CN101553661A - 电极上设有焊接套筒的火花塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种火花塞组件(22)，包括一个中心电极(34)，在其点火端附接有一个高性能金属套筒(50)并通过一条由激光束脉冲(56)形成的焊缝(58)固定到位。该焊缝(58)通过搭接多个位于一条单一的连续的环线中的间隔开的焊珠而起作用。除了固定焊缝(58)，该套筒(5O)在热循环的影响下允许无约束地膨胀和收缩。因此，套筒(5O)并不经受相对于中心电极(34)的热膨胀率的不同所导致的应力增大，该中心电极最好由镍或与高性能金属套筒(50)不同的其它组分制成。接地电极(30，60)可为各种结构。

Description

电极上设有焊接套筒的火花塞

参照相关申请

本申请要求名称为“激光焊接铱套筒于中心电极上”，申请日为2005年9月29日的第60/721,821号美国临时申请的优先权。

发明领域

本发明涉及用于内燃机、熔炉等的火花塞，其中该火花塞包括至少一个电极，该电极焊接有耐磨套筒，以增强耐用性，延长使用寿命。

背景技术

在火花塞领域，需要不断提高耐侵蚀和耐腐蚀性能，降低在中心电极和接地电极的间隙中产生火花所需的放电电压。为此，有很多设计提出采用各种将贵金属点火端应用于标准金属电极。代表性地，该点火端预成型为衬垫、铆钉或电线，随后焊接于中心电极、接地电极或二者的端部。

铂铱合金是一般用于这些点火端的贵金属中的两种。还可采用铂钨合金，以及铂铑合金和铂铱钨合金。也可能采用其他金属和/或合金。

当这些和各种其他贵金属系统典型地提供可接受的火花塞性能时，特别是关于控制火花性能，提供火花电蚀和化学腐蚀保护方面，当前采用的贵金属点火端的火花塞具有公知的性能局限性，这些性能局限性与相对较小的点火表面和包括各种焊接形式的用于连接贵金属元件的方法相关。特别是，运行环境中的循环热应力，例如电极端和不同基础电极之间的热膨胀系数错配导致的循环热应力，会缩短使用寿命。代表性地，电极端由上述贵金属和贵金属合金制成，然而基础电极由镍、镍合金、镀镍铜或其他通常使用的金属制成。这些错配的热系数导致的后果是裂化、热疲劳以及各种其他会导致焊接失效的相互作用现象，最终导致火花塞本身产生故障。

在指定设置的情况下，火花塞在延长的持续时间内使用的状况在工业发电领域特别显著。这类很少用来作为例子的应用中，需要非常精确地调整内燃机及其燃料供应设备以及该点火系统，以实现最大可能的功效和燃料经济性。中心和接地电极的侵蚀和腐蚀对这种内燃机的功效和性能特征有深远的影响。因此，该领域非常需要提供一种点火表面和相关元件具有改进的耐侵蚀和腐蚀性能的火花塞。

现有技术始终考虑这种情况和所提出的多种在火花间隙中设置贵金属元件的结构。例如，Kagawa的第4,904,216号美国专利揭露了一种火花塞，其中心电极装设有管状贵金属套筒，该套筒通过电阻焊接装设于中心电极上，再通过拉拔和挤压形成最终形状。在另一个例子中，Kanao等人的第5,557,158号美国专利揭露了中心电极上装设有管状贵金属套筒的火花塞，其中套筒装设于凸榫端，并通过一盖固定于适当位置。还有一个例子，Knoll等人的第6,064,144号美国专利揭露了一种火花塞，一管状套筒安装于其中心电极的凸榫上，并在焊接操作后通过压缩带固定于适当位置。

因此，非常需要开发一种火花塞，将套筒或其他结构形式的贵金属点火端应用于中心电极的点火端。然而，现有技术的各种尝试均无法解决与各种不同材料在一定长度上彼此附着以及材料受强热循环影响相关的潜在的失效机制。因此，需要发展制造具有改良结构的火花塞的方法，以提高火花塞的性能和可靠性，同时也保持元件在极端苛刻的运行环境下的完整性。

