(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンを製造する方法であって、
上側ピストン部品の上側接合面、および下側ピストン部品の下側接合面を、誘導によって加熱するステップと、
前記加熱された接合面を互いに向かって引き寄せ、前記加熱された接合面を互いに接触させるステップと、
前記加熱された接合面が互いに接触した状態で、前記ピストン部品のうちの一方を第１の方向に３６０度以下だけ回転させるステップと、
前記加熱された接合面が互いに接触した状態で、前記一方のピストン部品を前記第１の方向と反対の第２の方向に３６０度以下だけ回転させるステップと、
前記回転させるステップ中に、前記ピストン部品のうちの少なくとも一方に圧力を加え、前記上側ピストン部品と前記下側ピストン部品との間に溶接部を形成するステップとを含み、
前記圧力を加えるステップは、前記圧力を最大圧力レベルに増加させ、前記一方のピストン部品を前記第２の方向に回転させながら前記最大圧力レベルを加えるステップを含む、方法。
【請求項２】
前記一方のピストン部品を前記第１の方向に回転させるステップの間中、前記圧力を前記最大圧力レベルよりも低いレベルで加えるステップと、
前記一方のピストン部品を前記第２の方向に回転させるステップ中にのみ、前記最大圧力レベルを取得して加えるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記接合面を互いに引き寄せるステップ中、前記一方のピストン部品を回転させるステップ中、および前記圧力を加えるステップ中に、前記溶接部における前記上側ピストン部品および前記下側ピストン部品の外面に沿って圧痕が形成されない、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記加熱された接合面を互いに接触させるステップ中、前記ピストン部品を回転させるステップ中、および前記圧力を加えるステップ中に、前記ピストン部品の前記接合面から除去される材料が無い、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記圧力を加えるステップは、前記接合面のうちの一方を、当初互いに接触していたときの前記接合面の位置に対して、０．１ミリメートル〜０．６ミリメートルの長手方向距離だけ据え込み加工するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記圧力を加えるステップは、前記回転させるステップ中に、前記圧力を前記最大圧力レベルまで徐々に増加させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記圧力を加えるステップは、前記回転させるステップが５／８完了した後、かつ、前記回転させるステップが７／８完了する前にのみ、前記最大圧力レベルを取得して加えるステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記上側接合面における前記上側ピストン部品の外径と、前記下側接合面における前記下側ピストン部品の外径と、前記上側接合面が呈する面積と、前記下側接合面が呈する面積と、前記最大圧力レベルが加えられた後の、前記接合面のうちの少なくとも一方の所望の据え込み加工と、のうちの少なくとも１つに基づき、前記上側ピストン部品および前記下側ピストン部品のうちの前記少なくとも一方に加えられる前記最大圧力レベルを決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記最大圧力レベルは２３Ｎ／ｍｍ２である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記回転させるステップは、
前記一方のピストン部品を、ある度数まで前記第１の方向に回転させるステップと、
前記一方のピストン部品を、ある度数まで前記第２の方向に回転させるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記回転させるステップは、
前記一方のピストン部品を、ある度数だけ前記第１の方向に回転させるステップと、
前記一方のピストン部品を、ある度数だけ前記第２の方向に回転させるステップとを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記回転させるステップは、前記一方のピストン部品を、前記第１の方向および前記第２の方向に同じ回転度数だけまで回転させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ピストン部品のうちの少なくとも一方の体積は、前記誘導加熱によって当初の体積から最終的な体積に増加し、
前記加熱された接合面を互いに向かって引き寄せるステップは、前記少なくとも一方のピストン部品の前記体積が前記最終的な体積に到達する前に、前記加熱された接合面を部品伸張補償位置まで引き寄せるステップを含み、前記部品伸張補償位置は、前記体積の増加を補償する間隔を前記接合面間に与える、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
（ａ）前記上側接合面を含む前記上側ピストン部品と実質的に同じ材料で形成され、実質的に同じ形状を有するテスト上側ピストン部品を提供するステップと、
（ｂ）前記下側接合面を含む前記下側ピストン部品と実質的に同じ材料で形成され、実質的に同じ形状を有するテスト下側ピストン部品を提供するステップと、
（ｃ）前記テスト上側ピストン部品のテスト上側接合面、および、前記テスト下側ピストン部品のテスト下側接合面を、誘導によって加熱するステップであって、前記テスト上側ピストン部品および前記テスト下側ピストン部品のうちの少なくとも一方の体積が、前記誘導加熱によって当初の体積から最終的な体積に増加するステップと、
（ｄ）前記少なくとも一方のテストピストン部品が前記最終的な体積に到達する前に、前記加熱されたテスト接合面を、互いに向かって推定の部品伸張補償位置まで一定速度で引き寄せるステップであって、前記加熱された接合面を互いに接触させるステップを含むステップと、
（ｅ）実際の圧力レベルにおけるスパイクに関して、前記テスト部品への前記実際の圧力レベルを監視するステップと、
（ｆ）特定された圧力スパイクの大きさ、および前記圧力スパイクが生じたときの前記テスト部品の位置に基づき、前記推定の部品伸張補償位置を調節するステップと、
（ｇ）予め定められた値よりも小さい圧力スパイクがステップ（ｅ）中に特定されるまでステップ（ａ）〜（ｆ）を繰返すステップと、
により前記部品伸張補償位置を取得するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記実際の圧力レベルが急上昇したときに、前記テストピストン部品の前記接合面のうちの少なくとも一方を据え込み加工するステップを含み、
