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図面 (11)

課題・解決手段

耐久性のあるディーゼルエンジンの用途に特に適合されるピストンは、周方向に延在する接合面を有する別々の部分から製造される。周方向に延在する接合面は、結合の前に、接合面の結合を可能にするのに十分な高温に加熱され、その後、接合面が互いに接触され、捩じられて、接合面の界面において永久的な冶金的な溶接部を達成する。ピストンは、両方が同時に溶接される、径方向に間隔をあけられた壁を有する。溶接接合部は、同一の平面または異なる平面に位置してもよい。上記部分は、一旦接合されると、まだ熱い間に溶接接合部における壁の厚さを減少させるように僅かに引離され得る。

概要

背景

発明の背景
この出願は、2003年11月4日に出願された出願番号第10/701,274号の一部継続出願である。

ピストン構造をもたらすために、別々に形成されたピストンの部分を結合するためのさまざまな方法が公知である。1つのこのようなプロセスは摩擦溶接であり、ピストンの一方の部分が他方の部分に押付けられながら高速で回転され、結果として生じる摩擦エネルギが上記部分をともに結合するのに十分な熱を発生させる。他の技術は抵抗溶接誘導溶接などを含み、上記部分が互いに接触された後、エネルギ束が上記部分の接合面を横切って導入され、このエネルギ束によって接合面が互いに面を接合するのに十分に加熱されるようにする。

米国特許第5,150,517号は摩擦溶接の一例であるが、米国特許第6,291,806号は典型的な誘導加熱の一例であり、エネルギを誘導し、したがって界面で加熱するためにコイル接触接合面の側に与えられる。このように誘導コイルを側面に与えることには、誘導コイルに隣接する、材料の端縁近くの接合面の領域を、コイルからより遠い接合面の領域よりもより速い速度で加熱する傾向があり、したがって、熱流の変動および界面に隣接する材料の領域において熱影響部を作り出す。ディーゼルエンジン用のピストンなどの要求の厳しい高負荷の用途では、材料の強度および整合性の如何なる変動も最小限にするために、界面を横切る熱影響部が均一な溶接接合部を設けることが望ましいであろう。

米国特許第6,155,157号は、摩擦溶接によって接合面の2つの径方向に間隔をあけられた組を横切って接合される第1および第2の部分を有するピストンを開示する。このような構造は誘導溶接によって上記部分を接合することへの課題を提示するであろうということが理解される。なぜなら、接合面が位置する領域へのアクセスが制限され、内部冷却ギャラリーの場合には、嵌め合わせられる接合面に隣接するいずれの誘導コイルの位置決めにも到達できないからである。ピストンの分野における公知の既存の技術に基づいて、上述の′642号特許に示されるようなピストンの複雑な構造を誘導溶接するための好適な技術は、存在することが知られておらず、使用されることが間違いなく知られていない。これは、このような誘導加熱技術を、径方向に間隔をあけられた複数の接合面を有する複雑なピストンの構成に適合させる際の実用上の難題のためである。

耐久性のあるピストンの分野のほかに、誘導加熱は石油製品担持する突合せ溶接金属チューブなどの単純な構造を接合するために使用される。米国特許第6,637,642号はこのようなプロセスを開示する。このような管は、平らでより平坦端部面を有する単純で、単一の壁で囲まれた円筒形の構造である。1つの端部面を別の端部面に接合するために、誘導コイルが端部面の間に導入され、端部面は高温に加熱され、その後コイルが引抜かれ、端部面は互いに係合されて、溶接接合部を達成する。好ましくは、一旦面が接触されると、面は溶接面のより密接な合体を達成するために少量(数度)捩じられる。驚くべきことに、単純で、単一の壁で囲まれた円筒形の石油パイプを接合することにこれまで限定されていた誘導溶接技術が、接合面の界面を横切って均一であるが最小の熱影響部を有する強く、整合性の高い接合部を達成する態様で、複雑なピストン構造を接合するためにうまく利用されるように改善され得ることを発明者は発見した。

