kühlmittel durch die Leckagen zur Folge haben können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens der eingangs genannten Art sowie für einen solchen Kolben verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch eine einfache Herstellung und/oder erhöhte Stabilität des Kolbens auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein
Verschlusselement mit einem Kolben durch ein Widerstandsschweißverfahren zu verschweißen, wobei das Verschlusselement zum Verschließen einer eine Verbindungsleitung des Kolbens mit der Umgebung verbindenden Öffnung dient. Erfindungsgemäß kommt dabei das bisher im Bereich der Herstellung von Kolben fachfremde Kondensatorentladungsschweißen zum Verbinden des
Verschlusselements mit dem Kolben und somit zum Verschließen der Öffnung zum Einsatz. Hierbei wird zumindest ein aus wenigstens einem Kondensator stammender elektrischer Stromimpuls durch einen Verbindungsbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement geschickt, der einen im Wesentlichen auf den Verbindungsbereich beschränkten Wärmeeintrag zur Folge hat, so dass einerseits eine stabile und fluiddichte Verbindung zwischen dem
Verschlusselement und dem Kolben zustande kommt und andererseits durch das Schweißen bedingte strukturelle Änderungen des Kolbens und/oder des
Verschlusselements reduziert und/oder im Wesentlichen auf den
Verbindungsbereich beschränkt sind. Somit werden/wird ein fluiddichtes
Verschließen der Öffnung mit einer verlängerten Lebensdauer und/oder eine erhöhte Stabilität, insbesondere mechanische und/oder thermische Stabilität, des Kolbens und/oder des Verschlusselements erreicht. Dem Erfindungsgedanken entsprechend wird dabei zunächst ein Kolben bereitgestellt, der einen Kolbenkopf und ein Kolbenhemd aufweist. Ferner weist der Kolben zumindest eine solche Verbindungsleitung auf, welche sich durch den Kolben erstreckt und über die Öffnung mit der Umgebung verbunden ist. Anschließend wird die Öffnung mit einem solchen Verschlusselement verschlossen, indem das Verschlusselement mit dem Kolben durch Kondensatorentladungsschweißen verschweißt wird.
Die Verbindungsleitung kann eine in den Kolben, insbesondere in das
Kolbenhemd, eingebrachte Bohrung sein.
Die Verbindungsleitung kann im Kolben einem beliebigen Zweck dienen. Die Verbindungsleitung kann insbesondere dem Kühlen des Kolbens dienen.
Vorstellbar ist es, die Verbindungsleitung über die Öffnung mit einem Kühlmittel zu befüllen. Vorstellbar ist es zudem, auch andere Räume innerhalb des Kolbens, beispielsweise einen im Kolbenkopf umlaufenden Kühlkanal, über die Öffnung und die Verbindungsleitung mit einem Kühlmittel zu befüllen. Dementsprechend kann zumindest eine solche Verbindungsleitung fluidisch mit dem Kühlkanal verbunden sein, insbesondere in den Kühlkanal münden. Das Verschließen der Öffnung erfolgt hierbei nach dem Befüllen mit dem jeweiligen Kühlmittel.
Im Kolbenhemd ist vorzugsweise eine Nabe vorgesehen, die dem Verbinden des Kolbens mit einer Kurbelwelle, beispielsweise über einen Pleuel, dient.
Vorstellbar ist es, das Kolbenhemd derart herzustellen bzw. auszubilden, dass es im Betrieb außerhalb der Naben an einem zugehörigen Zylinder anliegt.
Zu denken ist an Varianten, bei denen das Kolbenhemd wenigstens einen im Betrieb bzw. in montiertem Zustand am Zylinder anliegenden Kolbenschaft und zumindest einen Kolbenkasten aufweist, der nach innen versetzt angeordnet ist und die Nabe bzw. die Nabe ausbildende Durchbrüche aufweist. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Öffnung in einem solchen Kolbenkasten angeordnet ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Verschlusselement zum
Kondensatorentladungsschweißen mit einer vorgegebenen Kraft gegen den Kolben gedrückt und zumindest ein elektrischer Stromimpuls durch den
Verbindungsbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement geschickt. Hierdurch kann die Verbindung, insbesondere hinsichtlich der
Stabilität, verbessert werden.