前記部品伸張補償位置を調節するステップは、前記テスト部品が前記推定の部品伸張補償位置にあるときの前記接合面間の間隔を、前記実際の圧力が急上昇したときに形成された前記据え込み加工の長さに比例する距離だけ広げるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記加熱された接合面を前記部品伸張補償位置まで引き寄せるステップは、前記上側ピストン部品および前記下側ピストン部品のうちの少なくとも一方を他方の部品に向かって軸方向に移動させるステップを含み、
前記ピストン部品が前記部品伸張補償位置に配置されたときに、前記上側接合面の一部のみが前記下側接合面に接触する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記加熱された接合面を互いに向かって引き寄せる間、前記接合面を、中心軸に関して固定位置に維持するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記加熱するステップは、前記ピストン部品を８２２℃〜１，２０４℃の温度まで１０秒以下の時間加熱し、前記溶接部に沿った熱影響部を提供するステップを含み、前記熱影響部は８マイクロメートル〜１２マイクロメートルの長さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記回転させるステップの後、５秒間〜１５秒間圧力を加えながら、前記上側ピストン部品および前記下側ピストン部品を中心軸に関して固定位置に維持するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記圧力を加えるステップおよび前記ピストン部品を回転させるステップは、互いに接触する前記接合面の全領域を溶接するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記圧力を加えた後の前記下側ピストン部品に対する前記上側ピストン部品の径方向位置は、前記ピストン部品を加熱する前の前記下側ピストン部品に対する前記上側ピストン部品の径方向位置と＋／−２度以下だけ異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
ピストンを製造する方法であって、
上側ピストン部品の上側接合面、および下側ピストン部品の下側接合面を、誘導によって加熱するステップを含み、前記ピストン部品のうちの少なくとも一方の体積は、前記誘導加熱によって当初の体積から最終的な体積に増加し、前記方法はさらに、
前記加熱された接合面を互いに向かって引き寄せ、前記加熱された接合面を互いに接触させるステップと、
前記加熱された接合面が互いに接触した状態で、前記ピストン部品のうちの一方を第１の方向に３６０度以下だけ回転させるステップと、
前記加熱された接合面が互いに接触した状態で、前記一方のピストン部品を前記第１の方向と反対の第２の方向に３６０度以下だけ回転させるステップと、
前記回転させるステップ中に、前記ピストン部品のうちの少なくとも一方に圧力を加え、前記上側ピストン部品と前記下側ピストン部品との間に溶接部を形成するステップとを含み、
前記加熱された接合面を互いに向かって引き寄せるステップは、前記少なくとも一方のピストン部品の前記体積が前記最終的な体積に到達する前に、前記加熱された接合面を部品伸張補償位置まで引き寄せるステップを含み、前記部品伸張補償位置は、前記体積の増加を補償する間隔を前記接合面間に与える、方法。
【請求項２３】
前記圧力を加えるステップは、前記圧力を最大圧力レベルに増加させ、前記一方のピストン部品を前記第２の方向に回転させながら前記最大圧力レベルを加えるステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記回転させるステップの前に前記接合面が互いに接触するときに、前記最大圧力の４０％〜６０％の中間圧力レベルを加えるステップを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
ピストンを製造する方法であって、
上側ピストン部品の上側接合面、および下側ピストン部品の下側接合面を、誘導によって加熱するステップと、
前記加熱された接合面を互いに向かって引き寄せ、前記加熱された接合面を互いに接触させるステップと、
前記加熱された接合面が互いに接触した状態で、前記ピストン部品のうちの少なくとも一方を第１の方向に回転させるステップと、
前記回転させるステップ中に、前記ピストン部品のうちの少なくとも一方に圧力を加え、前記上側ピストン部品と前記下側ピストン部品との間に溶接部を形成するステップとを含み、
前記圧力を加えるステップは、前記圧力を最大圧力レベルに増加させ、前記一方のピストン部品を前記第１の方向と反対側の第２の方向に回転させながら前記最大圧力レベルを加えるステップを含む、方法。
【請求項２６】
ピストンを製造する方法であって、
上側ピストン部品の上側接合面、および下側ピストン部品の下側接合面を、誘導によって加熱するステップと、
前記加熱された接合面を互いに向かって引き寄せ、前記加熱された接合面を互いに接触させるステップと、
前記加熱された接合面が互いに接触した状態で、前記ピストン部品のうちの少なくとも一方を回転させるステップと、
前記回転させるステップ中に、前記ピストン部品のうちの少なくとも一方に圧力を加え、前記上側ピストン部品と前記下側ピストン部品との間に溶接部を形成するステップとを含み、
前記ピストン部品のうちの少なくとも一方の体積は、前記誘導加熱によって当初の体積から最終的な体積に増加し、
前記加熱された接合面を互いに向かって引き寄せるステップは、前記少なくとも一方のピストン部品の前記体積が前記最終的な体積に到達する前に、前記加熱された接合面を部品伸張補償位置まで引き寄せるステップを含み、
前記部品伸張補償位置は、前記体積の増加を補償する間隔を前記接合面間に与える、方法。
【請求項２７】
ピストンの製造方法であって、
前記ピストンは、
上側接合面を含む上側ピストン部品と、
前記上側接合面に溶接された下側接合面を含む下側ピストン部品とを備え、
前記溶接部に沿って位置する、前記上側ピストン部品の部分および前記下側ピストン部品の部分は、合わせて外面を呈し、
前記ピストンの製造方法は、
前記溶接部を第１の方向と前記第１の方向と反対の第２の方向とに回転して前記圧痕の無い状態を達成することを含む
、ピストンの製造方法。
【請求項２８】
ピストンであって、
上側接合面を含む上側ピストン部品と、
前記上側接合面に溶接された下側接合面を含む下側ピストン部品とを備え、
前記溶接部に沿って位置する、前記上側ピストン部品の部分および前記下側ピストン部品の部分は、合わせて外面を呈し、
