CN107078471A - 火花塞电极、用于制造火花塞电极的方法以及火花塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有提高的机械稳定性的火花塞电极（10）。所述火花塞电极（10）包括基体（12）和布置在基体（12）上的贵金属销（11），其中，所述基体（12）和所述贵金属销（11）通过连接区（13）彼此连接。所述连接区（13）具有至少一个第一焊缝（14）和至少一个第二焊缝（15）。

Description

火花塞电极、用于制造火花塞电极的方法以及火花塞

技术领域

本发明涉及一种具有提高的机械稳健性的火花塞电极、一种有持续高效率的火花塞以及一种能简单地实现的用于制造所述火花塞电极的方法。

背景技术

按传统地，具有良好的抗腐蚀性和抗侵蚀性的火花塞电极通过将大多由铂基合金或铱基合金构成的贵金属销焊接到电极基体上来制造。电极基体由非贵金属形成。由于贵金属和非贵金属的不同的热膨胀系数，在焊缝处出现机械应力，所述机械应力降低了机械稳定性并且由此降低了火花塞电极的耐久性和负荷能力。

发明内容

而按照本发明的按照独立权利要求所述的火花塞电极的特点在于高机械负荷能力以及非常好的最大的耐疲劳强度。按照本发明，这通过如下方式来实现：电极基体和贵金属销通过连接区彼此连接，所述连接区具有至少一个第一焊缝和至少一个第二焊缝。优选地，该连接区刚好包括一个第一焊缝和一个第二焊缝，其中进一步优选地，第一焊缝和第二焊缝完全经过火花塞电极地延伸。因此，在按照本发明的火花塞电极上还有利的是，在马达运行时出现的机械应力在连接区中被分散到多个区域，即贵金属销/连接区以及连接区/基体的接触面或连接面，以及在第一焊缝与第二焊缝之间的接触面或连接面。因此，在非常高的效率的情况下提高了火花塞电极的稳定性以及尤其是所述火花塞电极的机械稳定性。

从属权利要求示出了本发明的优选的扩展方案。

按照一个有利的扩展方案，第一焊缝布置在贵金属销与基体之间并且第二焊缝或者布置在第一焊缝与贵金属销之间或者布置在第一焊缝与基体之间。在第一种情况下，在第一焊缝中的贵金属浓度小于在第二焊缝中的贵金属浓度。在第二种情况下，在第一焊缝中的贵金属浓度大于在第二焊缝中的贵金属浓度。在两种情况下，从贵金属销到基体的贵金属浓度都经历一个下降的走势。通过构造具有至少两个带有不同的贵金属含量的焊缝的连接区，阻止了贵金属浓度从贵金属销到基体的跳跃式的降低。通过相对应地被构造的不同的贵金属含量，得到另一优点：因为材料的热膨胀系数以一级近似通过所有存在于待检查的区域中的元素和化合物的热膨胀系数的线性叠加来形成，所以热膨胀系数从贵金属销经过连接区直至基体也逐步地在变化，也就是基本上均匀地不断地并且不是跳跃式地变化。由此，在火花等离子体中的机械应力在连接区、以及尤其是在贵金属销/连接区和连接区/基体的接触面或连接面上进一步被减小。在非常高的效率的情况下明显提高了火花塞电极的稳定性。

此外，有利的是可以通过如下方式避免沿着火花塞电极跳跃式变化的热膨胀系数，在第一焊缝中以及在第二焊缝中的贵金属份额为至少40质量百分比。特别有利地，在第一焊缝中以及在第二焊缝中的贵金属份额为至少50质量百分比，其中，所述份额分别是相对于第一焊缝以及第二焊缝的总重量而言的。

就持续地、也就是理想化连续地变化的热膨胀系数的以及由此所述火花塞电极的特别良好的机械稳定性而言特别有利的是，在连接区中的贵金属浓度沿火花塞电极的纵向X-X对于连接区的每100μm长的间隔最大改变了40质量百分比并且优选地改变了最大25质量百分比。

进一步有利地，为了稳定地产生火花等离子体而规定，贵金属销沿火花塞电极的纵向X-X的长度L1为最大900μm。因此，点火火花可以非常好地被构造在贵金属销中间。此外，在火花塞电极的成本降低方面有利的是，贵金属销的长度L1为80μm至200μm。