概要

耐久性のあるディーゼルエンジンの用途に特に適合されるピストンは、周方向に延在する接合面を有する別々の部分から製造される。周方向に延在する接合面は、結合の前に、接合面の結合を可能にするのに十分な高温に加熱され、その後、接合面が互いに接触され、捩じられて、接合面の界面において永久的な冶金的な溶接部を達成する。ピストンは、両方が同時に溶接される、径方向に間隔をあけられた壁を有する。溶接接合部は、同一の平面または異なる平面に位置してもよい。上記部分は、一旦接合されると、まだ熱い間に溶接接合部における壁の厚さを減少させるように僅かに引離され得る。

目的

この発明は、複数の部分のピストンを溶接するための単純で低コストの方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
6件

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請求項1

ピストンを作る方法であって、互いから間隔をあけられた少なくとも2つの関連する周方向に延在する接合面を有するピストンの第1の部分を準備することと、互いから間隔をあけられた少なくとも2つの関連する周方向に延在する接合面を有するピストンの第2の部分を準備することと、第1の部分の接合面が第2の部分の接合面と接触しないように位置決めされた状態で、第1および第2のピストン部分を支持することと、第1および第2の部分の接合面を高い結合温度に加熱し、その後、第1および第2の部分の接合面を互いに接触させ、それによって、それらの間に冶金的な結合を形成することとを備え、接合面は異なる平面に位置する、方法。

請求項2

接合面は誘導加熱によって加熱される、請求項1に記載の方法。

請求項3

第1および第2のピストン部分が互いに接触しないように支持される間に、それらのそれぞれの接合面は互いに間隔をあけられた関係で、第1の部分の形成面と第2の部分の形成面との間に空隙を形成して配置される、請求項2に記載の方法。

請求項4

誘導加熱は、空隙の中に誘導コイル伸長し、接合面を加熱するようにコイル通電することによって実施され、その後、第1および第2の部分の接合面を接触させる前にコイルが空隙から引抜かれる、請求項3に記載の方法。

請求項5

接合面の接触の間、第1および第2の部分は、互いを横切って接合面を摺動させるように互いに対して捩じられる、請求項4に記載の方法。

請求項6

捩じることは360°未満にわたって行われる、請求項5に記載の方法。

請求項7

捩じることは180°未満にわたって行われる、請求項5に記載の方法。

請求項8

捩じることは90°未満にわたって行われる、請求項5に記載の方法。

請求項9

捩じることは45°未満にわたって行われる、請求項5に記載の方法。

請求項10

捩じることは30°未満にわたって行われる、請求項5に記載の方法。

請求項11

捩じることは20°未満にわたって行われる、請求項5に記載の方法。

請求項12

捩じることは10°未満にわたって行われる、請求項5に記載の方法。

請求項13

捩じることは5°未満にわたって行われる、請求項5に記載の方法。

請求項14

第1および第2の部分の一方の接合面に、前記接合面の他方によりもより接近して誘導コイルを位置決めすることを含む、請求項4に記載の方法。

請求項15

第1および第2の部分を異なる材料から製造することを含む、請求項14に記載の方法。

請求項16

接合面の加熱および結合の前に、部分に燃焼ボウルを最終機械加工することと、第2の部分にピン突起およびピン穴を最終機械加工することとを含む、請求項1に記載の方法。

請求項17

結果として生じるピストンは、ピストンのリングベルト誘導溶接接合部を設けられ、リングベルトに設けられる任意のリング溝最下部の下に誘導溶接接合部を設置する、請求項1に記載の方法。

