環(huán)104沿著徑向內(nèi)和外接合區(qū)域1，0確定至彼此。激光焊接可允許焊接工具沿著活塞100的外表面在接合區(qū)域1，0附近形成一般平滑的表面。這可尤其有利于在接頭位于燃燒碗120的情況下提供相對(duì)平滑的燃燒碗表面120，并且可因此減少隨后加工外活塞表面例如燃燒碗表面120的任何需要。在一示例性例證中，最多可在與連接體102和冷卻通道環(huán)104相關(guān)的焊接過(guò)程之前和/或之后需要極小的加工運(yùn)行。而且，在一些示例中可不需任何加工。
[0045]激光焊接運(yùn)行一般可允許在體102和環(huán)104之間形成固體金屬焊接然而同樣最小化相關(guān)熱影響區(qū)的尺寸。更加特殊的是，焊接激光一般可用于在徑向內(nèi)接合區(qū)域I和/或徑向外接合區(qū)域0擴(kuò)大熱影響區(qū)，該熱影響區(qū)可包括或直接鄰近體102和環(huán)104的配合表面，因此沿著接合區(qū)域I，0的配合表面焊接體102和環(huán)104為一體。
[0046]示例性熱影響區(qū)(HAZ)600，602在圖1分別在徑向內(nèi)和外接合區(qū)域I，0示出，如陰影區(qū)域指示。HAZ600，602 —般可代表區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)冷卻通道環(huán)104和體102的材料熔化或不然被影響連接至兩個(gè)部件。如在圖1中最好的看出，熱影響區(qū)600，602 —般可規(guī)定越延伸進(jìn)接頭越變窄的寬度，該寬度一般與激光對(duì)影響材料越來(lái)越小的能力相對(duì)應(yīng)，該材料橫向阻隔激光往接頭越來(lái)越深的方向移動(dòng)。
[0047]使用激光焊接過(guò)程連接環(huán)104和體102時(shí)，焊接激光一般可用于連續(xù)的焊接過(guò)程，該連續(xù)的焊接過(guò)程大體關(guān)于接合區(qū)域I和/或0的整個(gè)周邊延伸，以致焊接大體關(guān)于整個(gè)活塞100延伸?？晒┻x擇地，一系列非連續(xù)的焊接可沿著接合區(qū)域I和/或0的周邊范圍進(jìn)行。
[0048]用于連接體102和冷卻通道環(huán)104的激光焊接運(yùn)行與其他焊接方法例如摩擦焊接相比可有數(shù)個(gè)優(yōu)點(diǎn)。激光焊接運(yùn)行通常導(dǎo)致相對(duì)較小的熱影響區(qū)，有時(shí)僅有幾毫米小。不過(guò)，熱影響區(qū)可有利的包括體102的配合表面和環(huán)104相對(duì)應(yīng)的配合表面，如將在下面進(jìn)一步描述。此外，激光焊接幾乎可在活塞100任何能被沖擊的激光束接近的位置發(fā)生。因此，激光焊接運(yùn)行可在活塞100選擇體102和環(huán)104之間接合區(qū)域的位置時(shí)允許很大的靈活性，例如徑向內(nèi)和外接合區(qū)域I，0。
[0049]相比之下，已知的摩擦焊接方法一般要求要連接的部件的配合表面與焊接和/或活塞軸正交。更加特殊的是，要摩擦焊接為一體的表面一般必須在摩擦焊接過(guò)程期間與相關(guān)的焊接部件運(yùn)動(dòng)的方向正交對(duì)齊，該方向通常平行于活塞軸。此外，用于驅(qū)使部件摩擦焊接為一體的極大壓力要求對(duì)要焊接的表面相對(duì)應(yīng)的極大程度的支承以便防止在焊接期間對(duì)部件的損壞。最后，摩擦焊接需要求該部件旋轉(zhuǎn)對(duì)稱以便允許通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)連接圓柱形部分。相比之下，激光焊接過(guò)程不要求活塞部件，例如體102和環(huán)104，承受極大的作用力，例如那些在摩擦焊接過(guò)程中的作用力。此外，激光焊接過(guò)程不要求旋轉(zhuǎn)對(duì)稱因?yàn)樵诩す夂附舆^(guò)程中沒(méi)有一部分需要移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。事實(shí)上，可使用不對(duì)稱或偏心的接合區(qū)域，例如導(dǎo)致不對(duì)稱的燃燒碗(未示出)。
