CN101848786B - 用于焊接火花塞中电极头的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种将火花塞的贵金属头焊接到电极上的方法。在所述焊接方法中，在依据激光焊接时间的激光束的功率波形中，所述激光束的功率波形的中心部分的功率小于其两端部分的功率。另外，依据激光焊接时间的激光束的功率波形是梯形波形，包括：上升部分，其中激光束的功率逐渐增加；功率保持部分，其中所述上升部分后的激光束功率保持恒定；以及下降部分，其中所述功率保持部分后的激光束功率逐渐减小。另外，依据激光焊接时间的激光束的功率波形是三角形波形，包括：上升部分，其中激光束的功率逐渐增加；以及下降部分，其中所述上升部分后的激光束功率逐渐减小。因此，能将电极头牢固地附着到中心电极或接地电极上。

Description

用于焊接火花塞中电极头的方法
技术领域
本发明涉及一种焊接火花塞电极头的方法，更具体地，涉及一种焊接火花塞电极头以便将火花塞的贵金属电极头附着到电极上的方法。
背景技术
火花塞是发动机中产生火花来点燃燃料的零件。为了产生火花，火花塞的中心电极和接地电极彼此分离预定间隙。为了改善发动机中的燃烧效率，电极头与中心电极和接地电极连接。
一般地，中心电极和接地电极由镍(Ni)制成。与电极连接的电极头由铂系贵金属，例如铱(Ir)或其合金制成。电极头通过焊接固定于中心电极和接地电极。作为焊接方法的实例，可以是激光焊、电子束焊接、电阻焊等。
近来，激光焊作为连接电极头和中心电极的方法得到了积极地发展。激光焊接方法具有输入热量小、热变形小以及能够精确焊接的优点，但是它也具有对焊接工艺参数敏感的缺点。在激光焊接方法中，激光束的高密度能量集中于中心电极或接地电极和贵金属头的连接部分。因此，作为电极主要元素的Ni及铱合金熔化，从而形成具有过渡线性膨胀系数的过渡熔化层，进而减小热应力。
据研究，如果激光束的能量较低，焊接时的熔化温度也较低。因此，只有镍熔化，而不能减小热应力。这是因为镍的熔点(约1450℃)与铱的熔点(2450℃)相差很大。而且，镍的沸点(约2700℃)接近于铱的熔点。如果激光束的能量过高，熔化部分的温度也变得很高，从而镍挥发，进而产生缺陷。特别地，既然用于激光焊的激光束是高斯束(Gaussian beam)，它的中心部分产生过量的热量输入。因此，存在诸如因挥发而引起的元素不足的较差的焊接质量。
为此，需要进行很多研究以通过使用激光焊将电极头安全地固定到接地电极或中心电极。
发明内容
技术问题
本发明提供了一种能够牢固地将电极头附着于中心电极或接地电极的火花塞电极头的焊接方法。
技术方案
依据本发明的一方面，提供一种利用激光焊焊接火花塞电极头以将火花塞的贵金属头附着于电极的方法，其中，依据激光焊接的时间的激光束的功率波形是马蹄形波形，其中，其中心部分的功率小于两端部分的功率。
在本发明的上述方面中，激光束的功率波形是矩形波形，即，中心部分的功率小于两端部分的功率。
另外，激光束的总输入热量值在70J/cm2至150J/cm2的范围内。
依据本发明的另一方面，提供了一种利用激光焊焊接火花塞电极头以将火花塞贵金属头附着于电极的焊接方法，其中，依据激光焊的时间的激光束的功率波形是梯形波形，包括上升部分，其中激光束功率逐渐增加；功率保持部分，其中上升部分后激光束的功率保持恒定；以及下降部分，其中功率保持部分后的激光束功率逐渐减小。
在本发明的上述方面中，激光束的照射时间在上升部分、功率保持部分和下降部分大致相等。
另外，激光束的总输入热量值在60J/cm2至150J/cm2范围内。
另外，依据激光焊的时间的激光束的功率波形是三角形波形，包括上升部分，其中激光束的功率逐渐增加；和下降部分，其中激光束的功率在上升部分后逐渐减小。
另外，激光束的照射时间在上升部分和下降部分大致相等。
另外，激光束的总输入热量值在60J/cm2至150J/cm2的范围内。
有益效果
根据本发明可获得下述优点，但本发明不必具有下述优点的全部。
