DE102004036738B4

DE102004036738B4 - Zündkerze mit laserverschweißtem Edelmetallplättchen und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102004036738B4
Application number: DE102004036738.8A
Authority: DE
Inventors: Tsunenobu Hori
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: US20050023949A1; FR2858477B1; JP4069826B2; JP2005050732A; US7306502B2; US20070128964A1; DE102004036738A1; FR2858477A1; US7199511B2; CN1585220A; CN100456585C

Abstract

Zündkerze (100) mit: einer Metallhülle (10); einer innerhalb der Metallhülle (10) befindlichen Mittelelektrode (30), deren Kopfabschnitt (31) aus der Metallhülle (10) vorragt und die ein mit dem Kopfabschnitt (31) laserverschweißtes Edelmetallplättchen (35) hat; einer Masseelektrode (40) mit einem ersten Endabschnitt (42), einem zweiten Endabschnitt (41) und einem Mittelabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Endabschnitt (42, 41), wobei der erste Endabschnitt (42) mit der Metallhülle (10) verschweißt ist, der zweite Endabschnitt (41) eine der Mittelelektrode (30) gegenüberliegende Oberfläche (43) hat, auf der ein Edelmetallplättchen (45) laserverschweißt ist, und der Mittelabschnitt so gebogen ist, dass das Edelmetallplättchen (45) über einen Funkenspalt (50) dem Edelmetallplättchen (35) der Mittelelektrode (30) zugewandt ist; und um eine Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen (45) und der der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) der Masseelektrode (40) herum ausgebildeten Schmelzabschnitten (44), die zwischen dem Edelmetallplättchen (45) und der Masseelektrode (40) Schweißstellen schaffen und durch Materialien der Masseelektrode (40) und des Edelmetallplättchens (45) gebildet sind, die durch das Abgeben von Laserstrahlen (LZ) um die Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen (45) und der der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) der Masseelektrode (40) herum zusammengeschmolzen sind, wobei das Edelmetallplättchen (45) der Masseelektrode (40) eine vorgegebene Länge (t) hat und von der der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) in Längsrichtung um 0,3 mm oder mehr zur Mittelelektrode (30) vorragt und, wenn eine senkrecht zur Länge des Edelmetallplättchens (45) der Masseelektrode (40) verlaufende, ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zündkerze, die in Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt werden kann, und insbesondere auf eine Zündkerze mit Edelmetallplättchen, die zur Gewährleistung einer höheren Haltbarkeit der Zündkerze und Zündfähigkeit eines gasförmigen Kraftstoffs durch ein neuartiges Laserschweißverfahren mit einer Mittel- und einer Masseelektrode verbunden sind, sowie auf ein Herstellungsverfahren dafür.
Zündkerzen für Kraftfahrzeugmotoren oder Gasmotoren sind typischerweise mit einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode ausgestattet. Die Mittelelektrode befindet sich innerhalb einer Metallhülle und hat eine außerhalb der Metallhülle freiliegende Spitze. Die Masseelektrode ist an einem ihrer Enden mit der Metallhülle verbunden und so gebogen, dass ihr anderes Ende über einen Funkenspalt der Mittelelektrode zugewandt ist. Um die Haltbarkeit der Zündkerzen und die Kraftstoffzündfähigkeit zu verbessern, sind in letzter Zeit Edelmetallplättchen aus Pt (Platin) oder Ir (Iridium) verwendet worden, die mit den einander über den Funkenspalt gegenüberliegenden Oberflächen der Mittel- und Masseelektrode laserverschweißt sind.
Die JP 2001-135456 A beschreibt ein herkömmliches Laserschweißverfahren, um die Edelmetallplättchen mit der Mittel- und Masseelektrode zu verbinden. Das Laserschweißen erfolgt, indem um die Gesamtumfänge der Grenzflächen zwischen den Edelmetallplättchen und der Mittel- und Masseelektrode Laserstrahlen mit Orientierungen abgegeben werden, die so orientiert sind, dass sie von der Metallhülle nicht störend optisch beeinflusst werden.
Das obige Laserschweißverfahren wird nun anhand von 27 genauer beschrieben.
Mit der Masseelektrode 40 ist ein Edelmetallplättchen 45 verschweißt. Die Masseelektrode 40 ist an ihrem einen Enden mit einer (nicht gezeigten) Metallhülle verschweißt.
Die Verschweißung des Edelmetallplättchens 45 mit der Masseelektrode 40 wird erreicht, indem Laserstrahlen LZ um eine Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und einer Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 herum abgegeben werden, um Schmelzabschnitte 44 (auch Schweißlinsen genannt) zu bilden.
In der Zeichnung steht θL für den Winkel zwischen der Seitenfläche 43 und der Orientierung jedes Laserstrahls LZ (im Folgenden auch als Abstrahlwinkel bezeichnet). In der folgenden Diskussion steht LZ auch für den Laserabstrahlweg, entlang dem die Laserstrahlen LZ abgestrahlt werden.
Das Abstrahlen der Laserstrahlen erfolgt, nachdem die Masseelektrode 40 mit der Metallhülle verschweißt wurde und bevor sie gebogen wird.
Wenn sich die Metallhülle in der Zeichnung auf der linken Seite des Edelmetallplättchens 45 befindet, muss der Abstrahlwinkel θL erhöht werden, um eine Behinderung der Laserstrahlen LZ durch die Metallhülle zu beseitigen, was die Laserstrahlen LZ an der Metallhülle vorbei zur Seitenfläche 43 gehen lässt. Der erhöhte Abstrahlwinkel θL führt jedoch zu einer geringeren Tiefe DW des durch den Laserstrahl LZ in die Masseelektrode 40 hineingeschmolzenen Abschnitts des Edelmetallplättchens 45 in Radiusrichtung des Edelmetallplättchens 45, was in der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 in der Masseelektrode 40 zu einer ungewünschten Zunahme des nicht aufgeschmolzenen Bereichs führt.
In modernen Motoren wird die Temperatur der Verbrennungsatmosphäre angehoben, um die abgegebene Leistung zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen zu verringern. In einem solchen Motor unterliegt die Zündkerze einer intensiven Hitze, so dass die Temperatur der Mittel- und Masseelektrode stark zunimmt. Die Elektroden unterliegen daher einer thermischen Belastung und Oxidation, die dazu führen kann, dass sich die Edelmetallplättchen von der Mittel- und Masseelektrode lösen. Dieses Problem ist bei der Masseelektrode besonders gravierend, da diese mehr als die Mittelelektrode der Verbrennungskammer des Motors ausgesetzt ist.
Wie in der oben angesprochenen Druckschrift offenbart ist, hat das Edelmetallplättchen 45 der Zündkerze eine verhältnismäßig kurze von der Seitenfläche 43 vorragende Länge t. Die Verkürzung der Länge t kann dazu führen, dass der Schmelzabschnitt 44 die Funkenabgabefläche 45a erreicht, was die Schmelzabschnitte 44 schneller als das Edelmetallplättchen 45 verschleißen lässt und schlimmstenfalls zu einer Ablösung des Edelmetallplättchens 45 von der Masseelektrode 40 führt.
Um die obigen Probleme zu vermeiden, schlägt die US 2002/0105254 A1 Laserschweißtechniken vor, bei denen der Abstrahlwinkel θL verringert wird, um die Schmelztiefe DW des Edelmetallplättchens 45 zu erhöhen. Genauer gesagt wird der Abstrahlwinkel θL soweit verringert, dass der Schmelzwinkel weniger als 60°C beträgt. Der Schmelzwinkel ist der Winkel, den die entlang der Maximaltiefe des Schmelzabschnitts 44 durch den Schmelzabschnitt 44 gehende Linie mit der Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 beschreibt. Dies führt zu einer geringeren Größe des nicht aufgeschmolzenen Abschnitts in der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40, wodurch die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 in einer Hochtemperaturverbrennungsatmosphäre sichergestellt wird.
Das in der letztgenannten Druckschrift beschriebene Laserschweißverfahren hat den Nachteil, dass die Metallhülle den Verlauf der Laserstrahlen behindert, was zu Schwierigkeiten beim Schweißen des Gesamtumfangs der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 führt. Die Zündkerze wird daher so zusammengesetzt, dass das Edelmetallplättchen 45 zunächst mit der Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 verschweißt wird und erst dann die Masseelektrode 40 mit der Metallhülle verschweißt wird. Ein solcher Montagevorgang hat jedoch eine geringere Produktivität zur Folge. Das auf der Masseelektrode 40 angebrachte Edelmetallplättchen 45 behindert nämlich das Verschweißen der Masseelektrode 40 mit der Metallhülle, was zu einer Erhöhung der Produktionskosten der Zündkerze führt. Im schlimmsten Fall kann das Edelmetallplättchen 45 beim Einspannen der Masseelektrode 40 brechen.
Darüber hinaus ist aus der DE 102 39 075 A1 eine Zündkerze gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7 bekannt.
Schließlich ist aus der DE 197 19 937 A1 eine Zündkerze bekannt, bei der das Edelmetallplättchen der Mittelelektrode aus einer Iridiumlegierung besteht, die als Zusatz Pt, Rh oder Ru enthalten kann, sowie eine Länge von 0,5 mm bis 2,0 mm und Querschnittsfläche von 0,2 mm² bis 1,2 mm² hat und bei der Edelmetallplättchen der Masseelektrode aus einer Legierung von 78Pt-20Ir-2Ni besteht sowie eine Länge von 0,3 mm und eine Querschnittsfläche von ungefähr 0,4 mm² hat.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau für eine Zündkerze, mit dem sich die Zuverlässigkeit einer Schweißstelle eines Edelmetallplättchens mit einer Masseelektrode verbessern lässt, ohne die Produktivität in Mitleidenschaft zu ziehen, und ein Herstellungsverfahren dafür zur Verfügung zu stellen.
Eine erste Ausgestaltung der Erfindung sieht hierzu eine Zündkerze gemäß Anspruch 1 vor.
Das Edelmetallplättchen der Masseelektrode hat eine vorgegebene Länge und ragt von der der Mittelelektrode gegenüberliegenden Oberfläche in Längsrichtung um 0,3 mm oder mehr zur Mittelelektrode vor.
Wenn eine Linie, die auf der Innenseite des Edelmetallplättchens der Masseelektrode durch die Mitte einer über die Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen und der der Mittelelektrode gegenüberliegenden Oberfläche der Masseelektrode verlaufenden Schnittfläche jedes Schmelzabschnitts verläuft, als Schmelzabschnitt-Schnittflächen-Mittellinie bezeichnet wird und ein Winkel, der von Linien beschrieben wird, die von dem Edelmetallplättchen auf der noch nicht gebogenen Masseelektrode, wie auf einer sich über die der Mittelelektrode gegenüberliegenden Oberfläche der Masseelektrode ausbreitenden Ebene definiert, zu sich in Breitenrichtung der Metallhülle gegenüberliegenden Kanten der Metallhülle verlaufen, mit θ1 bezeichnet wird, liegen die Schmelzabschnitt-Schnittflächen-Mittellinien außerhalb des Winkels θ1.
Wenn eine senkrecht zur Länge des Edelmetallplättchens der Masseelektrode verlaufende, am nächsten an den Schmelzabschnitten liegende Querschnittsfläche eines Abschnitts des Edelmetallplättchens der Masseelektrode mit A bezeichnet wird und eine über die Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen und der der Mittelelektrode gegenüberliegenden Oberfläche der Masseelektrode verlaufende Querschnittsfläche eines ungeschmolzenen Abschnitts des Edelmetallplättchens der Masseelektrode mit B bezeichnet wird, beträgt der prozentuale Schnittflächenanteil des ungeschmolzenen Abschnitts, der dem Verhältnis der Schnittfläche B zur Schnittfläche A entspricht, 50% oder weniger.
