CN101842948A - 具有感应焊接和激光加强焊接的点火尖端的点火装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一用于内燃机的点火装置及其构造方法，包括一壳体，带有一绝缘体固定于其内。一中心电极安装于所述绝缘体内。一接地电极从所述壳体延伸，其中心电极对面的接地电极的一部分定义一火花隙。中心电极具有一点火尖端，其中电阻焊缝首先将点火尖端连接于中心电极，基本上由点火尖端的材料形成的相互交叠的第一焊池的的连续焊珠将点火尖端进一步连接于电极上。从第一焊池径向向外形成的相互交叠的第二焊池的连续焊珠形成从所述第一焊池延伸至中心电极的外表面的倒圆表面。

Description

具有感应焊接和激光加强焊接的点火尖端的点火装置及其制造方法

技术领域

本发明大致涉及一火花塞及其他点火装置，更具体地涉及具有贵金属的点火尖端的电极及其制造方法。

背景技术

在火花塞领域，需要不断地提高耐腐蚀性能和降低火花塞的中心和接地电极之间的击穿电压。由此提出了各种使用贵金属电极或，更为普遍的在标准金属电极上涂敷贵金属点火尖端的各种设计。通常，点火尖端由垫或铆钉形成，然后焊接到电极端上。

在用贵金属，也被称为稀有金属构造点火尖端时，也需要不断地提高贵金属点火尖端材料连接于电极材料的可靠性，该电极材料通常由镍合金制成。例如，在指定转让给本申请人的美国专利6,132,277中，贵重金属放置于电极的平面上，电阻焊接，然后再电阻焊接。而且，贵重金属点火尖端的所要求的形状优选为在电阻焊接之后形成，然后可再电阻焊接以进一步将点火尖端固定到电极，该电极可能在成形过程中已经松弛或可能在开始的电阻焊接中没有牢固连接。

在美国专利5,811,915中，公开了另一种将贵金属芯片固定于电极的火花塞的构造。该专利教导通过第一次电阻焊接将由铱或其合金形成的贵金属芯片连接于电极。在电阻焊接操作中，贵金属芯片保持未融化状态，并被挤向电极使其陷入已融化的电极材料，从而形成芯片外周长的突出部分。随后，在倾斜为45度的电极的突出部分上应用激光束定位，如图所示大致是彼此相对的两点，以融化被抵紧的电极的突出部分和突出部分邻近的贵金属芯片的侧面。据此，激光焊缝在其下表面上延伸入贵金属芯片的侧表面，该下表面预先陷入融化的电极材料。然后，通过绕其轴旋转电极，进行完全沿着贵金属芯片外缘的另一边缘激光焊接。

在美国专利6,705,009中，公开了另一种将贵金属芯片固定于电极的火花塞的构造。该专利教导通过第一次电阻或摩擦焊接将一连续贵金属线的扁平端连接于中心电极的锥形点火尖端的扁平端。在第一次焊接中，线的末端与中心电极的末端形成对头焊缝。然后线被截断，并在截断线和中心电极之间通过激光围绕第一焊道的外缘完成第二次焊接。

在美国专利6,819,031中，公开了另一种将贵金属芯片固定于电极的火花塞的构造。该专利教导通过临时电阻焊接或夹具将贵金属芯片连接于中心电极，然后围绕贵金属芯片与中心电极的接口的整个外周进行激光焊接以形成第一焊接层。然后，沿着中心电极的纵轴移动激光以完成围绕接口的整个外周的第二次焊接，此后可能有另外的焊接层，每个另外的焊接层沿着电极的纵轴横向移动。

在美国专利6,827,620中，公开了另一种将贵金属固定于电极的火花塞的构造。该专利教导通过临时电阻焊接将贵金属芯片连接于中心电极，其后完成最终激光焊接。贵金属芯片是柱形的铱元素或铱合金材料。在临时电阻焊接中，芯片被足够的外力压紧以将未融化的柱形芯片部分嵌入电极，优选为少于0.1mm。

