CN113748577B - 火花塞电极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种火花塞电极，包括导热芯部和可焊接芯部，导热芯部和可焊接芯部在多件式芯组件内串联对齐，以改善电极的热管理和附着特性。可以由铜基材料制成的导热芯部位于朝向接地电极的点火端的位置处。可焊接芯部可以由镍基材料制成并且位于朝向接地电极的焊接端的位置处。还描述了一种制造方法，该方法用于挤压并且形成带有多件式芯组件的火花塞电极。该方法被设计成使得导热芯部与可焊接芯部之间的芯界面基本上不包括任何内部空隙，并且电极附着到火花塞外壳的位置处的焊接表面具有镍‑镍界面，但基本上不包括任何铜。

Description

火花塞电极及其制造方法
相关申请
本申请要求于2019年4月30日提交的美国临时申请第62/840,642号的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明总体上涉及火花塞、工业火花塞和其他点火装置，并且更具体地涉及具有多件式芯组件的火花塞电极。
背景技术
火花塞接地电极主要负责为燃烧室内的火花点火建立接地平面。相应地，接地电极必须能够承受超过900℃的温度、燃烧副产物的腐蚀环境以及燃烧事件本身的机械冲击。传统的接地电极设计通过使用与内部铜芯共挤的高强度镍合金来解决这些问题。镍基护套用于抵御环境，而铜基芯用于提供热传递管道。
图8示意性地图示了形成接地电极418的传统方法，其中，铜基芯仅由单个传热递部442组成。将铜基坯料452插入镍基护套杯454，然后挤压组合式坯料及护套杯组件456。铜基热传递芯部442被镍基护套440完全包覆，这是所期望的，因为在焊接端426处暴露的铜会显著降低焊接强度，因为铜会污染焊接池。然而，完全包覆铜基热传递芯部442可能会带来挑战和/或结构缺陷。
在将坯料及护套杯组件456挤压成挤出物458的过程中，在镍基护套杯454围绕铜基坯料452形成时，许多挤压方法会产生空隙。如图所示，在坯料及护套杯组件456在挤压方向462上被挤压时，可以形成一个或多个杯状塌陷空隙460。杯状塌陷空隙460起因于由围绕热传递部442的镍基护套440的不完全塌陷，并且可能是由被截留在内部的异物(例如，空气或油)或没有完全充满该空间的材料流造成的。空隙460可能对接地电极的性能产生负面影响。例如，它们能够抑制接地电极传递热量的能力(即，其热导率)，并且它们能够不期望地影响芯放置，这继而能够影响用于修整目的的芯测量。附加地，当接地电极418被焊接到外壳416时，空隙460可能导致焊接强度的高可变性，因为可变性可能与电阻焊接电路中随机空隙460的不一致性有关。
本文描述的火花塞电极及制造方法被设计成解决一个或多个上述挑战。
发明内容
根据一个方面，提供了一种火花塞电极，包括：点火端；焊接端；多件式芯组件，该多件式芯组件至少部分地在点火端与焊接端之间延伸，并且具有导热芯部和可焊接芯部，导热芯部位于比可焊接芯部更靠近点火端的位置处并且被构造为在电极内传导热量，可焊接芯部位于比导热芯部更靠近焊接端的位置处并且被构造为被焊接到火花塞外壳；以及包层，该包层至少部分地包围多件式芯组件，其中，导热芯部和可焊接芯部串联布置在多件式芯组件内。
根据各种实施例，火花塞电极还可以包括以下特征中的任何一个特征或这些特征中的一些或全部特征的任何技术上可行的组合：
-导热芯部由铜基材料制成；
-导热芯部比可焊接芯部长；
-电极是接地电极，并且导热芯部包括第一端和第二端，导热芯部从第一端延伸，穿过接地电极中的弯曲部，并且终止于第二端，在该第二端，存在与可焊接芯部的芯界面；
-还包括附着到接地电极的侧表面的点火尖端，该侧表面被构造为面向火花隙，其中，导热芯部的第一端位于距点火端的远端表面1.50mm到7.00mm之间，包括端值(尺寸X)，使得其不位于点火尖端下方，导热芯部的第二端位于在导热芯部与可焊接芯部的芯界面处距焊接端的焊接表面1.02mm或更小(尺寸Y)的位置处，并且导热芯部的平均厚度在0.25mm到1.52mm之间，包括端值(尺寸A)；
-可焊接芯部由镍基材料制成；
-包层由与可焊接芯部不同的镍基材料制成，并且可焊接芯部中镍的重量百分比高于包层中镍的重量百分比；
-可焊接芯部由包括98wt％或更多的镍的镍基材料制成；
-电极是接地电极，并且可焊接芯部包括第一端和第二端，可焊接芯部从第一端延伸，在该第一端，可焊接芯部与导热芯部接触，并且终止于第二端，在该第二端，存在被构造用于附着到火花塞外壳的焊接表面；
