Brevet FR2012955A1 — publié le 19700327

L'invention se rapporte aux pistons et à leurs procédés de fabrication. Un piston, suivant l'invention, comprend deux par- ties complémentaires, fixes entre elles par soudure par frictions Le procédé de fabrication d'an piston, suivant l'invention, comprend la formation d'au moins deux pièces complémentaires en matière soudable par friction, le maintien de ces deux pièces en registre l'une avec l'autre et la soudure par friction d'une piè ce à l'autre par mouvement de frottement relatif entre elles. De préférence, le mouvement relatif de frottement est provequé par une retation unidirectionnelle des pièces. La sarface de l'nue QU moins des pièces complémantaires p-at être anduits avant la soudure par friction. En complément ou en vari@nte, la surface de jonction d'au moins l'une des pièces petit être @et@eyée, par exemple, par décapage, avant la s@ndure par friction. On décrira maintenant un certain nombre de modes de réalisation de ltintention en se référant au dessin annexé, dans lequel: la figer. 1 représente un premier mode d'exécution d'un pis- ton et illustre son procédé de fabrication. Les figaros 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8A et 8B illustrent respecti velent wi second, un troisi#me, un quatrième, un cinquième, un sixième, un septième et an huitième modes d'exécution d'un piston et les precédés de fabrieation correspondants, ainsi qu'une variante du huitième mode d'exécution, Le piston représenté à la figure 1, est composé d'un corps 10, d'une pièce ll de support de segment et d'un cordon supérieur 12.Le corps 10 peut, en pratique, être en alliage d'aluminium ou en alliage de magnésium ou en toute autre matière susceptible de soudure par friction aux autres pièces et est commodément formé par moulage ou forgeage suivi d'un usinage. Le sommet de la paroi latérale du corps 10, qui forme la paroi latérale du piston fini, est muni d'un évidement. Dans le présent mode d'exécution, il s'ait d'un évidement annulaire à section rectangulaire, destiné à recevoir les autres pièces ll et 12. La bague de support ll peut être en acier, en acier inoxydable, en bronze, en alliage aluminium-silicium hypereutectique, ou en toute autre matière résistante à l'usure et susceptible d'être soudée par friction au corps 10. Elle est usinée à des dimensions aptes à @'@jester dans l'évidement complémentaire du corps 10 Les pièces 63 et ll sont alors maintenues dans des mandrins appro priés, en ragistre l'une avec l'autre et sont simultanément entraînées en rotation l'une par rapport à l'autre et pressées l'une contre l'autre dans une direction axiale par rapport au piston, pour provoquer un mouvement de frottement entre les deux pièces, ce qui provoque la fusion de l'une des deux surfaces de contact. On fait alors cesser la rotation- et les parties sont maintenues n contact, ee qui permet un refroidissement des surfaces en con tat ot, ainsi, la formation d'un joint soudé 13 entre les deux pièces 1O et llQ titre d'exemple le mouvement de frottement est poursuivi pendant 5 secondes. La rotation relative entre les pièces est unidirectionnelle et peut , !+re obtenue au moyen d'un moteur muni d'un dispositif de freinage destiné à arrter la rotation. les surfaces nues peuvent alors être nettoyées par @sinage et le cordon supérieur 12 est soudé par friction à la bae il et au corps 10 de la manière décrite ci-dissus. Cette dernière soudure est indiquée en 14. Le cordon supérieur 12 sera habituellement constitué de la même matière que le corps 10, mais il peut être constitué d'une matière appropriée quelconque, par exemple : le corps 10 peut être en alliage d'aluminium forgé et la pièce 12 en alliage d'aluminium coulé. le piston est alors usiné, ou formé d'autre manière connue, pour produire son contour final et, en méne temps, former une ou plusieurs rainures annulaires (non figurées) dans la pièce Il et, si cela est nécessaire, dans les autres pièces il est clair que le frottement peut avoir lieu, entre les pièces 10 et 117 par exemple, sur les surfaces planes normales à l'axe du piston, mis non autour de la circonférence complète des surfaces cylindriques contigües des pièces.On a trouvé quevlors- qu'on soude une bague en alliage d'aluminium à un corps en même matière, une bonne