Der Winkel θ1 bildet einen Bereich, innerhalb dem die Metallhülle, nachdem die Masseelektrode auf der Metallhülle aufgebracht wurde und bevor die Masseelektrode gebogen wird, ein Hindernis für den Verlauf der Laserstrahlen darstellt. Die Laserstrahlen werden außerhalb des Winkels θ1 abgegeben, ohne durch die Metallhülle störend optisch beeinflusst zu werden. Dadurch lässt sich ungeachtet der Metallhülle der Winkel zwischen der Orientierung jedes Laserstrahls und der der Mittelelektrode gegenüberliegenden Oberfläche minimieren, wodurch in dem Edelmetallplättchen die gewünschte Tiefe der Schmelzabschnitte sichergestellt wird.
Es wurde experimentell festgestellt, dass bei einem Edelmetallplättchen mit einer Länge von 0,3 mm oder mehr, ein prozentualer Schnittflächenanteil des ungeschmolzenen Abschnitts von 50% oder weniger die gewünschte Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen und der Masseelektrode sicherstellt.
Wenn eine Linie, die durch die Mitte O einer Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens der Masseelektrode parallel zu einer längs laufenden Mittellinie der Masseelektrode verläuft, mit x bezeichnet wird, liegt mindestens einer der Schnittpunkte der beiden über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Schmelzabschnitt-Schnittflächen-Mittellinien mit der Linie x näher an dem ersten Endabschnitt der Masseelektrode als die Mitte O der Querschnittsfläche. Genauer gesagt sind die vielen Schmelzabschnitte um einen Abschnitt des Umfangs des Edelmetallplättchens herum ausgebildet, der nahe an der Metallhülle liegt. Dies führt zu einer kleineren Schnittfläche B des ungeschmolzenen Abschnitts des Edelmetallplättchens, wodurch die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen und der Masseelektrode erhöht wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Winkel θ2, den zwei über den Winkel θ1 hinweg benachbarte Schmelzabschnitt-Schnittflächen-Mittellinien miteinander beschreiben, größer als der Winkel θ1. Das bedeutet, dass sämtliche Schmelzabschnitt-Schnittflächen-Mittellinien außerhalb des Winkels θ1 liegen.
Das Edelmetallplättchen der Mittelelektrode besteht vorzugsweise aus einer Ir-Legierung mit 50 Gew.-% oder mehr Ir und das Edelmetallplättchen der Masseelektrode aus einer Pt-Legierung mit 50 Gew.-% Pt. Das Edelmetallplättchen der Masseelektrode unterliegt gewöhnlich einem stärkeren durch Oxidation/Verflüchtigung verursachten Verschleiß. Die Pt-Legierung hat eine höhere Beständigkeit gegenüber Oxidation und Verflüchtigung und ist daher als Material für das Edelmetallplättchen 45 geeignet. Dies führt zu einer deutlich höheren Lebensdauer der Zündkerze.
Wenn eine Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens der Mittelelektrode, die in senkrechter Richtung zu dessen Länge verläuft, mit A1 bezeichnet wird und eine Querschnittsfläche des Edelmetallplättchen der Masseelektrode, die in senkrechter Richtung zu dessen Länge verläuft, mit A2 bezeichnet wird, liegen die Schnittflächen A1 und A2 jeweils vorzugsweise zwischen 0,1 mm² und 1,15 mm². Wenn die Schnittflächen A1 und A2 kleiner als 0,1 mm² sind, hat dies eine starke Abnahme der Wärmeabstrahlung zur Folge, was zu einem beschleunigten Temperaturanstieg der Edelmetallplättchen führt. Dies hat einen übermäßigen Verschleiß der Edelmetallplättchen oder eine vorzeitige Zündung des Kraftstoffs zur Folge. Wenn die Schnittflächen A1 und A2 dagegen größer als 1,15 mm² sind, hat dies eine geringere Zündfähigkeit des Kraftstoffs zur Folge. Dies liegt daran, dass die Edelmetallplättchen den Flammenkern während seines Wachstums kühlen, so dass das Flammenkernwachstum verringert wird.
Die Edelmetallplättchen der Mittelelektrode und der Masseelektrode können jeweils aus einem Material bestehen, das als Zusatz Ir, Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Os, Al, Y oder Y₂O₃ enthält.
Es ist vorzuziehen, dass der prozentuale Schnittflächenanteil des ungeschmolzenen Abschnitts 30% oder weniger beträgt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Verfahren gemäß Anspruch 6 vor.
Wenn ein Winkel, der von Linien beschrieben wird, die von dem Edelmetallplättchen auf der noch nicht gebogenen Masseelektrode, wie auf einer sich über die der Mittelelektrode gegenüberliegenden Oberfläche der Masseelektrode ausbreitenden Ebene definiert, zu sich in Breitenrichtung der Metallhülle gegenüberliegenden Kanten der Metallhülle verlaufen, mit θ1 bezeichnet wird, befinden sich die Laserabstrahlwege, entlang denen die Laserstrahlen abgestrahlt werden, außerhalb des Winkels θ1.
Der Winkel θ1 bildet wie oben beschrieben einen Bereich, innerhalb dem die Metallhülle, nachdem die Masseelektrode auf der Metallhülle aufgebracht wurde und bevor die Masseelektrode gebogen wird, ein Hindernis für den Verlauf der Laserstrahlen darstellt. Die Laserstrahlen werden außerhalb des Winkels θ1 abgegeben, ohne durch die Metallhülle störend optisch beeinflusst zu werden. Dadurch lässt sich ungeachtet der Metallhülle der Winkel zwischen der Orientierung jedes Laserstrahls und der der Mittelelektrode gegenüberliegenden Oberfläche minimieren, wodurch in dem Edelmetallplättchen die gewünschte Tiefe der Schmelzabschnitte sichergestellt wird.
Wenn eine Linie, die sich durch Projektion jedes Laserabstrahlwegs auf eine über die der Mittelelektrode gegenüberliegende Oberfläche der noch nicht gebogenen Masseelektrode verlaufende Ebene ergibt, als Laserweg-Projektionslinie bezeichnet wird und eine Linie, die durch die Mitte O einer Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens der Masseelektrode parallel zu einer längs laufenden Mittellinie der Masseelektrode verläuft, mit x bezeichnet wird, werden die Laserstrahlen so abgestrahlt, dass mindestens einer der Schnittpunkte der beiden über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Laserweg-Projektionslinien mit der Linie x näher an dem ersten Endabschnitt der Masseelektrode liegt als die Mitte O der Querschnittsfläche.
Wenn eine Linie, die sich durch Projektion jedes Laserabstrahlwegs auf eine über die der Mittelelektrode gegenüberliegende Oberfläche der noch nicht gebogenen Masseelektrode verlaufende Ebene ergibt, als Laserweg-Projektionslinie bezeichnet wird, und ein Winkel θ3, den zwei über den Winkel θ1 hinweg benachbarte Laserweg-Projektionslinien miteinander beschreiben, mit θ3 bezeichnet wird, werden die Laserstrahlen vorzugsweise so abgestrahlt, dass der Winkel θ3 größer als der Winkel θ1 ist.
Das Edelmetallplättchen der Mittelelektrode wird vorzugsweise so gewählt, dass es aus einer Ir-Legierung mit 50 Gew.-% oder mehr Ir besteht, und das Edelmetallplättchen der Masseelektrode wird vorzugsweise so gewählt, dass es aus einer Pt-Legierung mit 50 Gew.-% Pt besteht.
Wenn eine Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens der Mittelelektrode, die in senkrechter Richtung zu dessen Länge verläuft, mit A1 bezeichnet wird und eine Querschnittsfläche des Edelmetallplättchen der Masseelektrode, die in senkrechter Richtung zu dessen Länge verläuft, mit A2 bezeichnet wird, werden die Edelmetallplättchen der Mittelelektrode und der Masseelektrode vorzugsweise so gewählt, dass die Schnittflächen A1 und A2 jeweils zwischen 0,1 mm² und 1,15 mm² liegen.
Die Edelmetallplättchen der Mittelelektrode und der Masseelektrode können jeweils so gewählt werden, dass sie aus einem Material bestehen, das als Zusatz Ir, Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Os, Al, Y oder Y₂O₃ enthält.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung und den zugehörigen Zeichnungen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese bestimmten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern diese dienen nur der Erläuterung und dem Verständnis.
Es zeigen:
1 im Teilschnitt eine Zündkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 vergrößert die Spitzen einer Masse- und einer Mittelelektrode der Zündkerze von 1;
3(a) in Seitenansicht ein Edelmetallplättchen, das gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel mit einer Masseelektrode verschweißt wird;
3(b) eine Draufsicht auf 3(a);
4(a) in Seitenansicht ein Edelmetallplättchen, das durch ein anderes Laserschweißen mit einer Masseelektrode verschweißt wird;
4(b) eine Draufsicht auf 4(a);
5(a) im Vertikalschnitt entlang der Linie B'-B' in 5(b) eine Schweißstelle zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode gemäß dem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel;
5(b) einen Querschnitt entlang der Linie A'-A' in 5(a);
6(a) im Vertikalschnitt entlang der Linie D-D in 6(b) einen Schweißstelle zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode, wenn die Schweißabschnitte die Funkenabgabefläche der Masseelektrode erreichen;
6(b) einen Querschnitt entlang der Linie C-C in 6(a);
7 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Länge eines Edelmetallplättchens auf einer Masseelektrode und dem prozentualen Anteil eines ungeschmolzenen Bereichs an einer Schweißstelle zwischen dem Edelmetallplättchen und der Masseelektrode;
8 vergrößert die Abmessungen von Laserschmelzabschnitten zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode;
9 als grafische Darstellung den Zusammenhang zwischen dem Ablöseanteil einer Grenzfläche zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode und einem Anteil an ungeschmolzener Schnittfläche;
10 in Draufsicht die Orientierung von auf ein Edelmetallplättchen abgegebenen Laserstrahl;
11(a) im Längsschnitt entlang der Linie F-F in 11(b) ein Edelmetallplättchen, das im Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Masseelektrode verschweißt wird;
11(b) einen Querschnitt entlang der Linie E-E in 11(a);
12 in grafischer Darstellung den Zusammenhang zwischen einem Laserweg-Projektionslinien-Abstand und der Plättchenbreite;
13(a) im Teilschnitt ein Grübchen in einer Schweißstelle zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode;
13(b) im Teilschnitt eine Schweißstelle zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode ohne Grübchen;
14(a) in Seitenansicht ein Edelmetallplättchen, das durch Laserstrahlen bei einer ersten Abwandlung des Ausführungsbeispiels mit einer Masseelektrode verschweißt wird;
14(b) eine Draufsicht auf 14(a);
14(c) eine Seitenansicht des Edelmetallplättchens von 14(a) nach dem Verschweißen mit der Masseelektrode;
14(d) eine Draufsicht auf 14(c);
15(a) in Seitenansicht ein Edelmetallplättchen, das durch Laserstrahlen bei einer zweiten Abwandlung des Ausführungsbeispiels mit einer Masseelektrode verschweißt wird;
15(b) eine Draufsicht auf 15(a);
15(c) eine Seitenansicht des Edelmetallplättchens von 15(a) nach dem Verschweißen mit der Masseelektrode;
15(d) eine Draufsicht auf 15(c);
16(a) in Seitenansicht ein Edelmetallplättchen, das durch Laserstrahlen bei einer abgewandelten Form des Ausführungsbeispiels mit einer Masseelektrode verschweißt wird;
16(b) eine Draufsicht auf 16(a);
16(c) in Seitenansicht das Edelmetallplättchen von 16(a) nach dem Verschweißen mit der Masseelektrode;
16(d) eine Draufsicht auf 16(c);
17(a) in Seitenansicht ein Edelmetallplättchen, das durch Laserstrahlen bei einer abgewandelten Form des nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels mit einer Masseelektrode verschweißt wird;
17(b) eine Draufsicht auf 17(a);
17(c) in Seitenansicht das Edelmetallplättchen von 17(a) nach dem Verschweißen mit der Masseelektrode;
17(d) eine Draufsicht auf 17(c);
18(a) in Seitenansicht ein Edelmetallplättchen, das durch Laserstrahlen bei einer abgewandelten Form des nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels mit einer Masseelektrode verschweißt wird;
18(b) eine Draufsicht auf 18(a);
18(c) in Seitenansicht das Edelmetallplättchen von 18(a) nach dem Verschweißen mit der Masseelektrode;
18(d) eine Draufsicht auf 18(c);
19(a) in Seitenansicht ein Edelmetallplättchen, das durch Laserstrahlen bei einer abgewandelten Form des nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels mit einer Masseelektrode verschweißt wird;
19(b) eine Draufsicht auf 19(a);
19(c) in Seitenansicht das Edelmetallplättchen von 19(a) nach dem Verschweißen mit der Masseelektrode;
19(d) eine Draufsicht auf 19(c);
20(a) in Seitenansicht ein Edelmetallplättchen, das durch Laserstrahlen bei einer abgewandelten Form des nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels mit einer Masseelektrode verschweißt wird;
20(b) eine Draufsicht auf 20(a);
20(c) in Seitenansicht das Edelmetallplättchen von 20(a) nach dem Verschweißen mit der Masseelektrode;
20(d) eine Draufsicht auf 20(c);
21 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Form des Laserschweißens;
22(a) eine Draufsicht auf eine abgewandelte Form einer Zündkerze gemäß dem Ausführungsbeispiel;
22(b) eine Draufsicht auf eine weitere abgewandelte Form einer Zündkerze gemäß dem Ausführungsbeispiel;
23 im Teilschnitt eine Abwandlung des Innenaufbaus einer Masseelektrode;
24 im Teilschnitt eine weitere Abwandlung des Innenaufbaus einer Masseelektrode;
25 im Teilschnitt eine weitere Abwandlung einer Masseelektrode;
26(a) als teilweise Seitendarstellung eine Abwandlung einer Zündkerze mit zusätzlichen Masseelektroden;
26(b) eine teilweise Seitendarstellung aus Richtung des Pfeils G in 26(a); und
27 im Teillängsschnitt eine durch herkömmliches Laserschweißen erzeugte Schweißstelle zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode.