請求項18

加熱および第2の部分との結合の前に、第1の部分にバルブポケットを機械加工することを含む、請求項1に記載の方法。

請求項19

第1および第2の部分の嵌め合い壁部分に接合面を形成することを含む、請求項1に記載の方法。

請求項20

壁部分は環状である、請求項19に記載の方法。

請求項21

接合面は壁部分の括れた端部領域に設けられる、請求項20に記載の方法。

請求項22

接合面の温度を結合温度に上昇させるのに必要な加熱はいずれも、接合面が互いに接触される前および後に中断される、請求項1に記載の方法。

請求項23

環状の冷却ギャラリーは、径方向に間隔をあけられた側壁の対、上部壁、および底部壁境界となる第1および第2の部分の間に形成される、請求項1に記載の方法。

請求項24

冷却ギャラリーに露出される接合面において溶接接合部が各々の側壁に形成されるように、接合面が側壁に形成される、請求項23に記載の方法。

請求項25

第1の部分は燃焼ボウルを有して形成され、第2の部分はピン突起の対およびピン突起に動かせないように固定されるピストンスカートを有して形成される、請求項1に記載の方法。

請求項26

第1の部分は、第1の部分の長手方向の軸を含む平面を横切って非対称形の機能を有して機械加工される、請求項1に記載の方法。

請求項27

ピストンを製造する方法であって、少なくとも1つの関連する嵌め合わせ面を有する第1のピストン部分を製造することと、少なくとも1つの関連する嵌め合わせ面を有する第1のピストン部分から別々に第2のピストン部分を製造することと、第1のピストン部分の嵌め合わせ面を第2のピストン部分の嵌め合わせ面から間隔をあけることと、嵌め合わせ面が間隔をあけられた状態で、面の溶接に十分な温度に面を加熱することと、接合された嵌め合わせ面を横切ってピストン部分を溶接するように、加熱された嵌め合わせ面を互いに接触させ、接合された嵌め合わせ面がまだ熱い間に、嵌め合わせ面の厚さを減少させるようにピストン部分を互いから軸方向に引離すこととを備える、方法。

請求項28

接合面は誘導加熱によって加熱される、請求項27に記載の方法。

請求項29

嵌め合わせ面を横切って空洞を形成することを含む、請求項27に記載の方法。

請求項30

溶接に続いて、接合された嵌め合わせ面は、接合された嵌め合わせ面を再び焼戻しするようにさらに加熱処理される、請求項27に記載の方法。

請求項31

ピストンであって、嵌め合わせ面を有する上部ピストン部分と、嵌め合わせ面を有する下部ピストン部分と、前記嵌め合わせ面を合体する誘導溶接接合部とを備え、接合された嵌め合わせ面は溶接接合部において局所的に薄くされる、ピストン。

背景技術

0001

発明の背景
この出願は、2003年11月4日に出願された出願番号第10/701,274号の一部継続出願である。

0002

ピストン構造をもたらすために、別々に形成されたピストンの部分を結合するためのさまざまな方法が公知である。1つのこのようなプロセスは摩擦溶接であり、ピストンの一方の部分が他方の部分に押付けられながら高速で回転され、結果として生じる摩擦エネルギが上記部分をともに結合するのに十分な熱を発生させる。他の技術は抵抗溶接誘導溶接などを含み、上記部分が互いに接触された後、エネルギ束が上記部分の接合面を横切って導入され、このエネルギ束によって接合面が互いに面を接合するのに十分に加熱されるようにする。

0003

米国特許第5,150,517号は摩擦溶接の一例であるが、米国特許第6,291,806号は典型的な誘導加熱の一例であり、エネルギを誘導し、したがって界面で加熱するためにコイル接触接合面の側に与えられる。このように誘導コイルを側面に与えることには、誘導コイルに隣接する、材料の端縁近くの接合面の領域を、コイルからより遠い接合面の領域よりもより速い速度で加熱する傾向があり、したがって、熱流の変動および界面に隣接する材料の領域において熱影響部を作り出す。ディーゼルエンジン用のピストンなどの要求の厳しい高負荷の用途では、材料の強度および整合性の如何なる変動も最小限にするために、界面を横切る熱影響部が均一な溶接接合部を設けることが望ましいであろう。