首先，依据激光焊的时间，激光束的波形设定成马蹄形、梯形或三角形，而不是矩形，从而可能解决因热量在中心部分的过量输入而产生的挥发所引起的元素不足和咬边，以及因发生周围部分的咬边而产生的瘤凸(hump)(产生焊珠)。
另外，可获得依据这些波形的合适的激光束的总输入热量，从而可能将所述贵金属电极头焊接到所述中心电极或接地电极上。
附图说明
图1是例示火花塞的局部剖面图。
图2是例示图1的中心电极和接地电极的剖视图。
图3是例示激光束强度随距离用于激光焊的激光束中心的距离变化的曲线图。
图4至7是例示本发明的实施方式中，激光束的功率与用于激光焊的激光束的照射时间的关系曲线图。
图8是例示根据本发明的实施方式进行焊接的电极头的侧视图。
图9是自图8的VI箭头观察而得到的平面图。
图10至15是具有不同输入热量值的马蹄形波形束施加到中心电极和贵金属头之后的截面的照片。
图16至20是具有不同输入热量值的梯形波形束施加到中心电极和贵金属头之后的截面的照片。
图21至24是具有不同输入热量值的三角形波形束施加到中心电极和贵金属头之后的截面的照片。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施方式作详细描述。为了使本发明更清晰，将省略公知的功能和构造的详细描述。
图1是例示火花塞的局部剖视图。
如图1所示，火花塞包括中心电极3、设置在中心电极3外的绝缘体2、设置在绝缘体2的外部的金属壳1、以及接地电极4，接地电极4的一端与金属壳1连接，另一端部面对中心电极3。电极头31和32形成于中心电极3与接地电极4彼此面对的位置。
图2是例示图1的中心电极和接地电极的剖视图。
如图2所示，中心电极的主体3a具有锥形的端部和平坦的端表面。电极头31形成为盘形。电极头设置在平坦的端表面上。可在接触面的外表面使用激光焊技术、电子束焊接技术、电阻焊技术或其他适当的焊接技术以便形成焊缝W。因此，电极头31牢固地固定在中心电极3的端表面上。相对的电极头32设置在接地电极4上。类似地，在接触表面的外表面上形成焊缝W。因此，电极头32牢固地固定在接地电极4上。
在一些情况下，两个相对电极31和32中的一个可以省略。在这种情况下，火花放电间隙g形成在电极头31和32中的一个与接地电极4(或中心电极3)之间。
通常利用铂系贵金属，尤其是铱，形成电极头31和32。利用通过混合必要的合金元素并熔化混合物而得到的材料来形成电极头31和32。或者，电极头可由致密合金粉末形成。或者，电极头可由通过以特定比例混合基本金属元素粉末，然后烧结致密合金粉末而得到的烧结材料形成。
如果电极头31和32由熔化金属形成，熔化金属的生成材料经受包括滚压处理、回火处理、延展处理、切削处理、剪切处理和去除处理中的至少一个处理，使得电极头可具有特定的形状。
下面，将描述利用激光焊将上述电极头31和32固定到中心电极3或接地电极4上的焊接工艺。
图3是激光束的强度随距离用于激光焊的激光束中心的距离变化的曲线图。
如图3所示，激光束符合高斯分布，其中激光束的强度在中心部分最高，在周围部分迅速地降低。如果激光束具有如图4所示的矩形波形，在激光束照射的情况下，存在因热量在中心部分的过量输入而产生的挥发所引起的元素不足和咬边，以及因发生周围部分的咬边而产生的瘤凸(产生焊珠)。因此，将描述能够防止热量过量输入的激光束功率的各种波形以及依据激光处理参数而产生的焊接结果。
表1列出了焊接深度、瘤凸的平均尺寸和根据具有图4所示矩形波形的激光束的不同输入热量值而形成瘤凸的频率。当焊接深度增加时，连接部分的连接力增大。因此，焊接深度可用于焊接质量的度量。瘤凸是在焊接时焊缝表面上产生的凸凹不平的节瘤。瘤凸是因过量输入的热量产生的咬边所引起的焊接缺陷之一。在实验中，金属板是用镍(用于中心电极或接地电极)作为主元素而形成的，氩气(Ar)用作保护气体，激光束移动速度设定为500mm/sec。
【表1】
  输入热量值(J/cm2)   激光束照射时间(ms)   激光束功率(W)   焊接深度(μm)   瘤凸尺寸(um)   瘤凸出现频率