此外，有利地，可以通过如下方式改善火花塞电极的稳定性，连接区沿火花塞电极的纵向X-X的长度L2为50μm至700μm并且尤其是100μm至600μm。

有利地，通过如下方式得到在连接区中持续不断地变化的热膨胀系数以及由此得到火花塞电极的特别高的机械持久稳定性，第一焊缝的长度L3与第二焊缝的长度L4沿火花塞电极的纵向X-X几乎一样大小。

为了在非常好地产生点火火花等离子体的情况下改善火花塞电极的抗腐蚀性和抗侵蚀性，从铱（Ir）、铑（Rh）、铂（Pt）、钯（Pd）、铼（Re）和这些元素的合金中选择贵金属。为了降低成本，可以给贵金属或前述贵金属的合金加合金镍。

有利地，通过如下方式得到在火花塞电极在经优化的成本结构的情况下的机械和物理特性方面的经均衡的（ausgewogen）特性谱：基体由含镍合金形成，其中，相对于该合金的总重量而言，在该合金中的镍份额尤其是为至少50质量百分比。

同样，按照本发明也描述了一种火花塞，所述火花塞包括如上文所公开的火花塞电极。在此，火花塞电极可以被构造为中间电极或者接地电极。此外，通过按照本发明的火花塞电极也不仅可以形成中间电极而且可以形成接地电极、必要时也形成多个被设置的接地电极。火花塞的特点在于在形成非常好的火花的情况下的高的机械稳定性。可以实现直至大约100000km的更换间隔。

此外，按照本发明，也描述了一种用于制造具有基体和贵金属销的火花塞电极的方法。在此应注意，该方法尤其适合于制造上文所描述的火花塞电极。在应用标准工序的情况下，该方法能在没有高技术花费的情况下简单地来实现，而且允许在小的成本花费的情况下制造高效率的、在机械上持久稳定的火花塞电极。通过简单地将贵金属销焊接到电极基体上来制造传统的火花塞电极，而按照本发明规定形成至少两个焊缝。在此，第一焊缝通过实施第一焊接过程来形成，通过所述第一焊接过程，将火花塞电极的贵金属销与基体连接。紧接着，实施第二焊接过程，由此形成第二焊缝。第二焊接过程可以或者在第一焊缝与贵金属销之间的区域内予以实施或者在第一焊缝与基体之间的区域内予以实施。如果第二焊接过程如在第一种情况下所阐述的那样在第一焊缝与贵金属销之间予以实施，那么在第一焊缝中的贵金属浓度小于在第二焊缝中的贵金属浓度。如果第二焊接过程在第一焊缝与基体之间予以实施，那么在第一焊缝中的贵金属浓度大于在第二焊缝中的贵金属浓度。第一焊缝和第二焊缝形成贵金属销与基体之间的连接区，通过所述连接区，贵金属销与基体固定连接。通过第一焊接过程，相应的材料在贵金属销与基体的接触面上被熔化并且被结合成混合材料，在所述混合材料中贵金属销的贵金属的份额和基体的材料、即尤其是基体的非贵金属的份额几乎一样大。因此，贵金属浓度从贵金属销经过连接区到基体跳跃式地从100质量百分比经过大约50质量百分比降低到0质量百分比。因此，热膨胀系数也具有跳跃式的走向，因为所述热膨胀系数如上文已经描述的那样由形成经检查的区域的元素和化合物的热膨胀系数近似线性地组合。由热膨胀系数所经历的走势的升高通过构造第二焊缝以及必要时其它焊缝予以减小。换句话说，减缓了热膨胀系数的逐级的变化。得到所述热膨胀系数的不断的并且由此几乎近似连续的变化。这一点的原因在于，通过第二焊接过程，第一焊缝的材料重新被熔化，并且要么通过在第一焊缝与贵金属销之间实施焊接过程与来自贵金属销的其它贵金属来制成合金，要么通过在第一焊缝与基体之间实施焊接过程与来自基体的其它材料来制成合金。因此，在第二焊缝中得到所熔化的原始元素的进一步分级的混合浓度，所述混合浓度介于纯贵金属的混合浓度与第一焊缝的混合浓度之间，或者介于基体材料的混合浓度与第一焊缝的混合浓度之间。在此，可以使用与用于实施第一焊接过程相同的方法构造，所具有的区别是，在局部轻微地改变了激光束的取向。因此，技术上的花费是相同的。因而，在稍微提高时间花费的情况下可以价格低廉地实施该方法。