0004

米国特許第6,155,157号は、摩擦溶接によって接合面の2つの径方向に間隔をあけられた組を横切って接合される第1および第2の部分を有するピストンを開示する。このような構造は誘導溶接によって上記部分を接合することへの課題を提示するであろうということが理解される。なぜなら、接合面が位置する領域へのアクセスが制限され、内部冷却ギャラリーの場合には、嵌め合わせられる接合面に隣接するいずれの誘導コイルの位置決めにも到達できないからである。ピストンの分野における公知の既存の技術に基づいて、上述の′642号特許に示されるようなピストンの複雑な構造を誘導溶接するための好適な技術は、存在することが知られておらず、使用されることが間違いなく知られていない。これは、このような誘導加熱技術を、径方向に間隔をあけられた複数の接合面を有する複雑なピストンの構成に適合させる際の実用上の難題のためである。

0005

耐久性のあるピストンの分野のほかに、誘導加熱は石油製品担持する突合せ溶接金属チューブなどの単純な構造を接合するために使用される。米国特許第6,637,642号はこのようなプロセスを開示する。このような管は、平らでより平坦端部面を有する単純で、単一の壁で囲まれた円筒形の構造である。1つの端部面を別の端部面に接合するために、誘導コイルが端部面の間に導入され、端部面は高温に加熱され、その後コイルが引抜かれ、端部面は互いに係合されて、溶接接合部を達成する。好ましくは、一旦面が接触されると、面は溶接面のより密接な合体を達成するために少量(数度)捩じられる。驚くべきことに、単純で、単一の壁で囲まれた円筒形の石油パイプを接合することにこれまで限定されていた誘導溶接技術が、接合面の界面を横切って均一であるが最小の熱影響部を有する強く、整合性の高い接合部を達成する態様で、複雑なピストン構造を接合するためにうまく利用されるように改善され得ることを発明者は発見した。

課題を解決するための手段

0006

発明の概要
この発明の第1の局面に従ってピストンを作る方法は、各々が少なくとも2つの接合面を有するピストンの第1および第2の部分を製造することを含む。上記部分は、接合面が互いに間隔をあけられた関係にある状態で支持される。接合面は、間隔をあけられている間に、高温に加熱され、その後加熱中断され、接合面は互いに接触されて、接合面を横切る冶金的な結合を形成する。この発明の1つの局面に従って、上記部分は結合部がまだ熱い間に僅かに引離され、溶接接合部の細く括れた領域を作り出す。これは材料をできるだけ減らし、重量およびコストを節約する。材料および重量の低減をさらに高めるために、接合されている壁部分に空洞も組入れられてもよい。

0007

この発明における別の局面に従って、ピストンを作るための方法が提供され、第1のピストン部分の接合面が第2のピストン部分の接合面に間隔をあけられた関係で支持され、間隔をあけられている間に面が加熱され、次いでまとめられて、冶金的な結合を形成する。ピストンは径方向に間隔をあけられた壁を有し、壁を横切る溶接接合部は異なる平面に位置し得る。結合に続いて、溶接接合部はさらに、溶接部微細構造の加熱を制御するために再び焼戻し加熱動作において加熱され得る。

0008

この発明におけるさらなる局面に従って、誘導溶接接合部によって接合される嵌め合わせ接合面を備える第1および第2の部分を有し、接合部を横切って均一な熱影響部を有するピストンが提供される。

0009

この発明は、複数の部分のピストンを溶接するための単純で低コストの方法を提供するという利点を有する。

0010

この発明は、溶接接合部に隣接する小さく均一な熱影響部を有する、低コストで整合性の高い溶接接合部を提供するというさらなる利点を有する。

0011

この発明は、2つのピストン部分の接合面の加熱を正確に制御することを可能にする誘導加熱方法を提供し、そのため、各々のピストン部分の接合面が、接合面を高い結合温度に加熱する間に過度にまたは過少に加熱されることがないというさらなる利点を有する。