在已知的具有贵金属点火尖端的电极构造中，包括上述所讨论的，每个都伴随着潜在的缺陷。这些可能的缺陷包括，生产成本的提高，可使用的点火尖端材料的类型的受限制，以及上述缺点的组合。因此，在此所讨论和/或所引用的其他问题中，本发明的主题是寻找弥补在已知构造中存在的这些或其他潜在问题。

发明内容

根据本发明构造的用于内燃机的点火装置包括具有开口的壳体和固定于壳体内的绝缘体。通过壳体内的开口露出绝缘体的一端。中心电极被安装于绝缘体内并在具有一延伸至绝缘体外的末端的外表面。接地电极从壳体延伸，其接地电极的一部分位于中心电极末端的对面以定义之间的火花隙。中心电极具有最初通过电阻焊接结合于其末端的贵金属点火尖端。一相互交叠的激光焊池的连续焊珠围绕点火尖端的外缘延伸至与中心电极的点火尖端进一步结合。焊池形成从点火尖端延伸至中心电极外表面的圆形肩部的至少一部分。

本发明的另一方面包括用于点火装置的电极装置。该电极装置具有一带有外表面的电极主体和一带有下表面和外缘的点火尖端。电阻焊缝将点火尖端下表面结合于电极主体，以便下表面嵌入外表面一第一距离。围绕点火尖端的外缘形成一相互交叠的激光焊池的连续焊珠，其激光焊池在电极主体外表面下延伸一第二距离，该距离比第一距离大。

本发明的又一方面包括用于内燃机的点火装置的构造方法。该方法包括提供壳体和固定于壳体内的绝缘体，使得绝缘体的一端通过壳体内的开口露出。然后，在绝缘体内安装具有一外表面的中心电极主体，其中心电极主体的点火尖端区域延伸至绝缘体外。然后具有一外表面的接地电极从壳体延伸，其接地电极主体的点火尖端区域位于中心电极主体点火尖端区域的对面以定义之间的火花隙。然后，提供至少一段预成型的由贵金属形成的点火尖端材料。然后，将至少一段点火尖端材料电阻焊接于中心电极主体或接地电极主体中的至少一个上，以至少部分形成点火尖端，其电阻焊缝定义点火尖端的下表面，该下表面在外表面下一第一距离。然后，围绕点火尖端的外缘激光焊接相互交叠的激光焊池的连续焊珠，其焊池在外表面下延伸一第二距离，其中，该第二距离比第一距离大。

本发明的另一个方面包括点火装置的构造方法。该方法包括提供一具有外表面的电极主体和一段预成型的贵金属点火尖端材料。然后，将点火尖端材料电阻焊接于主体以至少部分形成点火尖端并在外表面下一第一距离处定义一点火尖端的下表面。然后，围绕点火尖端的外缘激光焊接相互交叠的激光焊池的连续焊珠，使得焊池在外表面下延伸一第二距离，其中，该第二距离比第一距离大。