adhérence se produit entre les surfaces cylindriques et en @@time que cela est dû à l'écoulement du métal fondu de la soudure depuis 1 'intervalle entre les surfaces planes contigües @usqu'à l'intervalle entre les surfaces cylindriques cotie. Lorsqu'on soude des matières dissemblables, cet effet peut être moins pronencé et, dans ce cas, par exemple lorsqu'on soude une bague ahnulaire ferre use 11 tonne} que mtme un manque total d'adhérence entre la face cylindrique de la bague 11 et le corps 10 peut se révéler sans importance. Cette méthode peut être également utilisée pour former des cavités de refroidissement dans le piston. A cet égard, en se référant à la figure 2, on a représenté un corps de piston 20 et une pièce annulaire complémentaire 21 dont les profils sont conformés de façon à constituer une cavité annulaire 22 à l'intérieur du piston.La pièce 21 est soudée par friction au corps 20 par la méthode décrite ci-dessus, comme on l'indique en 23. lorsqu'il est nécessaire de former une cavité et, également, de constituer une bague en matière différente de celle du cordon supérieur, comme le montre la figure 3, le corps 30 peut être muni d'un évidement à trois gradins. la bague 31 est alors en registre avec le premier gradin et est soudée par friction au corps, au moins le long de la face radiale 32 et, probablement aussi, le long de la face cylindrique contigüe. En outre, cette dernière fournit un emplacement positif pour la pièce de support de segment. les surfaces nues sont alors nettoyées et le cordon supé rieur 33 est alors soudé par friction au corps 30 et à la pièce de support 31 le long des faces radiales et cylindriques 34. les trois parties définissent ensemble une cavité annulaire de refroidissement 35. Cette méthode peut être également utilisée pour réaliser une couronne de piston en matière différente de celle du corps. A la figure 4, le corps 40 est muni, au centre de sa surface supérieure, d'un évidement tronconique et une garniture intérieure 41 est -;oudée par friction dans cet évidement au moyen de la méthode di- crite ci-dessus. Une cavité 42 est ménagée sur l'axe de rotation tsi l'endroit oìì il ne se produit aucun mouvement relatif) et sert recevoir tout excédent de métal provenant de la soudure. ma garniture intérieure 41 peut être en matière résistant au choc tner::'ioue, par exemple : un alliage alumînium-cuivre-nickel-man- ganèse, de l'aluminium fritté, un alliage de cuivre, un alliage de nickel ou de l'acier. Une chambre de combustion 43, de forme connue ou convenable, peut ensuite être usinée dans la garniture intérieure 41. A la figure 5, le corps 50 est muni d'un-évidement annulaire 51 dans sa surface supérieure, d'un autre évidement 52 sur son aie de rotation. Une couronne 53 du même diamètre que le corps 50 est munie d'un évidement annulaire 54 en registre avec 'l'évide- ment 51 et d'un évidement central, 55 enregistre avec l'évidement 52 et soudé par friction au corps, tomme on l'indique en 56. les évidements annulaires 51 et 54 des deux pièces forment ensemble une cavité de refroidiasenent annulaire dans le piston0 L'évidement central 52-55 autorise l'écoulement d'une, quantité quslcon- que de létal fondu et peut aervir, ai on le désire, par exemple, i recevoir un liquide réfrigérant, auquel cas il sera connecté à la cavité annulaire de r froidissement au moyen d'un ou plusieurs passages radiaux formés dans l'interface entre le corps 50 et la couronne 53. la couronne 53 peut être en matière résistant à la chaleur aux chocs thermiques, par exemple, l'une quelconque des matière indiquées ci-dessus.Si l'on préfère, la cavité de re froidissement 51-54 peut Entre omise. Une chambre de combustion peut outre usinée, si aela est nécessaire, dans la couronne 530 Coule on le voit à la figure 5, un piston ayant une chambre de combustion ménagée dans la couronne peut tre muni d1 une lèvre 60 en matière résistant à, la chaleur, soudée par friction à un corps de piston 61.Cette structure peut tre combinée avec celle de la figure 41 si bien que la chambre de combustion est définie par des pinces rapportées supérieure et inférieure résistant à la chaleur et soudées sur place par friction. La matière résistant à la chaleur peut, par exemple, Strie en acier austénique thermiquement résistant, ou un alliage