0012

この発明は、互いから離れて間隔をあけられている間にピストン部分の接合面を加熱する、より正確には、面が互いに接合された後に面を加熱することと比較して、均一におよび制御されて面を加熱するというさらなる利点を有する。たとえば、摩擦溶接を用いて、部分の径方向に間隔をあけられた内壁および外壁部分の端部面に設けられる隣接面を備える上部および下部頭頂部を有するピストンは必ず、外壁が内壁よりも相対的により加熱されるという結果になる。なぜなら、外壁の直径が内壁の直径よりも大きく、したがって内壁の直径よりも大きな角速度で回転し、その結果、内壁において発生する摩擦熱よりも大きな割合で摩擦熱を発生させるからである。摩擦溶接とは異なって、誘導溶接はこのようなピストンの内壁および外壁の相対的な加熱を正確に制御することをこの発明に従って可能にし、それによって、内壁と外壁との間により均一な溶接接合部をもたらす。

0013

この発明の方法によって接合されるピストンの内壁および外壁の加熱を制御することは、外壁を過度に加熱することを回避し、外壁には、摩擦溶接と比較してリングベルト領域における熱流量をよりよく制御するためにリング溝が形成される。

0014

この発明に従う誘導加熱の別の利点は、誘導加熱が、摩擦溶接と比較して、誘導加熱後に部分を接合するのに相対的に低い圧縮力を必要とすることであり、溶接のために必要な熱は比較的高い圧縮荷重下にある間に部分の相対的な回転によって発生される(摩擦溶接
の場合、約1,000psi対20,000psi)。その結果、この発明に従う誘導溶接のための部分を保持および支持するのに必要とされる取付具および装置は、摩擦溶接に必要とされるものほど堅固である必要はない。さらに、摩擦溶接の間に伝えられ、ピストンの使用中に経験される荷重をしばしば超える重い圧縮荷重にこの構造が耐える必要がないので、ピストンの構造は多少解放される。その結果、より薄い部分およびより低重量のピストンが誘導溶接を用いて可能であり、製造業者にとってコスト節約になり、このようなピストンのユーザによって燃料および排出効率を認識される。

0015

この発明のこれらおよび他の特徴ならびに利点は、以下の詳細な説明および添付の図面に関連して考慮されるときに、より容易に理解されることになる。

発明を実施するための最良の形態

0016

好ましい実施例の詳細な説明
この発明の現在の好ましい実施例に従って構成されるピストンは概して、図面において10で示され、少なくとも2つの部分から製造される。2つの部分は、周方向に延在する嵌め合わせ可能な接合面の少なくとも1つ、好ましくは少なくとも2つの組を提供する態様で互いから別々に形成される。周方向に延在する嵌め合わせ可能な接合面は、最初は互いから離れて間隔をあけられ、部分を溶接するのに十分な温度に加熱され、その後、面の加熱が終了され、面が互いに接合されて、部分間に永久的な溶接部をもたらす。

0017

示される実施例では、ピストン10は、第1の部分12および第2の部分14を含む。部分12、14の両方は、金属、好ましくは合金鋼から製造されるが、この発明はこれらの材料に限定されない。第1および第2の部分は鋳造鍛造されてもよく、粉末金属から製造されてもよく、または金属部分を作るためのその他のプロセスであってもよい。第1の部分12および第2の部分14のために使用される合金は、同一のものまたは異なるものであってもよく、したがって、材料の溶接をもたらすために第1および第2の部分が加熱される必要がある温度は、特定の用途の要件によって同一または異なってもよい。

0018

示される実施例では、第1の部分12はピストン10の上部頭頂部を含み、第2の部分14は、接合されたときに部分12、14がピストン10を構成するように上部部分12を補完するピストン10の下部頭頂部として示される。

0019

第1の部分12は、燃焼ボウル18および任意に1つ以上のバルブポケット20を有して形成される上部壁16を有する。燃焼ボウル18は、ピストン10の長手方向の軸Aを中心に対称形である場合もあれば、特定の用途によって要求されれば、示されるように非対称形である場合もある。バルブポケット22は、下部部分14に対して非対称形である。言い換えれば、バルブポケット20および燃焼ボウル18は、下部部分14に対して特定の位置または向きを有するように形成され、そのため、このような非対称形の機能がピストン10にもたらされる場合、下部部分14に対するバルブポケット20の角位置および燃焼ボウルの位置18はピストン10の動作に極めて重要である。

