CZ306282B6

CZ306282B6 - Způsob vytváření elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování

Info

Publication number: CZ306282B6
Application number: CZ2013-212A
Authority: CZ
Inventors: MojmĂr ÄŚapka
Original assignee: BRISK Tábor a. s.
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2016-11-16
Also published as: CZ2013212A3

Abstract

Způsob vytváření koncové části střední elektrody (1) zapalovací svíčky s nánosem (4) přídavného materiálu metodou laserového navařování, kdy se střední elektroda (1) ze slitiny Ni nejprve upraví na požadovanou délku a její čelo (2) se zarovná a začistí, základní materiál střední elektrody (1) se pak působením laserového paprsku lokálně ohřeje nad teplotu jeho tání, načež se do laserového paprsku a vzniklé taveniny přivádí přídavný materiál ve formě prášku, který se natavuje na povrch střední elektrody (1), s jejímž materiálem se difúzně mísí a dalším přiváděním prášku přídavného materiálu se postupně vytváří návar čistého přídavného materiálu. Nejprve se čelo (2) střední elektrody (1) sníženou intenzitou laserového paprsku v oblasti 100 W/mm.sup.2.n. ohřívá po dobu 0.1 s, načež se intenzita laserového paprsku v čase 0.1 až 0.3 s zvýší na 600 až 800 W/mm.sup.2.n., čímž se čelo (2) střední elektrody (1) zahřívá nad teplotu tání jeho materiálu a do vytvořené taveniny se axiálně s laserovým paprskem přivádí prášek přídavného materiálu, vybraného ze skupiny zahrnující W, Pt a Ir, tak, že se vytváří metalurgická vazba (5) mezi práškem a střední elektrodou (1), teplo z tohoto procesního místa se intenzivně odvádí do těla střední elektrody (1), čímž tavenina tuhne a v opakovaném cyklu jejího dalšího tavení a tuhnutí v čase 0.3 až 1 s se vytváří nános (4) přídavného materiálu v podstatě sférického tvaru do požadované výšky a v této fázi se následně plynule snižuje intenzita laserového paprsku, čímž se v tomto zakončení střední elektrody (1) minimalizuje vznik tahových napětí a riziko vzniku trhlin a zamezuje vzniku tvrdé a křehké struktury, přičemž se čelo (2) střední elektrody (1) upraví do konečného tvaru.

Description

Způsob vytváření elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování

Oblast techniky

Předmětem vynálezu je způsob vytváření elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování.

Dosavadní stav techniky

Elektrody zapalovacích svíček jsou střídavě vystaveny cyklickému ohřevu a ochlazování ve spalovací komoře motoru, čímž opakovaně dochází ke vzniku tepelného namáhání na rozhraní mezi špičkou střední elektrody a čelním koncem vnější elektrody vzhledem k rozdílné tepelné roztažnosti mezi nimi. Toto tepelné namáhání se koncentruje na uvedeném rozhraní a způsobuje vznik trhlin a vad zapalovací svíčky. V dokumentu US 8,348,709 B je popisováno vytváření zakončení střední elektrody zapalovací svíčky metodou laserového navařování, kdy se základní materiál elektrody zahřeje nad jeho teplotu tání a do laserového paprsku a vzniklé taveniny se přivádí přídavný materiál, např. W, Ir nebo Pt v podobě prášku. Tento prášek je laserovým paprskem natavován a dochází k difuznímu promísení obou materiálů a následně za stálého přívodu prášku postupnému vytvoření návaru W, Ir nebo Pt do požadované výšky. Cílem předloženého vynálezu je dosažení minimalizace tahových napětí v difúzním spoji a samotném návaru a následně minimalizace vzniku trhlin a vad. Cílem je rovněž zlepšení mechanických vlastností návaru, zvýšení jeho pevnosti Rm a meze kluzu Re.