BESCHREIBUNG DER BEISPIELE
In den Zeichnungen, in denen gleichen Bezugszahlen gleiche Teile in verschiedenen Ansichten bezeichnen, zeigt 1 eine Zündkerze 100, die in einem Verbrennungsmotor für Kraftfahrzeuge verwendet werden kann.
Die Zündkerze 100 enthält eine hohlzylinderförmige Metallhülle (d. h. ein Gehäuse) 10, einen Porzellanisolator 20, eine Mittelelektrode 30 und eine Masseelektrode 40. Die Metallhülle 10 besteht aus einem leitenden Stahl, etwa einem niedrig gekohlten Stahl, und weist in sich eingeschnitten ein Gewinde 11 zur Befestigung der Zündkerze 100 in einem Kerzenloch eines Motorkopfs auf, der Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors definiert. Der aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) bestehende Porzellanisolator 20 wird in der Metallhülle 10 gehalten und hat eine außerhalb der Metallhülle 10 freiliegende Spitze 21.
Die Mittelelektrode 30 ist in einer Zentralkammer 22 des Porzellanisolators 20 befestigt und elektrisch von der Metallhülle 10 isoliert. Die Mittelelektrode 30 hat eine aus der Spitze 21 des Porzellanisolators 20 vorragende Spitze 31. Die Mittelelektrode 30 wird von einem zylinderförmigen Bauteil gebildet, das sich aus einem Kernabschnitt und einem Außenabschnitt zusammensetzt, wobei der Kernabschnitt aus einem Metallmaterial wie Cu mit höherer Wärmeleitfähigkeit und der Außenabschnitt aus einem Metallmaterial wie einer Legierung auf Ni-Basis mit höherer Wärme- und Korrosionsbeständigkeit besteht.
Die Masseelektrode 40 besteht aus einem orthorhombischen Stab, der aus einer Ni-Legierung besteht, deren Hauptbestandteil Nickel ist, und der mit seinem Fuß 42 direkt mit einem Ende der Metallhülle 10 verschweißt ist. Wie deutlich in 2 gezeigt ist, ist die Masseelektrode 40 L-förmig gebogen, so dass sie eine Spitze 41 hat, die mit ihrer Innenfläche 43 über einen Funkenspalt 50 der Spitze 31 der Mittelelektrode 30 zugewandt ist.
Mit einer Endfläche der Spitze 31 der Mittelelektrode 30 und mit der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 ist jeweils durch Laserschweißen ein Edelmetallplättchen 35 bzw. 45 verbunden. Die Laserschweißung hat die Bildung von Schmelzabschnitten 34 und 44 zur Folge. Die Schmelzabschnitte 34 werden jeweils von miteinander verschmolzenen Materialien der Mittelelektrode 30 und des Edelmetallplättchens 35 gebildet. Entsprechend werden die Schmelzabschnitte 44 jeweils von miteinander verschmolzenen Materialien der Masseelektrode 40 und des Edelmetallplättchens 45 gebildet.
Die Edelmetallplättchen 35 und 45 werden jeweils durch ein zylinderförmiges Bauteil gebildet und sind an ihrem Ende mit der Mittel- bzw. Masseelektrode 30 und 40 laserverschweißt. Die Edelmetallplättchen 35 und 45 sind an einer längs laufenden Mittellinie C der Zündkerze 100 ausgerichtet. Der Funkenspalt 50 ist durch den Abstand zwischen den Plättchen 35 und 45 definiert, der beispielsweise 1 mm beträgt.
Die Plättchen 35 und 45 bestehen jeweils aus einem Edelmetall wie Pt, einer Pt-Legierung, Ir oder einer Ir-Legierung. So kann zum Beispiel eine Legierung eingesetzt werden, die als Zusatz Ir (Iridium), Pt (Platin), Rh (Rhodium), Ni (Nickel), W (Wolfram), Pd (Palladium), Ru (Ruthenium), Os (Osmium), Al (Aluminium), Y (Yttrium) und/oder Y₂O₃ (Diyttriumtrioxid bzw. Yttriumoxid) enthält.
In dem Ausführungsbeispiel wird als Edelmetallplättchen 35 der Mittelelektrode 30 vorzugsweise ein Plättchen verwendet, das aus einer 50 Gew.-% Ir enthaltenden Ir-Legierung besteht und in der senkrecht zu der längs laufenden Mittellinie C (d. h. der Länge des Plättchens 35) verlaufenden Richtung eine Querschnittsfläche A1 von 0,1 mm² bis 1,15 mm² hat.
In dem Ausführungsbeispiel wird als Edelmetallplättchen 45 der Masseelektrode 40 vorzugsweise ein Plättchen verwendet, das aus einer 50 Gew.-% Pt enthaltenden Pt-Legierung besteht und in der zur längs laufenden Mittellinie C (d. h. der Länge des Plättchens 45) senkrechten Richtung eine Querschnittsfläche A2 von 0,1 mm² bis 1,15 mm² hat.
Der Überstand oder die längs laufende Länge t des Masseelektrodenplättchens 45, das wie in 2 dargestellt von der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 zur Mittelelektrode 30 vorragt, beträgt 0,3 mm oder mehr.
PLÄTTCHENVERBINDUNG
Die Zündkerze 100 umfasst also die Mittelelektrode 30, die so in der Metallhülle 10 gehalten wird, dass die Spitze 31 außerhalb der Metallhülle 10 frei liegt, und bei der das zylinderförmige Edelmetallplättchen 35 mit der Spitze 31 laserverschweißt ist, und die Masseelektrode 40, die am Fuß 42 mit der Metallhülle 10 verschweißt ist, die in ihrer Mitte so gebogen ist, dass die Spitze 41 der Mittelelektrode 30 über den Funkenspalt 50 zugewandt ist, und bei der das zylinderförmige Edelmetallplättchen 45 mit der Spitze 41 laserverschweißt ist.
Die Zündkerze 100 kann auf bekannte Weise angefertigt werden, wobei die Verbindung des Edelmetallplättchens 45 mit der Spitze 43 der Masseelektrode 40 unter Verwendung der im Folgenden beschriebenen, nicht zur Erfindung gehörenden Laserschweißtechnik erfolgen kann.
Zuerst wird das Edelmetallplättchen 35 mit der Spitze 31 der Mittelelektrode 30 laserverschweißt. Die Mittelelektrode 30 wird dann in die Zentralkammer 22 des Porzellanisolators 20 eingeführt und mit diesem beispielsweise durch eine Glasschmelze verbunden, wodurch die Mittelelektrode 30 und der Porzellanisolator 20 vereint werden. Als nächstes wird die Masseelektrode 40 am Fuß 42 mit dem Ende der Metallhülle 10 verschweißt, wonach der Aufbau aus der Mittelelektrode 30 und dem Porzellanisolator 20 in die Metallhülle 10 eingeführt wird. Die Metallhülle 10 wird dann gequetscht, um sie mit dem Porzellanisolator 20 zu vereinen.
Nach dem Verschweißen mit der Metallhülle 10 ist die Masseelektrode 40 zwischen dem Fuß 42 und der Spitze 41 immer noch gerade, ohne wie in den 1 und 2 dargestellt gebogen zu sein. Nach dem Einbau des Porzellanisolators 20 in der Metallhülle 10 und vor dem Biegen der Masselelektrode 40 wird das Edelmetallplättchen 45 auf die Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 gesetzt und mit dieser unter Verwendung der im Folgenden beschriebenen Laserschweißtechnik verschweißt. Danach wird die Masseelektrode 40 gebogen, bis der Funkenspalt 50 einen gewünschten Wert erreicht, wodurch die Zündkerze 100 fertiggestellt wird.
Die 3(a) und 3(b) stellen dar, wie das Edelmetallplättchen 45 in diesem Beispiel durch das Laserschweißen mit der Masseelektrode 40 verbunden wird.
Die 4(a) und 4(b) zeigen als Vergleichsbeispiel eine andere Laserschweißtechnik zum Verbinden des Edelmetallplättchens 45 mit der Masseelektrode 40. Die 3(b) und 4(b) entsprechen jeweils Draufsichten auf die 3(a) und 4(a).
In den Fällen der 3(a) und 3(b) und der 4(a) und 4(b) wird das Edelmetallplättchen 45 jeweils nach dem Verschweißen der Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 mit seinem einen Ende auf die Innenfläche 43 der gerade verlaufenden Masseelektrode 40 gesetzt. Anschließend werden auf eine Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Innenfläche 43 Laserstrahlen LZ aufgestrahlt, um Kontaktabschnitte des Edelmetallplättchens 45 und der Masseelektrode 40 aufzuschmelzen. Dies hat, wie in 2 gezeigt ist, die Bildung von Schmelzabschnitten 44 (auch Schweißlinsen genannt) zur Folge, die sich aus den miteinander verschmolzenen Materialien des Plättchens 45 und der Masseelektrode 40 zusammensetzen.
In den 3(a) und 4(a) bezeichnet θL den Winkel, den der Weg, entlang dem die Laserstrahlen LZ verlaufen (nachstehend auch als Laserabstrahlweg bezeichnet), mit der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 beschreibt. Der Winkel θL wird im Folgenden auch als Abstrahlwinkel bezeichnet. In der folgenden Diskussion werden die Symbole ”LZ” sowohl für die Laserstrahlen selbst wie auch für die Laserabstrahlwege verwendet.