à base de nickel ou de chrome. Dans chacun des modes d'exécution décrits ci-dessus, la soudure par friction est obtenue par rotation relative des pièces à souder autour de l'aie du piston Toutefois, lorsque cela est pratique, par exemple si l'on voulait réaliser, dans le piston de la figure 4, une chambre de combustion décalée, la rotation pourrait s'effectuer autour d'un axe différent. En outre, une pièce rapportée décalée 70 peut tre prévue comme on l'a indiqué à la figure 7 et soudée par friction au corps de piston 71 pour fournir un point chaud sur la couronne du piston. Dans un autre mode d'exécution représenté à la figure 8a, un coussinet 80 est soudé par friction dans le bossage 81 ou les boE- sages 'un - piston. Ce coussinet peut être en matière appropriée quelconque gui peut entre soudée par friction, par exemple, -le bronze y, le bossage étant en aluminium ou en alliage d'aluminium. La périphéris extérieure du coussinet 80 et l'alésage correspondant peuvent entre coniques (figure 8A) et/ou à gradins (figure 8B) de façon à fournir les surfaces de frottement nécessaires. On se rendra compte que, chaque fois que cela est nécessaire les pièces à souder pourront être munies de pattes ou de parties saillantes appropriées pour leur permettre d' être maintenues dans ou mandrin ou autre dispositif de maintien, les pattes au parties sillantes étant enlevées par usinage après soudage. La surface d'au moins l'une des pièces complémentaires de l'un quelconque des pistons décrits ci-dessus, peut être au besoin, nettoyée avant la soudure par friction. A cet égard, les -surfes--complémentaires peuvent être décapées, par exemple en les immergeant dans de la soude caustique bouillante, puis en loi lavant à l'acide dilué, par exemple l'acide nitrique, enlevant ainsi les oxydes formés thermiquement. En outre, la surface d'au moins l'une des pièces complémentaires de l'un quelconque des pistons décrits ci-dessus, qui peut être ou non nettoyée comme on l'a indiqué précédemment, peut être enduite avant la soudure par friction. A ce dernier égard, l'une des deux pièces ou les deux pièces peuvent être enduites d'une matière à point de fusion relativement élevé, par exemple, un métal ou un alliage, tel que : le nickel, le cuivre, l'argent, l'or, le fert le-chrome, le molybdène ou le tungstène, ou d'une matière à point de fusion relativement bas, par exemple, un métal ou un alliage tel que l'étain, le plomb, le zinc, le cadmium, ou l'antimoine. Ce revêtement peut être appliqué par galvanoplastie ou par un processus chimique de dépôt, par exemple par immersion, ou par une technique appropriée de pulvérisation. En variante, lorsqu'on utilise une matière à haut point de fusion, on peut utiliser un procédé en phase vapeur dans lequel la pièce ou l'une des pièces complémentaires est située-dans une ambiance, par exemple le.vide, dans laqu@lle la @eti@@ à @épaser est introduite sous forme de vapeur ou par décomposition d'une phase vapeur, par exemple, carbonyle. On a trouvé que, dans la fabrication de pistons par soudure par friction comme on l'a indiqué ci-dessus, des soudures ductiles très resistanses ont été formes lorsque les pièces sont cons tituées de la m8me matière g les soudures obtenues entre des matS- riaux dissemblables étaient ameliorées par rapport à celles qui sont obtenues au moyen de certaines des techniques de soudage co- nues, mme sans préenduisage des pièces complémentaires. Toutefois, l'application d'un revêtement à la pièce ou à chaque pièce du piston a été considéré comme améliorant encore le joint ou la soudure entre les pièces lorsque la soudure par friction s'affectue après l'application dtun tel revêtement, en parti culer, si les pièces complémentaires sont en matières dissembla- bles ou mal assorties. Dans ce dernier cas, lorsque les matières sont dissemblables en ce sens que leurs-points de fusion sont différents, et lorsqu une pièce seulement porte un revêtement, on a trouvé qu'un joint amélioré était obtenu en revêtant la partie formée de la matière ayant le ponnt de fusion le plus élevé. Les matières peuvent aussi étsu mal assorties ou dissemblableus en ce sens qu@elles peuvent avoir des vitesses de diffusion relative fables et/ou des caractéristiques de dilatation thermique mal aXssort ee st, en outre, ou à la