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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Zündkerze
für Verbrennungsmotoren
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und insbesondere ein Verfahren zum Verbinden eines
Edelmetallstücks
mit einer Mittelelektrode oder einer Masseelektrode durch Schweißen.
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Es
ist bekannt, ein Edelmetallstück
mit einer Mittelelektrode oder einer Masseelektrode nur durch Laserschweißen zu verbinden,
wie in der Druckschrift
JP-A-6-45050 gezeigt
ist. Für
den Fall jedoch, bei dem nur das Laserschweißen angewendet wird, muss das
Edelmetallstück
durch eine Haltelehre oder ein Haltewerkzeug gehalten werden, wenn
das Stück durch
Laserschweißen
verbunden wird. Dem gemäß wird ein
Aufbau einer Laserschweißvorrichtung
kompliziert.
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Des
weiteren ist es bekannt, zuerst das Edelmetallstück provisorisch bzw. Vorläufig an
der Mittel- oder Masseelektrode durch Widerstandsschweißen zu befestigen
und diese schließlich
durch Laserschweißen
zu verbinden.
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Wenn
jedoch die Edelmetallstücke
mit den jeweiligen Mittel- oder Masseelektroden provisorisch durch
ein herkömmliches
Widerstandsschweißverfahren
verbunden werden, das nur einen zuzuführenden Strombetrag und einen
Zeitraum für
die Stromzufuhr bei voreingestellten Werten regelt, und schließlich durch
ein herkömmliches
Laserschweißverfahren
verbunden werden, ist es wahrscheinlich, dass die Verbindungsfestigkeit
des Edelmetallstücks
mit den jeweiligen Mittel- oder Masseelektroden schwankt.
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Als
Ergebnis einer umfassenden Forschung und experimenteller Versuche
hat sich herausgestellt, dass diese Verbindungsfestigkeitsschwankung durch
die Tatsache verursacht wird, dass der Aufbau von geschmolzenen Abschnitten,
die durch Laserschweißen
ausgebildet werden sollen, ungleichmäßig ist. Des weiteren wird
der ungleichmäßige Aufbau des
geschmolzenen Abschnitts durch eine Schwankung der jeweiligen Längen der
Edelmetallstücke
beeinträchtigt,
die in die Mittel- oder Masseelektroden eingebettet werden sollen,
wenn das provisorische Widerstandsschweißen durchgeführt wird.
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Des
weiteren hat das experimentelle Versuchsergebnis aufgedeckt, dass,
wenn das Widerstandsschweißen
an den Edelmetallstücken
unter Bedingungen durchgeführt
wird, bei denen der Strombetrag, der zugeführt werden soll, und der Zeitraum
für die
Stromzufuhr konstant sind, die Einbettungslänge der Edelmetallstücke in die
Mittel- oder Masseelektroden schwankt, weil zum Beispiel eine ungleichmäßige Oberflächenrauhigkeit
der Schnittflächen
der Edelmetallstücke
oder eine ungleichmäßige Oberflächenrauhigkeit
der Mittel- bzw. Masseelektrode vorliegt, an der die Edelmetallstücke angeordnet
werden.
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Wenn
zum Beispiel das Edelmetallstück
einschließlich
Ir als Hauptbestandteil und mit einem hohen Schmelzpunkt durch Widerstandsschweißen befestigt
wird, dann beeinflusst die Oberflächenrauhigkeit der Fläche, an
der das Edelmetallstück
und die Mittel- oder Masseelektrode in Berührung miteinander stehen, in
hohem Maße
die Wärmeenergie,
die an der Grenzfläche
zwischen dem Edelmetallstück und
der Mittel- oder Masseelektrode erzeugt werden soll. Daher ist das
Widerstandsschweißen
bei dem konstanten Strombetrag und dem konstanten Zeitraum nicht
hinreichend, um eine stabile und genaue Einbettungslänge des
Edelmetallstücks
in die Mittel- oder Masseelektrode sicherzustellen.