In 3(b) wird der Winkel, den die von der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 der Masseelektrode 40 zu den Seitenkanten der Metallhülle 10 verlaufenden Strichellinien auf der Projektionsebene beschreiben, die sich über die Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 ausbreitet, mit θ1 bezeichnet.
Wie deutlich in 3(b) dargestellt ist, sind die Abstrahlwege LZ außerhalb des Winkels θ1 definiert. Die Laserstrahlen LZ werden also außerhalb des Winkels θ1 auf die Grenzfläche des Edelmetallplättchens 43 mit der Masseelektrode 40 abgegeben. Dies ist ein wesentliches Merkmal beim Verbinden des Edelmetallplättchens 45 mit der Masseelektrode 40 gemäß diesem Beispiel.
Mit anderen Worten stellt der Winkel θ1 einen Behinderungsbereich dar, in dem die Metallhülle 10 den Verlauf der Laserstrahlen LZ behindert, wenn die gerade verlaufende Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 verschweißt ist. Dadurch, dass die Abstrahlwege LZ außerhalb des Winkels θ1 definiert sind, können die Laserstrahlen LZ auf das Edelmetallplättchen 45 abgegeben werden, ohne durch die Metallhülle 10 störend optisch beeinflusst zu werden. Dies erlaubt es, den Abstrahlwinkel θL, den die Abstrahlwege LZ mit der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 beschreiben, ungeachtet der Metallhülle 10 zu minimieren. Dadurch lässt sich auch die Tiefe eines Abschnitts (d. h. einer Schweißlinse) des Edelmetallplättchens 45 maximieren, der durch das Laserschweißen in der Masseelektrode 40 in Radiusrichtung des Edelmetallplättchens 45 aufgeschmolzen wird.
Wie in den 4(a) und 4(b) dargestellt ist, werden bei dem anderen Laserschweißen die Laserstrahlen LZ um den Umfang des Edelmetallplättchens 45 herum in gleichmäßigen Abständen abgegeben. 4(b) stellt den Fall dar, dass acht Laserstrahlen LZ in einem Abstand von 45° abgegeben werden, wobei sich einer der Laserstrahlen LZ innerhalb des Winkels θ1 befindet. Dies hat zur Folge, dass der Abstrahlwinkel θL erhöht werden muss, damit der Laserstrahl LZ innerhalb des Winkels θ1 an der Metallhülle 10 vorbei auf das Edelmetallplättchen 45 abgegeben werden kann.
Wenn der Winkel, den die von der Außenkante der Metallhülle 10 zur Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 verlaufende Linie mit der Innenfläche 43 beschreibt, wie in 4(a) dargestellt mit θ bezeichnet wird, wird demnach bei dem anderen Laserschweißen der Abstrahlwinkel θL größer als der Winkel θ (d. h. θL > θ) eingestellt, damit die Laserstrahlen LZ an der Metallhülle 10 vorbei auf die Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 abgegeben werden können. Wie in 3(a) gezeigt ist, erlaubt dagegen das Laserschweißen gemäß dem Beispiel, dass der Abstrahlwinkel θL kleiner als der Winkel θ ist, was die gewünschte Tiefe des Abschnitts (d. h. der Schweißlinse) des Edelmetallplättchens 45 sicherstellt, der jeweils durch die Laserstrahlen LZ in der Masseelektrode 40 in Radiusrichtung des Edelmetallplättchens 45 aufgeschmolzen wird.
Das Laserschweißen gemäß dem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel wird im Folgenden ausführlicher erläutert.
Wenn eine Linie, die sich durch Projektion der Laserabstrahlwege LZ auf eine über die Innenfläche 43 der noch nicht gebogenen Masseelektrode 40 verlaufende Ebene ergibt, als Laserweg-Projektionslinie LZ bezeichnet wird, ist der Winkel θ3, den die beiden benachbarten Laserweg-Projektionslinien LZa und LZb der Laserweg-Projektionslinien LZ beschreiben, die wie in 3(b) gezeigt am nächsten an der Metallhülle 10 liegen, größer als der Winkel θ1 eingestellt. Dies erlaubt es, die Laserstrahlen LZ auf das Edelmetallplättchen 45 mit einem Abstrahlwinkel θ1 von beispielsweise 20° abzugeben, der kleiner als der Winkel θ ist, wodurch sich, wie bereits beschrieben wurde, die Tiefe des Abschnitts des Edelmetallplättchens 45 maximieren lässt, der jeweils durch die Laserstrahlen LZ in der Masseelektrode 40 in Radiusrichtung des Edelmetallplättchens 45 aufgeschmolzen wird. Dies hat auf der Grenzfläche des Edelmetallplättchens 45 und der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 einen kleineren ungeschmolzenen Bereich zur Folge, was die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 verbessert.
Die 3(a) und 3(b) zeigen zwar ein bestimmtes Beispiel für das Laserschweißen, doch können die Anzahl der verwendeten Laserstrahlen LZ und die Art und Weise, mit der die Laserstrahlen LZ abgegeben werden, bei Bedarf wie unten beschrieben geändert werden.
Die Laserstrahlen LZ können beispielsweise nacheinander aus der gleichen Richtung auf das Edelmetallplättchen 45 abgestrahlt werden, während der Aufbau aus der Masseelektrode 40 und der Metallhülle 10 auf einem Tisch um die längs laufende Mittellinie des Edelmetallplättchens 45 gedreht wird. Wahlweise können die Laserstrahlen LZ auch aus verschiedenen Richtungen auf das feststehende Edelmetallplättchen 45 abgestrahlt werden.
Wie aus der obigen Diskussion hervorgeht, erlaubt das Laserschweißverfahren gemäß diesem Beispiel es, das Edelmetallplättchen 45 mit der bereits mit der Metallhülle 10 verbundenen Masseelektrode 40 zu verschweißen, ohne die Zuverlässigkeit der Schweißstelle des Edelmetallplättchens 45 mit der Masseelektrode 40 zu beeinträchtigen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, das Edelmetallplättchen 45 mit der Masseelektrode 40 zu verschweißen, bevor die Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 verbunden wird.
SCHWEISSSTELLENAUFBAU MASSEELEKTRODENPLÄTTCHEN
Unter Bezugnahme auf die 5(a) und 5(b) folgt nun eine genauere Beschreibung des Schweißstellenaufbaus des Edelmetallplättchens 45, der durch das oben beschriebene Laserschweißverfahren erzeugt wird.
5(a) zeigt einen Vertikalschnitt entlang der Linie B'-B' in 5(b) und 5(b) einen Querschnitt entlang der Linie A'-A' in 5(a).
5(b) zeigt die über eine Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 verlaufende Schnittfläche. Die Strichellinien bezeichnen die Profile von Abschnitten des Edelmetallplättchens 45 und der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40, bevor sie durch das Laserschweißen miteinander verschmolzen wurden.
In der folgenden Diskussion werden die Strichpunktlinien in 5(b), die durch die Mitten der entlang der geschweißten Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 verlaufenden Schnittflächen der Schmelzabschnitte 44 (d. h. der Schweißlinsen) verlaufen und zur Innenseite des Edelmetallplättchens 45 orientiert sind, jeweils als Schweißlinsen-Mittellinie bezeichnet. In dem Beispiel von 5(b) haben die Schmelzabschnitte 44 jeweils einen ellipsenförmigen Querschnitt. Die Schweißlinsen-Mittellinien fallen daher jeweils mit der langen Achse der Ellipse zusammen.
Die Schweißlinsen-Mittellinien verlaufen jeweils entlang der entsprechenden Laserweg-Projektionslinie LZ, die in 3(b) dargestellt ist. Die Orientierung der Schweißlinsen-Mittellinien ist also im Großen und Ganzen identisch mit der der Laserweg-Projektionslinien LZ. Mit anderen Worten haben die Laserweg-Projektionslinien LZ in 3(b) das gleiche Layout wie die Schweißlinsen-Mittellinien in 5(b).
Die oben beschriebenen Laserabstrahlwege LZ liegen außerhalb des Winkelbereichs θ1 in 3(b), der auf der Seite des Fußes 42 der Masseelektrode 40 definiert ist. Daher liegen auch die Schweißlinsen-Mittellinien außerhalb des Winkelbereichs θ1.
Der Winkel θ3, den die beiden benachbarten Projektionslinien LZa und LZb der in 3(b) gezeigten Projektionslinien LZ beschreiben, die am nächsten an der Metallhülle 10 liegen, ist wie gesagt größer als der Winkel θ1. Der Winkel θ2, den die beiden benachbarten Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b der in 5(b) gezeigten Schweißlinsen-Mittellinien 46 beschreiben, die am nächsten an der Metallhülle 10 liegen, ist daher ebenfalls größer als der Winkel θ1. Im Beispiel von 5(b) ist der Winkel θ2 im Großen und Ganzen identisch zum Winkel θ3.
Es gibt also keine Schweißlinsen-Mittellinie zwischen den beiden über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Schweißlinsen-Mittellinien. Im Beispiel von 5(b) sind die sieben Schweißlinsen-Mittellinien außerhalb des Winkelbereichs θ1 angeordnet.
Die Anordnung der Abstrahlwege LZ außerhalb des Winkels θ1 erlaubt es daher, die Laserstrahlen LZ ohne eine störende optische Beeinträchtigung durch die Metallhülle 10 auf das Edelmetallplättchen 45 abzugeben.
Die längs laufende Länge t des von der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 vorragenden Masseelektrodenplättchens 45 beträgt 0,3 mm oder mehr.
In der folgenden Diskussion wird die Querschnittsfläche des am nächsten an den Schmelzabschnitten 44 liegenden Abschnitts des Edelmetallplättchens 45 wie in 5(a) gezeigt mit A bezeichnet (nachstehend auch als zum Schmelzabschnitt nächste Schnittfläche bezeichnet). Auf der Grenzfläche des Edelmetallplättchens 45 mit der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 (d. h. auf der A'-A'-Schnittfläche) gibt es, wie deutlich in 5(b) gezeigt ist, einen ungeschmolzenen Abschnitt, der dem Abschnitt des Edelmetallplättchens 45 entspricht, der nicht mit der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 verschmolzen ist. Die Schnittfläche des ungeschmolzenen Abschnitts wird mit B bezeichnet.
In diesem Beispiel beträgt der Anteil C (nachstehend auch als ungeschmolzener Schnittflächenanteil bezeichnet) der Schnittfläche B des ungeschmolzenen Abschnitts innerhalb des durch die Strichellinie in 5(b) bezeichneten Bereichs der zum Schmelzabschnitt nächsten Schnittfläche A des Edelmetallplättchens 45 50% oder weniger, vorzugsweise 30% oder weniger (d. h. C = 100B/A% ≤ 50%).
Es wurde festgestellt, dass die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen der Masseelektrode 40 und dem eine längs laufende Länge t von 0,3 mm oder mehr aufweisenden Edelmetallplättchen 45 sichergestellt wird, wenn der Schmelzabschnitt 44 eine Größe hat, die einen ungeschmolzenen Schnittflächenanteil C von 50% oder weniger zur Folge hat. Die Grundlagen dafür werden später unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Der gewünschte Wert für die längs laufende Länge t ergibt sich durch die Wahl der Länge des Edelmetallplättchens 45 vor dem Verschweißen mit der Masseelektrode 40. Der gewünschte Wert für den Anteil ungeschmolzener Schnittfläche C kann durch Wahl der Abstrahlbedingungen der Laserstrahlen LZ erreicht werden.
Die Verbindungsstelle des Edelmetallplättchens 45 mit der Masseelektrode 40 wird in der Praxis dadurch erzielt, dass das Edelmetallplättchen 45 nach dem Verschweißen der Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 durch Widerstandsschweißen an der Innenfläche 43 angeheftet wird und die Laserstrahlen LZ dann um die Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Innenfläche 43 herum unter den folgenden drei Bedingungen abgegeben werden.