-可焊接芯部的第一端位于在导热芯部与可焊接芯部的芯界面处距焊接端的焊接表面1.02mm或更小(尺寸Y)的位置处，并且可焊接芯部的平均厚度在0.25mm到1.52mm之间，包括端值(尺寸B)；
-焊接表面包括可焊接芯部与包层之间的镍-镍界面，但基本上不包括任何铜；
-导热芯部在位于多件式芯组件内的芯界面处接合可焊接芯部，并且芯界面基本上不包括任何内部空隙；
-芯界面位于距焊接端的焊接表面1.02mm或更小(尺寸Y)的位置处；
-芯界面被包层完全封装；
-多件式芯组件还包括一个或多个附加芯部，该一个或多个附加芯部与导热芯部和可焊接芯部串联布置在多件式芯组件内；
-电极是直的并且垂直于外壳的纵轴延伸的接地电极，导热芯部从第一端延伸到位于芯界面处的第二端，可焊接芯部从位于芯界面处的第一端延伸到包括焊接表面的第二端，并且焊接表面被构造为用于焊接到外壳或连接件中的至少一者；
-焊接表面包括可焊接芯部与包层之间的镍-镍界面，但基本上不包括任何铜；以及
-一种火花塞，包括：火花塞电极，金属外壳，该金属外壳具有轴向孔和自由端；绝缘体，该绝缘体至少部分地保持在金属外壳的轴向孔内并且具有轴向孔；以及中心电极，该中心电极至少部分地保持在绝缘体的轴向孔内，其中，火花塞电极是接地电极，并且焊接端被焊接到金属外壳的自由端。
根据另一方面，提供了一种用于火花塞的电极，包括：点火端；焊接端；多件式芯组件，该多件式芯组件至少部分地在点火端与焊接端之间延伸并且具有导热芯部、可焊接芯部、和导热芯部接合可焊接芯部的位置处的芯界面，导热芯部由铜基材料制成，可焊接芯部由镍基材料制成，并且芯界面基本上不包括任何内部空隙；以及包层，该包层至少部分包围多件式芯组件并且由镍基材料制成，其中，可焊接芯部具有焊接表面，该焊接表面包括可焊接芯部与包层之间的镍-镍界面，但基本上不包括任何铜。
根据另一方面，提供了一种制造火花塞电极的方法，包括以下步骤：将导热材料坯料和可焊接材料坯料插入包层杯以形成坯料及包层杯组件，其中，导热材料坯料由铜基材料制成并且被首先插入包层杯，可焊接材料坯料由镍基材料制成并且被其次插入包层杯，并且包层杯由镍基材料制成；挤压坯料及包层杯组件以形成具有多件式芯组件的挤出物，其中，导热材料坯料变成导热芯部，可焊接材料坯料变成可焊接芯部，包层杯变成至少部分地包围多件式芯组件的包层，并且导热芯部和可焊接芯部串联布置在多件式芯组件内；以及修整穿过可焊接芯部和包层的挤出物以形成焊接表面，该焊接表面包括可焊接芯部与包层之间的镍-镍界面，但基本上不包括任何铜。
附图说明
在下文中将结合附图描述优选实施例，其中，相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是具有带有多件式芯组件的接地电极的火花塞的示例的横截面图；
图2是图1中火花塞的点火端的放大图；
图3是沿线3-3截取的图2的接地电极的放大横截面图；
图4是具有带有多件式芯组件的接地电极的火花塞的另一示例的放大横截面图，其中芯组件包括几个附加的芯部；
图5是具有带有多件式芯组件的接地电极的火花塞的另一示例的放大横截面图，其中接地电极以垂直于外壳的方式直线延伸；
图6是具有带有多件式芯组件的接地电极的火花塞的又一示例的放大横截面图，其中接地电极以垂直于外壳的方式直线延伸；
图7是制造带有诸如图1至图3所图示的多件式芯组件的接地电极的方法的示意图，示出了该方法的不同阶段的横截面图；以及
图8是制造带有单件式芯组件的接地电极的传统方法的示意图，示出了该方法的不同阶段的横截面图。
具体实施方式
本文描述的火花塞电极是接地电极并且包括导热芯部和可焊接芯部，它们策略性地位于多件式芯部组件内并且串联对齐，以改善电极的热管理和附着特性。通常由铜基材料制成的导热芯部位于朝向接地电极的点火端的位置处，在该处热量通常最大，从而有助于移除尽可能多的热能。另一方面，可焊接芯部可以由镍基材料制成并且位于朝向接地电极的焊接端的位置处。在一个实施例中，可以使用共挤压方法来制造此接地电极，在这种情况下，导热芯部和可焊接芯部最初以坯料的形式提供，被插入用以作为电极包层的杯内，诸如由标准镍基材料(例如，Inconel 600、601)制成的杯，然后被共挤以形成带有多件式芯组件的接地电极。然后可以在焊接端修整接地电极，以暴露焊接表面，可焊接的芯部被包层包围；正是这个经修整的焊接表面然后可以被焊接到火花塞外壳。