发明内容

本发明包括用于火花点火发动机、熔炉等的火花塞组件。该组件包括接地的金属壳体，该壳体具有接地电极。绝缘本体至少部分设于所述壳体内。该绝缘本体具有轴向长度和沿该长度轴向延伸的中心通道。导电中心电极设于所述绝缘本体的中心通道内。该中心电极具有终止于末端的露出长度。该中心电极由第一预定材料组分制成。套筒围绕所述中心电极的露出长度设置，该套筒由不同于第一预定材料的第二预定材料制成。固定焊缝设于单一横向平面中，该固定焊缝冶金化地连接所述套筒和所述中心电极。当所述中心电极和套筒热膨胀和收缩时，其沿其整个界面长度，除了所述固定焊缝外，没有阻碍地彼此相对膨胀和收缩。因此，中心电极和套筒之间不同的热膨胀率不会妨碍其任一元件的轴向运动。根据本发明，中心电极很少倾向于产生裂化、热疲劳或其他有害相互作用现象。

本发明还包括一种形成火花塞组件的电极的方法，所述火花塞组件用于火花点火的发动机、熔炉等中。所述方法包括下列步骤：提供轴向长度终止于末端的中心电极。该方法还包括在所述中心电极上与所述末端相邻形成榫，该榫具有插入肩部和轴向延伸的颊部。提供具有基端和自由端的套筒。该方法包括使所述套筒在所述榫之上滑动，并使该套筒的基端与所述榫的肩部邻接。提供激光束。该方法包括沿所述套筒的基端和所述榫的肩部之间的界面，在相对路径上，移动所述激光束，从而产生固定焊缝。该方法进一步包括将所述中心电极放入使用设备中，也就是，火花点火的发动机、熔炉等中，仅由所述固定焊缝将所述中心电极和所述套筒连接，使得该中心电极和套筒沿其整个界面长度，除了所述固定焊缝外，相对自由热膨胀和收缩。

因此，本发明提供了新的组件和方法，克服了现有技术中固有的不足和缺点。特别是，由于避免了裂化、热疲劳或中心电极与其高性能套筒元件之间的其他有害相互作用现象，本发明使得火花塞可延长周期运行且不会产生灾难性故障。

附图说明

为便于理解本发明的特征及优点，以下结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述，其中：

图1是本发明火花塞的剖视图，其中该火花塞包括示例性4脚接地电极，例如典型用于工业发动机应用中的4脚接地电极；

图2是中心电极组件部分剖视的侧视图；

图3是装设于中心电极末端的贵金属套筒的端面视图；

图4是大致沿图3中的4-4线的剖视图；

图5是焊接有套筒的中心电极末端区域的放大图；

图6是图5所示的中心电极组件的端面视图；

图7是大致沿图6中7-7线的剖视图，展示了焊接区的渗透；

图8是焊缝成型(层)的片断剖视图，其中连续、搭接、等间距的焊珠沿稍低于套筒/肩部界面的中心线设置。

图9展示了用于将套筒连接于中心电极末端以实现所需焊缝成型的激光焊接设置；

图10是本发明第二实施例的剖视图，其中采用一可选环形接地电极结构代替图1所示4脚型接地电极；

图11是大致沿图10中11-11线的底部端面视图；

图12是可选环形接地电极的放大图；以及

图13是沿图12中13-13线的侧视图。

具体实施例

参照附图，其中相似数字指代这几幅图中相似或相应部分。本发明示范性实施例的火花塞22如图1所示。该火花塞22具有导电金属壳体24，典型用于将其连接的发动机、熔炉等接地。不导电绝缘本体26至少部分设于壳体24内。该绝缘本体26轴向长度由纵向延伸的中心轴A界定，该中心轴A形成火花塞组件22的垂直中心线。中心通道28轴向穿过绝缘本体26，其中心位于中心轴A。导电接地电极30连接于壳体24上，具有一自由端(或者根据具体情况，具有多个自由端)，该自由端位于火花间隙处，为臂状或腿状。在图1的实施例中，接地电极30如图所示为所谓4脚类型，主要用于工业发动机应用中。作为选择，可采用传统单接地线类型，也可以采用其他任何类型的接地结构。例如，图10-13举例说明的一可选的全环型接地电极，对此将在下文做详细说明。

