上海交大轻合金中心创新技术：“水冷发动机缸盖缸体合并压铸+摩擦焊接成型”

水冷内燃发动机是汽车心脏，犹如智能设备芯片。百年来，全球的汽车制造商持续研发高效燃烧、清洁排放技术。高压共轨电喷技术，使得每个汽缸获得前所未有精密一致均匀细化的雾化燃油，推进了更节能环保，更强劲动力，更小体积与轻量化的内燃发动机上市。

世界性难题：水冷缸盖进气道的精密一致性

然而，由于砂型泥芯铸造水冷缸盖进气道的尺寸形状粗糙度一致性偏差大，无法进一步提高到如德国HATZ风冷柴油机铝合金压铸缸盖进气道那样的精密光洁均匀一致，至今汽车内燃发动机各缸进气的偏差不一致，导致与高压共轨电喷燃油的精密一致匹配效果受损。显然，这一燃油与进气精密均匀一致性匹配的“天花板”仍有向上突破的需求。

为解决气道精密一致性问题，多年来，国际知名企业做了许多尝试和努力。德国HATZ赫驰公司在1993.12.12.发明风冷柴油机铝合金缸盖的整体压铸技术，全球首创螺旋状进气道的双向抽芯压铸，成功实现量产；日本日产汽车公司在2010.12.15.发明水冷缸盖分多片压铸，再合并叠压、电加热、摩擦焊接合成完整缸盖，但未能产业化；德国宝马公司将其一款水冷内燃机对所有缸盖进气道做了切削加工，获得了精密一致进气道，但因效率低且成本高，大规模应用困难；德国宝马汽车在2015年推出了铝合金缸盖缸体合并砂型砂芯铸造柴油机，没有缸盖螺栓没有缸垫，更加轻量化，更小的体积。

开创性的技术革新，让压铸水冷缸盖缸体合并件成为可能

2013.11.12.上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心科研团队提交PCT国际申请，提出了一条新型的技术路径：水冷缸盖切开分成上下两体，实施交叉分型压铸，再气体保护缝焊连接成完整缸盖。所有焊接界面都设计在缸盖的可视外壳上，方便焊接与检测。但受阻于高温融化焊接的低速度、多缺陷（收缩、裂纹、气孔）。

上海交大轻合金中心提出的新型的技术路径（三维模型）

新型的技术路径将缸盖分成上下体（样品）

2014.5.8.上海交大轻合金中心科研团队为了消除高温熔化焊接的固有收缩变形微裂纹气孔缺陷，申请发明专利，提出采用移动摩擦焊接圈对合并在一起的两个工件实施摩擦焊接，设计了旋转圈摩擦焊接压铸缸盖的圆管板孔，搅拌摩擦焊焊接缸盖上下体非圆轨迹连接界面。

新的路径的系列开创新技术，获得中美日多国授权发明专利

漫长的发明专利审查期间，上海交大轻合金中心科研团队坚持理论探索、三维实践、样品制作，进一步获得了“水冷缸体缸体合并压铸焊接成型以获取精密一致进气道”的全新压铸与焊接技术解决方案。开创了“水冷缸盖分体交叉分型压铸”、“旋转圈摩擦焊接连接合并工件”、“缸盖缸体合并交叉分型压铸＋摩擦焊接合成”等三项技术突破，到2019.5.27.终于获得了中国、美国、日本三国对前两项“交叉分型压铸水冷缸盖”和“移动圈摩擦焊接合并工件”的全部发明专利授权。第三项“缸盖缸体合并压铸+摩擦焊接合成”正在准备提交中国发明专利实质审查请求。

缸盖缸体合并交叉分型压铸＋摩擦焊接合成

新技术解决方案更多的贡献

新型技术解决方案在多方面实现突破和创新。其最大贡献在于，相较砂型泥芯铸造铝合金水冷缸盖技术，压铸工艺可大幅度提高缸盖进气道的精密光洁一致性，解决全世界同行渴望的多缸内燃机每一个汽缸的进气全部精密均匀一致，从而获得各个汽缸更加精密均匀高效一致性的燃烧排放效果

另外，采用新型技术路线研制的内燃机，衍生了多项技术成果：设计了缸盖缸体合并压铸的交叉分型面，诞生更大跨度范围的压铸分型线，改变缸体内缸套外侧水腔的抽芯方向，取消缸盖螺栓缸垫，没消除了缸套顶端颤动，没有了拧紧缸盖螺栓引起的缸套失圆，轻量化降成本明显，打开了压铸缸盖缸体合并件的大门。“旋转圈”概念提出及发明，可以应用到更多铝合金焊接、铝合金与异种金属焊接领域。采用铝合金旋转圈替代铝合金焊条，高速到＜1秒/单孔口焊接，低温至＜350°C焊接，全程真空无氧摩擦焊接所有圆形管孔，氧化物杂质100%挤出，顶锻冷却，能获得晶粒最均匀细化一致的焊接界面，自动化量产焊接质量稳定。

已量产真空压铸轿车缸体的压铸厂，在不增加设备投资情况下，就能转向压铸缸盖缸体合并件，缸盖的进排气道喷油器管都可以直接压铸在缸体上平面，无需缸盖螺栓孔，无需缸垫，水腔在两侧打开后抽芯更加方便，压铸厂可大幅提升生产效能和经济效益。

压铸厂需要引进搅拌摩擦焊接设备、旋转摩擦焊接设备，掌握这两种摩擦焊接技术，对砂型铸造铝合金铸件做压铸替代开发更加方便，压铸厂将可开发更多的压铸件产品，压铸件上可摩擦焊接异种金属工件，进入更多的压铸应用领域。

目前，该新技术解决方案尚未实现产业化。上海交大轻合金中心已经完成的压铸缸盖三维设计，包括：水冷四缸四气门轿车汽油机铝合金压铸缸盖，水冷三缸二气门柴油机铝合金压铸缸盖，单缸二气门柴油机铝合金压铸缸盖。这个萌芽技术，正在期待更多汽车厂压铸厂的合作研发，诞生更多发明专利，才能取得量产成功。