DE102004050164B4

DE102004050164B4 - Schweißverfahren

Info

Publication number: DE102004050164B4
Application number: DE102004050164.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Juestel; Gerhard Reber; Andreas Benz; Ulrich Haag; Tim Petschl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: CN1759972A; CN100563906C; JP2006110631A; DE102004050164A1

Abstract

Verfahren zum Verschweißen einer Edelmetallschicht (16) mit einer Elektrode (12) einer Zündkerze, wobei ein Wärmeeintrag in eine Verschmelzungszone (18) von einer der Edelmetallschicht (16) abgewandten Seite der Elektrode (12) zumindest teilweise durch diese hindurch in Richtung der Edelmetallschicht (16) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der die Edelmetallschicht (16) aufweisenden Seite der Elektrode (12) mittels eines Pyrometers (20) die Temperatur der Edelmetallschicht (16) zur Kontrolle des Schweißvorganges bestimmt wird, und dass eine an der Oberfläche der Edelmetallschicht (16) einzuhaltende Mindesttemperatur so gewählt wird, so dass der Edelmetallgehalt in der Verschmelzungszone (18) kleiner als 30% ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verschweißen einer Metallschicht mit einem metallischen Gegenstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zündkerzen mit zumindest einer Elektrode, wie beispielsweise einer Mittel- oder Masseelektrode, die zumindest teilweise mit einem Edelmetall versehen ist, sind aus dem Stand der Technik seit längerer Zeit bekannt.
So wird in der EP 0 575 163 B1 eine Zündkerze mit einer Masse- und einer Mittelelektrode beschrieben. Die Mittelelektrode weist ein vorderes Ende mit einer daran angeschweißten Zündspitze auf, wobei die Zündspitze mit der Masseelektrode eine Funkenstrecke bildet. Um den Umfang der äußeren Grenzfläche erstreckt sich zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und der Zündspitze eine ringförmige Laserschweißnaht. Die Zündspitze kann dabei vorzugsweise aus einem Edelmetall bestehen und mittels Laserstrahlschweißen, Argonschweißen oder Elektronenstrahlschweißen auf die Elektrode aufgebracht werden.
Weiterhin ist aus der DE 101 03 046 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem eine Edelmetallschicht mit einer Elektrode einer Zündkerze derart verbunden wird, dass der Wärmeeintrag in den Verbindungsbereich von einer der Edelmetallschicht abgewandten Seite der Elektrode her zumindest teilweise durch diese hindurch in Richtung der Edelmetallschicht hin erfolgt. Dabei wird die Edelmetallschicht nicht zwangsläufig vollständig über ihre gesamte Dicke und/oder gesamte Länge und Breite aufgeschmolzen. Unerwünscht ist an diesem Verfahren, dass sich fertigungsbedingt ergebende Toleranzschwankungen an der Elektrode bzw. der Edelmetallschicht bei ungeregelter Einwirkung der Laserenergie zu unterschiedlichen Schweißtiefen führen können. Somit kann es unerwünschter Weise zu einem Vordringen der Schweißenergie bis zur Oberfläche der Edelmetallschicht kommen und somit zu einer Legierungsbildung an der Oberfläche der Edelmetallschicht mit dem metallischen Grundmaterial der Elektrode.
Des Weiteren ist aus der DE 102 59 177 A1 einer Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Schweißprozesses mittels eines Laserstrahls durch Messung der Temperatur der Fügepartner, wobei auf Grundlage der gemessenen Temperatur Schweißparameter des Laserstrahls während dem aktuellen Puls online angepasst werden, bekannt.