Prinzipiell können zum Verbinden des Verschlusselements mit dem Kolben beliebig viele Stromimpulse, welche jeweils eine beliebige Dauer aufweisen und zeitlich voneinander beliebig beabstandet sind, zum Einsatz kommen. Bevorzugt ist es, wenn zumindest ein solcher Stromimpuls mit einer Dauer von weniger als 20 ms verwendet wird. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn wenigstens ein solcher Stromimpuls mit einer Dauer von 10 ms verwendet wird. Hierdurch wird der Bereich des Wärmeeintrags und somit der Bereich, in dem strukturelle Änderungen des Kolbens und/oder des Verschlusselements erfolgen, zumindest reduziert.
Gemäß vorteilhafter Varianten kommen zumindest zwei Stromimpulse zum Einsatz. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn genau zwei Stromimpulse zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Stromimpulse in einem Abstand von jeweils zwischen 0,1 s und 1 s verwendet werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die nacheinander folgenden Stromimpulse 0,5 s voneinander beabstandet sind. Diese Maßnahmen führen jeweils zu einer Optimierung hinsichtlich einer möglichst effizienten Wärmeeintragung und einem möglichst geringen Bereich der Wärmeeintragung im Kolben und/oder im
Verschlusselement.
Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen zumindest ein solcher Stromimpuls, vorzugsweise alle Stromimpulse, mit einer Stromstärke zwischen 8 kA und 12 kA verwendet werden. Als besonders vorteilhaft erweisen sich Varianten, bei denen eine Stromstärke von 10 kA verwendet wird. Hierdurch kann der Wärmeeintrag in optimaler Weise zum Verschweißen des
Verschlusselements mit dem Kolben führen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Verschlusselement mit einer Kraft zwischen 1 ,5 kN und 3,5 kN gegen den Kolben gedrückt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Verschlusselement mit einer Kraft von 2,5 kN gegen den Kolben gedrückt wird. Dies führt insbesondere zu einer stabileren Verbindung des Verschlusselements mit dem Kolben. Vorteilhaft wird der Kühlkanal vor dem Verschließen der Öffnung mit dem
Verschlusselement mit einem Kühlmittel befüllt. Hierbei kann ein beliebiges Kühlmittel, bspw. eine wasserhaltige Mischung und dgl. zum Einsatz kommen. Vorstellbar ist es auch, als Kühlmittel Natrium oder Kalium oder eine Mischung aus Natrium und Kalium zu verwenden.
Das Verfahren wird bevorzugt derart durchgeführt, dass ein
Wärmeeinflussbereich bzw. eine Wärmeeinflusszone, in der durch das
Kondensatorentladungsschweißen bedingte Strukturänderungen des Kolbens und des Verschlusselements stattfinden, kleiner als 400 μιτι, insbesondere kleiner als 200 μιτι, ist. Diese Erstreckung bezieht sich vorzugsweise auf eine quer zum Kontaktbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement verlaufende Tiefe der Wärmeeinflusszone. Eine solche Verbindung besitzt durch den geringen Wärmeeinflussbereich eine ausreichende mechanische Festigkeit. Durch die Wahl dieses Schweißverfahrens wird zudem die für die Realisierung der Verbindung benötigte Energie optimiert, insbesondere reduziert, was sich ebenfalls durch den geringen Wärmeeinflussbereich zeigt.
Es versteht sich, dass neben dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein derartig hergestellter Kolben zum Umfang dieser Erfindung gehört.
Der Kolbenkopf des Kolbens kann eine Brennraummulde aufweisen, die beim in einer zugehörigen Brennkraftmaschine montierten Zustand einen Brennraum der Brennkraftmaschine begrenzt. Bevorzugt ist es dabei, wenn die Öffnung auf der von der Brennraummulde abgewandten Seite des Kolbens angeordnet ist. Vorstellbar ist es, dass der Kolbenkopf eine außenseitig umlaufende Ringpartie zum Aufnehmen wenigstens eines Kolbenrings aufweist. Bevorzugt ist es dabei, wenn der Kühlkanal im Bereich der Ringpartie im Kolbenkopf angeordnet ist.
Der Kolben und das Verschlusselement können prinzipiell aus beliebigen Materialien hergestellt sein, sofern sie sich mit dem
Kondensatorentladungsschweißen verschweißen lassen. Sie sind jeweils insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt.