Podstata vynálezu

Předmětem tohoto vynálezu je způsob vytváření koncové části střední elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování, kdy se střední elektroda ze slitiny Ni nejprve upraví na požadovanou délku a její čelo se zarovná a začistí, základní materiál střední elektrody se pak působením laserového paprsku lokálně ohřeje nad teplotu jeho tání, načež se do laserového paprsku a vzniklé taveniny přivádí přídavný materiál ve formě prášku, který se natavuje na povrch střední elektrody, s jejímž materiálem se difůzně mísí a dalším přiváděním prášku přídavného materiálu se postupně vytváří návar čistého přídavného materiálu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že nejprve se čelo střední elektrody sníženou intenzitou laserového paprsku v oblasti 100 W/mm² ohřívá, načež se intenzita laserového paprsku v čase 0.1 až 0.3 s zvýší na 600 až 800 W/mm², čímž se čelo střední elektrody zahřívá nad teplotu tání jeho materiálu a do vytvořené taveniny se axiálně s laserovým paprskem přivádí prášek přídavného materiálu, vybraného ze skupiny zahrnující W, Pt a Ir, tak, že se vytváří metalurgická vazba mezi práškem a střední elektrodou, teplo z tohoto procesního místa se intenzivně odvádí do těla střední elektrody, čímž tavenina tuhne a v opakovaném cyklu jejího dalšího tavení a tuhnutí v čase 0.3 až 1 s se vytváří nános přídavného materiálu v podstatě sférického tvaru do požadované výšky a v této fázi se následně plynule snižuje intenzita laserového paprsku, čímž se v tomto zakončení střední elektrody minimalizuje vznik tahových napětí a riziko vzniku trhlin a zamezuje vzniku tvrdé a křehké struktury, přičemž se čelo střední elektrody upraví do konečného tvaru. Předehřev čela střední elektrody se provádí po dobu do 0,1 s. Nános přídavného materiálu se vytváří o průměru v rozsahu od 0.6 do 2 mm ve středové části zakončení střední elektrody, jejíž průměr je 2 až 3 mm.

Předehřev střední elektrody v počáteční první fázi pro stabilizaci procesu výrazně pozitivně ovlivňuje následný teplotní cyklus ve fázi chladnutí, pomalejší chladnutí má pozitivní vliv na vznikající strukturu difuzního spoje a návaru W (resp. Ir, Pt). Výhodou je rovněž skutečnost, že eliminuje difúzi vodíku do vytvářeného spoje. Předehřev má pozitivní vliv na minimalizaci taho

- 1 CZ 306282 B6 vých napětí v difúzním spoji a samotném návaru, minimalizace tahových napětí má za následek minimalizaci vzniku trhlin a vad. Má rovněž pozitivní vliv na mechanické vlastnosti návaru, zvyšuje jeho pevnost Rm a mez kluzu Re.

Chladnutí elektrody s řízeným ohřevem v konečné fázi procesu zamezuje vzniku tvrdé a křehké struktury, minimalizuje vznik tahových napětí v návaru a riziko vzniku trhlin a jak již bylo uvedeno, zlepšuje mechanické vlastnosti návaru, zvyšuje pevnost Rm a mez kluzu Re.

Objasnění výkresů

Na připojených výkresech je znázorněn příklad vytváření koncové části střední elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování. Na obr. 1 je zobrazena střední elektroda zapalovací svíčky, upravená na požadovanou délku a se zarovnaným a začištěným čelem. Na obr. 2A a 2B je střední elektroda, jejíž koncová část resp. čelo je opatřeno návarem W, resp. Ir nebo Pt, s difúzním spojem mezi základním materiálem elektrody. Zatímco na obr. 2A odpovídá průměr návaru v podstatě průměru střední elektrody, na obr. 2B má návar menší průměr, např. 0,6 až 2 mm. V případě podle obr. 2B je zakončení střední elektrody po nanesení přídavného materiálu a vytvoření návaru W resp. Ir nebo Pt z důvodu snížení přeskokového napětí obrobeno frézováním nebo broušením na konečný tvar, jak je znázorněno na obr. 2C (zmenšený průměr, ostré hrany).

Na obr. 3 je znázorněn časový průběh intenzity záření laserového paprsku ve W/mm² pro nános přídavného materiálu W, Ir a Pt v celém procesu vytváření koncové části střední elektrody zapalovací svíčky. Na obr. 4 je schematicky zobrazena procesní hlavice laseru s přívodem prášku přídavného materiálu, přívodem inertního plynu a chladicími kanály, kde laserový paprsek směřuje na přivrácené čelo střední elektrody zapalovací svíčky.