本文所述的火花塞电极及制造方法被设计成通过避免多件式芯组件中不期望的内部空隙来改善热传递特性，而同时为附着到火花塞外壳提供有利的焊接表面。应该认识到，虽然以下描述主要针对用于汽车火花塞的标准J形间隙接地电极，但是本发明不限于此，并且还可以应用于：中心电极、工业火花塞、多间隙火花塞、表面放电或半沿面放电(semi-creeping)火花塞、或预燃室火花塞，这些仅仅是列举的几个可能性。
参考图1至图3，示出了示例性火花塞10，其包括中心电极12、绝缘体14、金属外壳16和接地电极18。中心电极12设置在绝缘体14的轴向孔内并且包括点火端，该点火端具有附着到其上的点火尖端20，该点火尖端突出超过绝缘体14的自由端22。点火尖端20可以是包括点火表面的单件式铆钉并且由抗侵蚀和/或耐腐蚀材料制成，诸如铂、铱和/或钌基材料。在其他实施例中，列举几个可能性，中心电极12可以包括多件式点火尖端、圆柱形点火尖端、环形点火尖端、平垫点火尖端或根本没有点火尖端。
绝缘体14设置在金属外壳16的轴向孔内并且由诸如陶瓷材料之类的材料构成，该材料足以使中心电极12与金属壳16电绝缘。如图所示，绝缘体14的自由端22可以突出超过金属外壳16的自由端24，或者它可以缩回到金属外壳16内。
接地电极18，有时被称为基电极构件，其可以根据传统的J形间隙构造来构建，如图1和图2所示，并且附着到金属外壳16的自由端24。根据该特定实施例，接地电极18包括焊接端26、带有侧表面30(该侧表面与中心电极相对并且具有附着到其上的点火尖端32)的点火端28、多件式芯组件38和包层40。点火尖端32可以是平垫的形式并且包括与中心电极点火尖端20一起限定火花隙G的点火表面，使得它们提供用于发射和接收穿过火花间隙G的电子的火花表面。点火尖端32可以由抗侵蚀和/或耐腐蚀材料制成，诸如铂、铱和/或钌基材料，并且可以根据任何已知的构造来提供，而不仅仅是附图中所示的平垫布置。
中心电极12和/或接地电极18可以包括由导热材料制成的芯和围绕该芯的包层或护套。中心电极12和/或接地电极18的芯优选被设计成有助于将热量从电极的点火端朝向火花塞10的较冷部传导。在图1至图3所示的实施例中，中心电极12包括完全包覆在包层36内的铜基芯34，并且接地电极18包括至少部分地被包层40包围的多件式芯组件38。然而，应该注意到的是，导热芯34、38以及中心电极和/或接地电极本身可以采取多种形状、尺寸和/或构造中的任何一种，包括除了附图中所示的那些之外的形状、尺寸和/或构造。例如，在一些实施例中，中心电极12可以不包括芯，或者它可以包括多件式芯组件，类似于示出的带有接地电极18的多件式芯组件。应当认识到，尽管在接地电极18的背景下提供了多件式芯组件38的以下描述，但是本发明不限于此，并且此教导也适用于中心电极。
多件式芯组件38至少部分地在焊接端26与点火端28之间延伸，并且包括导热芯部42和独立可焊接芯部44。导热芯部42和可焊接芯部44一起构成多件式芯组件38，并且以这样的方式来设计，即接地电极18可以充分管理在电极的点火端附近产生的大量热量，并且还为接地电极到外壳的附着提供有利的焊接表面。根据图1至图3所图示的实施例，导热芯部42位于比可焊接芯部44更靠近点火端28的位置处，可焊接芯部位于比导热芯部更靠近焊接端26的位置处，并且导热芯部和可焊接芯部串联布置在多件式芯组件内。如本文所用，短语“串联在多件式芯组件内”意指第一芯部的一端与第二芯部的另一端对齐(即，如图所图示的端对端)，这与第一芯部包围或封装第二芯部的布置相反。然而，应当认识到，许多其他实施例是可能的，包括下面描述的非限制性示例。
导热芯部42由具有高热导率的材料制成，使得它能够有效地将热量从点火端28拉向或传送到火花塞和/或发动机的较冷部，诸如外壳和/或气缸盖。根据一个示例，导热芯部42由铜基材料制成，其中铜是该材料的单种最大重量成分，并且它可以包含或者可以不包含其他成分(例如，铜基材料可以是纯铜、带有一些杂质的铜或铜基合金)。也可以使用其他导热材料来代替，诸如铝基材料，因为导热芯部42不限于铜基材料。导热芯部42可以完全或几乎完全被包层40包围，该包层优选为镍基材料，诸如INCONELTM 600或601。包层40保护导热芯部42不受燃烧室的极端环境的影响。用于包层40和/或导热芯部42的其他材料也是可能的。