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Im
Stand der Technik nach
GB
2 306 196 A wird eine Technologie offenbart, nach der Edelmetallstücke auf
Zündkerzenelektroden
mittels Widerstandsschweißens
fixiert werden und dann letztendlich mittels Laserschweißens fest
verbunden werden.
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Nach
dem Stand der Technik gemäß
EP 0 491 732 B1 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem das Edelmetallstück durch Widerstandsschweißen vollständig in
die Elektrode eingearbeitet wird und somit durch die Materialmenge
die Größe des Übergangsbereichs
zwischen Edelmetall und Elektrodenmaterial festgelegt wird.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das oben erwähnte Problem
gemacht, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze zu schaffen, bei welchem
eine Schweißbedingung
des provisorischen Widerstandsschweißens geregelt bzw. gesteuert
oder eingestellt wird, um einen einheitlichen vorbestimmten endgültigen Einbettungsbetrag
des Edelmetallstücks
sicherzustellen, bevor das abschließende Laserschweißen angewendet
wird. Als Ergebnis kann eine stabile und genaue Verbindungsfestigkeit
des Edelmetallstücks
mit einer Mittel- oder Masseelektrode sichergestellt werden, da
der Aufbau des geschmolzenen Abschnitts, der durch Laserschweißen ausgebildet
wird, einheitlich und stabil ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Das
Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Als erstes Setzen eines
Edelmetallstücks
an ein führendes
Ende von entweder der Mittel- oder Masseelektrode, sodass eine Fläche des
Edelmetallstücks
in Berührung
mit einer Fläche
des führenden Endes
von entweder der Mittel- oder der Masseelektrode gelangt, als nächstes Ausführen des provisorischen
Widerstandsschweißens
auf eine solche Weise, dass ein Strom durch das Edelmetallstück und das
führende
Ende von entweder der Mittel- oder der Masseelektrode fließt, während das
Edelmetallstück in
Richtung des führenden
Endes von entweder der Mittel- oder der Masseelektrode gepresst
wird, um das Edelmetallstück
an entweder der Mittel- oder der Masseelektrode in einem Zustand
zu befestigen, bei dem ein Teil des Edelmetallstücks in entweder die Mittel-
oder die Masseelektrode eingebettet ist, und darauf schließlich Ausführen des
Laserschweißens, um
einen Umfang eines Abschnitts zu schmelzen, an dem das Edelmetallstück in entweder
die Mittel- oder die Masseelektrode eingebettet ist.
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Wenn
das provisorische Schweißen
ausgeführt
wird, dann wird zumindest entweder ein Stromzufuhrbetrag oder ein
Stromzufuhrzeitraum geregelt bzw. gesteuert gemäß zumindest entweder einer Übergangseinbettungslänge oder
einer Übergangseinbettungsgeschwindigkeit
des Edelmetallstücks
an entweder der Mittel- oder der Masseelektrode, um einen vorbestimmten
endgültigen
Einbettungsbetrag des Edelmetallstücks an entweder der Mittel-
oder der Masseelektrode zu erzielen.
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Es
ist vorzuziehen, dass die erste und zweite Elektrode (obere und
untere Elektrode) einer Widerstandsschweißvorrichtung so eingestellt
sind, dass sie elektrisch leitfähig
mit dem Edelmetallstück
und entweder der Mittel- oder der Masseelektrode verbunden sind,
während
die erste Elektrode das Edelmetallstück in Richtung von entweder
der Mittel- oder der Masseelektrode presst. Der zwischen der ersten und
zweiten Elektrode durch eine Energiequelle zugeführte Strom des Widerstandsschweißens wird durch
eine Übergangsbewegungslänge oder
eine Übergangsbewegungsgeschwindigkeit
an entweder der ersten oder der zweiten Elektrode geregelt bzw. gesteuert,
welche der Übergangseinbettungslänge oder
der Übergangseinbettungsgeschwindigkeit
des Edelmetallstücks
an entweder der Mittel- oder der Masseelektrode entspricht.