火花塞22进一步包括固定或保持于其顶端的中心通道28内的上端帽32。绝缘本体26的相对端或下端安装有中心电极组件34。导电弹簧连接器35将上端帽32和中心电极组件34相互连接。当然，这仅是绝缘本体26内所设导电元件的一个示范性实施例。本领域的普通技术人员易知可采用其他元件配置或排布实现绝缘本体26中适当高压导电特征。返回图1所描绘的实施例，在中心电极34和绝缘本体26之间设有玻璃密封件36，以避免燃烧气体泄漏。可对该玻璃密封件36进行改进，使其具有电噪声消除特点或其他特征。

图2具体展示了中心电极组件34。该中心电极组件34具有主体38，该主体38可由任何材料制成，但该较佳实施例中该主体由镍或镍合金制成。中心凸缘40设立上壁架42，缩径上柱44从该上壁架42延伸。在本实施例中，上柱44穿过玻璃密封件36，与弹簧35直接电接触。主体38的下端或末端机械加工或采用其他方式成型为圆榫，设有肩部46和颊部48。该肩部46和颊部48相交处形成有一任意切口。在一可选结构(图未示)中，省略上柱44，用防燃密封件(fired-in suppressor seal，简称FISS)代替玻璃密封件36。可选的FISS设计可提供抑制射频干扰(RFI)的功效，并在弹簧35和中心电极组件34之间形成导电路径。

圆柱管状贵金属套筒50具体如图3和图4所示。该套筒50可由纯铱、含有铑和钨的铱合金或其他合金元素制成。作为选择，该套筒50可由任何其他贵金属或其合金制成，以在其整个使用期间内提供高性能和高耐侵蚀腐蚀性。当套筒50的内径具有最小尺寸公差，圆榫直径具有最大尺寸公差时，套筒50的内径具有使该套筒50能够间隙配合或轻微干涉配合于榫颊部48上的尺寸。

再参照图2和图3，所示套筒50于其基端52和自由端54之间的壁厚基本一致。当套筒50安装于中心电极组件34的末端时，其基端52与圆榫的肩部46邻接。使用时，肩部46和颊部48之间的切口有利于基端52和肩部46良好、紧密配合。套筒50的轴向长度大致等于颊部48的轴向长度，使得套筒50的自由端54与中心电极34的末端位于同一大致横向面。或许最好如图2所示，中心电极34的主体38的大直径与套筒50的大直径基本相等。然而，实际上，套筒50的壁厚可稍小于肩部46的径向宽度，使得中心电极34的主体38具有基本连续的外壁面，即使套筒50或成型的圆榫中存在轻微同心问题。因此，套筒50略微缩减的壁厚预示潜在的对准问题，使得中心电极组件34没有机会穿越绝缘本体26的中心通道28。无论如何，套筒50最优化为足够厚从而允许整个火花塞22在使用期内存在电蚀，但又充分薄以最小化内应力和成本。可通过加工薄板或杆制造套筒50，也可以通过对碳棒进行电镀处理或采用任何其他适合的技术来制造套筒50。

现在参照图5-9，将套筒50安装于中心电极组件34的主体38上的方法如图所示。在将该套筒50置于圆榫的颊部48上并紧靠肩部46之后，可采用任何适合的焊接操作安装套筒50。适合的焊接方法包括，但不限于，激光焊接，电子束焊接和TIG焊接，文中指出的仅是少数。