[0050]冷卻通道108可有利的規(guī)定一個(gè)或更多開(kāi)口(未示出)，該開(kāi)口允許氣體在激光焊接過(guò)程中漏出。在任何出現(xiàn)在冷卻通道108內(nèi)的氣體或空氣趨向快速擴(kuò)散時(shí)，提供至少一個(gè)開(kāi)口可在焊接過(guò)程中有益。開(kāi)口可因此防止對(duì)冷卻通道10和因?yàn)闅怏w或空氣的擴(kuò)散對(duì)活塞100相鄰表面的損壞。而且，擴(kuò)散氣體的“小孔效應(yīng)”可損壞沿著接合區(qū)域1，0的焊接。更加特殊的是，由于焊接密封冷卻通道108，擴(kuò)散的氣體將趨向于通過(guò)在材料充分硬化之前從熔化的材料中漏出來(lái)?yè)p壞焊接區(qū)，除非為擴(kuò)散的氣體提供漏出的路徑，例如通過(guò)開(kāi)口。此夕卜，開(kāi)口可需要允許冷卻劑，例如油，在運(yùn)行期間循環(huán)通過(guò)冷卻通道。而且，任何開(kāi)口可同樣允許在激光焊接過(guò)程中去除焊接飛濺，如在下面將進(jìn)一步描述。在一示例性例證中，一個(gè)或更多開(kāi)口，例如開(kāi)口 150提供在冷卻通道108的下表面，因此允許開(kāi)口在活塞100運(yùn)行期間作為油/冷卻循環(huán)進(jìn)口或出口使用。
[0051]示例性活塞100的活塞體102和冷卻通道環(huán)104可由任何便利的材料構(gòu)成，例如能接受激光焊接的材料。僅作為示例，可使用任何可接受激光焊接的含金屬混合物。在一示例性例證中，體102和冷卻通道環(huán)104由同樣的材料形成，例如鋁。在另一示例中，體102和冷卻通道環(huán)104各自由鋼材料形成。而且，體102和冷卻通道環(huán)104需要不由同樣的材料形成。因此，用作部件的材料可更緊密的適用于一般要求以及與之有關(guān)的運(yùn)行條件。僅供示例，活塞體102可包括與冷卻通道環(huán)104不同的機(jī)械性能，例如軟化點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度或缺口韌性?？墒褂萌魏伪憷牟牧匣蚪M合于體102和冷卻通道環(huán)104。僅供示例，體102和/或冷卻通道環(huán)104可由鋁材料，鋼材料，鑄鐵，復(fù)合材料，或粉狀金屬材料。體102和/或冷卻通道環(huán)104同樣可由不同的過(guò)程形成，例如體102 —般可為單獨(dú)鑄件，然而冷卻通道環(huán)104可為鍛造?？墒褂萌魏伪憷牟牧虾?或形成的組合。如上所述，一定材料的選擇，例如用鋁制造體102和冷卻通道環(huán)104，可有益于在這里描述的特性，為例如活塞環(huán)插入300和/或在活塞100的一個(gè)或兩個(gè)接合區(qū)域I，0的支承表面提供增加的局部硬度或強(qiáng)度。
[0052]在確定體102和環(huán)104為一體之前，例如通過(guò)激光焊接，體102和環(huán)104可以確定但不永久的方式預(yù)組裝。例如，可在兩個(gè)部件之間使用熱壓配合或過(guò)盈配合。在一示例中，體102置于升高的溫度中，開(kāi)始熱膨脹直至足以允許環(huán)104插入體102。冷卻體102至較低溫度時(shí)，體102的熱膨脹反轉(zhuǎn)，因此限制環(huán)104在位置上。在另一示例性例證中，體102和環(huán)104由具有不同熱膨脹系數(shù)的材料形成，以致對(duì)兩個(gè)部件供熱導(dǎo)致體102更大程度的熱膨脹，允許環(huán)104的插入。