Die erste Bedingung ist die, dass die Laserabstrahlwege LZ außerhalb des Winkels θ1 liegen, den die in 3(b) dargestellten Strichellinien beschreiben, die von der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 der Masseelektrode 40 zu den Seitenkanten der Metallhülle 10 auf der sich über die Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 ausbreitenden Projektionsebene verlaufen.
Die zweite Bedingung ist die, dass die längs laufende Länge t des von der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 vorragenden Edelmetallplättchens 45 0,3 mm oder mehr beträgt. Dies kann durch die Verwendung eines Edelmetallplättchens erreicht werden, dessen Ausgangslänge 3 mm oder mehr beträgt.
Die dritte Bedingung ist die, dass der Anteil ungeschmolzener Schnittfläche C, der dem Anteil der Schnittfläche B des ungeschmolzenen Abschnitts innerhalb des Bereichs der zum Schmelzabschnitt nächsten Schnittfläche A des Edelmetallplättchens 45 entspricht, 50% oder weniger beträgt.
Der Grund dafür, dass die längs laufende Länge t des von der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 vorragenden Edelmetallplättchens 45 auf mindestens 0,3 mm eingestellt wird, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 6(a) und 6(b) beschrieben.
6(a) zeigt im Längsschnitt entlang der Linie D-D in 6(b) den Innenaufbau der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 für den Fall, dass die Schmelzabschnitte 44 bis zur Funkenabgabefläche 45a (d. h. der oberen Endfläche) des Edelmetallplättchens 45 reichen, die dem Edelmetallplättchen 35 der Mittelelektrode 30 zugewandt ist. 6(b) zeigt im Querschnitt entlang der Linie C-C in 6(a) die Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40. In den 6(a) und 6(b) geben die Strichellinien die Profile des Edelmetallplättchens 45 und der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 an, bevor sie miteinander verschweißt wurden.
Die Funkenabgabefläche 45a hat einen ungeschmolzenen Bereich 45b, der nicht die Schmelzabschnitte 44 einschließt, d. h. der nicht dem Laserschweißen unterlegen ist. Die Schmelzabschnitte 44 sind gewöhnlich gegenüber Funken empfindlicher als der ungeschmolzene Abschnitt des Edelmetallplättchens 45, was eine Verringerung ihrer Verschleißbeständigkeit zur Folge hat. Wenn die Schmelzabschnitte daher zumindest einen Teil der Funkenabgabefläche 45a belegen, hat dies zur Folge, dass die Schmelzabschnitte 44 stärker als der ungeschmolzene Abschnitt des Edelmetallplättchens 45 abgetragen werden, was schlimmstenfalls ein Abfallen des Edelmetallplättchens 45 zur Folge hat. Es ist daher ratsam, dass der ungeschmolzene Bereich 45b die gesamte Funkenabgabefläche 45a belegt. Mit anderen Worten beträgt der Flächenanteil des ungeschmolzenen Bereichs 45b innerhalb der Funkenabgabefläche 45a vor dem Laserverschweißen des Edelmetallplättchens 45 mit der Masseelektrode 40 (= [(Fläche des ungeschmolzenen Bereichs 45b)/(Fläche der Funkenabgabefläche 45a vor dem Laserschweißen)] × 100) vorzugsweise 100%. Dieser Flächenanteil wird im Folgenden auch als Anteil ungeschmolzener Fläche bezeichnet.
7 zeigt in einer grafischen Darstellung den Zusammenhang zwischen der längs laufenden Länge t des Edelmetallplättchens 45 und dem Anteil ungeschmolzener Fläche, der auf die folgende Weise experimentell ermittelt wurde.
Es wurden zwei Arten Zündkerzenmuster angefertigt. Die erste Art Zündkerzenmuster wurde dem Laserschweißen unter den Bedingungen dieses Ausführungsbeispiels unterzogen, wobei der Winkel θL kleiner als der Winkel θ1 war. Diese Muster sind in der Grafik durch schwarze Punkte gekennzeichnet. Die zweite Art Zündkerzenmuster wurde dem herkömmlichen Laserschweißen unterzogen, wobei der Winkel θL größer als der Winkel θ1 war. Diese Muster sind in der Grafik durch weiße Punkte gekennzeichnet.
Die Grafik in 7 zeigt, dass bei der ersten wie auch der zweiten Art Zündkerzenmuster der Anteil ungeschmolzener Fläche mit zunehmender längs laufender Länge t des Edelmetallplättchens 45 zunimmt, was eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit des Edelmetallplättchens 45 zur Folge hat, und dass die zweite Art Zündkerzenmuster, die dem herkömmlichen Laserschweißen unterzogen wurde, einen Anteil ungeschmolzener Fläche von 100% zeigt, wenn die längs laufende Länge t 0,6 mm oder mehr beträgt, während die erste Art Zündkerzenmuster, die dem Laserschweißen dieses Ausführungsbeispiels unterzogen wurde, einen Anteil ungeschmolzener Fläche von 100% zeigt, wenn die längs laufende Länge t 0,3 mm oder mehr beträgt.
Wenn der Anteil ungeschmolzener Fläche 100% beträgt, d. h. wenn die Schmelzabschnitte 44 nicht die Funkenabgabefläche 45a belegen, hat das Edelmetallplättchen 45 eine maximale Verschleißbeständigkeit. Es ist daher im Hinblick auf die Verschleißbeständigkeit vorzuziehen, dass die zweite Art Zündkerzenmuster, die dem herkömmlichen Laserschweißen unterzogen wurde, eine längs laufende Länge t von 0,6 oder mehr hat, während die erste Art Zündkerzenmuster, die dem Laserschweißen gemäß diesem Ausführungsbeispiel unterzogen wurde, eine längs laufende Länge t von 0,3 mm oder mehr hat.
Es wurde festgestellt, dass die Zündkerze 100 dieses Beispiels bei kürzerer längs laufender Länge t eine höhere Verschleißbeständigkeit als die herkömmlichen Zündkerzen hat. Eine größere längs laufende Länge t hat höhere Produktionskosten der Zündkerze 100 zur Folge. Das Laserschweißen gemäß dem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel ist daher im Hinblick auf die Verschleißbeständigkeit und die Produktionskosten vorzuziehen.
Aus den obigen Gründen hat das Edelmetallplättchen 45 der Zündkerze 100 eine längs laufende Länge t von 0,3 mm oder mehr.
Es wird nun der Grund beschrieben, warum der Anteil ungeschmolzener Schnittfläche C auf kleiner oder gleich 50% eingestellt wird.
Es wurden Zündkerzenmuster mit verschiedenen Abmessungen der Schweißstellen zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 angefertigt, um mit diesen unter Verwendung eines Sechszylindermotors mit 2000 ccm Hubraum Haltbarkeitsversuche durchzuführen.
Die Zündkerzenmuster wurden jeweils im Motor eingebaut, wobei der Motor erst eine Minute im Leerlauf und dann eine Minute bei Höchstgeschwindigkeit mit 6000 U/min laufen gelassen wurde. Dieser Zyklus wurde 100 Stunden lang wiederholt. Nach den Haltbarkeitsversuchen wurde die Haltbarkeit der Zündkerzenmuster auf die unten beschriebene Weise im Hinblick auf den Anteil eines abgelösten Abschnitts der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und jedem Schmelzabschnitt 44 (nachstehend auch als Plättchen/Schmelzabschnitt-Ablöseanteil bezeichnet) und den Anteil eines abgelösten Abschnitts der Grenzfläche zwischen jedem Schmelzabschnitt 44 und der Masseelektrode 40 (nachstehend auch als Schmelzabschnitt/Elektrode-Ablöseanteil bezeichnet) ermittelt.
Der Plättchen/Schmelzabschnitt-Ablöseanteil wird durch {(b1 + b2/(a1 + a2)} × 100(%) ausgedrückt. Der Schmelzabschnitt/Elektrode-Ablöseanteil wird durch {(d1 + d2)/(c1 + c2)} × 100(%) ausgedrückt. Wie in 8 gezeigt ist, bezeichnen a1 und a2 die Längen der Grenzflächen zwischen den Schmelzabschnitten 44 und dem Edelmetallplättchen 45 und c1 und c2 die Längen der Grenzflächen zwischen den Schmelzabschnitten 44 und der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40. b1, b2, d1 und d2 bezeichnen jeweils die Längen der abgelösten Abschnitte der Grenzflächen. Die Längen und Formen der abgelösten Abschnitte können mit Hilfe eines metallografischen Mikroskops untersucht werden. Der größere Wert des Plättchen/Schmelzabschnitt-Ablöseanteils und des Schmelzabschnitt/Elektrode-Ablöseanteils wurde dann als Ablöseanteil gewählt, um die Haltbarkeit oder Verbindungsfestigkeit der Schweißstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 jedes Zündkerzenmusters zu ermitteln.
9 zeigt die Auswirkungen des Anteils ungeschmolzener Schnittfläche C und des Ablöseanteils auf die mechanische Festigkeit der Schweißstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40. Das bei den Zündkerzenmustern verwendete Edelmetallplättchen 45 entsprach jeweils einem zylinderförmigen Bauteil aus einer Pt-Legierung, das einen Durchmesser von 0,7 mm mit einer wie in 5(a) gezeigten zum Schmelzabschnitt nächsten Schnittfläche A = 0,38 mm² und einer Länge von 0,8 mm hatte. Die Masseelektrode 40 bestand aus einer Legierung auf Ni-Basis wie Inconel^TM und hatte eine Breite von 2,8 mm und eine Dicke von 1,6 mm. Der in 3(a) dargestellte Laserabgabewinkel θL betrug 20°C.
In der Grafik von 9 gibt die Ordinatenachse den Ablöseanteil (%) und die Abszissenachse den Anteil ungeschmolzener Schnittfläche C wieder. Für jeden Wert des Anteils ungeschmolzener Schnittfläche C wurden vier Zündkerzenmuster verwendet.
Die Grafik zeigt, dass der Ablöseanteil umso geringer ist, je kleiner der Anteil ungeschmolzener Schnittfläche C ist, und dass der Ablöseanteil 30% oder weniger beträgt und die Schwankung des Ablöseanteils gering ist, wenn der Anteil ungeschmolzener Schnittfläche C 50% oder weniger beträgt. Es ist daher ersichtlich, dass die Zündkerzenmuster, bei denen der Anteil ungeschmolzener Schnittfläche C 50% oder weniger betrug, eine hervorragende Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 in der Masseelektrode 40 hatten.
Die Grafik zeigt außerdem, dass der Ablöseanteil plötzlich stark zunimmt und auch die Schwankung des Ablöseanteils groß wird, was eine starke Abnahme der Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 in der Masseelektrode 40 zur Folge hat, wenn der Anteil ungeschmolzener Schnittfläche C mehr als 50% beträgt. Dies liegt daran, dass eine große Querschnittsfläche des ungeschmolzenen Abschnitts des Edelmetallplättchens 45 die Funktion der Schmelzabschnitte 44 als Absorber für thermische Belastungen untergräbt.
Die besonderen Merkmale dieses Beispiels lassen sich wie folgt zusammenfassen: Bei der Zündkerze 100 sind die Edelmetallplättchen 35 und 45 mit den gegenüberliegenden Oberflächen 31 und 43 der Mittelelektrode 30 und der Masseelektrode 40 laserverschweißt. Die längs laufende Länge t des von der Oberfläche 43 der Masseelektrode 40 vorragenden Edelmetallplättchens 45 beträgt 0,3 mm oder mehr. Die Verbindungsstelle des Edelmetallplättchens 45 mit der Masseelektrode 40 wird dadurch erzielt, dass Laserstrahlen auf die Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und die Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 abgegeben werden, so dass sich die Schmelzabschnitte 44 (d. h. die Schweißlinsen) bilden. Die Schweißlinsen-Mittellinien 46 liegen außerhalb des Winkels θ1, den die in 3(b) dargestellten Strichellinien, die von der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 der Masseelektrode 40 zu den Seitenkanten der Metallhülle 10 verlaufen, auf der sich über die Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 ausbreitenden Projektionsebene beschreiben. Der Anteil ungeschmolzener Schnittfläche C beträgt 50% oder weniger. Der Winkel θ2, den die beiden benachbarten Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b der in 5(b) gezeigten Schweißlinsen-Mittellinien beschreiben, die am nächsten an der Metallhülle 10 liegen, ist größer als der Winkel θ1.