Příklady uskutečnění vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob vytváření koncové části, resp. čela 2 střední elektrody 1 zapalovací svíčky s nánosem 4 přídavného materiálu metodou laserového navařování. Střední elektroda 1 ze slitiny Ni o průměru D = 2 až 3 mm a délce L = 6 až 40 mm s Cu jádrem 3 (případně bez tohoto jádra 3) se nejprve upraví na požadovanou délku a její čelo 2 se zarovná a začistí (obr. 1). Základní materiál střední elektrody 1 se pak působením laserového paprsku lokálně ohřeje nad teplotu jeho tání, načež se do laserového paprsku a vzniklé taveniny přivádí přídavný materiál (W, případně Ir nebo Pt) ve formě prášku se zrnitostí 20 až 50 pm, který se natavuje na povrch střední elektrody 1, s jejímž materiálem se difúzně mísí a vytváří se mezi nimi metalurgická vazba resp. difuzní spoj 5. Dalším přiváděním prášku přídavného materiálu se postupně vytváří návar čistého přídavného materiálu (obr. 2A resp. 2B).

Návar wolframu W (přídavného materiálu) na čelo 2 střední elektrody 1 je prováděn metodou laserového navařování (Laser Cladding, LMD - laser metal deposition, LDMD - laser direct metal deposition, 3D LMD - 3D laser metal deposition). Bylo použito vysokovýkonného pevnolátkového laseru s kontinuálním (CW) zářením o vlnové délce 800 až 1100 nm a minimální intenzitou záření 500 W/mm² . Laserový paprsek je z laserového zdroje sveden skrze optické vlákno do procesní hlavice uzpůsobené pro vytváření povlaků a vrstev metodou laserového navařování. Navařovaný prášek je nesen z diskového podavače do procesní hlavice tlakovým inertním plynem Ar, prášek je nesen k procesnímu místu axiálně s laserovým paprskem (přívod 7 prášku do laserového paprsku na obr. 4). Celý proces probíhá v ochranné atmosféře Ar. Tento inertní plyn je také k procesnímu místu přiváděn skrze procesní hlavici (přívod 9 inertního plynu na obr. 4) axiálně ve směru laserového paprsku. Kontinuální přívod 9 inertního plynu (nosného i ochranného) je zajištěn redukčními ventily s možností regulace průtoku i tlaku (nejsou vyobrazeny). U diskových podavačů je možné regulovat dávkování přídavného materiálu v rozsahu 0,1

-2CZ 306282 B6 až 100 g/min. Intenzitu záření laserového paprsku lze regulovat v rozsahu 50 až 6000 W/mm², s možností časové modulace pulsu od 0,01 s do plně kontinuálního režimu.

Procesní hlavice (koaxiální hubice 6 s chladicími kanály 8 na obr. 4) pro navařování disponuje modulárně měnitelnou kolimační a fokusační optikou pro změnu geometrie laserového paprsku v procesním místě navařování.

Na obr. 1 je znázorněna střední elektroda 1 zapalovací svíčky, která se před nanášením a navařováním přídavného materiálu zastřihne v místě čela 2 a upraví se tak na požadovanou délku L. Celo 2 se začistí, to je zarovná se a odstraní se případné oxidy. Následuje nános W, případně Ir nebo Pt, na čelo 2 střední elektrody 1. Nejprve se čelo 2 střední elektrody 1 sníženou intenzitou laserového paprsku v oblasti přibližně 100 W/mm² po dobu do 0.1 s předehřívá pro následnou stabilizaci procesu. Následně se intenzita laserového paprsku v čase 0.1 až 0.3 s zvýší na 600 až 800 W/mm², čímž se čelo 2 střední elektrody 1 zahřívá nad teplotu tání jeho materiálu a do vytvořené taveniny se axiálně s laserovým paprskem přivádí prášek přídavného materiálu W, případně Ir nebo Pt, tak, že se vytváří metalurgická vazba 5 (difúzní spoj) mezi práškem a střední elektrodou 1. Teplo z tohoto procesního místa se intenzivně odvádí do těla střední elektrody 1, čímž tavenina tuhne a v opakovaném cyklu jejího dalšího tavení a tuhnutí v čase 0.3 až 1 s se vytváří nános 4 přídavného materiálu v podstatě sférického tvaru do požadované výšky (viz obr. 2A resp. 2B). V této fázi se následně plynule snižuje intenzita laserového paprsku pro minimalizaci vneseného tepla do elektrody, čímž se v tomto zakončení střední elektrody minimalizuje vznik tahových napětí a riziko vzniku trhlin a zamezuje vzniku tvrdé a křehké struktury, načež se čelo 2 střední elektrody 1 upraví do konečného tvaru. Tento proces je znázorněn na obr. 3. Rychlým odvodem tepla z procesního místa do základního materiálu („samo-ochlazovací efekt“) dochází k rychlému tuhnutí vzniklé slitiny. Ve spojitém cyklu rychlého natavování a tuhnutí a za stálého přívodu prášku dochází k postupné výstavbě návaru do libovolné výšky.