前記溶接部に沿って位置する、および、前記溶接部に隣接する前記上側ピストン部品の前記部分および前記下側ピストン部品の前記部分は、８マイクロメートル〜１２マイクロメートルの長さを有する熱影響部を含む、ピストン。
【請求項２９】
前記熱影響部は、焼戻マルテンサイトの微細構造を含み、
前記熱影響部を取り囲む前記上側ピストン部品および前記下側ピストン部品は、前記焼戻マルテンサイトとは異なる微細構造を有し、かつ、前記熱影響部の硬度よりも低い硬度を有する、請求項２８に記載のピストン。
【請求項３０】
前記外面は前記熱影響部に沿って平坦である、請求項２８に記載のピストン。
【請求項３１】
前記平坦な外面は、前記溶接部に沿って前記中心軸の周りに連続的に延在し、かつ、長手方向に前記熱影響部に沿って延在する、請求項３０に記載のピストン。
【請求項３２】
ピストンであって、
上側接合面を含む上側ピストン部品と、
前記上側接合面に溶接された下側接合面を含む下側ピストン部品とを備え、
前記溶接部に沿って位置する、前記上側ピストン部品の部分および前記下側ピストン部品の部分は、合わせて外面を呈し、
前記溶接部に沿って位置する前記外面は、径方向外向きに、かつ、前記中心軸の周りに連続的に延在する突出部を呈し、
前記突出部における前記ピストンの外径は、前記突出部に隣接する前記ピストンの外径よりも２ミリメートル〜５ミリメートルだけ大きい、ピストン。
【請求項３３】
ピストンであって、
上側接合面を含む上側ピストン部品と、
前記上側接合面に溶接された下側接合面を含む下側ピストン部品とを備え、
前記溶接部に沿って位置する、前記上側ピストン部品の部分および前記下側ピストン部品の部分は、合わせて外面を呈し、
前記溶接部に沿って位置する前記外面は径方向外向きに延在する凸面であり、前記凸面は、少なくとも１．６３ミリメートルの球面半径を呈する、ピストン。
【請求項３４】
ピストンであって、
上側接合面を含む上側ピストン部品と、
前記上側接合面に溶接された下側接合面を含む下側ピストン部品とを備え、
前記溶接部に沿って位置する、前記上側ピストン部品の部分および前記下側ピストン部品の部分は、合わせて外面を呈し、
前記上側ピストン部品は、互いに接触する前記接合面の全領域に沿って連続的に前記下側ピストン部品に溶接されている、ピストン。
【請求項３５】
ピストンであって、
上側接合面を含む上側ピストン部品と、
前記上側接合面に溶接された下側接合面を含む下側ピストン部品とを備え、
前記溶接部に沿って位置する、前記上側ピストン部品の部分および前記下側ピストン部品の部分は、合わせて外面を呈し、
前記外面は前記溶接部における外径を呈し、
前記上側ピストン部品は上外側リブを含み、前記上外側リブは、中心軸の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に前記中心軸に沿って前記上側接合面まで延在し、
前記上側ピストン部品は上内側リブを含み、前記上内側リブは、前記上外側リブから径方向内側に間隔を空けて設けられ、かつ、前記中心軸の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に前記中心軸に沿って前記上側接合面まで延在し、
前記下側ピストン部品は下外側リブを含み、前記下外側リブは、前記中心軸の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に前記中心軸に沿って前記下側接合面まで延在し、前記下外側リブの前記下側接合面は、前記上外側リブの前記上側接合面に径方向に位置合わせされ、
前記下側ピストン部品は下内側リブを含み、前記下内側リブは、前記下外側リブから径方向内側に間隔を空けて設けられ、かつ、前記中心軸の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に前記中心軸に沿って前記下側接合面まで延在し、前記下内側リブの前記下側接合面は、前記上内側リブの前記上側接合面に径方向に位置合わせされ、
前記上外側リブの端部と、前記上内側リブの、前記上側接合面とは反対の端部との間に上側壁が延在し、
前記下外側リブの端部と、前記下内側リブの、前記下側接合面とは反対の端部との間にベース壁が延在し、
前記内側リブ、前記外側リブ、前記上側壁、および前記ベース壁は、それらの間に冷却室を形成し、
前記冷却室は、前記溶接部において前記内側リブから前記外側リブまで延在する冷却室幅を有し、
前記冷却室幅は、前記溶接部における前記外径の５％〜１０％である、ピストン。
【請求項３６】
ピストンであって、
上側接合面を含む上側ピストン部品と、
前記上側接合面に溶接された下側接合面を含む下側ピストン部品とを備え、
前記溶接部に沿って位置する、前記上側ピストン部品の部分および前記下側ピストン部品の部分は、合わせて外面を呈し、
前記上側ピストン部品は金属材料で形成され、かつ、中心軸の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に前記中心軸に沿って、上側壁から第１の上側接合面および第２の上側接合面まで延在し、
前記上側ピストン部品の前記金属材料はスチール材料であり、
前記上側ピストン部品の前記上側壁は、前記中心軸の周りに環状に延在するボウルリムと、前記ボウルリムから前記中心軸に向かって内向きかつ下向きに延在する燃焼ボウルとを呈し、
前記上側壁は、前記燃焼ボウルに取り囲まれた前記中心軸において頂点を呈し、
前記上側ピストン部品は上外側リブを含み、前記上外側リブは、前記上側壁の前記ボウルリムから垂下し、かつ、前記中心軸の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に前記中心軸に沿って前記第１の上側接合面まで延在し、
前記上外側リブは前記外面の第１の部分を呈し、前記外面は、前記中心軸の周りに環状に延在し、かつ、前記中心軸から離れる方向を向き、
前記上外側リブの前記環状外面は、少なくとも１つのピストンリングを保持するための少なくとも１つのリング溝を含み、
前記上側ピストン部品は、前記上外側リブから径方向内側に間隔を空けて設けられた上内側リブを含み、
前記上内側リブは、前記上側壁から前記燃焼ボウルの下に垂下し、かつ、前記中心軸の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に前記中心軸に沿って前記第２の上側接合面まで延在し、
前記第１および第２の上側接合面は、平坦であり、かつ、前記中心軸に垂直に延在し、
前記下側ピストン部品は金属材料で形成され、かつ、前記中心軸の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に前記中心軸に沿って、前記中心軸を取り囲むベース壁から、前記第１の上側接合面に溶接された第１の下側接合面まで、および、前記ベース壁から、前記第２の上側接合面に溶接された第２の下側接合面まで延在し、