附图说明

结合以下对当前优选实施方式和最佳形式的描述和所附附图，本发明的这些和其它特征和优点将会被更容易理解，其中相似的特征用相似的数字表示，其中：

图1是根据本发明的一个当前优选实施例构造的具有中心电极和接地电极的火花塞的局部侧视图；

图2是根据本发明的一个当前优选实施例构造接地电极的初始步骤的放大的局部侧视图；

图3是电阻焊接操作后的接地电极的放大的局部横截面图；

图4是成型操作后的接地电极的放大的局部横截面图；

图5是示出激光焊接操作中激光束的方向的接地电极的放大的局部侧视图；

图6是激光焊接操作后形成的接地电极的放大的局部横截面图；

图7是显示成品形状的接地电极的放大的局部顶视图；

图8是根据本发明的一个当前优选实施例构造的中心电极的初始步骤的放大的局部侧视图；

图9是电阻焊接操作后形成的中心电极的放大的局部横截面图；

图10是示出激光焊接操作中激光束的方向的中心电极的放大的局部横截面图；

图11是激光焊接操作后形成的中心电极的放大的局部横截面图；

图12是成型操作形成的成品形状的中心电极的放大的横截面图；

图13是根据本发明的另一当前优选实施例的示出激光焊接操作中激光束的方向的中心电极的放大的局部侧视图；

图14是示出激光焊接操作后成型的一个当前优选的成品形状的中心电极的放大的横截面图；

图15是示出激光焊接操作后成型的另一个当前优选的成品形状的中心电极的放大的横截面图；

图16与图13相似，示出了在构造图15的中心电极时的激光焊接操作中的激光束的方向；及

图17是示出了在构造图15的中心电极时的激光焊接操作中激光的大致路径的平面图。

具体实施方式

更具体地参考附图，图1示出了根据本发明的一个当前优选的方法构造的火花塞10的点火末端。火花塞10包括一金属外壳或壳体12，一固定于于壳体12内的绝缘体14，一中心电极16，一接地电极18，和一对点火尖端20、22，该尖端各自位于中心和接地电极16、18上彼此相对。壳体12可按传统的方法由一金属外壳构成，并可包括标准螺纹24和一环形下端26，接地电极18从该下端26延伸，例如通过焊接或其他方式连接于此。同样的，除了具有点火尖端20、22的中心和/或接地电极16、18根据本发明的方法构造以外，火花塞10的其他所有组件(包括图未示的组件)可使用已知的技术和材料构造。

众所周知，壳体12的环形端26定义一开口28，绝缘体14优选通过该开口28延伸。中心电极16通常通过玻璃封口或其他任何合适的方法安装于绝缘体14内。中心电极16可具有任何合适的横截面形状，但通常呈大体呈圆柱形而其横截面成弓形张开或相对于点火尖端20相对端的较大直径逐渐变细，以便于在绝缘体14内容纳和密封该末端。中心电极16一般通过露出的轴端30延伸至绝缘体14外。中心电极16由火花塞制造领域公知的任何合适的导体制成，例如各种镍和镍基合金，例如还可包括铜或铜基合金的核的外表包覆这些材料的。

通过示例而非限制，接地电极18示为常见的大体呈矩形横截面的90度弧形弯头的形式。接地电极18的一端32连接于壳体12以在此电气和热量连通，并优选终止于大体与中心电极16相对的自由端34。在接地电极18的自由端34附近定义一点火部分或末端，连同中心电极16的相应点火末端，在其间定义一火花隙36。然而，对于本领域的技术人员来说，应当理解，接地电极18可具有多种配置，形状和大小。

点火尖端20、22各自位于各个电极16、18的点火末端上使他们各自提供点火表面21、23，用于发射或接受穿过火花隙36的电子。当从上往下看点火尖端表面21、23时，例如图7中所示的表面23，这也同样适用于点火尖端表面21，可见点火尖端表面21、23大体呈圆形的几何形状，该形状至少部分由后面讨论的构造方法所提供。多个当前优选的实施例的点火尖端20、22由相对较软并具有较低的熔点的贵金属组成，已知的并被广泛应用的点火尖端贵金属包括铱，其熔点大约2447摄氏度。在此优选使用的贵金属是铂，它的熔点大约1,769摄氏度，或其合金，例如铂-镍，其具有更低的熔点温度。然而，正如下面所讨论的，一些当前优选的实施例也可用铱、铱合金，或其他贵金属和甚至普通，非贵金属。

根据本发明，点火尖端20、22被首先电阻焊接于他们各自的电极16、18上，然后至少部分地被激光焊接以进一步确保连接于电极上以防止不必要的氧化物进入点火尖端20、22与电极16、18之间的焊缝。电阻焊缝形成一嵌入各电极16、18的外表面42下一第一距离(d)的表面40。激光焊缝定义一交叠的焊池44，其延伸至各电极16、18的外表面42下一第二距离(D)的，其中第二距离(D)比第一距离(d)大。为了帮助建立一可靠的焊缝，和进一步帮助抑制氧化物的进入，形成的激光焊缝使得各点火尖端20、22不受激光焊池44的咬边的影响。相应的，各激光焊池44形成牢固结合于各点火尖端20、22的侧壁46，其中，由于其是在外表面42下延伸时，侧壁46或大体平行于点火尖端20、22的中心轴48和/或从中心轴48径向向外延伸。