  15   150   100   157   -   -
  30   150   200   392   -   -
  45   150   300   569   35   1
  60   150   400   682   66   1
  75   150   500   769   101   1
表2列出了焊接深度、瘤凸的平均尺寸和根据具有图5所示波形的激光束的不同输入热量值而形成瘤凸的频率。如图5所示，在依据激光焊的时间的激光束功率波形中，中心部分42的功率设定成小于端部部分41的功率。即，基于矩形波形，将中心部分42的功率调整成小于端部部分的功率。在下文中，将图5所示的波形称为马蹄形波形。输入热量值和其他焊接条件设定成类似于矩形波形的情况。
【表2】
  输入热量值(J/cm2)   激光束照射时间(ms)   焊接深度(μm)   瘤凸尺寸(um)   瘤凸出现频率
  15   150   164   -   -
  30   150   486   -   -
  45   150   615   -   -
  60   150   713   -   -
  75   150   843   -   -
从表2可以看出，与矩形波形的情况相比，马蹄形波形情况下的焊接深度略微增加。特别地，没有出现任何瘤凸。根据上述结果，应当理解的是，使用马蹄形波形功率的焊接比使用矩形波形功率的焊接提供了更优良的焊接性能。
表3列出了焊接深度、瘤凸的平均尺寸和根据具有图6所示波形的激光束的不同输入热量值而形成瘤凸的频率。如图6所示，依据激光焊的时间的激光束功率波形是梯形波形。即，该波形包括上升部分43、功率保持部分44和下降部分45，其中，激光束功率在上升部分43逐渐上升，上升部分43后的激光束功率在功率保持部分44保持恒定，功率保持部分44后的激光束功率在下降部分45逐渐减小。这里，上升部分43、功率保持部分44和下降部分45中的激光束的照射时间设定成大致彼此相等，但本发明并不限于此。输入热量值和其他焊接条件设定成类似于矩形波形的情况。
【表3】
  输入热量值(J/cm2)   激光束照射时间(ms)   焊接深度(μm) 瘤凸尺寸(um)   瘤凸出现频率
  15   150   165   -   -
  30   150   450   -   -
  45   150   580   -   -
  60   150   701   -   -
  75   150   788   66   1
从表3可以看出，与矩形波形的情况相比，梯形波形情况下的焊接深度略微增加。特别地，在输入热量值相同时，瘤凸的个数和大小均比矩形波形情况下的小。根据上述结果，应当理解的是，使用梯形波形功率的焊接比使用矩形波形功率的焊接提供了更优良的焊接性能。
表4列出了焊接深度、瘤凸的平均尺寸和根据具有图7所示波形的激光束的不同输入热量值而形成瘤凸的频率。如图7所示，依据激光焊的时间的激光束功率波形是三角形波形。即，该波形包括上升部分46和下降部分47，其中，激光束功率在上升部分46逐渐上升，上升部分46后的激光束功率在下降部分47逐渐减小。这里，上升部分46和下降部分47中的激光束的照射时间设定成大致彼此相等，但本发明并不限于此。输入热量值和其他焊接条件设定成类似于矩形波形的情况。
【表4】
  输入热量值(J/cm2)   激光束照射时间(ms)  焊接深度(μm)   瘤凸尺寸(um)   瘤凸出现频率
  15   150  141   -   -
  30   150  388   -   -
  45   150  580   -   -
  60   150  694   -   -
  75   150  729   74   1
从表4可以看出，与矩形波形的情况相比，三角形波形情况下的焊接深度略微增加。然而，在输入热量值相同时，瘤凸的大小比矩形波形情况下的小。根据上述结果，应当理解的是，使用三角形波形的焊接比使用矩形波形的焊接提供了更优良的焊接性能。