前記下側ピストン部品の前記金属材料は、前記上側ピストン部品の前記スチール材料の硬度よりも低い硬度を有するスチール材料であり、
前記下側ピストン部品は下外側リブを含み、前記下外側リブは、前記ベース壁から前記上側ピストン部品に向かって上向きに延在し、かつ、前記中心軸の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に前記中心軸に沿って前記第１の下側接合面まで延在し、
前記下外側リブは、前記中心軸の周りに環状に延在するとともに前記中心軸から離れる方向を向く前記外面の第２の部分を呈し、
前記下外側リブの前記環状外面は、少なくとも１つのピストンリングを保持するための少なくとも１つのリング溝を含み、
前記下側ピストン部品は、前記下外側リブから径方向内側に間隔を空けて設けられた下内側リブを含み、
前記下内側リブは、前記ベース壁から前記上側ピストン部品に向かって上向きに延在し、かつ、前記中心軸の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に前記中心軸に沿って前記第２の下側接合面まで延在し、
前記第１および第２の下側接合面は平坦であり、かつ、前記中心軸に垂直であり、
前記第１の下側接合面は、前記第１の上側接合面に径方向に位置合わせされ、前記第２の下側接合面は、前記第２の上側接合面に径方向に位置合わせされ、
前記接合面の各々は、前記中心軸に対して対称であり、かつ、前記中心軸を中心として同心であり、
前記ピストン部品のうちの少なくとも一方の前記接合面は、０．１ミリメートル〜０．６ミリメートルの長手方向距離だけ据え込み加工されており、
前記溶接された内側リブ、前記溶接された外側リブ、前記上側壁、および前記ベース壁は、それらの間に冷却室を形成し、
前記外側リブの前記接合面は、前記外面から前記冷却室まで連続的に溶接され、
前記冷却室は閉鎖されており、かつ、前記中心軸の周りに環状に延在し、
前記閉鎖された冷却室は、前記溶接されたピストン部品から除去される金属材料が無い容積を呈し、
前記冷却室は、前記溶接部において前記内側リブから前記外側リブまで延在する冷却室幅を有し、
前記冷却室幅は、前記溶接部における前記ピストン部品の外径の５％〜１０％であり、
前記内側リブは前記中心軸を取り囲んで燃焼ボウルを形成し、
前記内側リブの前記接合面は、前記冷却室から前記燃焼ボウルまで連続的に溶接され、
前記溶接部に沿って前記中心軸の周りに環状に延在する、前記上側リブの各々の部分および前記下側リブの各々の部分は、熱影響部を含み、
前記熱影響部の前記金属材料は、焼戻マルテンサイトの微細構造を含み、
前記熱影響部を取り囲む前記上側ピストン部品および前記下側ピストン部品の前記金属材料は、前記熱影響部の前記焼戻マルテンサイトとは異なる微細構造を有し、かつ、前記熱影響部の硬度よりも低い硬度を有し、
前記溶接部に沿った、かつ、前記熱影響部を含む前記部分の前記外面には、目に見える溶接パーティングラインが無く、
前記溶接部に沿った、かつ、前記熱影響部を含む前記部分の前記外面には、フラッシュが無く、
前記溶接部に沿った前記外面は、平坦面を呈するか、または、少なくとも１．６３ミリメートルの球面半径を有する凸面を呈し、
前記下側ピストン部品は、前記ベース壁から下向きに、前記上側ピストン部品から離れる方向に延在するピンボスの対を含み、
前記ピンボスの各々はピンボアを呈し、
前記ピンボアは、前記中心軸に垂直な第２の軸に沿って互いに整列させられ、
前記下側ピストン部品はスカート部の対を含み、前記スカート部の対の各々は、前記ベース壁から垂下し、かつ、前記ピンボスのうちの一方によって互いに間隔を空けて設けられ、
前記ピストンは、前記上側壁の上端部から前記ピンボスまたは前記スカート部の下端部まで、前記中心軸に沿って前記中心軸と平行に延在する全ピストン長さを有し、
前記熱影響部は、前記中心軸に沿って前記中心軸と平行に延在するＨＡＺ長さを有し、
前記ＨＡＺ長さは８マイクロメートル〜１２マイクロメートルであり、
前記ピストンは前記溶接部における全断面積を呈し、前記全断面積は、前記接合面の面積と、前記燃焼ボウルの面積と、前記冷却室の面積とを含み、
前記溶接部における前記ピストンの前記接合面は、合わせて前記全断面積の３５％〜６０％の合計溶接断面積を呈する、ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、概して、内燃機関用の小型車両ディーゼルピストンを含むピストン、およびこれを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２．  関連技術
内燃機関で使用されるピストンは、典型的には、下側ピストン部品に接合された上側ピストン部品を含む。ピストン部品を互いに接合するためのさまざまな方法が公知である。１つの一般的な接合技術は摩擦溶接である。摩擦溶接は、ピストン部品のうちの少なくとも一方を、その中心軸を中心として高速で、かつ、他方のピストン部品に対して圧力を加えながら、連続的に回転させることを含む。しかしながら、摩擦溶接は、ピストンの冷却室内に相当な量のフラッシュ（flash）材料またはスクラップ（scrap）材料を生じさせるとともに、残留応力および／または溶接部に沿ったひび割れを生じさせることが知られている。ピストン部品を互いに接合するために、抵抗溶接およびレーザ溶接も用いられている。しかしながら、これらの接合方法は、残留応力、強度の不十分さ、および／または溶接部に沿ったひび割れを引き起すことが知られている。別の接合技術は、ピストン部品を合わせて誘導溶接することを含む。この技術の例は米国特許第６，８２５，４５０号および第７，００５，６２０号に開示されている。しかしながら、フラッシュ材料およびスクラップ材料が少なく、かつ、残留応力および溶接部に沿ったひび割れが少なく作製された、高強度で溶接されたピストンの必要性が依然としてある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
発明の概要