0020

上部部分12は、燃焼ボウル18の下に下方向に延在する内側環状壁22、および内壁22の径方向に外側に間隔をあけられ、上部壁16から垂れ下がる外側環状壁またはリングベルト24を有して形成される。内壁22および外壁24は、それぞれの接合面26、28を有して、端部にまたは端部の近くに形成される。接合面26、28は周方向に延在し、好ましくは連続的であり、長手方向の軸Aに対して対称的に形成され、そのため接合面26、28は軸Aを中心に同心である。

0021

第1の部分12を第2の部分14に溶接する前に、第1の部分は好ましくは機械加工され、さらに好ましくは、燃焼ボウル18と、任意のバルブポケット20と、接合面26、
28と、内壁22および外壁24の間に配置され、接合面26、28から上部壁16に向けて燃焼ボウル18の外側に上方向に延在する環状冷却ギャラリーの窪み30と、内壁22の径方向に内側に延在する内部ドーム32とに最終仕上された面をもたらすように最終機械加工される。以下に記載されるように、ピストン10は外側リングベルト24に一連のリング溝を有して形成されるが、このようなリング溝は好ましくは、説明されるように接合後にピストン10の中に機械加工される。

0022

ピストン10の第2の下部頭頂部14は、ネック36から下方向に延在するピン突起34の対を有して形成され、ピン穴の軸Bに沿って同軸上に位置合わせされるピン穴38の組を有して形成される。ネック36は、内側環状壁40および外側環状壁42を有して形成される。内壁40および外壁42は、それぞれの接合面44、46を有して形成され、接合面44、46は、周方向に延在し、好ましくは連続的であり、上部頭頂部12の内壁22および外壁24の接合面26、28とそれぞれに位置合わせし、嵌め合わさる。図2に最もよく示されるように、上部頭頂部12の接合面26、28および下部頭頂部14の接合面44、46は、好ましくは、以下に記載されるように、部分間に加熱コイルを容易に導入および取外すことができるように、それぞれの共通の平面に含まれる。しかしながら、接合面のより平坦な配置が好ましいが、この発明はこのような配置に限定されず、面が互いに嵌め合わさる限り、接合面は異なる平面に配置されることができ、さまざまな形状を有することができる(たとえば、嵌め合わせ面は円錐形階段状などである)。

0023

下部頭頂部14を上部頭頂部12に溶接する前に、下部頭頂部14は好ましくは機械加工され、さらにより好ましくは、最終仕上が、冷却ギャラリーの窪み48を含む、ピン穴38、ネック36に形成されるように最終機械加工される。冷却ギャラリーの窪み48は、内壁40と外壁42との間に配置され、接合面44、46から底部壁50に下方向に延在する。底部壁50は、内壁40および外壁42の下端の間に延在し、下端を接合し、それによって1つの部分として好ましくは形成される。下部頭頂部14は、さらに、ピストンスカート52を含み、ピストンスカート52は、下部頭頂部14の構造とともに単一の、動かすことのできない構造として製造され、ピン突起34に動かせないように固定される。ピストンスカート52の内側面54および外側面56は、ピン突起34の内側面58および外側面60として、溶接の前に最終機械加工される。ピン穴38は、さらに、ピストン10の動作中にピン穴38内にリストピンを保持するために使用されるリング溝62を含むように最終機械加工されてもよい。

0024

上部頭頂部12および下部頭頂部14の外壁24、42は、径方向に縮小されたまたは括れた領域64、66を有して自由な端部に隣接して形成されてもよく、径方向に縮小されたまたは括れた領域64、66は、より薄く、括れた領域64、66から離れたすぐのところにある壁24、42の領域における断面である。接合面28、46は、好ましい実施例に従って、括れた領域64、66の自由な端部に形成され、そのため、頭頂部12、14が図4に示されるように接合されるとき、オイル排液溝68がピストンにおいてピン突起34のすぐ上に形成され、溶接接合部70が接合面26、44および28、46の位置においてそれぞれにオイル排液溝68を横切って形成される。

