一种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞及其加工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞及其加工方法。钢活塞包括活塞本体和环形密封板，活塞本体于活塞头部设有内冷却油道和燃烧室，内冷却油道环绕燃烧室设置，活塞头部还设有与内冷却油道相通的进油孔和出油孔，内冷却油道上端设有环状开口，环状开口位于活塞头部的顶端，环形密封板嵌入环状开口并通过激光焊接连接固定，对内冷却油道上端密封，环形密封板的内外圈分别与环状开口的侧壁围成内环形通道和外环形通道，内环形通道和外环形通道内均填充有用于构成激光焊接熔池的耐高温隔热环。方法包括S1：零件加工；S2：激光焊接组装；S3：热处理；S4：后加工。该钢活塞及加工方法具有加工精度高、质量稳定性好、加工成本低的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钢活塞及其加工工艺，尤其涉及基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞及其加工方法。
技术介绍
车用柴油机的排放升级，活塞是关键零部件，钢结构活塞替代铝结构活塞，是车用柴油机满足欧Ⅳ、欧Ⅴ、欧Ⅵ达标排放的重要手段之一。近年来全钢结构活塞在车用柴油机的应用日益广泛，全钢活塞锻造成形，但全钢活塞的内冷却油腔加工工艺性较差，加工难度大，效率低、成本高。围绕内冷却油腔的成型，国内外有多种解决方案，如公开号为CN1813125A的中国专利文献公开的制造内燃机整体式活塞的方法；公开号为CN101903632A的中国专利文献公开的用于在内燃机用活塞上固定环形件的方法；公开号为CN101466938A的中国专利文献公开的内燃机活塞及其制造方法（活塞顶方向摩擦焊接方法成型内冷却油腔）。整体钢活塞结构简单，但是内冷却油腔的加工难度大，时间长，成本高。目前最有效的内冷却油腔成型方法是：活塞顶方向摩擦焊接方法成型内冷却油腔，此方法较好的解决了内冷却油道加工和内冷却油腔成型的问题，成本较低。但是也存在以下不足：一是摩擦焊接飞边在内冷却油道中的残留较大，影响了冷却效果，也会增加活塞头部的重量，影响活塞性能；二是受摩擦焊接轴向控制公差的局限（轴向公差±0.25mm），内冷却油腔的有效高度尺寸公差较大，影响了活塞头部轴向尺寸的控制；三是开口式梯形焊接面存在着工艺缺陷，在摩擦焊接顶锻阶段，顶锻力加载受开口式梯形焊接面限制，过大的加载将导致焊接面变形，若顶锻力加载不足，则导致焊缝固相连接后形成的焊接接头质量不可靠。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种加工精度高、质量稳定性好、加工成本低的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞及其加工方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，包括活塞本体和环形密封板，所述活塞本体于活塞头部设有内冷却油道和燃烧室，所述内冷却油道环绕燃烧室设置，所述活塞头部还设有与内冷却油道相通的进油孔和出油孔，所述内冷却油道上端设有环状开口，所述环状开口位于活塞头部的顶端，所述环形密封板嵌入所述环状开口并通过激光焊接连接固定，对内冷却油道上端密封，所述环形密封板的内外圈分别与环状开口的侧壁围成内环形通道和外环形通道，所述内环形通道和外环形通道内均填充有用于构成激光焊接熔池的耐高温隔热环。作为上述技术方案的进一步改进：所述环状开口的侧壁上设有第一环槽，所述环形密封板的内外圈设有第二环槽，所述第一环槽与第二环槽对接形成内环形通道和外环形通道。所述环形密封板设有一个注入孔、一个排气孔和两个连通孔，所述两个连通孔的一端与内环形通道连通，另一端与外环形通道连通，所述注入孔和排气孔均自环形密封板端面分别连通至一个连通孔。所述环形密封板设有两个注入孔、两个排气孔和四个连通孔，两个连通孔的一端与内环形通道连通，另一端分别连通一个注入孔和一个排气孔；另两个连通孔的一端与外环形通道连通，另一端分别连通一个注入孔和一个排气孔。