本発明の一局面は、溶接部に沿ったフラッシュ材料またはスクラップ材料がほとんどまたは全く無い高強度溶接部、および、溶接部にわたる同種冶金結合を作り出すための、ハイブリッド誘導溶接によるピストン製造方法を提供する。この方法は、上側ピストン部品の上側接合面、および下側ピストン部品の下側接合面を、誘導によって加熱するステップと、加熱された接合面を互いに向かって引き寄せ、加熱された接合面を互いに接触させるステップとを含む。上記方法は、次に、加熱された接合面が互いに接触した状態で、ピストン部品のうちの少なくとも一方を回転させるステップを含む。典型的には、当該回転させるステップは、加熱された接合面が互いに接触した状態で、ピストン部品のうちの一方を第１の方向に３６０度以下だけ回転させるステップと、加熱された接合面が互いに接触した状態で、上記一方のピストン部品を第１の方向と反対の第２の方向に３６０度以下だけ回転させるステップとを含む。上記方法は、回転させるステップ中に、ピストン部品のうちの少なくとも一方に圧力を加え、上側ピストン部品と下側ピストン部品との間に溶接部を形成するステップも含む。圧力を加えるステップは、好ましくは、圧力を最大圧力レベルに増加させ、上記一方のピストン部品を第２の方向に回転させながら最大圧力レベルを加えるステップを含む。圧力を制御する代わりに、またはそれに加えて、上記方法は、少なくとも一方のピストン部品の体積が最終的な体積に到達する前に、加熱された接合面を部品伸張補償位置まで互いに引き寄せるステップを含んでもよく、部品伸張補償位置は、体積の増加を補償する間隔を接合面間に与える。
【０００４】
本発明の別の局面は、ハイブリッド誘導溶接ピストンを提供する。このピストンは、上側接合面を含む上側ピストン部品と、上側接合面に溶接された下側接合面を含む下側ピストン部品とを備える。溶接部に沿って位置する上側ピストン部品の部分および下側ピストン部品の部分は、合わせて外面を呈し、溶接部に沿って位置する上記部分の外面には、機械加工の前に圧痕（indentation）が無い。
【０００５】
本発明の他の利点は、以下の詳細な説明を参照して添付の図面に関連して考慮するとより良く理解されるので、それは容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】溶接部に沿った平坦面を含む、例示的な実施形態に係るハイブリッド誘導溶接ピストンの斜視図である。
【図１Ａ】図１のピストンの線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図２】上側ピストン部品および下側ピストン部品の誘導加熱接合面を含む、例示的な実施形態に係るピストンの製造方法の第１のステップを示す図である。
【図３】上側ピストン部品および下側ピストン部品が初めに部品伸張補償位置に到達したときの、例示的な実施形態に係るピストンの製造方法の別のステップを示す図である。
【図４】誘導加熱によって上側ピストン部品の体積および下側ピストン部品の体積が増加した後であって、ピストン部品が依然として部品伸張補償位置にあるとき、かつ、ピストン部品が回転および加圧される前の、例示的な実施形態に係るピストンの製造方法の別のステップを示す図である。
【図５Ａ】下側ピストン部品を第１の方向に回転させることを含む上記方法のステップ中の、下側ピストン部品の上面図である。
【図５Ｂ】下側ピストン部品を第１の方向と反対の第２の方向に回転させることを含む上記方法のステップ中の、上側ピストン部品の上面図である。
【図６】機械加工前の溶接部に沿った球面半径を含む、別の例示的な実施形態に係るハイブリッド誘導溶接ピストンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
実施可能な実施形態の説明
本発明の一局面は、小型車両ディーゼル(ＬＶＤ：light vehicle diesel)システムに使用される内燃機関用のピストン２０、たとえば、図１および図１Ａに示すような狭い冷却室２２を有する小径のスチールピストン２０などの製造方法を提供する。この方法はハイブリッド誘導溶接方法と呼ばれ、位置と力制御との独自の組合せを含む。この方法は、上側ピストン部品２６と下側ピストン部品２８との間の高強度溶接部２４、および溶接部２４にわたる同種冶金結合を作り出す。
【０００８】
上記方法は、ピストン２０を形成するために使用される上側ピストン部品２６および下側ピストン部品２８が提供されることにより開始される。ピストン部品２６、２８は典型的にはスチールで形成されるが、他の種類の金属または金属合金で形成されてもよい。図２に示すように、上側ピストン部品２６の上側接合面３０は、下側ピストン部品２８の下側接合面３２と軸方向に位置合わせされ、下側接合面３２から間隔を空けて設けられる。上記方法は、次いで、上側接合面３０および下側接合面３２を、不活性の非酸化雰囲気内での誘導によって加熱することを含む。接合面３０、３２を加熱するために、誘導コイル３４または他の如何なるタイプの誘導ヒータが使用されてもよい。例示的な実施形態では、加熱ステップは、ピストン部品２６、２８をそれらの鍛造温度まで、典型的には８２２℃〜１，２０４℃の温度、かつ、１５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの範囲の周波数で、加熱することを含む。加熱ステップは典型的には１０秒以下の時間持続し、次いで誘導コイル３４は接合面３０、３２の間から除去される。上側接合面３０および下側接合面３２を加熱することに加えて、加熱ステップは、接合面３０、３２からある距離に位置する、上側ピストン部品２６の部分および下側ピストン部品２８の部分を加熱し、各ピストン部品２６、２８に熱影響部を形成することを含む。熱影響部は、典型的には８マイクロメートル〜１２マイクロメートルの合計長さを有し、各ピストン部品２６、２８においては４マイクロメートル〜６マイクロメートルの長さを有する。ピストン部品２６、２８のうちの少なくとも一方の体積、典型的にはピストン部品２６、２８両方の体積は、誘導加熱によって、当初の体積から最終的な体積に増加する。
【０００９】
ピストン部品２６、２８を誘導加熱した後、上記方法は、次に、加熱された接合面３０、３２を互いに向かって引き寄せ、加熱された接合面３０、３２を互いに接触させることを含む。加熱された接合面３０、３２が互いに向かって引き寄せられる間、接合面３０、３２は中心軸Ａ１に関して固定位置に維持される。すなわち、このステップ中には、ピストン部品２６、２８は回転しない。上側ピストン部品２６および下側ピストン部品２８は、部品伸張補償位置と呼ばれる予め定められた位置へ軸方向に移動する。これは、誘導加熱によるピストン部品２６、２８の体積増加の理由となる。例示的な実施形態では、上記方法は、ピストン部品２６、２８の体積が最終的な体積に到達する前に、加熱された接合面３０、３２を部品伸張補償位置まで引き寄せることを含む。したがって、ピストン部品２６、２８が初めに部品伸張補償位置に到達したときに、図３に示すように、ピストン部品２６、２８の接合面３０、３２間には間隔が設けられている。これは、ピストン部品２６、２８が誘導加熱によって部品伸張補償位置に到達する前および後に生じる体積増加を補償する。例示的な実施形態では、ピストン部品２６、２８の体積が増加した後、かつ、ピストン部品２６、２８が部品伸張補償位置に配置されたままであるとき、図４に示すように、ピストン部品２６、２８の接合面３０、３２はもはや平面ではなく、上側ピストン部品２６の上側接合面３０の一部のみが下側ピストン部品２８の下側接合面３２に接触する。