以下说明描述了本发明的单一示范性实施例。该说明中大部分或全部可改变，在装置、材料、参数或其他因素方面进行改变。此外，可最优化这些激光焊接参数，以增加焊接的熔深和强度，减小完成部分外侧的飞溅。激光束56的入射角名义上垂直电极表面，如图9所示。激光束56直射在主体38上的套筒50和肩部46之间界面的下方0.004英寸处。换句话说，激光束56的中心线对准肩部46下方0.004英寸处，虽然在某些情况下，可证明其他位移更为可取。利用激光焊接方法，在以下参数设置下，可获得满意的效果：

焊接能量：1.6焦耳/脉冲(Joules/pulse)。

完成后，激光56的直射光束产生单珠搭接焊点，作为目标，以将套筒50熔合至主体38，从而形成固定焊缝58。若该激光束56保持不动，而电极主体38垂直保持于筒夹中并旋转1至4圈，则可获得该结构中的固定焊缝58。当然，通过移动激光器而保持电极主体38不动，或者可能同时移动这两个元件，可实现激光束56和电极主体38之间的相对运动。而后设置上述参数，可实现多处搭接的激光焊缝，其规则间隔的焊珠的直径为大约0.02英寸，焊接间距大约0.008英寸或更小。如图8所示。

仅套筒50的底部也就是其基端52被焊接。套筒50的自由端54未被焊接或黏附于电极组件34上。这产生一空间以适应主体38和套筒50之间的不同的热膨胀率。因此，与固定焊缝58不同，套筒50在其轴向上不会收缩。换句话说，仅在套筒50的一端进行焊接使其高性能组分以与镍或电极组件主体38的其他不同组分不同的热膨胀率进行热膨胀和收缩，而不会在套筒50内产生应力。然后，将完成后的中心电极组件34用于各种火花塞设计之一，在此，该火花首先从中心电极的边开始扩散，而非从其末端开始扩散，例如图1所示的4脚结构和图10-13所示的环形结构。

在图10-13所示的实施例中，通过第一电阻焊接将接地电极60焊接在壳体24底部形成的凹口中，从而将接地电极60固定于壳体24的下端。接着进行翻转操作，将接地电极60机械锁定于不起作用的位置。接地电极60具有贵金属环62，该贵金属环62位于中心电极34上，环绕套筒50，并在其与套筒50之间的环形空间中形成火花隙。贵金属环62通过由3个轮辐64构成的框架以毂状形式固定于中心位置处，环绕套筒50。当然，也可采用更多或更少的轮辐64，实际上，在某些应用中，甚至可能采用全环状而没有可分辨间隙或轮辐的框架。

可采用形成接地电极60的各种方法。在一实施例中，轮辐64采用分离方式形成，例如通过锻造、机加工、铸造等等。镍可为适合制造轮辐64的材料。类似地，贵金属环62，优选铱，也可分离制成。在一后续操作中再将这两元件连接，例如通过激光焊接将这两元件连接。然而，也可采用制造接地电极60的另一种可能技术。根据该可选技术，将碳棒(图未示)设于具有富铱(或者其他贵金属或合金)池或铱阳极的电沉积罐中。碳棒和富铱池(或阳极)之间建立了适当电差动，使得元素铱(或其他贵金属或合金)附于并均匀地沉积于碳棒外部周围，以形成铱壳体。一旦铱壳体具有实际足够的厚度，则将碳棒从富铱池移除并转移至具有富镍池或镍阳极的新电沉积罐。此外，碳棒和富镍池(或阳极)之间产生电势，使得元素镍(或其他所选金属)沉积于铱壳体外部周围，以形成镍壳体。一旦镍壳体达到适当厚度，则移除、清洗并加工该镍壳体。抛光操作可包括沿镍壳体的长度形成扇贝形边。然后，切片操作会产生独立晶片，这些晶片最终被转换为接地电极60。在这些方法的适当阶段，可将碳棒移除。