Das Verschlusselement kann prinzipiell eine beliebige Form aufweisen, sofern sich die Öffnung mit dem Verschlusselement fluiddicht verschließen lässt.
Vorstellbar ist es, dass das Verschlusselement einen Schaft und einen Kopf aufweist, wobei der Schaft innerhalb der Öffnung angeordnet ist und der Kopf außenseitig am Kolben anliegt.
Vorstellbar ist es auch, dass das Verschlusselement in die Öffnung bzw. der Verbindungsleitung derart angeordnet, insbesondere versenkt, ist, dass das Verschlusselement außenseitig bündig mit dem Kolben abschließt.
Es versteht sich, dass auch eine Verwendung von
Kondensatorentladungsschweißen zum Verschweißen eines solchen
Verschlusselements mit einem solchen Kolben zum Umfang dieser Erfindung gehört.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Kolben mit einem Verschlusselement,
Fig. 2 den Schnitt aus Fig. 1 im Bereich des Verschlusselements und bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 2 mit III bezeichneten
Bereichs,
Fig. 4 eine Darstellung des Kolbens bei einem weiteren
Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 einen Schnitt des Kolbens aus Fig. 4 im Bereich des
Verschlusselements.
Ein Kolben 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine weist, wie in Fig. 1 zu sehen ist, einen Kolbenkopf 2 sowie ein mit dem Kolbenkopf 2
verbundenes Kolbenhemd 18 auf. Das Kolbenhemd 18 weist im gezeigten Beispiel einen Kolbenschaft 24 und einen Kolbenkasten 25 auf. Der
Kolbenkasten 25 weist zumindest eine Kastenwand 19 und der Kolbenschaft 24 zumindest eine Schaftwand 3 auf, wobei im gezeigten Beispiel zwei
Schaftwände3 und zwei Kastenwände 19 vorgesehen sind. Der Kolbenkopf 2 weist stirnseitig eine Brennraummulde 4 auf, welche einen im Übrigen nicht gezeigten Brennraum der Brennkraftmaschine begrenzt. Das Kolbenhemd 18 ist auf der von der Brennraummulde 4 abgewandten Seite des Kolbenkopfs 2 angeordnet. Kolbenkopf 2 und Kolbenhemd 18 sind vorzugsweise
materialeinheitlich, insbesondere monolithisch, bspw. aus Aluminium, einer Legierung, Stahl und dgl., hergestellt. Der Kolbenkopf 2 weist außenseitig eine umlaufende Ringpartie 5 auf, in der zumindest eine nach außen offene Nut 6 zum Aufnehmen eines nicht gezeigten Kolbenrings vorgesehen ist, wobei beim in Fig. 1 gezeigten Beispiel mehrere solche Nuten 6 vorgesehen sind. Im Bereich der Ringpartie 5 ist innerhalb des Kolbenkopfs 2 ein umlaufender Kühlkanal 7 vorgesehen. Im Kolbenhemd 18 bzw. in den Kastenwänden 19 ist eine Nabe 17 vorgesehen, die der Verbindung des Kolbens 1 mit einer nicht gezeigten
Kurbelwelle, bspw. über einen nicht dargestellten Pleuel, dient. Die Nabe 17 ist durch gegenüberliegende Durchbrüche 20 in den Kastenwänden 19 ausgebildet ist, von denen in der Schnittebene gemäß der Fig. 1 lediglich eine Kolbenwand 19 und ein Durchbruch 20 zu sehen sind. Der Kolben 1 weist zudem zumindest eine Verbindungsleitung 8 auf, die sich auf der von der Brennraummulde 4 abgewandten Seite des Kühlkanals 7 vom Kühlkanal 7 bezüglich einer
Kolbenachse 23 des Kolbens 1 axial weg erstreckt. Beim gezeigten Beispiel sind zwei solche Verbindungsleitungen 8 zu sehen. Beide sichtbare
Verbindungsleitungen 8 sind im gezeigten Beispiel fluidisch mit dem Kühlkanal 7 verbunden und münden in diesen, wobei eine der Verbindungsleitungen 8 über eine auf der von der Brennraummulde 4 abgewandten Seite des Kolbens 1 , insbesondere im Bereich der sichtbaren Kastenwand 19, angeordnete Öffnung 9 mit der Umgebung verbunden ist. Somit ist auch der Kühlkanal 7 über die Verbindungsleitung 8 und die Öffnung 9 mit der Umgebung verbunden. Der Kühlkanal 7 und/oder die Verbindungsleitungen 8 können über die Öffnung 9 mit einem Kühlmittel 10 befüllt werden. Das Kühlmittel 10 kann prinzipiell ein beliebiges sein. Insbesondere kann das Kühlmittel 10 Natrium und/oder Kalium enthalten. Die jeweilige Verbindungsleitung 8, insbesondere die über die Öffnung 9 mit der Umgebung verbundene Verbindungsleitung 8, kann als eine Bohrung 22 in den Kolben 1 eingebracht sein.