place de cela, des points de fusion différents. l'épaisseur du reve-ement peut varier ; mais, dans un mode de réalisation particulier, dans lequel une pièce en acier est soudée par friction à une pièce en aluminium ou en alliage d'aluminium de la manière que lion vivent de décrire, un ton joint a été obtenu par revêtement de nickel de la surface de travail de la rice ayant le oint de fusion le plus élevé, c'est-c-dire, la pièce en acier, avec épaisseur comprise entre 25 millièmes et 50 millièmes de millim@tre. Les pièces com@iémentaires des pistons déerite ci-des@us, peuvent être traitées thermiquement avant la sounure, par exemple, par chauffage par induction. En variante, une sele des pièces peut être préchauffée et cette pièce, dans le cas de pièces complémentaires constituées en matwriaux dissemblables et de préfé rence celle qui est formée du métal ayant le point de fusion le plus élevé. La pièce à préchauffer ou chacune des pièces à préchauffer, peut être placée dans une bobine de chauffage par induc- tion, ou on peut la faire passer a travers une telle bobine.Celle-ci est mise sous tension pour effectuer le chauf::'age de la pièce, avant que les pièces ne soient amenées en contact en vue de leur soudure par friction. La présente invention, non seulement fournit des soudures améliorées entre les parties complémentaires de pistons, mais possède l'avantage suivant : les pièces individuelles peuvent être complètement traitées thermiquement (par exemple, les éléments en aluminium peuvent être traités thermiquement en solution, puis en précipitation) avant le soudage et un degré très faible de détérioration des propriétés physiques intervient dans la zone voisine de la soudure et du fait de celle-ci. Un tel traitement thermique s'est révélé difficile à réaliser dans le passé avec des pistons en alliage d'aluminium comportant des bagues coulées en matière résistant à l'usure, du. fait que la température à laquelle le traitement thermique de la solution doit être effectué tend.à produire un effet nuisible sur le joint entre la bague et le corps du piston. La présente invention rend également possible la production de pistons ayant une cavité interne de refroidissement, la totalité ou la plus grande partie du piston étant forgée et non coulée. Ceci permet le contrôle plus strict de l'écoulement des paillettes et peut ainsi donner un piston plus résistant. Dans les modes de réalisation décrits, il est clair que les soudures entre les pièces complémentaires sont formées entre leurs faces. Ceci élimine la nécessité de souder les pièces ensemble suivant des lignes de coincidence des surfaces complémentaires avec les surfaces externes des pistons et cela supprime également le besoin une excentricité trs faible dans l'assemùlae des pièces et dans les pièces elles-mê.m.es. La résistance des joints entre les diffrentes pièces du pis- ton a été trouvée, par expurience, notablerca+ supérieure v celle que l'on obtenait précédem.ment avec des pièces comparables Il est clair que diverses modificat;ions pourront être appor tées sans s'carter de l'esprit de l'invention. Par exerce, au lieu de conformer les pièces complémentaires @ leur for;. ou tail le finale après la soudure par friction, au moins l'une d'elles peut entre mise à la taille avant la soudure. A cet égard, une ou plusieurs des pièces complémentaires peuvent être moulées à la dimension voulue, par exemple, moulées par gravité ou par pression, ou elles peuvent être mises à la dimension par forgeage de précision, ce qui supprime la nécessité d'un usinage ou d'une autre opération de finissage sur au moins l'une des pièces après qu'elles ont été assemblées par soudure par friction. Il est clair que les supports de bagues illustrées peuvent titre dimensionnées de façon à comporter une seule rainure de segments de piston ou un nombre désiré quelconque de rainures. R E V E N D I C A T I O N S 1 - @iston caractérisé en ce qu'il comprend deux pièces complémentaires fixées entre elles par soudure par friction 2 - Piston conforme à la revendication l, dans lequel, l'une des pièces complémentaires est un cor@a@tabulaire, comprenant une pièce forgée, traitée thermiquement, ou moulée en alliage d'alu minIum ou de magnésium. 