在中心和接地电极组件34和64上采用套筒50和62的目的是延长这些电极组件的使用寿命，进而延长火花塞22的总使用寿命。所揭露的电极设计努力实现最大化接地电极表面积，允许火花隙具有良好的透气性，并关于中心电极34的圆柱表面，保持恒定的接地电极间隙。因此，如果不将连续环用于该接地电极，则该接地电极可成型为具有弓形面，并因此保持一跨越整个火花隙间隔开的恒定的间隙。

根据相关法律规范对前述发明进行了详细说明，因此该说明仅起示范作用，而非用于限制。很明显，本领域普通技术人员可对上述实施例进行各种改变和修改，仍属本发明所涵盖的范围。因此，本发明的法定保护范围仅通过研究下列权利要求来确定。

Claims (15)

1、一种用于火花点火发动机、熔炉等的火花塞组件，包括：

接地的金属壳体，该壳体具有接地电极；

至少部分设于所述壳体内的绝缘本体，该绝缘本体具有轴向长度和沿该长度轴向延伸的中心通道；

设于所述绝缘本体的中心通道内的导电中心电极，该中心电极具有终止于末端的露出长度，该中心电极具有第一预定材料组成；

围绕所述中心电极的露出长度设置的套筒，该套筒由第二预定材料制成，该第二预定材料与所述中心电极的第一预定材料不同；以及

设于单一横向平面的固定焊缝，该固定焊缝冶金化地连接所述套筒和所述中心电极，该中心电极和套筒沿其界面长度，除了所述固定焊缝外，彼此相对没有阻碍地自由热膨胀和收缩。

2、根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述套筒材料选自贵金属及其合金。

3、根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述中心电极包括于其露出长度上形成的榫，该榫包括横向的肩部和轴向的颊部。

4、根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述颊部具有圆柱状的形状，所述肩部具有环形的形状。

5、根据权利要求4所述的组件，其特征在于，进一步包括所述榫的颊部和肩部之间的切口结构。

6、根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述套筒具有适于在所述榫的颊部之上，围绕所述榫的肩部滑动的圆柱状的结构。

7、根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述固定焊缝沿所述肩部和所述套筒之间的界面设置。

8、根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述榫的肩部具有径向宽度，所述固定焊缝径向穿入所述中心电极的距离大于该肩部的径向宽度。

9、根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述中心电极的露出长度具有大直径，所述套筒的大直径与该中心电极的露出长度的大直径大致相等。

10、根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述套筒具有与所述肩部相邻的基端和与所述中心电极的所述末端相邻的自由端，该套筒的轴向长度与所述颊部的轴向长度大致相等，使得所述套筒的自由端与所述中心电极的末端位于大致同一横向面。

11、一种形成火花塞组件的电极的方法，所述火花塞组件用于火花点火发动机、熔炉，所述方法包括下列步骤：

提供轴向长度终止于末端的中心电极；

在所述中心电极上与所述末端相邻形成榫，该榫具有插入肩部和轴向延伸的颊部；

提供具有基端和自由端的套筒；

使所述套筒在所述榫之上滑动，并使该套筒的基端与所述榫的肩部邻接；

提供激光束；

沿所述套筒的基端和所述榫的肩部之间的界面，在相对路径上，移动所述激光束，从而产生固定焊缝；以及

将所述中心电极装入使用设备中，仅由所述固定焊缝将所述中心电极冶金化地连接至所述套筒，使得该中心电极和套筒沿其整个界面长度，除了所述固定焊缝外，相对自由热膨胀和收缩。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述移动激光束的步骤包括相对所述激光束旋转所述中心电极超过360°。

13、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述提供激光束的步骤包括垂直于所述中心电极的轴，直射所述激光束。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述提供激光束的步骤包括将所述激光束向所述套筒的基端下方的所述中心电极上直射。

15、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述固定焊缝径向穿入所述中心电极的距离大于所述套筒的径向宽度。

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