所述注入孔和排气孔朝向内冷却油道内腔设置，所述注入孔与进油孔相对设置且排气孔与出油孔相对设置，或者所述注入孔与出油孔相对设置且排气孔与进油孔相对设置。所述内冷却油道与环状开口相接的一端设有用于对环形密封板形成辅助支撑的台阶。一种激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法，包括以下步骤：S1：零件加工：包括锻造活塞本体和加工环形密封板，在活塞本体的活塞头部加工内冷却油道、燃烧室和环状开口；S2：激光焊接组装，包括以下分步骤：S21：预热环形密封板和环状开口外圈，环状开口外圈的预热温度高于环形密封板的预热温度；S22：将环形密封板压入环状开口，使环形密封板与环状开口冷却至常温时环形密封板与环状开口的内外圈焊接对接接头均形成过盈配合；S23：经环形密封板向内环形通道和外环形通道内注入耐高温无机粉末溶液，静置后加热固化形成耐高温隔热环；S24：对活塞头部和环形密封板进行焊前整体预热；S25：对环形密封板与环状开口的内外圈焊接接头进行激光焊接，密封内冷却油道；S26：焊后缓冷，并进入步骤S3；S3：热处理：消除焊接应力，达到活塞机械性能要求；S4：后加工：完成机械精加工和表面处理。作为上述技术方案的进一步改进：在步骤S1中，在环状开口的侧壁上加工第一环槽，在环形密封板的内外圈加工第二环槽，并在环形密封板上加工注入孔、排气孔和连通孔；在步骤S22中，使第一环槽与第二环槽对接形成内环形通道和外环形通道，并使注入孔与进油孔相对设置且排气孔与出油孔相对设置，或者使注入孔与出油孔相对设置且排气孔与进油孔相对设置。在步骤S25中，先对环形密封板与环状开口的内圈焊接对接接头进行激光焊接，再对环形密封板与环状开口的外圈焊接对接接头进行激光焊接，且内、外圈的焊接进给方向相反。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，在内冷却油道上端设有环状开口，且环状开口位于活塞头部的顶端，将环形密封板嵌入环状开口并通过激光焊接连接固定，对内冷却油道上端密封，在激光焊接环形密封板前可对内冷却油道独立加工，工艺简单、加工方便，便于形成大容积的内冷却油道，克服了整体式钢活塞内冷却油道加工难度大、加工时间长、加工成本高的缺陷；同时，内冷却油道和环形密封板均可通过机械精加工来保证油腔精度，并且，通过激光焊接形成内冷却油道不会在内冷却油道内留下焊渣、飞边等影响冷却效果的异物，更容易得到精确、整洁的内冷却油道，能有效提升活塞冷却效果，延长活塞使用寿命，降低活塞重量；对于小缸径的发动机钢活塞而言，耐高温隔热环可阻断焊接熔液和金属气体的流动，保证了激光焊接接头易于形成熔池，杜绝产生烧穿现象，促进激光焊接焊缝的形成，解决了小缸径钢活塞内冷却油道开口小、内冷却油道机械加工与激光焊接工艺难以兼顾的问题；对于大缸径、大爆压发动机钢活塞而言，解决了活塞顶承受的爆发压力大、环形密封板厚度尺寸大、焊缝深度大、对激光器功率的要求很高、设备投入费用大、焊接工艺的设计难度大的问题，利于控制焊缝深度，提高了焊接质量稳定性，并降低了激光器功率要求，解决了激光焊接设备成本投入大的问题。本专利技术的激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法，对环形密封板与环状开口的内外圈焊接对接接头采用精准的激光焊接，保证了内冷却油道的精度，在内冷却油道内无焊渣、飞边残留，大大提高了钢活塞内冷却油道的加工质量；在激光焊接组装过程中环形密封板与环状开口过盈配合，形成过盈自夹和无错边紧密对接，焊接件无需专用激光焊接夹具，激光焊接工艺得到简化，并且焊接对接接头错边量值及接头间隙值趋于零，使焊缝质量和焊接稳定性得到充分保证；内环形通道和外环形通道内注入耐高温无机粉末溶液，静置后加热固化形成耐高温隔热环，有利于熔池的控制，熔池金属不流失，利于圆筒形环缝的质量稳定，焊接焦点位置精确可控，保证激光焊接对接焊缝的质量，减少焊接缺陷的产生。附图说明图1是本专利技术钢活塞第一种实施例的结构示意图。图2是本专利技术钢活塞第一种实施例中环形密封板的仰视结构示意图。