具有图5至7所示波形的激光束比矩形波形的激光束提供了更优良的效果。在下文中，将描述贵金属头依据具有图5至7所示波形的激光束的不同输入热量值，在接地电极或中心电极上的焊接状态。
如图8和9所示，通过以成45°角的方式在中心电极3和电极头31之间用激光束照射四个位置W1来执行焊接。电极头31是直径为0.6mm的铱头。激光束具有600um的光束直径。激光束的照射时间设定为150ms。
图10至15是具有不同输入热量值的马蹄形波形光束施加到中心电极和贵金属头上之后的剖面照片。焊接条件列于下面的表5中。
【表5】
  实施方式的图   激光束的总输入热量值(J/cm2)
  图10   60
  图11   70
  图12   100
  图13   130
  图14   150
  图15   195
根据上述结果，应当理解的是，在图16中，由于激光束输入热量值不够大，只有每个合金的接触面略微熔化。
应当理解的是，在图11至14中，电极头与中心电极之间的界面完全熔化以便形成焊接部分。应当理解的是，在图15中，由于激光束的过量热量输入而在熔化的表面上产生了较大的微孔，这种焊接状态是不合适的。因此，更优选地，具有马蹄形波形的激光束的总输入热量值在70J/cm2至150J/cm2范围内。
图16至20是具有不同输入热量值的梯形波形光束施加到中心电极和贵金属头上之后的剖面照片。焊接条件列于下面的表6中。
【表6】
  实施方式的图   激光束的总输入热量值(J/cm2)
  图16   50
  图17   60
  图18   105
  图19   150
  图20   180
根据上述结果，应当理解的是，在图16中，由于激光束输入热量值不足够大，电极头没有熔化。
应当理解的是，在图17至19中，电极头与中心电极之间的界面完全熔化以便形成焊接部分。应当理解的是，在图20中，由于激光束的过量热量输入而在熔化的表面上产生了相当大的微孔，这种焊接状态是不合适的。因此，更优选地，具有梯形波形的激光束的总输入热量值在60J/cm2至150J/cm2范围内。
图21至24是具有不同输入热量值的三角形波形光束施加到中心电极和贵金属头上之后的剖面照片。焊接条件列于下面的表7中。
【表7】
  实施方式的图   激光束的总输入热量值(J/cm2)
  图21   50
  图22   60
  图23   105
  图24   150
  没有图示   180
根据上述结果，应当理解的是，在图21中，由于激光束输入热量值不够大，电极头没有熔化。
应当理解的是，在图22至24中，电极头与中心电极之间的界面完全熔化以便形成焊接部分。在激光束的总输入热量值为180J/cm2的情况下，激光束的功率峰值太高以致电极头被隔开。因此，可以认为这种工况是不适于大量生产的。
因此，更优选地，具有三角形波形的激光束的总输入热量值在60J/cm2至150J/cm2范围内。
尽管本发明已经参照典型实施方式进行了特别地显示和描述，但可以理解，本领域的技术人员在没有脱离本发明所附权利要求所公开的范围和精神的情况下进行多处修改，补充和替代是可能的。

Claims (3)

1.一种火花塞电极头焊接方法，通过使用激光焊接将火花塞的贵金属头附着到电极上，其中，在依据激光焊接时间的激光束的功率波形中，所述功率波形的中心部分的功率小于其两端部分的功率。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光束的功率波形是矩形波形，其中心部分的功率小于其两端部分的功率。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述激光束的总输入热量值在70J/cm2至150J/cm2的范围内。
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