Die DE 4234339 A1 beschreibt ebenfalls eine Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen von überlappenden Blechen, bei dem mittels eines fokussierten, auf die Oberfläche der überlappenden Bleche auftreffenden Laserstrahls eine Schweißverbindung zwischen den beiden Blechen hergestellt wird. Die Temperatur der Blechoberfläche auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite der Bleche wird in einem dem Auftreffpunkt des Laserstrahls gegenüberliegenden Messpunkt als Regelgröße mit einem Temperatursensor gemessen. In einem Regler findet ein Regelprozess statt, mit dessen Hilfe unter Einbeziehung einer Solltemperatur in Messpunkt als Führungsgröße die Temperatur in diesem Messpunkt über die im Auftreffpunkt einwirkende Schweißenergie als Stellgröße geregelt wird.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Verschweißen einer Metallschicht mit einem metallischen Gegenstand bereitzustellen, das einerseits zu einer dauerfesten Verbindung der Metallschicht mit dem metallischen Gegenstand führt und zum anderen eine Modifizierung einer dem metallischen Gegenstand abgewandten Oberfläche der Metallschicht weitgehend vermeidet.
Vorteile der Erfindung
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Verfahren ermöglicht die Regelung der in einem Verbindungsbereich zwischen Edelmetallschicht und metallischem Gegenstand eingetragenen Wärmeenergie bedarfsgerecht, sodass eine dauerhafte Verbindung zwischen der Edelmetallschicht und dem metallischen Gegenstand geschaffen wird, ohne dass die dem metallischen Gegenstand abgewandte Oberfläche der Metallschicht in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird.
Die Regelung erfolgt mittels eines Pyrometers, mit dem die Oberflächentemperatur der Metallschicht zur Kontrolle des Schweißvorganges bestimmt wird. Da sich somit der metallische Gegenstand im wesentlichen zwischen dem Pyrometer und der zum Verschweißen nötigen Energiequelle befindet, wird die Temperaturmessung des Pyrometers im wesentlichen nicht durch Streustrahlung der Energiequelle beeinträchtigt, sondern durch die Oberflächentemperatur der Metallschicht bestimmt. Weiterhin wird die Größe oder Dauer des Energieeintrags in einen bestimmten Bereich der Verbindungsschicht in Abhängigkeit von der in diesem Bereich auftretenden Oberflächentemperatur der Edelmetallschicht geregelt, sodass auf diese Weise qualitativ hochwertige Schweißnähte erzeugt werden können.
Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
So ist von Vorteil, wenn das Verschweißen von Edelmetallschicht und metallischem Gegenstand mittels Laserschweißen erfolgt und die Edelmetallschicht zumindest in einer Teilfläche nicht vollständig aufgeschmolzen wird. Der Einsatz von Laserenergie als Energiequelle ermöglicht eine besonders genaue Fokussierung der eingebrachten Schweißenergie.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn das Verschweißen beim Aufbringen einer Edelmetallschicht auf die Elektrode einer Zündkerze im Wesentlichen entlang eines Umfanges der Elektrode erfolgt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wird die Energiequelle während des Energieeintrags einer ersten translatorischen Bewegung über der Oberfläche des metallischen Gegenstandes unterzogen und das Pyrometer im wesentlichen synchron einer zweiten translatorischen Bewegung, wobei die erste zur zweiten translatorischen Bewegung in einer Art erfolgt, dass sich der metallische Gegenstand stets zwischen der Energiequelle und dem Pyrometer befindet. Weiterhin ist von Vorteil, wenn dabei die Leistung Wärmequelle in Abhängigkeit von der mit dem Pyrometer bestimmten Oberflächentemperatur der Edelmetallschicht gesteuert wird. Die erreichbare Einschweißtiefentoleranz im Bereich des Edelmetalls wird aufgrund der Regelung auf ca. 0,08 mm reduziert.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die 1a bis 1d zeigen schematisch das Gehäuse einer Zündkerze mit edelmetallbestückter Elektrode gemäß Stand der Technik, die 2a bis 2d zeigen das Gehäuse einer Zündkerze mit edelmetallbestückter Elektrode, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist und 3 zeigt schematisch einen metallischen Gegenstand, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Edelmetallschicht versehen wird.