图3是本专利技术钢活塞第二种实施例的结构示意图。图4是本专利技术钢活塞第二种实施例中环形密封板的仰视结构示意图。图5是本专利技术激光焊接成型内冷却油道的钢活塞加工方法实施例的流程图。图中各标号表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，包括活塞本体（1）和环形密封板（2），所述活塞本体（1）于活塞头部（10）设有内冷却油道（11）和燃烧室（12），所述内冷却油道（11）环绕燃烧室（12）设置，所述活塞头部（10）还设有与内冷却油道（11）相通的进油孔（15）和出油孔（16），其特征在于：所述内冷却油道（11）上端设有环状开口（13），所述环状开口（13）位于活塞头部（10）的顶端（17），所述环形密封板（2）嵌入所述环状开口（13）并通过激光焊接连接固定，对内冷却油道（11）上端密封，所述环形密封板（2）的内外圈分别与环状开口（13）的侧壁围成内环形通道（3）和外环形通道（4），所述内环形通道（3）和外环形通道（4）内均填充有用于构成激光焊接熔池的耐高温隔热环（5）。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，包括活塞本体（1）和环形密封板（2），所述活塞本体（1）于活塞头部（10）设有内冷却油道（11）和燃烧室（12），所述内冷却油道（11）环绕燃烧室（12）设置，所述活塞头部（10）还设有与内冷却油道（11）相通的进油孔（15）和出油孔（16），其特征在于：所述内冷却油道（11）上端设有环状开口（13），所述环状开口（13）位于活塞头部（10）的顶端（17），所述环形密封板（2）嵌入所述环状开口（13）并通过激光焊接连接固定，对内冷却油道（11）上端密封，所述环形密封板（2）的内外圈分别与环状开口（13）的侧壁围成内环形通道（3）和外环形通道（4），所述内环形通道（3）和外环形通道（4）内均填充有用于构成激光焊接熔池的耐高温隔热环（5）。2.根据权利要求1所述的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，其特征在于：所述环状开口（13）的侧壁上设有第一环槽，所述环形密封板（2）的内外圈设有第二环槽，所述第一环槽与第二环槽对接形成内环形通道（3）和外环形通道（4）。3.根据权利要求2所述的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，其特征在于：所述环形密封板（2）设有一个注入孔（22）、一个排气孔（23）和两个连通孔（21），所述两个连通孔（21）的一端与内环形通道（3）连通，另一端与外环形通道（4）连通，所述注入孔（22）和排气孔（23）均自环形密封板（2）端面分别连通至一个连通孔（21）。4.根据权利要求2所述的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，其特征在于：所述环形密封板（2）设有两个注入孔（22）、两个排气孔（23）和四个连通孔（21），两个连通孔（21）的一端与内环形通道（3）连通，另一端分别连通一个注入孔（22）和一个排气孔（23）；另两个连通孔（21）的一端与外环形通道（4）连通，另一端分别连通一个注入孔（22）和一个排气孔（23）。5.根据权利要求3或4所述的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，其特征在于：所述注入孔（22）和排气孔（23）朝向内冷却油道（11）内腔设置，所述注入孔（22）与进油孔（15）相对设置且排气孔（23）与出油孔（16）相对设置，或者所述注入孔（22）与出油孔（16）相对设置且排气孔（23）与进油孔（15）相对设置。6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于激光焊接成型内冷却油道的钢活塞，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：强哲菲，
申请(专利权)人：强哲菲，
类型：发明
国别省市：湖南;43