导热芯部42的尺寸、位置和/或形状可以被选择或设计成实现特定火花塞或应用的具体热要求或需求。例如，在图1至图3的示例中，导热芯部42在位于点火端28附近的第一端50与位于两个芯部的芯界面48处的第二端52之间延伸。在该特定实施例中，第一端50不直接位于点火尖端32之下；相反，第一端50位于点火尖端的稍微内侧(即，稍微朝向焊接端26)，使得导热芯部42不干扰点火尖端32附着到接地电极18的侧表面30的位置处的电阻焊接工艺。导热芯部42可以比可焊接芯部44长，使得它从第一端50延伸，穿过接地电极18中的弯曲部46，并且终止于第二端52。根据非限制性示例，导热芯部42的第一端50位于距点火端28的远端表面1.50mm到7.00mm之间(包括端值)(尺寸X)的位置处，第二端52位于距焊接端26的端面1.02mm或更小(尺寸Y)的位置处，并且导热芯部的平均厚度在0.25mm到1.52mm之间，包括端值(尺寸A)。当然，导热芯部42可以比图示的更长或更短；例如，芯部42可以更短并且在接地电极18中的弯曲部46之前停止。应当认识到，导热芯部42不限于附图中所示的具体实施例，并且可以例如具有：沿其长度大致均匀或非均匀的横截面形状；大致矩形、椭圆形、圆形或非圆形的横截面形状；对于第一端和/或第二端的不同位置；不同的长度和/或宽度；以及它可以包括多个导热芯部，而不是只有一个。其他实施例当然是可能的。
可焊接芯部44由金属制成，该金属被设计成易于被焊接到外壳，从而可以改善接地电极18与外壳16之间的焊接完整性和/或强度。可焊接芯部44由镍基材料制成，其中镍是该材料的单种最大重量成分，并且它可以包含或者可以不包含其他成分(例如，镍基材料可以是纯镍、带有一些杂质的镍或镍基合金)。根据一个示例，可焊接芯部44由镍基材料制成，该镍基材料具有比用于包层或护套40的镍基材料更高的镍重量百分比(即，更高的镍含量)。例如，可焊接芯部44可以由包括98wt％或更多的镍的镍基材料制成，而包层40可由包括50wt％至90wt％的镍的镍基材料制成(例如，INCONELTM600或601)。在一个特定示例中，可焊接芯部44包括Ni200，Ni200是相当纯的镍合金，包括约99wt％的镍，并且具有比许多普通包层材料如INCONELTM601更高的热导率。这种材料是高度可挤压的，并且可以易于经由电阻焊接工艺、激光焊接工艺或它们的组合焊接到钢外壳16，特别是当在焊接端26处被INCONELTM600或601护套40包围时。也可以使用其他材料来代替，包括非镍基材料的那些材料。
可焊接芯部44的尺寸、位置和/或形状可以被选择或设计成实现特定火花塞或应用的具体电极附着要求，但基本上不抑制电极的热特性。在图1至图3的示例中，可焊接芯部44在位于芯界面48处的第一端60与位于焊接端26的端面处的第二端62之间延伸。换句话说，可焊接芯部44在一端处(即，在芯界面48处)与导热芯部42接触，并且在另一端处(即，在焊接端26处)一直延伸到接地电极18的端部。本领域的技术人员将认识到，平衡接地电极的热需求和附着要求可能是一个挑战，而可焊接芯部44有助于解决这个问题。通过在其第一端60处紧密接触导热芯部42，可焊接芯部44能够为从点火端28移除的热量提供一定程度的热连续性；并且通过在其第二端62处一直延伸到接地电极的端部，可焊接的芯部44能够提供基本上不包括铜的焊接表面64，铜对于焊接到外壳上通常是不期望的。根据非限制性示例，可焊接芯部44的第一端60位于与焊接端26相距1.02mm或更小(与前述相同的尺寸Y)的位置处，并且可焊接芯部的平均厚度在0.25mm到1.52mm之间，包括端值(尺寸B)。如果尺寸Y太大(即，如果可焊接芯部44太长)，那么这可能会不期望地降低多件式芯组件38的整体热导率，并且因此阻碍上面讨论的一些目标。因此，这就是导热芯部42比可焊接芯部44长的原因；在一些实例中，芯部42至少是芯部44的两倍长。
转到图3，示出了接地电极18的焊接端26处的焊接表面64的非限制性示例。焊接表面64具有镍-镍界面70，该界面将镍基可焊接芯部44与通常包围可焊接芯部44的镍基包层40分离。如上所提及，与位于界面70内侧的可焊接芯部44相比，位于界面70外侧的包层40中镍的重量百分比可以更低。焊接表面64包括用于附着到火花塞外壳16的多种材料，但基本上不包括任何铜。短语“基本上不包括任何铜”意指虽然在可焊接芯部44和/或包层40的镍基材料中可能存在一些铜添加剂和/或杂质，但是构成部分焊接表面64的材料没有一种是铜基材料，就像铜芯部一直到达焊接表面的情况一样。在此处所示的实施例中，焊接表面64仅包括镍基材料，该镍基材料优选用于焊接到外壳，并且不包括任何具有10wt％或更多的铜的材料。