Die Öffnung 9 wird nach dem Befüllen des Kolbens 1 mit dem Kühlmittel 10 mit Hilfe eines Verschlusselements 1 1 fluiddicht verschlossen. Zum Verschließen der Öffnung 9 wird das Verschlusselement 1 1 erfindungsgemäß durch
Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben 1 , insbesondere mit der Kastenwand 19, verschweißt. Hierzu wird das Verschlusselement 1 1 mit einer Kraft, von vorzugsweise zwischen 1 ,5 kN und 3,5 kN, insbesondere von 2,5 kN, gegen den Kolben 2 gedrückt. Anschließend wird zumindest ein elektrischer Stromimpuls durch einen Verbindungsbereich 12 zwischen dem Kolben 2 und dem Verschlusselement 1 1 geschickt. Der jeweilige Stromimpuls hat dabei vorzugsweise eine Stromstärke zwischen 8 kA und 12 kA, insbesondere von 10 kA. Der jeweilige Stromimpuls dauert dabei weniger als 20 ms. Vorzugsweise dauert der jeweilige Stromimpuls 10 ms. Besonders bevorzugt kommen zumindest zwei solche Stromimpulse, vorteilhaft genau zwei solche
Stromimpulse, zum Einsatz, welche einen Abstand von 0,1 s bis 1 s,
insbesondere von 0,5 s zueinander haben. Im Ergebnis führen diese
Maßnahmen jeweils zu einer stabilen Verbindung zwischen dem
Verschlusselement 1 1 und dem Kolben 1 sowie zu einem stabilen, fluiddichten Verschließen der Öffnung 9 durch das Verschlusselement 1 1 . Darüber hinaus ist eine Wärmeeinflusszone 16 (siehe Figuren 2 und 3), in der es bedingt durch das Kondensatorentladungsschweißen zu Strukturänderungen des
Verschlusselements 1 1 und/oder des Kolbens 1 , insbesondere einem Verschmelzen des Verschlusselennents 1 1 mit dem Kolben 1 , kommt, optimiert, wobei diese Wärmeeinflusszone 16 in einer quer zum Kontaktbereich zwischen Kolben 1 und Verschlusselement 1 1 verlaufenden Tiefe 21 vorzugsweise kleiner als 400 μιτι, insbesondere kleiner als 200 μιτι, ist.
Beim in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Verschlusselement 1 1 als ein in der Öffnung 9 versenktes bzw. aufgenommenes Verschlusselement 1 1 ausgebildet, das im mit dem Kolben 1 verschweißten Zustand bündig an der Außenseite des Kolbens 1 abschließt. Das Verschlusselement 1 1 ist also insbesondere bolzenartig bzw. als ein Bolzen 13 ausgebildet.
Die Fig. 2 und 3 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 , wobei in Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 2 mit III bezeichneten Bereichs dargestellt ist. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere durch die Ausbildung des
Verschlusselements 1 1 , das einen Schaft 14 sowie einen Kopf 15 aufweist. Dabei ist der Schaft 14 des Verschlusselements 1 1 in der Verbindungsleitung 8 bzw. der Öffnung 9 angeordnet, während der Kopf 15 außenseitig am Kolben 1 anliegt. In den Fig. 2 und 3 ist zu erkennen, dass die Wärmeeinflusszone 16 im
Verbindungsbereich 12 angeordnet ist. Die Wärmeeinflusszone 16 entsteht durch den Wärmeeintrag beim Kondensatorentladungsschweißen, dadurch, dass es zu strukturellen Änderungen des Verschlusselements 1 1 und/oder des Kolbens 1 kommt. Hierbei kommt es in der Wärmeeinflusszone 16 insbesondere zu einem Schmelzen des Verbindungselements 1 1 und/oder des Kolbens 1 , das zu einer stabilen Verbindung zwischen dem Verschlusselement 1 1 und dem Kolben 1 führt. Insbesondere in Fig. 3 ist dabei zu erkennen, dass die Wärmeeinflusszone 16 sehr klein ist. Die Wärmeeinflusszone 16 erstreckt sich, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, über eine Tiefe von weniger als 400 μιτι, insbesondere als 200 μηη. Eine solche Wärmeeinflusszone 16 existiert auch beim in Fig. 1 gezeigten Beispiel, obwohl diese darstellungsbedingt nicht sichtbar ist.