Die Verbindungsstelle des Edelmetallplättchens 45 wird im Einzelnen dadurch erzielt, dass das Edelmetallplättchen 45 zunächst an der Innenfläche 43 angeheftet wird und die Laserstrahlen um die Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Innenfläche 43 abgegeben werden, bevor die Masseelektrode dann im rechten Winkel gebogen wird, um den Funkenspalt 50 zwischen den Edelmetallplättchen 35 und 45 zu bilden. Die Laserabstrahlwege LZ, entlang denen die Laserstrahlen verlaufen, liegen außerhalb des Winkels θ1. Der Winkel θ3, den die beiden benachbarten Projektionslinien LZa und LZb der in 3(b) gezeigten Projektionslinien LZ beschreiben, die am nächsten an der Metallhülle 10 liegen, ist größer als der Winkel θ1. Das auf diese Weise erfolgende Laserschweißverfahren erlaubt es, die Laserstrahlen ohne störende optische Beeinträchtigung durch die Metallhülle 10 abzugeben und erzielt die gewünschte Tiefe des Abschnitts des Edelmetallplättchens 45, der durch die Laserstrahlen in der Masseelektrode 40 aufgeschmolzen wird.
Die längs laufende Länge t des von der Oberfläche 43 der Masseelektrode 40 vorragenden Edelmetallplättchens 45 beträgt wie gesagt 0,3 mm oder mehr und der Anteil ungeschmolzener Schnittfläche C 50% oder weniger. Dies stellt die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 sicher.
Das Laserschweißen gemäß diesem Beispiel erfolgt, nachdem die Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 verbunden wurde und bevor sie gebogen wird, um den Funkenspalt 50 zu bilden, was die Produktivität bei der Herstellung der Zündkerze 100 erhöht und die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle des Edelmetallplättchens 45 mit der Masseelektrode 40 verbessert.
Das Edelmetallplättchen 35 der Mittelelektrode 30 besteht wie gesagt aus einer 50 Gew.-% Ir enthaltenden Ir-Legierung und das Plättchen 45 der Masseelektrode 40 aus einer 50 Gew.-% Pt enthaltenden Pt-Legierung. Das Edelmetallplättchen 35 hat in der zur längs laufenden Mittellinie C in 1 senkrechten Richtung vorzugsweise eine Querschnittsfläche A1 von 0,1 mm² bis 1,15 mm². Entsprechend hat das Plättchen 45 der Masseelektrode 40 in der zur längs laufenden Mittellinie C senkrechten Richtung vorzugsweise eine Querschnittsfläche A2 von 0,1 mm² bis 1,15 mm². der Grund dafür wird im Folgenden beschrieben.
Das Edelmetallplättchen 35 der Mittelelektrode 30 unterliegt gewöhnlich aufgrund der sich innerhalb des Funkenspalts 50 entwickelnden Funken einem größeren Verschleiß. Die Ir-Legierung hat einen höheren Schmelzpunkt und wird daher als Material für das Edelmetallplättchen 35 verwendet.
Das Edelmetallplättchen 45 der Masseelektrode 40 unterliegt gewöhnlich einem größeren durch Oxidation/Verflüchtigung verursachten Verschleiß. Die Pt-Legierung ist beständiger gegenüber Oxidation und Verflüchtigung und wird daher als Material für das Edelmetallplättchen 45 verwendet. Dies führt zu einer stark erhöhten Lebensdauer der Zündkerze 100.
Wenn die Querschnittsflächen A1 und A2 der Edelmetallplättchen 35 und 45 weniger als 0,1 mm² betragen, hat dies eine starke Abnahme der Wärmeabgabe zur Folge, was zu einer beschleunigten Temperaturerhöhung der Plättchen 35 und 45 führt. Dies hat einen übermäßigen Verschleiß der Plättchen 35 und 45 oder eine vorzeitige Zündung des Kraftstoffs zur Folge. Wenn die Querschnittsflächen A1 und A2 der Edelmetallplättchen 35 und 45 dagegen mehr als 1,15 mm² betragen, hat dies eine verringerte Zündfähigkeit des Kraftstoffs zur Folge. Dies liegt daran, dass die Edelmetallplättchen 35 und 45 den Flammenkern während seines Wachstums abkühlen, was das Flammenkernwachstum verringert.
Die Plättchen 35 und 45 enthalten wie gesagt vorzugsweise als Zusatz Ir (Iridium), Pt (Platin), Rh (Rhodium), Ni (Nickel), W (Wolfram), Pd (Palladium), Ru (Ruthenium), Os (Osmium), Al (Aluminium), Y (Yttrium) und/oder Y₂O₃ (Diyttriumtrioxid oder Yttriumoxid). Die Verwendung solcher Zusätze steigert die Verschleißbeständigkeit und mechanische Festigkeit der Edelmetallplättchen 35 und 45 und verringert daher das Ausmaß an Brüchen oder Rissen, wenn sie intensiver Hitze ausgesetzt werden.
Es wird nun das Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, mit dem sich die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 weiter verbessern lässt. Dieselben Bezugszeichen wie in dem obigen, nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel bezeichnen dieselben Teile, weswegen auf ihre ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
10 zeigt in Draufsicht das Edelmetallplättchen 45, das auf die Innenfläche 43 der noch nicht gebogenen Masseelektrode 40 gesetzt wird und dem Laserschweißen gemäß dem Ausführungsbeispiel unterzogen wird.
In der Zeichnung bezeichnet ”LZ” wie bei dem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel den Laserabstrahlweg, entlang dem der Laserstrahl verläuft, wie auch die Laserweg-Projektionslinie, die durch die Projektion des Laserabstrahlwegs auf eine sich über die Innenfläche 43 der noch nicht gebogenen Masseelektrode 40 ausbreitende Ebene definiert ist. ”O” bezeichnet die Mitte der Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens 45 der Masseelektrode 40. ”x” bezeichnet die Linie, die parallel zu der längs laufenden Mittellinie der Masseelektrode 40 zwischen dem Fuß 42 und der Spitze 41 durch die Mitte O verläuft. Und ”y” bezeichnet die Linie, die senkrecht zu der Linie x durch die Mitte O verläuft.
Das Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest einer der Schnittpunkte der beiden benachbarten Laserweg-Projektionslinien LZa und LZb der außerhalb des Winkels θ1 liegenden Laserweg-Projektionslinien mit der Linie x auf der die längs laufende Mittellinie des Edelmetallplättchens 45 querenden Ebene näher als die Mitte O an dem Fuß 42 der Masseelektrode 40 liegt.
In dem Beispiel von 10 liegt der Schnittpunkt der Laserweg-Projektionslinie LZb mit der Linie x näher als die Mitte O an der Metallhülle 10 (d. h. dem Fuß 42 der Masseelektrode 40).
Das Laserschweißen gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird auf die folgende Weise durchgeführt. Zuerst wird der Aufbau aus der Masseelektrode 40 mit dem Edelmetallplättchen 45 und der Metallhülle 10 angefertigt und um die längs laufende Mittellinie des Edelmetallplättchens 45 gedreht. Als nächstes werden nacheinander entlang der Laserabstrahlwege LZ, die den sieben Laserweg-Projektionslinien LZ außer der Linie LZb entsprechen, zur Mitte O Laserstrahlen abgegeben. Schließlich wird der Aufbau in der zum letzten der Laserabstrahlwege LZ senkrechten Richtung bewegt, um die Laserweg-Projektionslinie LZb zu definieren, die auf der sich über den Querschnitt des Edelmetallplättchens 45 ausbreitenden Ebene zur Mitte O orientiert ist. Der Laserstrahl wird entlang dem mit der Laserweg-Projektionslinie LZb zusammenfallenden Laserabstrahlweg LZ abgegeben.
Die 11(a) und 11(b) zeigen die Schmelzabschnitte 44 (d. h. die Schweißlinsen), die durch dieses Laserschweißverfahren gebildet werden. 11(a) zeigt einen Vertikalschnitt entlang der Linie F-F in 11(b) und 11(b) einen Querschnitt entlang der Linie E-E in 11(a).
Wie sich aus den Zeichnungen ergibt, liegt mindestens einer der Schnittpunkte der beiden über den Winkel θ1 benachbarten Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b mit der Linie x auf der Ebene, die die längs laufende Mittellinie des senkrecht zur Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 verlaufenden Edelmetallplättchens 45 quert, näher an dem Fuß 42 der Masseelektrode 40 als die Mitte O.
Und zwar befindet sich der Schnittpunkt K1 der in 11(b) unteren Schweißlinsen-Mittellinie 46b der Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b mit der Linie x näher an der Metallhülle 10 als die Mitte O. Mit anderen Worten liegt der Schnittpunkt K1 als die Mitte O näher an dem Fuß 42 der Masseelektrode 40.
Das Laserschweißverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel dient dazu, verglichen mit dem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel um einen nahe am Fuß 42 der Masseelektrode 40 gelegenen Umfangsabschnitt des Edelmetallplättchens 45 herum mehr Schmelzabschnitte 44 zu bilden. Dies hat eine Abnahme der Schnittfläche B des ungeschmolzenen Abschnitts des Edelmetallplättchens 45 zur Folge, was die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 erhöht.
Die größere Breite des Edelmetallplättchens 45 in den zu den Laserweg-Projektionslinien LZa und LZb senkrechten Richtungen wird wie in 10 gezeigt mit D2 bezeichnet. Der Abstand zwischen der einen der Laserweg-Projektionslinien LZa und LZb (d. h. die Linie LZb in 10), die näher an dem Fuß 42 der Masseelektrode 40 liegt, und der parallel zu der Laserweg-Projektionslinie LZb durch die Mitte O verlaufenden Linie wird mit L2 bezeichnet. Um die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 zu verbessern, ist der Abstand L2 vorzugsweise höchstens 0,5-mal so groß wie die Breite D2. Dies lässt sich leicht durch Einstellen der Strecke erreichen, mit dem der Aufbau aus der Masseelektrode 40 in der Metallhülle 10 entlang der Linie x bewegt wird.
Unter Bezugnahme auf die 11(a) und 11(b) wird nun die Schweißstelle des Edelmetallplättchens 45 mit der Masseelektrode 40 beschrieben, die durch das die obigen Abmessungserfordernisse erfüllende Laserschweißen erzielt wird.
In 11(b) wird die größere der Breiten des Edelmetallplättchens 45 in den zu den über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b senkrechten Richtungen mit D1 bezeichnet. Bevor die Zündkerze benutzt wird, ist die Funkenabgabefläche 45a des Edelmetallplättchens 45 noch keinem Verschleiß ausgesetzt. Die Breite D1 ist daher identisch mit der Breite D2.
Der Abstand zwischen der näher an dem Fuß 42 der Masseelektrode 40 gelegenen Mittellinie 46b der in 11(b) gezeigten Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b und der parallel zu der Schweißlinsen-Mittellinie 46b durch die Mitte O verlaufenden Linie wird mit L1 bezeichnet. Die Schweißlinsen-Mittellinien 46 fallen zweidimensional mit den Laserabstrahlwegen LZ zusammen. Der Abstand L1 ist daher mit dem Abstand L2 identisch und ist höchstens 0,5-mal so groß wie die Breite D1.