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Des
weiteren ist der vorbestimmte endgültige Einbettungsbetrag des
Edelmetallstücks
vorzugsweise nicht größer als
0,1 mm, um ein geeignetes Legierungsverhältnis des Edelmetallstücks zu entweder der
Mittel- oder der Masseelektrode zu erhalten.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung und ebenso Verfahren
des Betriebs und die Funktion der zugehörigen Teile werden aus dem
Studium der folgenden genauen Beschreibung, den beigefügten Ansprüchen und
den Zeichnungen ersichtlich, welche einen Teil dieser Anmeldung
bilden.
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1 ist
eine Teilschnittansicht einer Zündkerze
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine schematische Ansicht, die ein Widerstandsschweißverfahren
zur Herstellung der Zündkerze
gemäß dem Ausführungsbeispiel
zeigt; und
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3 ist
ein Diagramm, das die Abweichung der Einbettungslängen des
Edelmetallstücks
in Mittel- oder Masseelektroden zeigt.
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1 zeigt
eine Teilschnittansicht einer Zündkerze
für einen
Verbrennungsmotor gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Die
Zündkerze
hat eine rohrförmige
Einfassung 1 mit einem Gewinde 1a zum Montieren
an einen (nicht gezeigten) Verbrennungsmotorzylinderblock. Ein Isolator 2,
der aus einer Aluminiumoxydkeramik (Al2O3) hergestellt ist, ist in die Einfassung 1 eingepasst
und ein Endabschnitt 2b des Isolators 2 steht
aus der Einfassung 1 heraus.
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Eine
Mittelelektrode 3 ist in ein Durchgangsloch 2a des
Isolators 2 eingeführt
und damit befestigt. Die Mittelelektrode 3 besteht aus
einem säulenförmigen Hauptkörper, dessen
inneres Element aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist, der eine
gute thermische Leitfähigkeit
hat, wie zum Beispiel Kupfer, und dessen Außenelement aus einem Metallwerkstoff hergestellt
ist, der einen guten Wärmewiderstand und
Korrosionsfestigkeit hat, wie zum Beispiel eine Legierung auf Ni-Basis.
Der Isolator 2 umgibt einen Umfang der Mittelelektrode 3,
sodass ein führender Endabschnitt 3a der
Mittelelektrode 3 aus dem Endabschnitt 2b des
Isolators 2 heraussteht, wie in 1 gezeigt
ist. Eine Masseelektrode 4 besteht aus einem stielförmigen Körper, von
dem ein Ende 4a an dem Ende der Einfassung 1 durch
Schweißen
verbunden ist, und der insgesamt in einer L-förmigen Gestalt ausgebildet
ist. Ein Endabschnitt 4b, der entgegengesetzt zu dem Ende 4a der
Masseelektrode 4 ist, steht dem führenden Endabschnitt 3a der
Mittelelektrode 3 gegenüber,
um einen Funkenentladungsspalt 6 dazwischen auszubilden.
Die Masseelektrode 4 ist aus einem Metallwerkstoff hergestellt,
der einen guten Wärmewiderstand
und eine gute Korrosionsbeständigkeit
hat, wie zum Beispiel eine Legierung auf Nickelbasis.
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Im
Hinblick auf die Reduzierung des Funkenverbrauchs bzw. der Funkenabtragung
der Funkenentladungsabschnitte der Elektroden 3 und 4 sind Edelmetallstücke 51 und 52 mit
dem führenden
Endabschnitt 3a der Mittelelektrode 3 bzw. dem
führenden
Endabschnitt 4b der Masseelektrode 4 endgültig durch
Laserschweißen
verbunden und daran befestigt. Jedes der Edelmetallstücke 51 und 52 ist
zum Beispiel ein säulenförmiges Element
aus reinem Ir oder einer Ir-Legierung, die zumindest entweder Rh, Ru,
Pt oder Y2O3 enthält. Der
Funkenentladungsspalt 6 mit zum Beispiel 1 mm ist durch
einen Abstand zwischen den Edelmetallstücken 51 und 52 gebildet.