如图2所示，作为示例而非限制，在构造各电极16、18时，一预成型的铂垫50在此示例为优选具有一弧形的、凸面或球形的表面52，更优选为具有大致球面或球形，位于外表面42上。该垫50随后电阻焊接于电极16、18。在电阻焊接操作中，由于垫50的外壁52是凸状的，如箭头56所示，在外表面42上的电阻焊接操作中形成出现的任何氧化物54都将排空。因此，垫50的大致球面52在焊接心轴(图未示)的作用力下推入电极16、18的外表面42内，氧化物54从焊缝中被挤出。另外，大致凸状的外形呈现出最小化的接触面积，理论上至少最初时，垫50和电极16、18之间的接触是一个点，这将依次增加电阻焊接操作中垫50和各电极16、18的电阻抗性，从而增加电阻焊接操作中产生的热量。这有助于通过在被连接的不同熔融材料之间提供牢固的联系而形成可靠的电阻焊缝。当两种材料之间形成合适的焊池时，并且当将垫50挤压入电极16、18的外表面42下所需的深度(d)时，外加的电流被切断，而已形成的焊池通常不受氧化物杂质的影响而凝固。

然后，如图3所示，垫50的一部分58可能需要进一步成型以得到所需的成品形状。因此，垫50可铸压成型或其他方式成型使各点火尖端20、22的点火表面21、23大体扁平并大致平行于电极16、18的外表面42，如图4所示。

成型点火尖端20、22后，建立一激光焊缝60以增加点火尖端20、22与各电极16、18之间的机械强度，例如，通过示例而非限制，带有灯泵脉冲ND-YAG激光器的GSI集团JK系列450450Watt-Lumonics的套料钻头。应当理解，激光器可以是任何品牌的，也可应用YAG，CO2的连续波激光或其他种类的激光。在一个优选实施例中，激光焊接能量被控制在约1-1.5J/pulse之间，焊接频率在约75-85Hz之间，和光斑直径在0.008-0.010英寸之间，以形成约0.020英寸的直径的各焊池。为了完成激光焊接，激光头以及激光束62关于电极16、18和各被固定住的点火尖端20、22环转。激光头旋转的速度优选为约14Q-160rpm，而优选的脉冲/焊点数目为30-33。应当理解，根据特定的应用，上述提到的参数可以改变，而且，根据需要，可使工件旋转而激光束保持静止。在激光焊接操作中，优选使用一种气体进行保护，如氩气，例如，其中的保护气体的流量按照最适合于该应用进行控制，如约0.2cfm。

如图5所示，激光束62优选相对于焊接表面42维持在约80-90度的方向上。此外，激光束的焦点优选为尽可能地接近点火尖端垫的外缘64，并优选在初始的电阻焊接中在点火尖端20、22与各电极16、18之间的露出的焊缝接缝66的正上方，从而由脉冲激光器形成相互交叠的焊池44的连续焊珠而完全覆盖接缝66，如图7所示。前面已经指出，这有助于提高点火尖端材料和电极之间的连接强度，同时还抑制氧化物进入点火尖端20、22与各电极16、18之间建立的焊缝。

如图6所示，各激光焊池44在电极16、18的外表面42下延伸一预定深度(D)，该深度比点火尖端低于表面40的深度(d)要大。据此，激光焊池44在前述电阻焊接操作中形成的电阻焊缝下延伸。由于激光束62的方向与电极16、18的外表面42接近于90度，形成的激光焊池44使得他们不对材料形成定义点火尖端20、22的咬边。如图6所示，激光焊池44在轴向截面上形成一大致截锥形的环状线圈或环孔，其中各激光焊池44的内侧壁46连接于各点火尖端20、22。固化的连续激光焊池的侧壁46大体平行于从点火尖端20、22的中心轴48和/或中心轴48径向向外延伸。