Das Laserschweißverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel, bei dem durch Abgabe eines Laserstrahls der Schmelzabschnitt 44 gebildet wird, der auf der das Edelmetallplättchen 45 querenden Ebene entlang der näher an dem Fuß 42 der Masseelektrode 40 liegenden Projektionslinie der Laserweg-Projektionslinien LZa und LZb verläuft, dient dazu, eine Aussparung oder ein Schweißgrübchen zu minimieren, das entlang der mit der Laserweg-Projektionslinie LZb zusammenfallenden Schweißlinsen-Mittellinie in dem Schmelzabschnitt 44 gebildet wird. Wenn der Abstand L1 (L2) mehr als 0,5-mal so groß wie die Breite D1 (D2) ist, wird der Laserstrahl LZ nämlich auf einen Umfangsabschnitt des Edelmetallplättchens 45 mit geringerem Volumen abgegeben, so dass er leicht aufschmelzen und verschwinden kann.
Es wurden wie unten erläutert Untersuchungen durchgeführt und dabei vorteilhafte Wirkungen festgestellt, die sich durch die obigen Abmessungserfordernisse ergeben, wenn der Abstand L1 (L2) höchstens 0,5-mal so groß wie die Breite D1 (D2) ist.
Wie in 12 gezeigt ist, wurde der Zusammenhang zwischen der Breite D2 des Edelmetallplättchens 45 und dem Abstand L2 zwischen der näher an dem Fuß 42 der Masseelektrode 40 liegenden Laserweg-Projektionslinie LZa, LZb und der parallel zu dieser Laserweg-Projektionslinie LZa, LZb durch die Mitte O verlaufenden Linie untersucht. Jeder Eintrag ”O” steht für ein Zündkerzenmuster, bei dem in dem Schmelzabschnitt 44 das oben beschriebene Schweißgrübchen nicht erzeugt wurde, weswegen sich die gewünschte Schweißstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 ergab. Jeder Eintrag ”x” bezeichnet ein Zündkerzenmuster, bei dem in dem Schmelzabschnitt ein Schweißgrübchen erzeugt wurde. Die durchgezogene Linie gibt an, wenn der Abstand L2 halb so groß wie die Breite D2 ist.
Ein Beispiel für das Schweißgrübchen ist in 13a mit 44a bezeichnet. 13b zeigt Schmelzabschnitte 44 ohne Schweißgrübchen. Die Bildung des Schweißgrübchens 44a hat eine Abnahme der Festigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 wie auch eine schlechtere Qualität des Erscheinungsbilds zur Folge.
Die Grafik in 12 zeigt, dass sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sich in dem Schmelzabschnitt 44 ein Schweißgrübchen 44a bildet, wenn der Abstand L2 mehr als 0,5-mal so groß wie die Breite D2 des Edelmetallplättchens 45 ist. Es wurde also festgestellt, dass durch einen Abstand L2, der höchstens 0,5-mal so groß wie die Breite D2 des Edelmetallplättchens 45 ist (d. h. L2 ≤ 0,5 D2), die Bildung des Schweißgrübchens 44a vermieden wird, was die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 und die Qualität des Erscheinungsbilds sicherstellt.
Dabei ist zu beachten, dass die Laserabstrahlwege LZ im Großen und Ganzen mit den Schweißlinsen-Mittellinien 46 zusammenfallen, weswegen es ratsam ist, dass der Abstand L1 zwischen der einen der in 11(b) gezeigten Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b, die näher an dem Fuß 42 der Masseelektrode 40 liegt, und der parallel zu der einen der Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b durch die Mitte O verlaufenden Linie und der Breite D1 des Edelmetallplättchens 45 der Gleiche wie der zwischen dem Abstand L2 und der Breite D2 ist.
Wie sich aus der obigen Diskussion ergibt, zeichnet sich das Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass die Orientierung mindestens einer der über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Laserweg-Projektionslinien LZa und LZb von der Mitte O des Edelmetallplättchens 45 weg zum Fuß 42 der Masseelektrode 40 hin verschoben ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist es vorzuziehen, dass das Edelmetallplättchen 35 der Mittelelektrode 30 aus einer 50 Gew.-% Ir enthaltenden Ir-Legierung besteht, das Plättchen 45 der Masseelektrode 40 aus einer 50 Gew.-% Pt enthaltenden Pt-Legierung besteht, das Edelmetallplättchen 35 eine Querschnittsfläche A1 von 0,1 mm² bis 1,15 mm² hat und das Plättchen 45 der Masseelektrode 40 eine Querschnittsfläche A2 von 0,1 mm² bis 1,15 mm² hat.
Es ist ebenfalls vorzuziehen, dass die Plättchen 35 und 45 jeweils als Zusatz Ir (Iridium), Pt (Platin), Rh (Rhodium), Ni (Nickel), W (Wolfram), Pd (Palladium), Ru (Ruthenium), Os (Osmium), Al (Aluminium), Y (Yttrium) und/oder Y₂O₃ (Diyttriumtrioxid oder Yttriumoxid) enthalten.
Die 14(a) bis 14(d) zeigen eine erste Abwandlung des Ausführungsbeispiels und die 15(a) bis 15(d) eine zweite Abwandlung des Ausführungsbeispiels.
Bei der ersten und zweiten Abwandlung sind, wie die 14(b) und 15(b) zeigen, jeweils die Schnittpunkte der über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Laserweg-Projektionslinien LZa und LZb mit der Linie x, die parallel zu der längs laufenden Mittellinie der Masseelektrode 40 zwischen dem Fuß 42 und der Spitze 41 durch die Mitte O verläuft, näher als die Mitte O an dem Fuß 42 definiert. Wie die 14(d) und 15(d) zeigen führt dies dazu, dass die beiden Schnittpunkte der über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b mit der Linie x näher als die Mitte O an dem Fuß 42 der Masseelektrode 40 liegen.
Bei der dargestellten ersten und zweiten Abwandlung schneiden sich jeweils die Laserweg-Projektionslinien LZa und LZb (die Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b) mit der Linie x am selben Punkt K1 doch können sie sich mit der Linie x wahlweise auch an verschiedenen Stellen schneiden.
Wie in den 15(a) bis 15(d) dargestellt ist, beträgt der Winkel θ3, den die über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Laserweg-Projektionslinien LZa und LZb miteinander beschreiben, und der Winkel θ2, den die über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Schweißlinsen-Mittellinien 46a und 46b miteinander beschreiben, bei der zweiten Abwandlung 180°, doch können sie auch jedem anderen Winkel entsprechen.
Unter Bezugnahme auf die 16(a) bis 20(d) werden nun Abwandlungen entweder des nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels oder des Ausführungsbeispiels beschrieben.
Die 16(a) bis 16(d) zeigen eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels.
In dem dargestellten Beispiel sind die Winkelabstände zwischen den Laserweg-Projektionslinien LZ nicht gleichmäßig. Der Winkelabstand zwischen jeder der über den Winkel θ3 hinweg benachbarten Laserweg-Projektionslinien LZa und LZb und der damit benachbarten Laserweg-Projektionslinie LZ beträgt 30°. Die anderen Winkelabstände betragen 45°. Das Layout der Schweißlinsenachsen 46 ist in 16(d) dargestellt.
Die 17(a) bis 17(d) zeigen eine Abwandlung des nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels.
In der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 ist eine ringförmige Vertiefung 43a ausgebildet, in die das Edelmetallplättchen 45 eingepasst wird. Nachdem das Edelmetallplättchen 45 in der Vertiefung 43a eingebaut wurde, werden Laserstrahlen LZ abgegeben, um das Edelmetallplättchen 45 und die Masseelektrode 40 miteinander zu verschweißen.
Das Edelmetallplättchen 45 besteht in den obigen Beispielen aus einem zylinderförmigen Bauteil mit gleichmäßigem Durchmesser, doch kann es auch einen sich ändernden Durchmesser haben oder sich, wie in den 18(a) bis 18(d) dargestellt ist, aus Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers mit einer Schulter oder mehreren Schultern zusammensetzen.
In den 18(a) bis 18(d) hat das Edelmetallplättchen 45 eine Nietenform. Genauer gesagt hat das Edelmetallplättchen 45 einen Boden großen Durchmessers (d. h. einen Flansch), der auf die Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 gesetzt wird, wonach die Laserstrahlen LZ um die Grenzfläche des Bodens großen Durchmessers mit der Innenfläche 43 herum abgegeben werden.
Wie in den 19(a) bis 19(d) dargestellt ist, kann auf der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 ein ringförmiger Ansatz 43b ausgebildet sein, auf den das Edelmetallplättchen 45 gesetzt wird.
Wie aus der obigen Diskussion hervorgeht, hat das Edelmetallplättchen 45 zwar einen kreisförmigen Querschnitt, doch kann es wahlweise auch eine andere Querschnittsform haben, etwa die eines Quadrats, Dreiecks oder Ovals. Die 20(a) bis 20(d) zeigen ein Edelmetallplättchen 45, das aus einem viereckigen Stab gefertigt ist.
Die Anzahl der Laserstrahlen LZ, die zum Verbinden des Edelmetallplättchens 45 mit der Masseelektrode 40 verwendet werden, der Winkel zwischen den Laserstrahlen LZ und der Innenfläche 43 des Edelmetallplättchens 45 und die Orientierung der Laserstrahlen LZ des Edelmetallplättchens 45 können abhängig von der Größe und/oder Form des Edelmetallplättchens 45 geändert werden.
Bei dem oben beschriebenen Laserschweißen sind die Abstrahlwinkel θL, wie in 3a gezeigt ist, die die Wege, entlang denen die Laserstrahlen LZ verlaufen, mit der Innenfläche 43 der Masseelektrode 40 beschreiben, gleichmäßig, doch können sie auch voneinander verschieden sein. So können die Abstrahlwinkel θL beispielsweise als eine Funktion der Orientierung der abzugebenden Laserstrahlen LZ geändert werden.
Bei den obigen Beispielen wird das Edelmetallplättchen 45 mit der Masseelektrode 40 laserverschweißt, nachdem der Porzellanisolator 20, mit dem die Mittelelektrode 30 verbunden ist, in der Metallhülle 10 eingebaut wurde, mit der die Masseelektrode 40 verschweißt ist, doch kann dies wahlweise auch wie in 21 geschehen, bevor die Metallhülle 10 und der Porzellanisolator 20 zusammengebaut werden. Erst wird die Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 verschweißt, woraufhin das Edelmetallplättchen 45 mit der Masseelektrode 40 verschweißt wird. Anschließend wird der Porzellanisolator 20, in dem bereits die Mittelelektrode 30 eingebaut ist, in die Metallhülle 10 eingepasst.
Die 22(a) und 22(b) zeigen abgewandelte Formen der Masseelektrode 40, die so geformt ist, dass die thermische Belastung an der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 abnimmt.
Bei der Form von 22(a) verjüngt sich die Masseelektrode 40 zu ihrer Spitze 41 hin. Mit anderen Worten nimmt die Breite der Masseelektrode 40 allmählich zur Spitze 41 ab. Bei der Form von 22(b) hat die Masseelektrode eine Schulter 73, um einen Kopfabschnitt kleinerer Breite 75 zu bilden, auf dem das Edelmetallplättchen 45 verschweißt ist. Solche Geometrien dienen dazu, die auf die Masseelektrode 40 wirkende thermische Belastung zu verringern, so dass die sich ergebende Schädigung der Schweißstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 minimiert wird.
Die 23 und 24 zeigen abgewandelte Formen der Masseelektrode 40 mit einem Innenaufbau, der dazu geeignet ist, die thermische Belastung einer Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen und der Masseelektrode 40 zu senken. Genauer gesagt hat die Masseelektrode 40 in den 23 und 24 jeweils ein Kernbauteil 70 mit größerer Wärmeleitfähigkeit als das Basismaterial (z. B. eine Ni-Legierung), wodurch die Temperatur der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 in der Masseelektrode 40 stärker abnimmt.