针对按照本发明的火花塞电极所描述的优点、有利的效果以及扩展方案也得以应用到按照本发明的火花塞上以及按照本发明的用于制造火花塞电极的方法中。

通过有利的由激光焊接来实施焊接的扩展方案，可以在局部在所希望的区域构造特别均匀的焊缝。尤其是通过使用连续波激光器（CW激光器），促进了均匀的焊缝的构造。

该方法的另一有利的扩展方案规定，在如下区域内实施第二焊接过程，所述区域朝贵金属销的方向远离第一焊缝与贵金属销的连接面或接触面5μm至50μm、尤其是10μm至30μm。经此，促进了第二焊缝具有大的层厚度和良好的稳定性，这有助于火花塞电极的机械上的总体稳定性。

有利地，元素的浓度走势以及由此还有热膨胀系数的特别均匀的变化通过如下方式来实现，激光束在第一焊接过程以及第二焊接过程期间完全穿透待焊接的材料。

还可以通过在所述焊接过程期间旋转火花塞电极来增强该效果。这样，激光束每隔一时间间隔都对待焊接的材料的同样大小的区段起作用。

附图说明

随后，本发明的实施例参考随附的附图详细地予以描述。在此，相同或功能相同的构件用相同的附图标记来表示。

在附图中：

图1是按照本发明的实施方式的火花塞的部分剖面图，

图2是按照本发明的实施方式的火花塞电极的剖面图，

图3是在图2的火花塞电极的截面中的元素分布，以及

图4是在图2的火花塞电极的制造过程期间的示意性剖面图。

具体实施方式

随后，参考图1至4，详细描述了按照本发明的一个优选的实施例的火花塞1以及按照本发明的一个优选的实施例的火花塞电极10。

如从图1可见，火花塞1包括接地电极2和中间电极3。设置绝缘体4，使得中间电极3以公知的方式稍微从绝缘体4伸出。中间电极3具有贵金属销11。绝缘体4本身部分地被外壳5包围。附图标记6表示电接头螺母。从所述电接头螺母6起设置一个通过连接螺栓7的导电连接和一个用于中间电极3的导电的连接元件8。

图2详细地示出了按照本发明的一个优选的实施方式的火花塞电极10的结构。在此，火花塞电极10可以被构造为接地电极或者中间电极。火花塞电极10包括基体12，所述基体在构造为中间电极的情况下与导电的连接元件连接。在此，基体12的底座相对于基体12的其余区域变厚地来构造，使得所述基体可以稳定地被固定在火花塞1上。

有利地，基体12由含镍合金形成，其中，相对于该合金的总重量而言，在该合金中的镍份额尤其是为至少50质量百分比。

此外，火花塞电极还具有贵金属销11，所述贵金属销11用于产生火花等离子体。贵金属销11可以由纯贵金属组成、尤其是由Ir、Rh、Pt、Pd或者Re组成或者由这些元素的合金组成。此外，也可能的是，所述贵金属销11由上文所提到的元素与作为其它组成部分的镍的合金形成。贵金属销11沿火花塞电极10的纵向X-X具有优选地最大900μm的、以及尤其是80μm至200μm的长度L1。这对于点火火花的稳定的产生是特别有利的。

贵金属销11和基体12通过连接区13彼此连接。在该实施例中，连接区13由两个焊缝、即面向基体12的第一焊缝14与面向贵金属销11的第二焊缝15组成。通过连接区13将贵金属销11稳定地布置在基体12上。

连接区13沿火花塞电极10的纵向X-X具有10μm至700μm且尤其是100μm至600μm的长度L2。这样，在贵金属销11与基体12之间得到机械上稳定的连接。

如果检查连接区13，那么在第一焊缝14中的贵金属浓度小于在第二焊缝15中的贵金属浓度。但是，整体来看，不仅第一焊缝14中而且第二焊缝15中的贵金属浓度都小于贵金属销11中的贵金属浓度而且却还大于基体12中的贵金属浓度。因此，在火花塞电极10中有四个具有分别不同浓度的贵金属的区域。在此，贵金属浓度从贵金属销11（在所述贵金属销中，所述贵金属浓度视所使用的原材料而定为100%或者低于此）经过第二焊缝15和第一焊缝14向基体12基本上持续地、也就是不断地、没有跳跃式的变化地降低，在所述基体中，贵金属浓度为0%（或者视所述基体12的所使用的材料而定是微小的）。