如图8所示，在另一当前优选构造中，特别是应用到中心电极16时，不再使用最初的球面铂垫，而使用一具有大致截锥形末端152的铂或铂基铆钉150用于连接中心电极以形成一点火尖端120。结合前面关于球形或凸状的表面的描述，如图9中的箭头56所示，在初始的电阻焊接操作中，末端152的形状有利于提高电阻和驱逐氧化物。因此，正如前述实施例，铂铆钉150首先电阻焊接于中心电极16的末端外表面42。铂铆钉150优选在末端居中，其中与电极16的纵轴48基本同轴的末端环形表面70保持暴露并基本不受电阻焊接操作的影响。其后，如上所述，铂铆钉150经脉冲激光焊接操作进一步连接于中心电极16。考虑到中心电极16通常呈圆柱形，脉冲激光束62如上述讨论环转，或中心电极16旋转而激光束62保持在一个固定的位置上。激光焊池44以上述讨论相同的方法形成，在此示例为与中心电极16的侧壁72径向向内间隔形成。因此，如图11所示，一环状圈74基本上不受激光焊接操作的影响，保持在中心电极16的末端。完成激光焊接操作后，中心电极16被认为已成型并可使用。另外，如图12所示，中心电极16的末端可通过例如切削操作形成一锥形的圆锥壁76，该圆锥壁基本从连续的激光焊池44延伸到侧壁72。优选的，圆锥壁76临近激光焊池44形成，并从此处径向向外些微间隔开，以致不接触或延伸入激光焊池44。

在另一个当前优选的中心电极16的构造中，如图13和图14所示，不是在中心电极16的侧壁72与激光焊池44之间留下一个不受影响的环孔74，激光焊接使得激光焊池44径向向内延伸并与侧壁72相连，或基本上彼此接近。这可以通过增加激光束62的能量来实现，通过改变激光束62的光斑直径，通过相对于电极16中心轴横向移动激光束62，或者它们的结合，因此由激光束脉冲产生的热能的作用区域增大。如此，不需经过二次切削操作，激光焊池44优选形成圆锥形或锥形表面，例如结合图12所述。

在又一个当前优选的中心电极16的构造中，如图15所示，激光焊接过程可完成以建立焊池的两个分离的区域。相互交叠的第一焊池44的第一焊接区域可基本上由点火尖端的材料形成，在此示例而非限制为铆钉型点火尖端120，而围绕第一焊池44的第二焊池144的径向向外的第二焊接区域可基本上由中心电极16的材料形成。虽然在此示例为铆钉型点火尖端，但应该理解点火尖端还可以其他任何合适形状构造而成，例如，如上述关于点火尖端20的讨论，或其他。激光焊接的功率和速度可根据焊接材料的最适合方式决定，且在激光束62与中心电极16的相对运动中保持，以形成从第一焊池44径向向外延伸到中心电极16的侧壁72的外表面176所需的倒圆表面。因此，激光焊接表面44，144作为成型的倒圆表面，在此示例为凸状，或者如果需要的话，可随后进行后续操作，例如研磨或抛光。

如图16和17所示，形成焊池44的第一焊接区域是通过相对于激光束62旋转中心电极16形成，例如通过旋转刻度台(图未示)的旋转装置上的中心电极16约720度以形成一对相互交叠的第一焊池44。然后，中心电极16的中心轴48相对于激光束62横向移动至激光束62聚焦在中心电极16的外缘的边缘80，例如通过固定输出激光外壳于手动滑轨和伺服滑轨以允许激光束62相对于中心电极16移动。在一个当前优选实施例中，当激光束62大体聚焦在中心电极16的边缘80时，激光束62偏离垂直方向约10度，在此垂直方向示例中心电极16的中心轴48，然而，应当理解，根据所需最终焊池144的几何形状，激光束62与中心轴48的倾斜角度可从中心轴48调整约5-60度。将激光束62基本上聚焦在外边缘80的所需的倾斜角度上之后，中心电极16在刻度台上至少旋转360度以形成从第一焊池44径向向外的相互交叠的第二焊池144的第二焊接区域。根据激光功率、焊接时间、电极16和点火尖端120所使用材料，中心电极16相对于激光束62的旋转数目可以变化。点火尖端120可由各种材料形成，例如铂，铱或其他贵金属，也可以提供各种完成形状，包括例如多层铆钉或垫。应当进一步理解，如上所述的新型激光绕行过程可应用于标准，非贵金属点火尖端电极，在形成第二焊池144的第二焊接区域的激光操作中，应当理解，中心电极16的材料并没有像切削操作那种减少，也没有增加。