Das Kernbauteil 70 von 23 ist aus einer aus Cu bestehenden Einzelschicht gebildet, während das Kernbauteil 70 von 24 aus einem Verbund einer Cu-Schicht und einer Ni-Schicht (z. B. eine Ni-Kaschierung) gebildet ist.
25 zeigt eine abgewandelte Form der Masseelektrode 40, die schräg zur längs laufenden Mittellinie C der Zündkerze 100 (siehe 1) gebogen ist. Diese Anordnung erlaubt es, die Länge der Masseelektrode 40 zu verringern, wodurch der Temperaturanstieg der Masseelektrode 40 und damit auch die thermische Belastung an der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 gesenkt wird.
Die 26(a) und 26(b) zeigen eine abgewandelte Form der Zündkerze 100, die zusätzliche Nebenelektroden 60 hat, die mit der Metallhülle 10 verschweißt sind. Wie deutlich in 26(b) gezeigt ist, liegen die Nebenelektroden 60 einander über die Spitze 21 des Porzellanisolators 20 hinweg genau gegenüber und dienen dazu, an der Oberfläche des Porzellanisolators 20 anhaftenden Kohlenstoff abzubrennen, der bei einem Glimmen der Zündkerze 100 auftritt. Die Verwendung der Nebenelektroden 60 hat demnach eine bessere Beständigkeit gegenüber dem Glimmen der Zündkerze 100 zur Folge.

Claims

Zündkerze (100) mit: einer Metallhülle (10); einer innerhalb der Metallhülle (10) befindlichen Mittelelektrode (30), deren Kopfabschnitt (31) aus der Metallhülle (10) vorragt und die ein mit dem Kopfabschnitt (31) laserverschweißtes Edelmetallplättchen (35) hat; einer Masseelektrode (40) mit einem ersten Endabschnitt (42), einem zweiten Endabschnitt (41) und einem Mittelabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Endabschnitt (42, 41), wobei der erste Endabschnitt (42) mit der Metallhülle (10) verschweißt ist, der zweite Endabschnitt (41) eine der Mittelelektrode (30) gegenüberliegende Oberfläche (43) hat, auf der ein Edelmetallplättchen (45) laserverschweißt ist, und der Mittelabschnitt so gebogen ist, dass das Edelmetallplättchen (45) über einen Funkenspalt (50) dem Edelmetallplättchen (35) der Mittelelektrode (30) zugewandt ist; und um eine Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen (45) und der der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) der Masseelektrode (40) herum ausgebildeten Schmelzabschnitten (44), die zwischen dem Edelmetallplättchen (45) und der Masseelektrode (40) Schweißstellen schaffen und durch Materialien der Masseelektrode (40) und des Edelmetallplättchens (45) gebildet sind, die durch das Abgeben von Laserstrahlen (LZ) um die Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen (45) und der der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) der Masseelektrode (40) herum zusammengeschmolzen sind, wobei das Edelmetallplättchen (45) der Masseelektrode (40) eine vorgegebene Länge (t) hat und von der der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) in Längsrichtung um 0,3 mm oder mehr zur Mittelelektrode (30) vorragt und, wenn eine senkrecht zur Länge des Edelmetallplättchens (45) der Masseelektrode (40) verlaufende, am nächsten an den Schmelzabschnitten (44) liegende Querschnittsfläche eines Abschnitts des Edelmetallplättchens (45) der Masseelektrode (40) mit A bezeichnet wird und eine über die Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen (45) und der der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) der Masseelektrode (40) verlaufende Querschnittsfläche eines ungeschmolzenen Abschnitts des Edelmetallplättchens (45) der Masseelektrode (40) mit B bezeichnet wird, der prozentuale Schnittflächenanteil des ungeschmolzenen Abschnitts, der dem Verhältnis der Schnittfläche B zur Schnittfläche A entspricht, 50% oder weniger beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Linie, die auf der Innenseite des Edelmetallplättchens (45) der Masseelektrode (40) durch die Mitte einer über die Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen (45) und der der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) der Masseelektrode (40) verlaufenden Schnittfläche jedes Schmelzabschnitts (44) verläuft, als Schmelzabschnitt-Schnittflächen-Mittellinie (46) bezeichnet wird und ein Winkel, der von Linien beschrieben wird, die von dem Edelmetallplättchen (45) auf der noch nicht gebogenen Masseelektrode (40), wie auf einer sich über die der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) der Masseelektrode (40) ausbreitenden Ebene definiert, zu sich in Breitenrichtung der Metallhülle (10) gegenüberliegenden Kanten der Metallhülle verlaufen, mit θ1 bezeichnet wird, die Schmelzabschnitt-Schnittflächen-Mittellinien (46) außerhalb des Winkels θ1 liegen und, wenn eine Linie, die durch die Mitte O einer Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens (45) der Masseelektrode (40) parallel zu einer längs laufenden Mittellinie der Masseelektrode (40) verläuft, mit x bezeichnet wird, mindestens einer der Schnittpunkte (K1) der beiden über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Schmelzabschnitt-Schnittflächen-Mittellinien (46a, 46b) mit der Linie x näher an dem ersten Endabschnitt (42) der Masseelektrode (40) liegt als die Mitte O der Querschnittsfläche.
Zündkerze (100) nach Anspruch 1, bei der ein Winkel θ2, den zwei über den Winkel θ1 hinweg benachbarte Schmelzabschnitt-Schnittflächen-Mittellinien (46) miteinander beschreiben, größer als der Winkel θ1 ist.
Zündkerze (100) nach Anspruch 1, bei der das Edelmetallplättchen (35) der Mittelelektrode (30) aus einer Ir-Legierung mit 50 Gew.-% oder mehr Ir besteht, das Edelmetallplättchen (45) der Masseelektrode (40) aus einer Pt-Legierung mit 50 Gew.-% Pt besteht und bei der, wenn eine Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens (35) der Mittelelektrode (30), die in senkrechter Richtung zu dessen Länge verläuft, mit A1 bezeichnet wird und eine Querschnittsfläche des Edelmetallplättchen (45) der Masseelektrode (40), die in senkrechter Richtung zu dessen Länge verläuft, mit A2 bezeichnet wird, die Schnittflächen A1 und A2 jeweils zwischen 0,1 mm² und 1,15 mm² liegen.
Zündkerze (100) nach Anspruch 3, bei der die Edelmetallplättchen (35, 45) der Mittelelektrode (30) und der Masseelektrode (40) jeweils aus einem Material bestehen, das als Zusatz Ir, Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Os, Al, Y oder Y₂O₃ enthält.
Zündkerze (100) nach Anspruch 1, bei der der prozentuale Schnittflächenanteil des ungeschmolzenen Abschnitts 30% oder weniger beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze (100) mit einer Metallhülle (10), einer innerhalb der Metallhülle (10) befindlichen Mittelelektrode (30), deren Kopfabschnitt (31) aus der Metallhülle (10) vorragt und die ein mit dem Kopfabschnitt (10) laserverschweißtes Edelmetallplättchen (35) hat, und einer Masseelektrode (40) mit einem ersten Endabschnitt (42), einem zweiten Endabschnitt (41) und einem Mittelabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Endabschnitt (42, 41), wobei der erste Endabschnitt (42) mit der Metallhülle (10) verschweißt ist, der zweite Endabschnitt (41) eine der Mittelelektrode (30) gegenüberliegende Oberfläche (43) hat, auf der ein Edelmetallplättchen (45) laserverschweißt ist, und der Mittelabschnitt so gebogen ist, dass das Edelmetallplättchen (45) über einen Funkenspalt (50) dem Edelmetallplättchen (35) der Mittelelektrode (30) zugewandt ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Verschweißen der Masseelektrode (40) mit der Metallhülle (10); Setzen des Edelmetallplättchens (45) auf die der Mittelelektrode (30) gegenüberliegende Oberfläche (43) der Masseelektrode (40); Abstrahlen von Laserstrahlen (LZ) auf eine Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen (45) und der der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) der Masseelektrode (40), um Schmelzabschnitte (44) zu erzeugen, die zwischen dem Edelmetallplättchen (45) und der Masseelektrode (40) Schweißstellen schaffen und durch miteinander verschmolzene Materialien der Masseelektrode (40) und des Edelmetallplättchens (45) gebildet werden, wobei, wenn ein Winkel, der von Linien beschrieben wird, die von dem Edelmetallplättchen (45) auf der noch nicht gebogenen Masseelektrode (40), wie auf einer sich über die der Mittelelektrode (30) gegenüberliegenden Oberfläche (43) der Masseelektrode (40) ausbreitenden Ebene definiert, zu sich in Breitenrichtung der Metallhülle (10) gegenüberliegenden Kanten der Metallhülle (10) verlaufen, mit θ1 bezeichnet wird, die Laserabstrahlwege (LZ), entlang denen die Laserstrahlen abgestrahlt werden, außerhalb des Winkels θ1 liegen; und Biegen der Masseelektrode (40), so dass das Edelmetallplättchen (45) über einen Funkenspalt (50) dem Edelmetallplättchen (35) auf der Mittelelektrode (30) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Linie, die sich durch Projektion jedes Laserabstrahlwegs (LZ) auf eine über die der Mittelelektrode (30) gegenüberliegende Oberfläche (43) der noch nicht gebogenen Masseelektrode (40) verlaufende Ebene ergibt, als Laserweg-Projektionslinie (LZ) bezeichnet wird und eine Linie, die durch die Mitte O einer Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens (45) der Masseelektrode (40) parallel zu einer längs laufenden Mittellinie der Masseelektrode (40) verläuft, mit x bezeichnet wird, die Laserstrahlen (LZ) so abgestrahlt werden, dass mindestens einer der Schnittpunkte (K1) der beiden über den Winkel θ1 hinweg benachbarten Laserweg-Projektionslinien (LZa, LZb) mit der Linie x näher an dem ersten Endabschnitt (42) der Masseelektrode (40) liegt als die Mitte O der Querschnittsfläche.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem, wenn eine Linie, die sich durch Projektion jedes Laserabstrahlwegs (LZ) auf eine über die der Mittelelektrode (30) gegenüberliegende Oberfläche (43) der noch nicht gebogenen Masseelektrode (40) verlaufende Ebene ergibt, als Laserweg-Projektionslinie (LZ) bezeichnet wird, und ein Winkel θ3, den zwei über den Winkel θ1 hinweg benachbarte Laserweg-Projektionslinien (LZa, LZb) miteinander beschreiben, mit θ3 bezeichnet wird, die Laserstrahlen (LZ) so abgestrahlt werden, dass der Winkel θ3 größer als der Winkel θ1 ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem für das Edelmetallplättchen (35) der Mittelelektrode (30) ein Edelmetallplättchen gewählt wird, das aus einer Ir-Legierung mit 50 Gew.-% oder mehr Ir besteht, bei dem für das Edelmetallplättchen (45) der Masseelektrode (40) ein Edelmetallplättchen gewählt wird, das aus einer Pt-Legierung mit 50 Gew.-% Pt besteht, und bei dem die Edelmetallplättchen (35, 45) der Mittelelektrode (30) und der Masseelektrode (40) so gewählt werden, dass, wenn eine Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens (35) der Mittelelektrode (30), die in senkrechter Richtung zu dessen Länge verläuft, mit A1 bezeichnet wird und eine Querschnittsfläche des Edelmetallplättchen (45) der Masseelektrode (40), die in senkrechter Richtung zu dessen Länge verläuft, mit A2 bezeichnet wird, die Schnittflächen A1 und A2 jeweils zwischen 0,1 mm² und 1,15 mm² liegen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Edelmetallplättchen (35, 45) der Mittelelektrode (30) und der Masseelektrode (40) jeweils so gewählt werden, dass sie aus einem Material bestehen, das als Zusatz Ir, Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Os, Al, Y oder Y₂O₃ enthält.