[0053]可供選擇地或除了如上所述的熱壓配合或過(guò)盈配合，可提供小的焊釘來(lái)在例如通過(guò)激光焊接過(guò)程永久的連接體102和環(huán)104之前進(jìn)一步確定體102和環(huán)104為一體。
[0054]如上所述，激光焊接過(guò)程可有利地在要焊接為一體的部件允許較小的熱影響區(qū)，例如僅有幾毫米。但是，相對(duì)較小的熱影響區(qū)可同樣導(dǎo)致熱影響區(qū)或焊接附近的材料內(nèi)極端的溫度梯度。因此，可因?yàn)闃O小距離的材料中極大的溫度變化導(dǎo)致破裂擴(kuò)大。因此可取的是通過(guò)預(yù)熱焊接部件來(lái)減少該梯度，例如在熔爐中或通過(guò)電磁感應(yīng)。在一示例性例證中，體102和環(huán)104均加熱至約200到600攝氏度。
[0055]各種類型的激光焊接系統(tǒng)都可用作示例性激光焊接過(guò)程的一部分。例如，可使用固態(tài)，磁盤(pán)，二氧化碳，或光纖激光。二氧化碳激光系統(tǒng)眾所周知并且可因此比，例如最近發(fā)展起來(lái)的光纖激光系統(tǒng)在大型制造環(huán)境中更常見(jiàn)。但是，二氧化碳激光過(guò)程同樣通常要求大型機(jī)械，該大型機(jī)械不能例如在制造設(shè)備周圍輕易的移動(dòng)，而固態(tài)激光可使用于任何光纖或?qū)Ч饨橘|(zhì)可延伸到的地方。
[0056]通常，較厚的焊接接頭可要求較高功率的激光來(lái)適當(dāng)?shù)娜刍B接的材料。在一示例性例證中，6毫米(mm)厚的要連接的材料用6千瓦(kW)激光以2.0米每分鐘的進(jìn)給速度充分焊接，使用300-400微米寬或厚的束。
[0057]在另一示例性例證中，可使用多重激光束來(lái)完成激光焊接過(guò)程。更加特殊的是，可使用兩束激光一起在活塞100的接合區(qū)域I或0移動(dòng)，一束激光跟在另一束激光后面。激光的功率一般可均分在兩束激光。在一示例中，激光束之間可使用0.2-0.5毫米的間隔。在另一示例中，使用0.39毫米的間隔。激光束的焦距可約在150-400毫米之間并且在一示例中約為300毫米。而且，可使用激光的功率電平約為3.5kW-6.0kW，并且進(jìn)給速度(即激光束在焊接運(yùn)行期間沿著接合區(qū)域I和/或0移動(dòng)的速度)為1.0-2.0米/秒。
[0058]焊接體102和環(huán)104為一體后，任何焊接飛濺可從冷卻通道108去除。在一示例性例證中，可使用高壓沖刷運(yùn)行，指流體在高壓下循環(huán)通過(guò)冷卻通道108。如上所述，在冷卻通道108的內(nèi)表面上使用涂層，例如碳涂層可促進(jìn)焊接飛濺的去除。上述關(guān)于活塞100的示例性支承表面一般可減少去除焊接飛濺的需要，并且在一些情況下可完全排除該需要。
[0059]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖6，示出制作活塞組件的示例性過(guò)程600。過(guò)程600可從阻塞602開(kāi)始，該阻塞602提供活塞體。例如，可如上所述形成活塞體102，例如通過(guò)鑄造，鍛造，或加工過(guò)程，僅供示例。而且，活塞體102可包括徑向內(nèi)和外表面，例如，如上所述的活塞組件100a，100b，100c，100d，或100e。過(guò)程600可以隨后發(fā)生在阻塞604中。
[0060]在阻塞604中，冷卻通道環(huán)可被組裝到體中。例如，如上所述可以形成一個(gè)通道冷卻環(huán)104，例如通過(guò)鑄造，鍛造，或加工過(guò)程，僅供示例。而且，冷卻通道環(huán)104可包括徑向內(nèi)和外配合表面，該徑向內(nèi)和外配合表面與活塞體102的徑向內(nèi)和外配合表面相對(duì)應(yīng)。在一些示例性途徑中，