在此，对于持续不断地降低的贵金属浓度来说有利的是，第一焊缝14的长度L3与第二焊缝15的长度L4沿火花塞电极10的纵向X-X几乎一样大小。

根据贵金属浓度从贵金属销11到基体12的浓度变化得到：热膨胀系数从贵金属销11到基体12也基本上连续地变化，而没有剧烈跳跃式地升高或降低。如果在马达运行中高的温度作用到火花塞电极10上，那么所述高的温度可以更好地被容忍。在接触面16-18，即贵金属11/第二焊缝15的接触面16、第二焊缝15/第一焊缝14的接触面17以及第一焊缝14/基体12的接触面18上发生更微小的机械应力。由此，显著提高了火花塞电极10的使用寿命。

图3示出了在图2的火花塞电极10的截面中的元素分布。用不同的阴影线示出不同化学元素的范围。垂直的虚线沿着火花塞10的纵向X-X将火花塞电极10划分成所述火花塞电极的不同的区域。相对于火花塞电极10的以μm为单位的长度绘制了所述元素的以质量百分比（质量-%）为单位的质量分布。左侧部分示出了贵金属销11的那个部分。在这里可看到：贵金属销11以100质量百分比由贵金属、即由Ir与Rh的合金构成的贵金属组成。第二焊缝15的部分紧挨着左侧部分。在这里，贵金属的份额小于在贵金属销11中的份额，所述贵金属的份额应该被理解为贵金属Ir与Rh的总份额。贵金属的份额已经从100质量百分比降低到大约75质量百分比。在此，其余的25质量百分比分摊给镍，所述镍在形成连接区13时已经被加合金。第一焊缝14的部分紧挨着第二焊缝15的部分。在这里，贵金属浓度进一步降低。现在，在第一焊缝14中的贵金属份额为大约60质量百分比。其余的40质量百分比分摊给镍。右侧部分示出了在基体12中的元素分布。基体12几乎100质量百分比由镍（或者含镍合金）组成。贵金属浓度从第二焊缝15朝基体12进一步降低。

可很好地看出，在连接区13中的贵金属浓度沿火花塞电极10的纵向X-X对于连接区13的每100μm长的间隔最大改变了40质量百分比并且大多最大改变了25质量百分比。不存在具有尤其是大于50质量百分比变化的元素浓度的跳跃式变化。通过设置其他焊缝，在贵金属浓度更剧烈变化的区域内可以实现对贵金属浓度的升高的进一步减缓。

此外可看出，第一焊缝14的长度L3与第二焊缝15的长度L4沿火花塞电极10的纵向X-X几乎一样大小。因此贵金属的浓度变化是特别均匀的。

图4示出了在图2的火花塞电极10的制造过程期间的示意性剖面图。首选，贵金属销11布置在基体12上。通过（h*ν）来表示的激光束指向在贵金属销11与基体12之间的连接面20。这样，实施第一焊接过程A。激光束使贵金属销11和基体12的在连接面20内彼此相邻的材料熔化，使得形成第一焊缝14，所述第一焊缝14以相对均衡的混合浓度包含贵金属销1的和基体12的元素。

火花塞电极10在焊接过程A期间沿箭头C的方向旋转，使得激光束从所有侧面均匀地照射连接面20。在此，激光束优选地通过CW激光器来构造并且完全穿透待焊接的材料。在通过第一焊接过程A构造第一焊缝14之后，激光束重新取向，确切地说有利地朝第一焊缝14与贵金属销11之间的区域19取向。但是，激光束也可以转向到第一焊缝14与基体12之间的区域上，这却导致了从贵金属销11到第一焊缝14的稍微更剧烈地变化的贵金属浓度并且因而是不那么优选的。

在第二焊接过程B中，激光束优选地转向到如下区域19，所述区域朝贵金属销11的方向以高度h远离第一焊缝14和贵金属销11的连接面20。在此，高度h尤其是为5μm至50μm，而且尤其是为10μm至30μm。

通过第二焊接过程B熔化第一焊缝14和贵金属销11。形成具有所述元素的另一混合浓度的第二焊缝15，其中，在通过熔合其它来自贵金属销11的贵金属引起的第二焊缝15中的贵金属浓度大于在第一焊缝14中的贵金属浓度。