0025

ここで、溶接動作のさらなる詳細を参照して、図2は、別々に形成され、予め機械加工された上部頭頂部12および下部頭頂部14を示し、上部頭頂部12および下部頭頂部14は、それぞれの接合面26、28および44、46が軸方向に位置合わせされるが互いに間隔をあけられた関係にある状態で取付けられる。加熱コイル、好ましくは誘導加熱コイル72は、上部頭頂部12と下部頭頂部14との間の空間に伸長され、コイル72は、接合面の加熱を誘導するように通電されて、接合面を誘導溶接接合部によって互いに冶金的に結合できるようにするのに十分な温度に上昇させる。加熱コイル72は、一旦十分な高温に加熱されると、図4に示されるように素早く取外され、上部頭頂部12および下部
頭頂部14は互いの方に軸方向に相対的に移動され、結合に十分な温度にある間に、それぞれの接合面26、44および28、46を互いに合体させて係合させる。この発明に従って、内壁および外壁の両方の接合面は、加熱コイル72による単一の動作における適切な結合温度に同時に加熱される。好ましくは、加熱コイル72は誘導加熱コイルを含み、誘導加熱コイルは、通電されるときに、接合面を高い結合温度に局所的に加熱するように内壁および外壁において電子の流れを誘導するが、内壁材料および外壁材料の大部分は主として誘導加熱によって影響を受けないままである(つまり、このような高温、さらに言うと、材料の微細構造の変化を引起すであろう温度に引き上げられることはない)。その結果、誘導加熱は、内壁および外壁の幅方向に実質的に均一な、非常に制御された熱影響部(HAZ)74を生み出す。

0026

一旦上部頭頂部12および下部頭頂部14が加熱され、互いに接触されると、部分12、14は好ましくは、比較的少量だけ捩じられて、溶接接合部界面70を横切る上部および下部頭頂部材料の非常に整合性の高い冶金的な合体または結合を達成するように接合面を混合または擦り付ける。上部頭頂部12および下部頭頂部14は、数度から1回転未満の範囲で、好ましくは約2〜4度捩じられる。上部または下部頭頂部がバルブポケット20またはオフセット燃焼ボウル18などの非対称形の機能を含む場合には、それらの機能が最終的なピストンにおいてピン穴の軸Bに対して適切に方向付けられることが重要である。したがって、捩じった後に上記機能をピン穴の軸Bに対して適切な向きに向ける量だけ、接合の前に上記機能が軸Bと位置ずれを起こすように頭頂部12、14の位置および取付けが注意深く制御される。

0027

図6に示されるように、溶接に続いて、リングベルト24に一連のリング溝76を設けるように最終機械加工動作がピストン10で行なわれる。リング溝76は好ましくはオイル排液溝68の上にあり、したがって、溶接接合部70はリング溝76の最下部の下にある外壁24、42に位置決めされる。

0028

上部頭頂部12および下部頭頂部14を溶接した結果、閉じたオイルギャラリー78が頭頂部12、14の間に形成され、内壁22、40および外壁24、42、上部壁16、ならびに底部壁50が境界となり、溶接接合部70はオイルギャラリー78に露出される。頭頂部12、14は、オイルギャラリー78への適切なオイル供給および排液通路を有して形成または機械加工されることができ、オイル供給および排液通路は上述の他の最終機械加工される面と同様に、溶接の前に有利に形成され得る。