芯界面48是多件式芯组件38内的接合部或过渡部，在该处，导热芯部42接合可焊接芯部44。如上所解释，芯部42和44串联布置在多件式芯组件38内，并且芯界面48是这种串联过渡出现的位置处的接合部。取决于芯部42、44的相应的尺寸，芯界面48的位置可以变化，但是其优选地位于与接地电极18的焊接端26相距1.02mm或更小(尺寸Y)的位置处，并且其优选地被包层40完全封装。本领域技术人员将会认识到，在许多接地电极挤压工艺中，诸如在单个铜基坯料在镍基杯或挤出物内被挤压时，如果挤出物没有围绕坯料完全塌陷，则可能无意中形成内部空隙或空腔；这些有时被称为杯状塌陷空隙。内部或杯状塌陷空隙可能是由被截留在内侧的异物(例如空气或油)或未完全充满空间的材料流引起的，并且它们会对接地电极的热特性产生负面影响。因为芯界面48牵涉到在共同挤出物(包层40)内侧从一个挤出坯料(芯部42)到另一个挤出坯料(芯部44)的过渡部(如将更详细解释的)，所以芯界面48可以形成为使得其基本上不包括任何内部空隙。短语“基本上不包括任何内部空隙”意指虽然在两个芯部之间可能存在一些微小的或可忽略的空隙或空间，但是不存在主要尺寸大于0.20mm的内部空隙。内部空隙(特别是不规则形状的内部空隙)的“主要尺寸”是跨内部空隙的横截面的单个最大可测量尺寸。因为芯界面48牵涉到基本上不包括任何内部空隙的芯部42与芯部44之间的紧密接触，所以多件式芯组件38能够以有效方式从点火端28移除热量，但是仍然提供基本上不包括任何铜的期望的焊接表面64。
参考图4，示出了带有多件式芯组件138的接地电极118的另一示例，不同之处在于该芯组件具有四个独立芯部142、144、152、154。除非具体说明，该实施例的特征和元件通常与前面描述的那些相同。如同前面的实施例，多件式芯组件138被设计成使电极的热性能最大化，而同时提供有利的焊接表面164。第一芯部142可以是导热芯部，并且从位于点火端28附近的第一端延伸到位于接地电极中的弯曲部46处或附近的第二端。根据一种可能性，第一芯部142由铜基材料制成，诸如上面结合芯部42描述的铜基材料。第二芯部144从第一芯界面148延伸到第二芯界面158，并且可以由若干不同材料中的一种材料制成，诸如上面结合芯部44描述的镍基材料。在更多的导热芯部142、152之间提供第二芯部144的一个可能的原因是帮助制造接地电极。例如，第二芯部144可以由镍基或其他材料制成，其被具体选择或设计成有助于挤压和/或弯曲工艺，而同时基本上不妨碍多件式芯组件138的热导率。第三芯部152可以是另一导热芯部，并且从第二芯界面158延伸到第三芯界面168。在所图示的示例中，第三芯部152由与第一芯部142相同或相似的铜基材料制成，并且具有相对直的或线性的构造。最后，第四芯部154优选为从第三芯部界面168延伸到焊接表面164的可焊接芯部，并且由镍基材料制成，诸如上述用于可焊接芯部44的镍基材料。第四芯部154的主要功能是提供有利的焊接表面164，就轴向长度而言，该第四芯部可以是各种芯部中最短的一个。
像前面的实施例一样，焊接表面164优选地包括在其焊接端26处的镍-镍界面170，在该处，该镍-镍界面用以附着到火花塞外壳16，从而基本上不包括任何铜。根据一种具体实施，芯界面148、158、168中任何一者都基本上不包括任何内部空隙，但这不是必需的。应当认识到，多件式芯组件138可以包括比所示的四个更多或更少的芯部(例如，三个、五个、六个等)。芯部142、144、152、154中的每个的相对尺寸和/或形状也有可能不同于所示的那些。其他改变当然是可能的。
现转到图5，示出了带有多件式芯组件238的接地电极218的另一示例，不同之处在于该接地电极是直的并且垂直于外壳16的纵向轴线延伸，与在标准J形间隙构造中弯曲的接地电极相反。例如，这种类型的接地电极布置可能更适合于工业火花塞。除非具体说明，该实施例的特征和元件通常与前面描述的那些相同。多件式芯组件238至少部分地在点火端228与焊接端226之间延伸，并且包括被芯界面248隔开的导热芯部242和可焊接芯部244。导热芯部242优选由铜基材料制成，其可以延伸到直接位于点火尖端32下方的位置，如图5所示，或者其可以在不到点火尖端32的位置终止。可焊接芯部244可以由镍基材料制成，其优选地定位于接地电极218内，使得它最小程度地干扰将接地电极附着到外壳16(例如，经由外壳连接件280)的电阻焊接或其他工艺。在该特定示例中，可焊接芯部244不暴露在焊接表面。优选地，芯界面246基本上不包括任何内部空隙，但这不是必需的。