对连接区13有利的是，贵金属销11的长度L1和基体12的长度已经减小。通过在贵金属浓度没有跳跃式的降低的情况下从贵金属销11出发经过连接区13向基体12去地降低的贵金属浓度，得到热膨胀系数沿着这些区域的同样没有跳跃式变化的走向。在彼此相邻的区域的接触面16、17、18上的应力被减小。这提高了火花塞电极10的机械稳定性。

Claims (15)

1. 火花塞电极，其包括基体（12）和布置在所述基体（12）上的贵金属销（11），

- 其中，所述基体（12）和所述贵金属销（11）通过连接区（13）彼此连接，而且

- 其中，所述连接区（13）具有至少一个第一焊缝（14）和至少一个第二焊缝（15）。

2. 火花塞电极，其特征在于，所述第一焊缝（14）布置在所述贵金属销（11）与所述基体（12）之间，

- 其中，所述第二焊缝（15）布置在所述第一焊缝（14）与所述贵金属销（11）之间并且在所述第一焊缝（14）中的贵金属浓度小于在所述第二焊缝（15）中的贵金属浓度或者

- 其中，所述第二焊缝（15）布置在所述第一焊缝（14）与所述基体（12）之间并且在所述第一焊缝（14）中的贵金属浓度大于在所述第二焊缝（15）中的贵金属浓度。

3.根据权利要求1或2所述的火花塞电极，其特征在于，相对于所述第一焊缝（14）以及所述第二焊缝（15）的总重量而言，在所述第一焊缝（14）中以及在所述第二焊缝（15）中的贵金属份额为至少40质量百分比、尤其是至少50质量百分比。

4.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞电极，其特征在于，在所述连接区（13）中的贵金属浓度沿所述火花塞电极（10）的纵向（X-X）对于所述连接区（13）的每100μm长的间隔而言最大改变了40质量百分比、优选地改变了最大25质量百分比。

5.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞电极，其特征在于，所述贵金属销（11）沿所述火花塞电极（10）的纵向（X-X）的长度（L1）为最大900μm、尤其是80μm至200μm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞电极，其特征在于，

所述连接区（13）沿所述火花塞电极（10）的纵向（X-X）的长度（L2）为50μm至700μm、尤其是100μm至600μm。

7.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞电极，其特征在于，所述第一焊缝（14）的长度（L3）与所述第二焊缝（15）的长度（L4）沿所述火花塞电极（10）的纵向（X-X）几乎一样大小。

8.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞电极，其特征在于，

所述贵金属从Ir、Rh、Pt、Pd、Re、这些元素的合金以及这些元素与镍的合金中选择。

9.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞电极，其特征在于，所述基体（12）由含镍合金形成，其中，相对于所述合金的总重量而言，在所述合金中的镍份额尤其是为至少50质量。

10.火花塞，其包括根据前述权利要求中任一项所述的火花塞电极（10）。

11. 用于制造火花塞电极（10）的方法，所述火花塞电极具有基体（12）和贵金属销（11），所述方法包括如下步骤：

- 在形成第一焊缝（14）的情况下实施第一焊接过程（A），用于连接所述火花塞电极（10）的基体（12）与贵金属销（11），而且

- 在形成第二焊缝（15）的情况下在所述第一焊缝（14）与所述贵金属销（11）之间的区域（19）内实施第二焊接过程（B），其中，在所述第一焊缝（14）中的贵金属浓度小于在所述第二焊缝（15）中的贵金属浓度，或者在形成第二焊缝（15）的情况下在所述第一焊缝（14）与所述基体（12）之间的区域内实施第二焊接过程（B），其中，在所述第一焊缝（14）中的贵金属浓度大于在所述第二焊缝（15）中的贵金属浓度，

其中，所述第一焊缝（14）和所述第二焊缝（15）形成所述贵金属销（11）与所述基体（12）的连接区（13）。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述焊接通过激光焊接、尤其是利用CW激光器的激光焊接来实施。

13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其特征在于，在如下区域（19）内实施所述第二焊接过程（B），所述区域朝所述贵金属销（11）的方向远离所述第一焊缝（14）与所述贵金属销（11）的连接面（16）5μm至50μm、尤其是10μm至30μm。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，

激光束在所述第一焊接过程（A）以及所述第二焊接过程（B）期间完全穿透待焊接的材料。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述火花塞电极（10）在所述焊接过程（A、B）期间被旋转。