【００１０】
部品伸張補償位置は、ピストン部品２６、２８の材料および形状、加熱の時間および温度、ならびに場合によっては他の要因によって決まる。部品伸張補償位置を決定するために、さまざまな異なる方法が用いられ得る。例示的な実施形態では、部品伸張補償位置は以下のステップにより得られる。すなわち、（ａ）上側接合面３０を含む上側ピストン部品２６と実質的に同じ材料で形成され、実質的に同じ形状を有するテスト上側ピストン部品を提供するステップと、（ｂ）下側接合面３２を含む下側ピストン部品２８と実質的に同じ材料で形成され、実質的に同じ形状を有するテスト下側ピストン部品を提供するステップと、（ｃ）テスト上側ピストン部品のテスト上側接合面、および、テスト下側ピストン部品のテスト下側接合面を、誘導によって加熱するステップ（テスト上側ピストン部品およびテスト下側ピストン部品のうちの少なくとも一方の体積は、誘導加熱によって当初の体積から最終的な体積に増加する）と、（ｄ）上記少なくとも一方のテストピストン部品が最終的な体積に到達する前に、加熱されたテスト接合面を、互いに向かって推定の部品伸張補償位置まで一定速度で引き寄せるステップ（加熱された接合面を推定の部品伸張補償位置まで引き寄せるステップは、加熱された接合面を互いに接触させるステップを含む）ステップと、（ｅ）実際の圧力レベルにおける急上昇（スパイク）に関して、テスト部品への実際の圧力レベルを監視するステップと、（ｆ）特定された圧力スパイクの大きさ、および圧力スパイクが生じたときのテスト部品の位置に基づき、推定の部品伸張補償位置を調節するステップと、（ｇ）予め定められた値よりも小さい圧力スパイクがステップ（ｅ）中に特定されるまでステップ（ａ）〜（ｆ）を繰返すステップと、である。実際の圧力レベルが急上昇したときに、テストピストン部品の接合面のうちの少なくとも一方が他方のテストピストン部品に据え込み加工（upset）される。典型的には、テストピストン部品の各々の接合面が他方のテストピストン部品に据え込み加工される。部品伸張補償位置を調節するステップは、次いで、テスト部品が推定の部品伸張補償位置にあるときの接合面間の間隔を、実際の圧力が急上昇したときに形成された据え込み加工の長さに比例する距離だけ広げることを含む。
【００１１】
ピストン部品２６、２８が部品伸張補償位置に配置されると、上記方法は、制御された圧力の下でピストン部品２６、２８のうちの一方の２つの短い回転動作を行なって、上側ピストン部品２６と下側ピストン部品２８との間の非常に高強度の溶接部２４、および、溶接部２４にわたる同種冶金結合を形成することを含む。このステップは、加熱された接合面３０、３２が互いに接触した状態で、一方のピストン部品２６または２８、典型的には下側ピストン部品２８を、図５Ａに示すように第１の方向に中心軸Ａ１を中心として３６０度以下だけ回転させ、次いで、同じピストン部品２６または２８を、図５Ｂに示すように第１の方向と反対の第２の方向に中心軸Ａ１を中心として３６０度以下だけ回転させることを含む。典型的には、回転ステップは、一方のピストン部品２６または２８を第１の方向に１７度〜３４度の量だけ回転させ、次いで、当該一方のピストン部品２６または２８を第２の方向に１７度〜３４度の量だけ回転させることを含む。回転ステップは、典型的には、一方のピストン部品２６を第１の方向に、第２の方向と同じ回転度数だけ回転させることも含む。例示的な実施形態では、回転ステップは、一方のピストン部品２６を第１の方向に２５度の量だけ回転させ、当該一方のピストン部品２６を第２の方向に２５度の量だけ回転させることを含む。
【００１２】
上記方法はさらに、回転ステップ中に、制御された圧力をピストン部品２６、２８のうちの少なくとも一方に加えて、上側ピストン部品２６と下側ピストン部品２８との間に溶接部２４を形成することを含む。圧力が加えられたときに、ピストン部品２６、２８のうちの一方または両方の、最小限の据え込みしか生じない。たとえば、接合面３０、３２のうちの一方は、当該接合面３０、３２が当初に他方の接合面３０、３２に接触していたときの位置に対して、０．１ミリメートル〜０．６ミリメートルの長手方向距離だけ据え込み加工され得る。
【００１３】
上記方法はさらに、回転ステップ中に、圧力を最大圧力レベルまで徐々に増加させることを含む。これは、一方のピストン部品２６または２８を第１の方向に回転させるステップの間中ずっと最大圧力レベルよりも低いレベルの圧力を加えること、および、一方のピストン部品２６または２８を第２の方向に回転させるステップ中にのみ最大圧力レベルを取得して加えることを含む。例示的な実施形態では、圧力を加えるステップは、回転ステップが５／８完了した後、かつ、回転ステップが７／８完了する前にのみ、最大圧力レベルを取得して加えることを含む。
【００１４】
ピストン部品２６、２８に加えられる最大圧力レベルは、さまざまな異なる要因に基づいて決定され得る。たとえば、最大圧力レベルは、上側接合面３０における上側ピストン部品２６の外径Ｄ１と、下側接合面３２における下側ピストン部品２８の外径Ｄ２と、上側接合面３０が呈する面積と、下側接合面３２が呈する面積と、最大圧力レベルが加えられた後の、接合面３０、３２のうちの少なくとも一方の所望の据え込み加工と、に基づき得る。例示的な実施形態では、上側接合面３０における上側ピストン部品２６の外径Ｄ１と、下側接合面３２における下側ピストン部品２８の外径Ｄ２とが６０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲であり、接合面３０、３２の各々が呈する面積が２５００ｍｍ２〜１０，０００ｍｍ２の範囲であり、最大圧力レベルが加えられた後の、接合面３０、３２のうちの一方の所望の据え込み加工が０．５ｍｍ以下である場合、加えられる最大圧力レベルは典型的には約２３Ｎ／ｍｍ２である。
【００１５】
圧力を加えてピストン部品２６または２８を回転させるステップは、図１および図６に示すように、互いに接触する接合面３０、３２の全領域を溶接して、溶接された接合面３０、３２にわたって非常に高強度の同種冶金結合を形成することを含む。さらに、圧力、ならびに一方のピストン部品２６または２８の他方に対する位置および回転度数を制御することにより、ピストン部品２６とピストン部品２８との間の溶接部２４に沿って、フラッシュが最小限しか形成されないか、または全く形成されない。典型的な摩擦溶接処理では、ピストン部品間の溶接部に沿ってフラッシュおよび圧痕が形成される。しかしながら、本発明の方法では、接合面３０、３２を互いに引き寄せるステップ中、一方のピストン部品２６または２８を回転させるステップ中、および圧力を加えるステップ中に、溶接部２４に沿って圧痕が形成されない。圧痕は、典型的には、従来の摩擦溶接により形成されたピストンの溶接部の周りに沿って存在する。圧痕は、露出する外径面上、および内側ギャラリ面上の両方に存在する。外径面上の圧痕は仕上げ機械加工により除去可能であるが、内側ギャラリ面上の圧痕は機械加工できない。この内側ギャラリ面に沿った圧痕は応力を上昇させるものとして働き、典型的には、ひび割れの開始につながる。したがって、本発明のハイブリッド誘導溶接ピストン２０は、外面４２上、および、冷却室２２を呈する内面上の両方に圧痕が無いため、従来の摩擦溶接により形成されたピストンと比較して、ひび割れがより少なく、ひいては耐用年数がより長いという利点を提供する。