显然，根据上述公开和所附图形，本发明的许多修正和变型是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可不同于上述具体描述通过其他方式实施。

Claims (21)

1.一种用于内燃机的点火装置，包括：

一具有开口的壳体；

一固定于所述壳体内的绝缘体，所述绝缘体的一端穿过所述壳体内的开口露出；

一安装于所述绝缘体内的中心电极，所述中心电极具有一延伸至绝缘体外的自由端的外表面，带有从所述自由端延伸的点火尖端；

一从所述壳体延伸的接地电极，所述接地电极的一部分位于所述中心电极的点火尖端对面并在其间定义一火花隙；及

所述中心电极具有将所述点火尖端连接于所述中心电极的所述自由端的相互交叠的第一激光焊池，和从所述第一激光焊池径向向外的相互重叠的第二焊池，形成从所述第一激光焊池延伸至所述中心电极的所述外表面的环形的倒圆表面。

2.如权利要求1所述的点火装置，其特征在于，所述中心电极的所述点火尖端是贵金属。

3.如权利要求2所述的点火装置，其特征在于，所述点火尖端是铂基的。

4.如权利要求1所述的点火装置，其特征在于，所述第一激光焊池基本上由所述点火尖端的材料熔化后制成，所述相互交叠的第二焊池基本上由所述中心电极的材料熔化后制成。

5.如权利要求1所述的点火装置，其特征在于，所述第一激光焊池和所述第二激光焊池彼此分离。

6.如权利要求1所述的点火装置，其特征在于，所述倒圆表面是凸状的。

7.一点火装置的中心电极，包括：

一具有延伸至自由端的外表面的细长的电极主体；

一连接于所述自由端的点火尖端；及

一将所述点火尖端连接于所述中心电极的所述自由端的相互交叠的第一激光焊池的连续焊珠，和从所述第一激光焊池径向向外的相互交叠的第二焊池的连续焊珠，形成从所述第一激光焊池延伸至所述中心电极的所述外表面的环形倒圆表面。

8.如权利要求7所述的中心电极，其特征在于，所述点火尖端是贵金属。

9.如权利要求7所述的中心电极，其特征在于，所述点火尖端是铂基的。

10.如权利要求7所述的中心电极，其特征在于，所述第一激光焊池基本上由所述点火尖端的材料熔化后制成，所述相互重叠的第二焊池基本上由所述中心电极的材料熔化后制成。

11.如权利要求7所述的中心电极，其特征在于，所述第一激光焊池和所述第二激光焊池彼此分离。

12.如权利要求7所述的中心电极，其特征在于，所述倒圆表面是凸状的。

13.一种构造中心电极的方法，包括：

提供一具有延伸至自由端的外表面的电极主体；

提供一点火尖端材料；

电阻焊接所述点火尖端材料于所述自由端；

激光焊接所述点火尖端材料形成一相互重叠的第一激光焊池的连续焊珠；及

激光焊接形成从所述第一激光焊池径向向外的相互交叠的第二焊池的连续焊珠，并形成从所述第一激光焊池延伸至所述中心电极的所述外表面的环形倒圆表面。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括提供所述的点火尖端为贵金属。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括提供的所述点火尖端的材料为铂基材料。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括基本上由所述点火尖端的材料熔化后形成所述第一激光焊池。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括基本上由所述中心电极的材料熔化后形成所述第二相互交叠的焊池。

18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述环形倒圆表面具有一凸状外表面。

19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括围绕所述点火尖端移动激光束形成所述第一激光焊池，从所述第一激光焊池径向向外移动激光束，围绕所述第一激光焊池移动所述激光束形成所述第二激光焊池。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括相对于所述中心电极主体旋转所述激光束至少720度形成所述第一激光焊池。

21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括从所述中心电极主体的中心轴倾斜所述激光束约5-60度以形成所述第二激光焊池。

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