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Als
nächstes
wird ein Herstellungsverfahren der Zündkerze gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
hauptsächlich
im Hinblick auf ein Verfahren des Verbindens des Edelmetallstücks mit
der Mittel- oder Masseelektrode 3 oder 4 im Folgenden beschrieben,
und die Erklärung
hinsichtlich der Verfahren zur Herstellung der anderen Teile wird
weggelassen, da diese gut bekannt sind. Das Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren des provisorischen
Befestigens von zuerst dem Edelmetallstück 51 oder 52 an der
Mittel- oder Masseelektrode 3 oder 4 durch Widerstandsschweißen und
dann endgültiges
Verbindens derselben durch Laserschweißen. Eine Widerstandsschweißvorrichtung
und eine Laserschweißvorrichtung,
die sich weitgehend durchgesetzt haben, können verwendet werden.
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2 zeigt
schematisch ein Verfahren des provisorischen Befestigens des Stücks 51 an
der Mittelelektrode 3 durch Widerstandsschweißen. Ein
Verfahren des provisorischen Befestigens des Stücks 52 an der Masseelektrode 4,
deren Erklärung
weggelassen wird, ist dem in 2 gezeigten
Verfahren ähnlich.
Eine Ansicht an der linken Seite einer strichpunktierten Linie von 2 zeigt
einen Zustand bevor der Strom zum Widerstandsschweißen zugeführt wird
und eine Ansicht an der rechten Seite davon zeigt einen Zustand
nachdem der Strom zugeführt wurde.
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Wie
in 2 gezeigt ist, ist die Widerstandsschweißvorrichtung
mit einer oberen Elektrode 7 (erste Elektrode), einer unteren
Elektrode 8 (zweite Elektrode) und einer Energiequelle 9 zur
Erzeugung von Widerstandswärme
zwischen der oberen und der unteren Elektrode 7 und 8 vorgesehen.
Die obere und untere Elektrode 7 und 8 können das
Werkstück zwischen
den Elektroden 7 und 8 (das Edelmetallstück 51 und
die Mittelelektrode 3) in einer gegenüberliegenden Richtung der Elektroden 7 und 8 (nach oben
und unten in 2) pressen.
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Bei
einem ersten Schritt zum provisorischen Befestigen des Edelmetallstücks 51 an
der Mittelelektrode 3 wird das Edelmetallstück 51 an
die Mittelelektrode 3 gesetzt, um in Berührung mit
einer Schweißfläche des
führenden
Endabschnitts 3a der Mittelelektrode 3 zu gelangen,
während
die elektrische Leitfähigkeit
zwischen der Mittelelektrode 3 und der unteren Elektrode 8 hergestellt
wird und die elektrische Leitfähigkeit
zwischen dem Edelmetallstück 51 und
der oberen Elektrode 7 hergestellt wird. Dann führt die
Energiequelle 9 einen Strom zwischen der oberen und unteren
Elektrode 7 und 8 zu, während das Stück 51 in
Richtung des führenden
Endabschnitts 3a der Mittelelektrode 3 mit einer
Druckkraft gepresst wird (zum Beispiel 250 N). Ein Betrag des Stroms
wird geregelt (zum Beispiel im Bereich von mehreren hundert Ampere)
oder ein Stromzufuhrzeitraum wird geregelt (zum Beispiel im Bereich von
mehreren hundert Millisekunden). Als Ergebnis wird das Edelmetallstück 51 provisorisch
an dem führenden
Endabschnitt 3a der Mittelelektrode 3 befestigt.