0029

接合面26、28および44、46は、面が接合された後に加熱するのではなく、面を接合する前に加熱コイル72によって加熱されるので、接合面の直接的で均一な加熱が達成されることができ、非常に制御可能であることが理解される。図8は、異なる材料、形状などのために、コイルが接合面の組の各々から等距離に位置決めされる場合に、上部および下部頭頂部の接合面が均一に加熱されないであろう状況を示す。図8の示される例では、上部頭頂部12の接合面26、28は、下部頭頂部の接合面よりもより多くの量またはより強力な加熱を必要とし、したがって、下部頭頂部のそれよりも上部頭頂部に相対的により近づくように誘導コイル72は接合面26、28の方に付勢または移動される。このように、2つの部分の結合温度が異なっている場合もあれば、所与の結合温度を達成するために一方の部分が他方の部分よりもより多くのエネルギを必要とする場合もあるときでさえ、嵌め合わせ接合面はその必要とされるそれぞれの結合温度に適切に加熱されることが確実になる。より多くの加熱を必要とする部分の方に、およびより少ない加熱を必要とする部分から離れるようにコイル72を移動させることによって、結合の前にそれらの部分を過度に加熱することを極力抑え、過小に加熱することを防ぐように適切な均衡位置が達成されることができる。上部および下部頭頂部の相対的な加熱を制御するこの能力によって、補完する部分との接合に適切なときに適切な結合温度に達するために、上部頭頂
部12および下部頭頂部14は、異なる結合温度を有する異なる材料、または異なる加熱要件を要求する同一または異なる材料の構造から製造されることができる。

0030

部分12、14は、好ましくは鋼から製造され、より好ましくはSAE4140グレードから製造される。部分12、14は、28〜34RCの範囲の硬度を有する焼戻しマルテンサイト構造をもたらすために溶接の前に焼戻しされる。溶接接合部の中央の硬度は35から50の範囲であり、好ましくはその範囲の下端近くである。誘導コイルによる接合面の制御された予熱を用いて、溶接接合部の硬度は38〜42RCの範囲内に制御されることができる。予熱は効果的に接合面を「浸漬」し、面より下に熱を通す。これは、接合後の溶接部材料の「焼入れ」動作を低減するという利点を有し、中央に焼戻しされていないマルテンサイト、より正確にはベイナイトが形成されるのを回避することを目的とする。4140材料は、妥当な時間(つまり、秒)内の制御冷却を可能にする、抑制されたTTTカーブの利点を有する。

0031

図9は、図8のピストンの変形例を示し、上部内壁22および下部内壁40を横切る溶接接合部界面70は、上部外壁64および下部外壁66を横切る溶接接合部界面70とは異なる平面に位置する。外壁64、66の溶接接合部界面70が、隣接するリング溝76の間、好ましくはリング溝の最下部の上のリングランドに位置することがさらに示される。

0032

図10は、この発明の別の変形例であり、上部頭頂部12および下部頭頂部14は、一旦加熱され、まとめられ、溶接部界面70を横切って接合されると、溶接接合部70における金属がまだ加熱された塑性状態にある間に僅かに引離されて、最初に僅かに隆起した状態から、接合された壁の厚さを局所的に減少させ、溶接接合部70の領域における壁に細く括れた領域76を作り出す。さらに、少なくとも内壁22、40は、溶接の前に端部面に窪みを有して形成されることができ、この窪みは、溶接後に壁22、40とともに空洞78を形成する結果になる。

0033

溶接に続いて、溶接接合部70は、溶接接合部70における金属の微細構造をたとえばマルテンサイトから焼戻しマルテンサイトへ変更するために、再び溶接接合部70を焼戻しするように誘導加熱または他の手段によって加熱処理され得る。

0034

明らかに、この発明の多くの修正例および変形例が上述の教示の観点から可能である。したがって、この発明は、特許請求の範囲内で、具体的に記載されるものとは異なったように実施され得ることが理解されるべきである。この発明は特許請求の範囲によって規定される。

図面の簡単な説明

0035

溶接の前の上部および下部ピストン部分の斜視図である。
取付けられる部分および加熱されるその接合面を示す、図1と同様の図である。
図2で使用される加熱コイルの平面図である。
図2の部分を通る断面図である。
図2と同様の図であるが、加熱後に互いに接触され、捩じられる部分を示す図である。
最終機械加工されたピストンの斜視図である。
図6の線7−7に沿ってとられた断面図である。
ピストン部分の一方の接合面に、他方の接合面によりもより接近して位置決めされる加熱コイルを示す拡大部分断面図である。
この発明の変形例の断面図である。
この発明の別の変形例の拡大部分断面図である。

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