3 - Piston suivant la revendication 2, dans lequel, ledit comrps comprend une paroi latérale munie,@ son extrémité voisine de la acuronne du piston, d'un évidement an@ulaire dans lequel une pièce annulaire complémentaire est soudée par friction -et comprend une bague de support en métal résistant à ltusure 4. - miston conforme à la revendication 3, dans lequel, un cordon annulaire supérIeur est placé entre la pièce de support de segments et la couronne du piston, ce cordon étant soudé par frietion au corps et soudé par friction à la piece de support, ou formé d'une scule pièce avec elle, 5 - piston conforme à l'une des revendications 3 ou 49 dans lequel, une cavité derefreidissement annulaire est formée dans le piSton., outre la pièce de aupport et le corps 6 - Piston suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel, la pièce de support et/ou le cordon est en acier inoxydable, en bronze, ou en alliage aluminium-silicium hypereutectique. 7 - Piston conforme à l'une quelcondue des revendications 2 à 6, dans lequel, une ou plusieurs pièces complémentaires, comprenant une enambre de conbustion ou une partie de chambre de combustion et/ou un élément @ point c@aud, sont soudées par friction dans la couronne du p1-"-on, cette ou ces pièces complémentaires étant en métal résistant à la chaleur ou résistant aux chocs thermiques, par exemple un alliage aluminium-cuivre-nickel-manganèse, de l'aluminium fritté, un alliage de nickel ou de l'acier. 8 - Piston conforme à l'une quelconque des revendications 2 . 7, dans lequel, l'une de tarties complémentaires comprend une couronne ayant sensiblement le même diamètre que le corps, formée d'un métal résistant aux chocs thercloues et soudée au corps, la surface complémentaire du corbs et ou de la couronne étant munie d'un évidement définissant un passage réfrigérant annulaire. 9 - Piston conforme à l'une @uelconque des revendications 2 @ 8, dans lequel, un conssinet tubalaire est soudé par friction @@as ei@que @ossage du piston, les surfaces complémentaires du @oussinet et du bessage étant coniques et/ou à gradins. 10 - Piston conforme @ l'une quelconque des revendications qui pr@eé@ent, dans lequel, entre les pièces soudées complémentaires, est située une interface en un métal ou alliage différent de celui de chacune desdites pièces. 11 - Méthode de fabrication d'un piston, comprenant la formation d'au moins deux pièces complémentaires en matière soudable fi @iction, le maintien de ces deux pièces en registre entre elles, et la création d'un mouvement de frottement entre ces deux pièces pour les souder entre elles par friction. 12 - Méthode conforme à la revendication 11, dans lequel, le mouvement relatif de frettement est provoqué par rotation relative des pièces. 13 - Méthode confrome à la revendication 11 ou 12, qui comprend le revêtement d'une surface complémentire d'au moins l'une des pièces avant la soudure par friction, à l'aide d'un métal ou alliage ayant an point de fusion relativement élevé tel que : le nickel, le cuivre, l'argent, l'or, le fer, le molybdène, le chrome ou le tungstène, ou un métal à point de fusion relativement bas tel que 3 l'étain, le plomb, le zinc, le cadmium au l'antimoi- ne. 14 4 - Méthode conforme à la revendication 13, qui comprend la formation de de pièces complémentaires des métaux possédant des points de fusion différents et le revêtement d'au moins la pièce constituée par le métal ayant un point de fusion plus élevé avant la soudure par friction. 15 - Méthode conforme à l'une quelconque des revendications il à 14, comprenant la mise à la dimension d'au moins l'une des pièces complémentaires avant le soudage0 16 - Méthode conforme à l'une quelconque des revendications Il à 15-, comprenant le chauffage d'au moins l'une des pièces complémentaires avant le soudage 17 - méthode suivant l'une quelconque des revendications li à 16, qui comprend la conformation de l'une des pièces complémentaires en un corps de piston généralement cylindrique, à partir d'un alliage d'aluminium ou de magnésium, la conformation d'une ou plusieurs autres pièces complémentaires en une bague de support de rainures annulaires de piston et/ou en une chambre de combustion ou une partie de celle-ci, et/ou en un élément à point chaud, et/ou en une couronne et/ou en un coussinet à bossages et la soudure par friction de ces pièces entre elles.