Laserový svazek je při tomto procesu pomocí kolimační a fokusační optiky (viz obr. 4) zaostřen na čelo 2 střední elektrody 1. Na obr. 4 je vidět, jak je axiálně s paprskem přiváděn přídavný prášek, jehož přiváděči kužel je rovněž zaostřen na čelo 2 střední elektrody 1. Po sepnutí laseru je čelo 2 střední elektrody 1 intenzivně zahříváno až do stavu taveniny. Přídavný prášek je přiváděn do vytvořené taveniny, kde se působením laserového paprsku také postupně natavuje a vytváří se difúzní spojení mezi práškem wolframu (W resp. Ir, Pt) a základním materiálem střední elektrody 1. Dalším přiváděním přídavného prášku za působení laserového paprskuje postupně vystavován návarjiž čistého wolframu (W resp. Ir, Pt). Celkový čas uvedeného procesuje 1.2 s.

Předehřev střední elektrody 1 v počáteční první fázi pro stabilizaci procesu zásadně pozitivně ovlivňuje následný teplotní cyklus ve fázi chladnutí, pomalejší chladnutí má pozitivní vliv na vznikající strukturu difuzního spoje a návaru W (resp. Ir, Pt). Výhodou je rovněž skutečnost, že eliminuje difúzi vodíku do vytvářeného spoje. Předehřev má pozitivní vliv na minimalizaci tahových napětí v difúzním spoji a samotném návaru, minimalizace tahových napětí má za následek minimalizaci vzniku trhlin a vad. Má rovněž pozitivní vliv na mechanické vlastnosti návaru, zvyšuje jeho pevnost Rm a mez kluzu Re.

Průmyslová využitelnost

Předložený vynález je určen pro vytváření koncové části střední elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob vytváření koncové části střední elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování, kdy se střední elektroda ze slitiny Ni nejprve upraví na požadovanou délku a její čelo se zarovná a začistí, základní materiál střední elektrody se pak působením laserového paprsku lokálně ohřeje nad teplotu jeho tání, načež se do laserového paprsku a vzniklé taveniny přivádí přídavný materiál ve formě prášku, který se natavuje na povrch střední elektrody, sjejímž materiálem se difúzně mísí a dalším přiváděním prášku přídavného materiálu se postupně vytváří návar čistého přídavného materiálu, vyznačující se tím, že nejprve se čelo střední elektrody sníženou intenzitou laserového paprsku v oblasti 100 W/mm²ohřívá, načež se intenzita laserového paprsku v čase 0.1 až 0.3 s zvýší na 600 až 800 W/mm², čímž se čelo střední elektrody zahřívá nad teplotu tání jeho materiálu a do vytvořené taveniny se axiálně s laserovým paprskem přivádí prášek přídavného materiálu, vybraného ze skupiny zahrnující W, Pt a Ir, tak, že se vytváří metalurgická vazba mezi práškem a střední elektrodou, teplo z tohoto procesního místa se intenzivně odvádí do těla střední elektrody, čímž tavenina tuhne a v opakovaném cyklu jejího dalšího tavení a tuhnutí v čase 0.3 až 1 s se vytváří nános přídavného materiálu v podstatě sférického tvaru do požadované výšky a v této fázi se následně plynule snižuje intenzita laserového paprsku, čímž se v tomto zakončení střední elektrody minimalizuje vznik tahových napětí a riziko vzniku trhlin a zamezuje vzniku tvrdé a křehké struktury, přičemž se čelo střední elektrody upraví do konečného tvaru.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že předehřev čela střední elektrody se provádí po dobu do 0,1 s.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že nános přídavného materiálu se vytváří o průměru v rozsahu od 0.6 do 2 mm ve středové části zakončení střední elektrody, jejíž průměr je 2 až 3 mm.