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Wenn
das Stück 51 in
Richtung des führenden
Endabschnitts 3a der Mittelelektrode gepresst wird, wird
ein Teil des Stücks 51 in
den führenden
Endabschnitt 3a eingebettet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird ein Übergangsbewegungsbetrag
oder eine Bewegungsgeschwindigkeit der oberen Elektrode 7 (oder
ein Bewegungsbetrag oder eine Bewegungsgeschwindigkeit der unteren
Elektrode 8) gemessen, die einer Übergangseinbettungslänge oder
einer Einbettungsgeschwindigkeit des Stücks 51 an der Mittelelektrode 3 entspricht,
zum Beispiel durch ein Verschiebungsmessgerät, das in der oberen Elektrode 7 vorgesehen
ist, bevor die obere Elektrode 7 einen in 2 gezeigten
endgültigen
Bewegungsbetrag X erreicht, und gemäß dem Messergebnis wird der
Zeitraum oder der Betrag des Stroms, der zwischen den Elektroden 7 und 8 durch
die Energiequelle zugeführt wird,
eingestellt, damit die obere Elektrode 7 den Bewegungsbetrag
X genau erreicht, sodass die Einbettungslänge des Stücks 51 an der Mittelelektrode 3 gleichbleibend
gesteuert bzw. geregelt werden kann.
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Die
Einstellung des Zeitraums einer vorbestimmten Stromzufuhr kann ebenso
auf eine solche Weise durchgeführt
werden, dass die vorbestimmte Stromzufuhr fortgesetzt wird, bis
die obere Elektrode 7 den Bewegungsbetrag X erreicht hat,
was visuell oder unter Verwendung einer Televisionskamera erkannt
wird.
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3 zeigt
Ergebnisse von experimentellen Versuchen, die eine Abweichung der
Einbettungslänge
des Edelmetallstücks
an der Mittel- oder Masseelektrode zeigen. Der Versuch wurde an
einem säulenförmigen Edelmetallstück 51 durch
Zuführen
verschiedener Strombeträge
bei einer konstanten Druckkraft von 250 N, 500 A (☐-Darstellung),
300 A (⦁-Darstellung) oder 100 A (O-Darstellung) durchgeführt, dessen
Länge 0,85
mm und dessen Durchmesser 0,7 mm ist. Hinsichtlich jedes zugeführten Stroms ist
eine Beziehung zwischen dem Bewegungsbetrag X (mm) der oberen Elektrode 7,
welcher der Einbettungslänge
des Edelmetallstücks
entspricht, und dem Zeitraum der Stromzufuhr (ms) in 3 dargestellt.
Eine Probenanzahl jeder Kurve ist 20 und ein Schwankungsbetrag jeder
Kurve (ein Bereich, der durch entgegengesetzte Pfeile in 3 gezeigt
ist) beträgt
4 σ.
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Wenn,
wie in 3 gezeigt ist, die Schweißbedingung ständig gleichbleibend
ist, d. h., wenn der Stromzufuhrbetrag und der Stromzufuhrzeitraum nicht
gemäß dem Übergangseinbettungsbetrag
oder der Geschwindigkeit geregelt werden, ist die Schwankung des
endgültigen
Einbettungsbetrags des Edelmetallstücks an der Mittel- oder Masseelektrode
sehr groß in
jeder Kurve, wie mit den entgegengesetzten Pfeilen in 3 gezeigt
ist. Diese große Schwankung
des Einbettungsbetrages verursacht eine Schwankung des Aufbaus der
geschmolzenen Abschnitte, die schließlich durch Laserschweißen ausgebildet
werden.
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Wenn
jedoch der Stromzufuhrbetrag oder der Stromzufuhrzeitraum der Energiequelle 9 durch Betrachten
des Einbettungsbetrages des Edelmetallstücks an der Mittel- oder der
Masseelektrode, des Bewegungsbetrages der oberen oder unteren Elektrode 7 oder 8 in
einer Wirkungsrichtung der Druckkraft, während des Verlaufs des Widerstandsschweißvorgangs
geregelt wird, wie oben erwähnt ist,
so wird der endgültige
Einbettungsbetrag konstant und die Schwankung davon wird beschränkt.
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Nach
dem provisorischen Widerstandsschweißen, wie oben erwähnt ist,
wird das Laserschweißen
(zum Beispiel Schweißen
von acht Punkten) um einen Umfang des eingebetteten Abschnitts des
Edelmetallstücks 51 an
die Mittelelektrode 3 durchgeführt, um jeweilige Teile des
Edelmetallstücks 51 und
der Mittelelektrode 3 aufzuschmelzen.