【００１６】
さらに別の利点は、加熱された接合面３０、３２を互いに接触させるステップ中、一方のピストン部品２６または２８を回転させるステップ中、および圧力を加えるステップ中に、ピストン部品２６、２８の接合面３０、３２から除去される材料が無いことである。溶接部２４の強度をさらに向上させるために、回転ステップの後、上記方法は典型的には、依然として５秒間〜１５秒間圧力を加えながら、上側ピストン部品２６および下側ピストン部品２８を中心軸Ａ１に関して固定位置に維持することを含む。
【００１７】
本発明のハイブリッド誘導溶接処理により提供されるさらに別の利点は、上側ピストン部品２６の、下側ピストン部品２８に対する径方向の位置調整が正確なことである。ハイブリッド誘導溶接処理終了時のピストン部品２６、２８の径方向位置は、処理の開始時に設定されたピストン部品２６、２８の予め定められた所望の径方向位置と同一であるか、または、ほぼ同一である。好ましくは、処理の終了時の下側ピストン部品２８に対する上側ピストン部品２６の径方向位置は、処理の開始時の下側ピストン部品２８に対する上側ピストン部品２６の径方向位置と＋／−２度以下だけ異なる。言い換えると、圧力を加えた後の下側ピストン部品２８に対する上側ピストン部品２６の径方向位置は、ピストン部品２６、２８を加熱する前の下側ピストン部品２８に対する上側ピストン部品２６の径方向位置と＋／−２度以下だけ異なる。
【００１８】
したがって、本発明のハイブリッド誘導溶接処理は、上側ピストン部品２６が、好ましくは、下側ピストン部品２８のピンボア軸Ａ２に対して予め定められた径方向位置に配置されたクラウン特徴を含む場合など、上側ピストン部品２６が予め鍛造された形状を有する場合に、特に有利である。たとえば、上側ピストン部品２６は、好ましくはピンボア軸Ａ２から１０度〜２０度＋／−２度に配置されるクラウン特徴を有してもよい。クラウン特徴の所望の径方向位置は処理の開始時に設定され、処理の終了時、クラウン特徴の径方向位置は、その所望の径方向位置から＋／−２度以内である。当業者ならば、ピンボア軸Ａ２の径方向位置は、ピンボア軸Ａ２に沿って、かつ、ピストン２０の中心軸Ａ１を通って延在する線により決定されること、および、クラウン特徴の径方向位置は、このクラウン特徴を通って、かつ、ピストン２０の中心軸Ａ１を通って延在する線により決定されることを理解するであろう。２つの径方向位置間の差は、これらの２つの線の間の角度により決定される。
【００１９】
本発明の別の局面は、上記方法で作製された、図１、図１Ａ、および図６に示すハイブリッド誘導溶接ピストン２０を提供する。ピストン部品２６、２８は、さまざまな異なる形状を有し得る。しかしながら、例示的な実施形態では、上側ピストン部品２６は、中心軸Ａ１の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に中心軸Ａ１に沿って、上側壁３８から、上側接合面３０の第１の部分（第１の上側接合面と呼ばれる）まで、および、上側接合面３０の第２の部分（第２の上側接合面と呼ばれる）まで延在する。上側ピストン部品２６は、典型的にはスチール材料で形成されるが、別の種類の金属材料であってもよい。上側ピストン部品２６の上側壁３８は、典型的には、中心軸Ａ１の周りに環状に延在するボウルリムと、ボウルリムから中心軸Ａ１に向かって内向きかつ下向きに延在する燃焼ボウル５２とを呈する。また、上側壁３８は、燃焼ボウル５２に取り囲まれた中心軸Ａ１において頂点を呈する。
【００２０】
図２で最もよく示されるように、上側ピストン部品２６は上外側リブ４０を含む。この上外側リブ４０は、上側壁３８のボウルリムから垂下し、かつ、中心軸Ａ１の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に中心軸Ａ１に沿って上側接合面３０の第１の部分まで延在する。上外側リブ４０は、中心軸Ａ１の周りに環状に延在するとともに中心軸Ａ１から離れる方向を向く、ピストン２０の外面４２の第１の部分を呈する。上外側リブ４０は、外面４２から冷却室２２まで延在する厚さｔを有し、上外側リブ４０の厚さｔは、他の溶接方法を用いて形成されたピストンのリブと比較して小さくすることができる。上外側リブ４０の環状外面４２は、少なくとも１つのピストンリング（図示せず）を保持するための、少なくとも１つのリング溝４４を含む。例示的な実施形態では、上側ピストン部品２６は、上外側リブ４０から径方向内側に間隔を空けて設けられた上内側リブ３６も含む。上内側リブ３６は、燃焼ボウル５２の下に上側壁３８から垂下し、かつ、中心軸Ａ１の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に中心軸Ａ１に沿って上側接合面３０の第２の部分まで延在する。第１および第２の上側接合面３０は平坦であり、中心軸Ａ１に垂直に延在する。
【００２１】
下側ピストン部品２８もまた、中心軸Ａ１の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に中心軸Ａ１に沿って、中心軸Ａ１を取り囲むベース壁４６から下側接合面３２の第１の部分（第１の下側接合面と呼ばれる）まで、および、ベース壁４６から下側接合面３２の第２の部分（第２の下側接合面と呼ばれる）まで、延在する。下側接合面３２の第１の部分は上側接合面３０の第１の部分に溶接され、下側接合面３２の第２の部分は上側接合面３０の第２の部分に溶接されている。
【００２２】
下側ピストン部品２８もまた金属材料で形成されており、金属材料は、典型的にはスチール材料である。しかしながら、ハイブリッド誘導溶接処理は異なる合金の接合を提供し、その場合、下側ピストン部品２８は、典型的には上側ピストン部品２６のスチール材料の硬度よりも低い硬度を有するスチール材料で形成される。たとえば、燃焼が起こる上側ピストン部品２６の形成には、非常に高硬度の耐熱合金を使用してもよく、一方、円筒状の装填部が存在する下側ピストン部品２８の形成には、より頑丈でコストの低い合金を使用してもよい。
【００２３】