图6示出了带有多件式芯组件338的接地电极318的另一示例，其中接地电极是直的并且垂直于外壳16的纵向轴线，不同之处在于在该实施例中，可焊接芯部接触外壳或外壳连接件380。这种类型的接地电极布置可能更适合于工业火花塞。除非具体说明，该实施例的特征和元件通常与前面描述的那些相同。多件式芯组件338至少部分地在点火端328与焊接端326之间延伸，并且包括被芯界面348隔开的导热芯部342和可焊接芯部344。导热芯部342优选由铜基材料制成，并且可以延伸到直接位于点火尖端32下方的位置，如图6所示，或者其可以在不到点火尖端32的位置终止。可焊接芯部344在芯界面348处与导热芯部342紧密接触，并且两个芯部串联布置在多件式芯组件内，如前所解释。优选地，芯界面348基本上不包括任何内部空隙，但这不是必需的。如上所解释，可焊接芯部344终止于焊接表面364处，该焊接表面包括镍-镍界面370，但基本上不包括任何铜。焊接表面364使得接地电极318能够被焊接到外壳连接件380或者直接被焊接到外壳，如果外壳包括代替连接件380的裙部或延伸部的话。应当认识到，出于所有意图和目的，外壳连接件280、380被视为就像外壳16的一部分一样，即使它们是两个独立件。因此，被构造为被焊接到火花塞外壳的可焊接芯部可以被构造为用于直接焊接到外壳或外壳连接件。
现转到图7，示出了制造火花塞电极的方法100的示意图，诸如图1至图3所示的带有多件式芯组件38的火花塞电极18，该方法补救了上述一些问题，特别是与内部空隙的产生相关联的问题。该方法被设计成消除或至少减少材料过渡部处(诸如芯部42、44之间的芯界面48处和/或包层40与芯部42、44的界面处)的内部空隙。此外，该方法提供了期望的焊接表面64，该焊接表面包括用于附着到火花塞外壳16的镍-镍界面70，但基本上不包括任何铜，如上所定义。
从步骤S1开始，导热材料坯料104和可焊接材料坯料106被插入包层或护套杯108。在特别有利的实施例中，包层杯组件110包括铜基导热坯料104、镍基可焊接坯料106和镍基包层杯108，其中，可焊接坯料106中镍的重量百分比大于包层杯108中镍的重量百分比(例如，包括98wt％或更多的镍的镍基合金用在坯料106中，而包括50wt％至90wt％的镍的镍基合金用于包层杯108)。组件110中的多个坯料104、106(应当认识到，可以提供多于两个坯料，如上面结合图4所解释的)留下小的残余杯容积112。相应地，否则会形成内部或杯状塌陷空隙114的开口被更完全地填充。此外，将诸如Ni200之类的材料用于坯料106可以帮助减少内部空隙114的形成，因为Ni200是高度可挤压的。在一个实施例中，包层杯108和坯料106在组装前是经退火的，而坯料104是未经退火的。
在步骤S2中，坯料104、106被组装到杯108中以形成坯料及包层杯组件110。坯料及包层杯组件110包括导热材料坯料104，该导热材料坯料最终在杯体积112的底部中形成导热芯部42。最终形成可焊接芯部44的另外一坯料106位于导热材料坯料104与杯形开口116之间。如图7所图示，优选地，在杯形开口116处提供了小的空间或间隙，因为该空间可以帮助将组件110保持或保留在挤压模具中。组件110然后被挤出以形成挤出物120，该挤出物具有完全嵌入包层40中的多件式芯组件38，步骤S3。
即使内部或杯状塌陷空隙114用以形成在挤出过程中，如图7中示意性表示的，挤出物120仍可以被有效地加工以修整端部区段122并且产生带有焊接表面64的焊接端26，步骤S4。可以丢弃或回收的端部区段122包括来自可焊接芯部44和包层40两者的材料。端部区段122有利地完全封装挤出物120的芯部44的端部处的内部空隙114的区域，该区域位于挤出方向124的下游。进一步地，步骤S4中的修整操作形成带有更适合于电阻焊接的焊接表面64的焊接端26。通过为可焊接坯料106选择适合于电阻焊接的合金(例如Ni200)，可以获得更高的焊接强度，同时仍然保持不太容易焊接的合金的性能要求(例如耐热性和耐腐蚀性)。在一些实施例中，修整操作也可以修整接地电极18的点火端28的一部分。经修整的电极18可以在焊接到火花塞外壳16之前被退火(例如，在约1040℃下退火约20分钟)。
在步骤S5中，接地电极18的焊接端26最终被焊接到外壳16。在得到的接地电极18中，在外壳16与焊接端26之间存在强粘合或附着，因为在焊接接合处附近不存在内部空隙114，并且焊接表面64包括基本上不包括任何铜(诸如来自导热芯部42的铜)的镍-镍界面70。进一步地，带有其镍-镍界面70的焊接表面64可以提供比一些实施例更好的焊接接合，在这些实施例中，焊接表面完全由单一的、较低重量百分比的镍材料(例如，其中焊接表面仅包括Inconel 600、601或包括镍-铜界面的实施例)组成。镍-镍界面70特别适宜电阻焊接到钢外壳16上；然而，其他焊接方法当然也是可能的，诸如列举一个示例，激光焊接。