In den Figuren 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass die sichtbaren Verbindungsleitungen 8 in keiner fluidischen Verbindung mit dem Kühlkanal 7 stehen. Die Verbindungsleitungen 8 verlaufen geneigt zur Kolbenachse 23. Die jeweilige Verbindungsleitung 8 ist an einem Ende über die in der Kastenwand 19 angeordnete Öffnung 9 mit der Umgebung verbunden, wogegen das andere Ende geschlossen und unterhalb der Brennraummulde 4 angeordnet ist. Die jeweilige Verbindungsleitung 8 wird mit einem Kühlmittel 10 befüllt, das das gleiche oder ein anderes als das Kühlmittel 10 im Kühlkanal 7 sein kann. Nach dem Befüllen der jeweiligen Verbindungsleitung 8 wird die zugehörige Öffnung 9, wie in Fig. 5 zu sehen ist, mit einem solchen Verschlusselement 1 1 fluiddicht verschlossen, wobei das Verschlusselement 1 1 in Fig. 5 zum besseren
Verständnis außerhalb des Kolbens 1 dargestellt ist. Auch bei diesem
Ausführungsbeispiel wird dabei das Verschlusselement 1 1 mittels
Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben 1 bzw. der Kastenwand 19 verbunden. Dabei bildet sich, obwohl nicht dargestellt, ebenfalls eine solche Wärmeeinflusszone 16.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (1 ) für eine Brennkraftmaschine, wobei ein Kolben (1 ) bereitgestellt wird, der aufweist:
- einen Kolbenkopf (2) und ein Kolbenhemd (18),
- eine sich durch den Kolben (1 ) erstreckende und über eine Öffnung (9) mit der Umgebung verbundene Verbindungsleitung (8),
wobei die Öffnung (9) durch ein Verschlusselement (1 1 ) verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verschlusselement (1 1 ) durch Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben (1 ) verschweißt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Kondensatorentladungsschweißen das Verschlusselement (1 1 ) mit einer Kraft gegen den Kolben (1 ) gedrückt und zumindest ein
elektrischer Stromimpuls durch einen Verbindungsbereich (12) zwischen dem Kolben (1 ) und dem Verschlusselement (1 1 ) geschickt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Stromimpuls mit einer Dauer von kürzer als 20 ms, insbesondere von 10 ms, verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest zwei Stromimpulse in einem Abstand von jeweils zwischen 0,1 s und 1 s, insbesondere von 0,5 s, verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Stromimpuls mit einer Stromstärke zwischen 8 kA und 12 kA, insbesondere 10 kA, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verschlusselement (1 1 ) mit einer Kraft zwischen 1 ,5 kN und 3,5 kN, insbesondere 2,5 kN, gegen den Kolben (1 ) gedrückt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbindungsleitung (8) oder der Kolben (1 ) über die
Verbindungsleitung (8) vor dem Verschließen der Öffnung (9) durch das Verschlusselement (1 1 ) mit einem Kühlmittel (10), insbesondere mit Natrium und/oder Kalium, befüllt wird.
8. Kolben (1 ) für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.
9. Kolben nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kolbenkopf (2) eine Brennraummulde (4) aufweist, wobei die Öffnung (9) auf der von der Brennraummulde (4) abgewandten Seite des Kolbens (1 ) angeordnet ist.
10. Kolben nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kolben (1 ) einen im Kolbenkopf (2) umlaufenden Kühlkanal (7) aufweist, der fluidisch mit zumindest einer solchen Verbindungsleitung (8) verbunden ist.
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