例示的な実施形態では、下側ピストン部品２８は下外側リブ４８を含む。下外側リブ４８は、ベース壁４６から上側ピストン部品２６に向かって上向きに延在し、かつ、中心軸Ａ１の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に中心軸Ａ１に沿って下側接合面３２の第１の部分まで延在する。下外側リブ４８は、中心軸Ａ１の周りに環状に延在するとともに中心軸Ａ１から離れる方向を向く、ピストン２０の外面４２の第２の部分を呈する。下外側リブ４８もまた、外面４２から冷却室２２まで延在する厚さｔを有し、下外側リブ４８の厚さｔは、他の溶接方法を用いて形成されたピストンのリブと比較して小さくすることができる。下外側リブ４８の環状外面４２は、少なくとも１つのピストンリング（図示せず）を保持するための、少なくとも１つのリング溝４４を含む。下側ピストン部品２８は、下外側リブ４８から径方向内側に間隔を空けて設けられた下内側リブ５０も含む。下内側リブ５０は、ベース壁４６から上側ピストン部品２６に向かって上向きに延在し、かつ、中心軸Ａ１の周りに環状に延在し、かつ、長手方向に中心軸Ａ１に沿って下側接合面３２の第２の部分まで延在する。上側接合面３０の第１および第２の部分と同様に、下側接合面３２の第１および第２の部分は平坦であり、中心軸Ａ１に垂直である。
【００２４】
下側接合面３２の第１の部分は、上側接合面３０の第１の部分と径方向に位置合わせされ、下側接合面３２の第２の部分は、上側接合面３０の第２の部分と径方向に位置合わせされる。接合面３０、３２の各々は中心軸Ａ１に対して対称であり、かつ、中心軸Ａ１を中心として同心である。さらに、ピストン部品２６、２８のうちの少なくとも一方の接合面３０、３２は、０．１ミリメートル〜０．６ミリメートルの長手方向距離だけ据え込み加工され得る。
【００２５】
溶接された内側リブ３６、５０、溶接された外側リブ４０、４８、上側壁３８、およびベース壁４６は、それらの間に冷却室２２を形成する。外側リブ４０、４８の接合面３０、３２はピストンの外面４２から冷却室２２まで連続的に溶接され、溶接されたリブ３６、４０、４８、５０にわたって同種冶金結合が延在する。冷却室２２は閉鎖されており、中心軸Ａ１の周りに環状に延在する。閉鎖された冷却室２２は、溶接部２４において内側リブ３６、５０から外側リブ４０、４８まで延在する幅ｗを呈し、かつ、溶接処理中に溶接されたピストン部品２６、２８から除去されるフラッシュ金属材料またはスクラップ金属材料が無い容積を呈する。これは、典型的に溶接処理に起因して冷却室内にスクラップ金属材料を含む摩擦溶接ピストンに勝る利点である。本発明のピストン２０は冷却室２２内にフラッシュ金属材料またはスクラップ金属材料を含まないため、冷却室２２の容積を、他のタイプの溶接されたピストンの冷却室よりも小さくすることができる。たとえば、冷却室２２の幅ｗは、典型的には、溶接部２４におけるピストン部品２６、２８の外径Ｄ１、Ｄ２の５％〜１０％である。外側リブ４０、４８の厚さｔもまた、他の溶接方法を用いて形成されたピストンと比較して小さくすることができる。さらに、ピストンにおいて最小限の残留応力しか形成されないため、摩擦溶接ピストンにおいてしばしば生じる溶接後のピストン部品２６、２８のひび割れへの懸念が解消される。
【００２６】
図１Ａに示すように、ハイブリッド誘導溶接ピストン２０の内側リブ３６、５０は中心軸Ａ１を取り囲んで燃焼ボウル５２を形成する。内側リブ３６、５０の接合面３０、３２は冷却室２２から燃焼ボウル５２まで連続的に溶接され、溶接された内側リブ３６、５０にわたって同種冶金結合が延在する。
【００２７】
溶接部２４に沿って位置する、上側リブ３６、４０の各々の部分および下側リブ４８、５０の各々の部分は、熱影響部を含む。例示的な実施形態では、上側ピストン部品２６および下側ピストン部品２８がともにスチール材料で形成される場合、熱影響部のスチール材料は焼戻マルテンサイトの微細構造を含む。熱影響部を取り囲むスチール材料は、熱影響部の焼戻マルテンサイトとは異なる微細構造を有する。例示的な実施形態では、熱影響部のマルテンサイト材料は、取り囲む材料よりも高硬度である。
【００２８】
図１Ａに示すように、熱影響部は、中心軸Ａ１に沿って中心軸Ａ１と平行に延在する長さＨＡＺを有する。例示的な実施形態では、熱影響部の長さＨＡＺは、８マイクロメートル〜１２マイクロメートルである。また、ピストン２０は、溶接部２４において、接合面３０、３２の面積と、燃焼ボウル５２の面積と、冷却室２２の面積とを含む全断面積を呈する。溶接部２４におけるピストン２０の接合面３０、３２は、合わせてピストン２０の全断面積の３５％〜６０％の断面積を呈する。
【００２９】
上述したように、溶接処理の完了直後に、溶接部２４に沿った、かつ、熱影響部に沿った外面４２には、如何なるタイプの目に見える溶接パーティングラインまたは圧痕も無い。また、溶接部２４に沿った、かつ、熱影響部を含む部分の外面４２には、機械加工の前にフラッシュが無い。これは、他のタイプの溶接ピストンに勝る利点である。図１の例示的な実施形態では、ピストン２０の外面４２は、熱影響部および溶接部２４に沿って平坦面を呈する。この場合、平坦な外面４２は、溶接部２４に沿って中心軸Ａ１の周りに連続的に延在し、かつ、熱影響部に沿って長手方向に延在する。
【００３０】
所望の平坦な外面４２は、ハイブリッド誘導溶接処理中に形成されることが好ましい。しかしながら、図６に示すように、ピストン２０の外面４２は典型的には、溶接処理の終了時かつあらゆる機械加工の前に、熱影響部および溶接部２４に沿って、少なくとも１．６３ミリメートルの球面半径を有する凸面を呈する。この場合、熱影響部および溶接部２４に沿って位置する外面４２は凸状であり、径方向外向きかつ中心軸Ａ１の周りに連続的に延在する突出部（bulge）を呈する。突出部におけるピストン２０の外径Ｄ１、Ｄ２は、突出部に隣接するピストン２０の外径Ｄ１、Ｄ２よりも２ミリメートル〜５ミリメートル大きい。典型的には、溶接部２４に沿って形成されて、溶接処理の終了時に存在する如何なる球面半径または凸面も機械加工され、図１に示される所望の平坦な外面４２が提供される。
【００３１】
例示的な実施形態では、下側ピストン部品２８は、ベース壁４６から下向きに、上側ピストン部品２６から離れる方向に延在するピンボス５４の対を含む。各ピンボス５４はピンボア５６を呈し、ピンボア５６は、中心軸Ａ１に垂直な第２の軸Ａ２に沿って互いに整列させられている。下側ピストン部品２８はスカート部５８の対を含み、各スカート部５８はベース壁４６から垂下し、ピンボス５４のうちの一方によって互いに間隔を空けて設けられる。
【００３２】
言うまでもなく、上記の教示内容を考慮して、本発明の多くの修正例および変形例が可能であり、添付の特許請求の範囲内において、具体的に説明されたものと異なる方法で実施されてもよい。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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