应当理解的是，上文是对本发明的一个或多个优选示例性实施例的描述。本发明不限于本文公开的特定实施例，而是仅由下面的权利要求定义。此外，被包含在上文描述中的陈述涉及特定实施例，并且不应被解释为对本发明的范围或对权利要求中使用的术语的定义的限制，除非术语或短语在上文被明确定义。对本领域技术人员来说，各种其他实施例以及对所公开的实施例的各种改变和修改将变得显而易见。所有这些其他实施例、改变和修改都旨在落入所附权利要求的范围内。
如在本说明书和权利要求所用，术语“例如”、“如”、“比如”、“诸如”和“如同”以及动词“包括”、“具有”、“包含”和它们的其他动词形式，当与一个或多个组件或其他项目的列表结合使用时，它们各自都被解释为开放式的，意指该列表不被认为排除了其他的、附加的组件或项目。其他术语用以使用其最广泛的合理含义来解释，除非它们用在需要不同解释的上下文中。

Claims (21)

1.一种火花塞电极，包括：
点火端；
焊接端；
多件式芯组件，所述多件式芯组件至少部分地在所述点火端与所述焊接端之间延伸并且具有导热芯部和可焊接芯部，所述导热芯部包括第一端和第二端、位于比所述可焊接芯部更靠近所述点火端的位置处并且被构造为在所述电极内传导热量，所述可焊接芯部包括第一端和第二端、位于比所述导热芯部更靠近所述焊接端的位置处并且被构造为被焊接到火花塞外壳，其中，所述可焊接芯部不由铜基材料制成；以及
包层，所述包层沿所述多件式芯组件的整个长度包围所述多件式芯组件、并结合至所述火花塞外壳，其中，所述导热芯部和所述可焊接芯部串联布置在所述多件式芯组件内，由此使得导热芯部的第二端与可焊接芯部的第一端对齐，其中，导热芯部的第二端是导热芯部的更靠近焊接端的端部，可焊接芯部的第一端是可焊接芯部的更靠近点火端的端部，其中，所述焊接端的焊接表面结合至所述火花塞外壳，并包括对齐于所述焊接表面上的、来自所述可焊接芯部的材料与来自所述包层的材料。
2.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述导热芯部由铜基材料制成。
3.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述导热芯部比所述可焊接芯部长。
4.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述电极是接地电极，所述导热芯部从其第一端延伸，穿过所述接地电极中的弯曲部，并且终止于导热芯部的第二端，在导热芯部的第二端，存在与所述可焊接芯部的芯界面。
5.根据权利要求4所述的火花塞电极，还包括附着到所述接地电极的侧表面的点火尖端，所述侧表面被构造为面对火花间隙，
其中，所述导热芯部的所述第一端位于距所述点火端的远端表面1.50mm到7.00mm之间，包括端值(尺寸X)的位置处，使得其不位于所述点火尖端下方，所述导热芯部的所述第二端位于在所述导热芯部与所述可焊接芯部的芯界面处距所述焊接端的焊接表面1.02mm或更小(尺寸Y)的位置处，并且所述导热芯部的平均厚度在0.25mm到1.52mm之间，包括端值(尺寸A)。
6.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述可焊接芯部由镍基材料制成。
7.根据权利要求6所述的火花塞电极，其中，所述包层由与所述可焊接芯部不同的镍基材料制成，并且所述可焊接芯部中镍的重量百分比高于所述包层中镍的重量百分比。
8.根据权利要求6所述的火花塞电极，其中，所述可焊接芯部由包括98wt％或更多的镍的镍基材料制成。
9.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述电极是接地电极，所述可焊接芯部从其第一端延伸，在焊接芯部的第一端，所述可焊接芯部与所述导热芯部接触，并且终止于焊接芯部的第二端，在焊接芯部的第二端，存在被构造为用于附着到所述火花塞外壳的焊接表面。
10.根据权利要求9所述的火花塞电极，其中，所述可焊接芯部的第一端位于在所述导热芯部与所述可焊接芯部的芯界面处距所述焊接端的焊接表面1.02mm或更小(尺寸Y)的位置处，并且所述可焊接芯部的平均厚度在0.25mm到1.52mm之间，包括端值(尺寸B)。