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Dieses
Schweißverfahren
ist auch auf das Edelmetallstück 52 und
die Masseelektrode 4 anwendbar. Als ein erster Schritt
des Durchführens
des provisorischen Widerstandsschweißens wird das Edelmetallstück 52 an
die Masseelektrode 4 gesetzt, um in Berührung mit einer Schweißfläche des
führenden
Endabschnitts 4b der Masseelektrode 4 zu gelangen,
während
die elektrische Leitung zwischen der Mittelelektrode 3 und
der unteren Elektrode 8 hergestellt wird und die elektrische
Leitfähigkeit
zwischen dem Edelmetallstück 52 und
der oberen Elektrode 7 hergestellt wird. Dann wird die
Regelung des Stroms aus der Energiequelle 9 in ähnlicher
Weise wie in dem Fall des Schweißens des Stücks 51 an die Mittelelektrode 3 ausgeführt, um
das Widerstandsschweißen
fertigzustellen. Schließlich
wird das Laserschweißen
durchgeführt,
um das Stück 52 mit
der Masseelektrode 4 zu verbinden.
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Zusammenfassend
wird bei dem Herstellungsverfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung der Stromzufuhrbetrag oder der Stromzufuhrzeitraum des
provisorischen Widerstandsschweißens durch den Übergangsbewegungsbetrag
oder die Bewegungsgeschwindigkeit der oberen oder unteren Elektrode 7 oder 8 in
Richtung von deren Druckkraft geregelt, welche der Übergangseinbettungslänge oder
der Einbettungsgeschwindigkeit des Edelmetallstücks 51 oder 52 an der
Mittel- oder Masseelektrode 3 oder 4 entspricht. Entsprechend
kann eine sichere und gleichbleibende Einbettungslänge des
Edelmetallstücks 51 oder 52 an
der Mittel- oder Masseelektrode 51 oder 52 sichergestellt
werden, sodass der Aufbau des durch das endgültige Laserschweißen ausgebildeten
geschmolzenen Abschnitts einheitlich und gleichbleibend wird. Als
Ergebnis der Untersuchung wird des weiteren geschlossen, dass die
Einbettungslänge des
Edelmetallstücks 51 oder 52 an
der Mittel- oder Masseelektrode 51 oder 52 vorzugsweise
nicht größer als
0,1 mm ist, um eine ausreichende Verbindungsfestigkeit des geschmolzenen
Abschnitts sicherzustellen, der aus einer durch das Laserschweißen ausgebildeten
Legierung besteht. Die Mittel- und Masseelektrode 3 und 4 sind
mit den Edelmetallstücken 51 bzw. 52 gemäß dem oben
erwähnten
Ausführungsbeispiel
vorgesehen, wobei zumindest entweder die Elektrode 3 oder
die Elektrode 4 mit entweder einem Edelmetallstück 51 oder
einem Edelmetallstück 52 vorgesehen
werden kann. Des weiteren kann das Verbindungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung auf zumindest entweder die Mittelelektrode 3 oder
die Masseelektrode 4 angewendet werden, die mit den Edelmetallstücken 51 bzw. 52 vorgesehen
sind.
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Bei
dem Herstellungsverfahren der Zündkerze,
bei dem das Edelmetallstück 51, 52 provisorisch an
der Mittelelektrode oder der Masseelektrode 3, 4 durch
Widerstandsschweißen
befestigt wird und schließlich
mit der Mittel- oder Masseelektrode durch Laserschweißen verbunden
wird, wird der Stromzufuhrzeitraum des Widerstandsschweißens gemäß dem Übergangsbewegungsbetrag
der oberen oder unteren Elektrode 7, 8 der Widerstandsschweißvorrichtung
geregelt, welcher der Übergangseinbettungslänge des
Edelmetallstücks
an der Mittel- oder Masseelektrode entspricht, um den vorbestimmten endgültigen Einbettungsbetrag
des Edelmetallstücks an
der Mittel- oder Masseelektrode zu erzielen.