11.根据权利要求9所述的火花塞电极，其中，所述焊接表面不包括具有10wt％或更多的铜的材料。
12.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述导热芯部在位于所述多件式芯组件内的芯界面处接合所述可焊接芯部，并且所述芯界面不包括主要尺寸大于0.20mm的内部空隙。
13.根据权利要求12所述的火花塞电极，其中，所述芯界面位于距所述焊接端的焊接表面1.02mm或更小(尺寸Y)的位置处。
14.根据权利要求12所述的火花塞电极，其中，所述芯界面被所述包层完全封装。
15.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述多件式芯组件还包括一个或多个附加芯部，所述一个或多个附加芯部与所述导热芯部和所述可焊接芯部串联布置在所述多件式芯组件内。
16.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述电极是直的并且垂直于所述外壳的纵向轴线延伸的接地电极，所述导热芯部从第一端延伸到位于芯界面处的第二端，所述可焊接芯部从位于所述芯界面处的第一端延伸到包括焊接表面的第二端，并且所述焊接表面被构造为用于焊接到所述外壳或连接件中的至少一者。
17.根据权利要求16所述的火花塞电极，其中，所述焊接表面不包括具有10wt％或更多的铜的材料。
18.根据权利要求1所述的火花塞电极，其中，所述焊接表面被构造为用于焊接到火花塞外壳，并且包括来自可焊接芯部的材料、来自包层的材料、以及位于可焊接芯部与包层之间的镍-镍界面，其中，来自可焊接芯部的材料和来自包层的材料在焊接表面上对齐。
19.一种火花塞，包括：
根据权利要求1所述的火花塞电极，
金属外壳，所述金属外壳具有轴向孔和自由端；
绝缘体，所述绝缘体至少部分地保持在所述金属外壳的所述轴向孔内并且具有轴向孔；以及
中心电极，所述中心电极至少部分地保持在所述绝缘体的所述轴向孔内，其中，根据权利要求1所述的火花塞电极是接地电极，并且所述焊接端被焊接到所述金属外壳的所述自由端。
20.一种用于火花塞的电极，包括：
点火端；
焊接端；
多件式芯组件，所述多件式芯组件至少部分地在所述点火端与所述焊接端之间延伸并且具有包括第一端和第二端的导热芯部、包括第一端和第二端的可焊接芯部、和位于所述导热芯部的第二端接合所述可焊接芯部的第一端的位置处的芯界面，所述导热芯部由铜基材料制成，所述可焊接芯部由镍基材料制成，并且所述芯界面不包括主要尺寸大于0.20mm的内部空隙，其中，导热芯部的第二端是导热芯部的更靠近焊接端的端部，可焊接芯部的第一端是可焊接芯部的更靠近点火端的端部；以及
包层，所述包层沿所述多件式芯组件的整个长度包围所述多件式芯组件并且由镍基材料制成，其中，所述焊接端具有焊接至所述火花塞外壳的焊接表面，所述焊接表面包括来自所述可焊接芯部的材料、来自所述包层的材料、以及位于所述可焊接芯部与所述包层之间的镍-镍界面，使得来自所述可焊接芯部的材料与来自所述包层的材料对齐于所述焊接表面上，其中，所述焊接表面不包括具有10wt％或更多的铜的材料。
21.一种制造火花塞电极的方法，包括以下步骤：
将导热材料坯料和可焊接材料坯料插入包层杯以形成坯料及包层杯组件，其中，所述导热材料坯料由铜基材料制成并且被首先插入所述包层杯，所述可焊接材料坯料由镍基材料制成并且被其次插入所述包层杯，并且所述包层杯由镍基材料制成；
挤压所述坯料及包层杯组件以形成具有多件式芯组件的挤出物，其中，所述导热材料坯料变成包括第一端和第二端的导热芯部，所述可焊接材料坯料变成包括第一端和第二端的可焊接芯部，所述包层杯变成包围所述多件式芯组件的包层，并且所述导热芯部和所述可焊接芯部串联布置在所述多件式芯组件内，由此使得导热芯部的第二端与可焊接芯部的第一端对齐，其中，导热芯部的第二端是导热芯部的更靠近焊接端的端部，可焊接芯部的第一端是可焊接芯部的更靠近点火端的端部；以及
修整穿过所述可焊接芯部和所述包层的挤出物以形成焊接表面，所述焊接表面包括来自所述可焊接芯部的材料、来自所述包层的材料、以及位于所述可焊接芯部与所述包层之间的镍-镍界面，使得来自所述可焊接芯部的材料与来自所述包层的材料对齐于所述焊接表面上，其中，所述焊接表面不包括具有10wt％或更多的铜的材料，所述可焊接芯部不由铜基材料制成。
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