Ausführungsbeispiel
In 1d ist schematisch ein rohrförmiges metallisches Gehäuse 10 einer Zündkerze dargestellt, an das mindestens eine oder mehrere Masseelektroden 12 angeschweißt sind. Zwischen ihnen und einer nicht dargestellten Mittelelektrode der Zündkerze wird der Zündfunke erzeugt. Die Mittelelektrode ist beispielsweise als Zweistoffelektrode ausgebildet, bei der ein Kupferkern von einer Nickellegierung umgeben ist. Da sowohl die Masseelektrode 12 als auch die Mittelelektrode einer Zündkerze durch die Ausbildung der Zündfunken hohen abrasiven Belastungen ausgesetzt sind, ist vorzugsweise mindestens eine der Elektroden im Entstehungsbereich der Zündfunken mit einem Edelmetallinlay versehen. Dabei weist die entsprechende Elektrode eine Aussparung auf, in die ein passendes Edelmetallplättchen eingesetzt und mit dem Material der Elektrode verschweißt wird.
1d zeigt ein Schweißverfahren gemäß Stand der Technik, bei dem eine Energiequelle zur Erzeugung der beim Schweißvorgang benötigten Wärmeenergie, beispielsweise ein Laser 14, auf die Oberfläche des einzusetzenden Edelmetallplättchens gerichtet wird und es durch Erhitzen desselben zu einem Verschweißen mit dem Grundmaterial der Masseelektrode 12 kommt.
Es resultiert eine mit einem Edelmetallplättchen versehene Masseelektrode 12, wie sie in 1c schematisch in einer Aufsicht dargestellt ist. Zu erkennen ist um das Edelmetallplättchen herum eine Verschmelzungszone 18, die im Wesentlichen aus einer Mischung des Elektrodengrundmaterials mit dem Material des Edelmetallplättchens besteht. Wie in 1a in einer Schnittdarstellung dargestellt, kann die Verschmelzungszone 18 den gesamten Bereich des Edelmetallplättchens umfassen. In 1b ist eine photographische Aufnahme eines derartigen komplett aufgeschmolzenen Edelmetallplättchens abgebildet. Erkennbar ist die Masseelektrode 12 und der aufgeschmolzene Bereich 18. Nachteilig ist daran, dass die Mischung von Elektrodengrundstoff und Edelmetall eine deutlich schlechtere Korrosions- und Erosionsbeständigkeit im Vergleich zum Material des Edelmetallplättchens zeigt. Dennoch sind die Materialeigenschaften deutlich besser als die des Elektrodengrundstoffs.
Die 2a bis 2d zeigen zu den 1a bis 1d vergleichbare Darstellungen, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten bezeichnen. Wie in 2d erkennbar, wird nun der Laser 14 als Quelle der Schweißenergie auf eine dem zu befestigenden Edelmetallplättchen gegenüberliegende Seite der Masseelektrode 12 gerichtet. Wie in 2a erkennbar ist, erreicht die Verschmelzungszone 18 dadurch nicht mehr die mit dem Luftraum in Kontakt stehende Oberfläche des Edelmetallplätchens, sodass es zwar zu einer Verschweißung des Edelmetallplättchens mit der Masseelektrode 12 kommt, es ist jedoch in der Aufsicht auf die mit dem Edelmetallplättchen bestückte Masseelektrode 12 keine Verschmelzungszone mehr zu erkennen. Dies zeigt 2c und die linke Abbildung der 2b. Die rechte Abbildung der 2b zeigt die der edelmetallbestückten Großfläche der Masseelektrode 12 abgewandte Rückseite und die darauf erkennbare Verschmelzungszone 18.
Um einerseits eine ausreichende Befestigung des Edelmetallplättchens auf der Masseelektrode 12 zu erreichen, ist es nötig, eine gewisse Energiemenge in die Verschmelzungszone 18 einzutragen, sodass diese einen Teilbereich des eingesetzten Edelmetallplättchens umfasst. Andererseits darf die vorgesehene Energiemenge nicht so groß sein, dass es zu einem kompletten Aufschmelzen des Edelmetallplättchens kommt.
Eine Regelung des Schweißvorganges ist beispielhaft in 3 dargestellt. Dabei wird, wie in den 2a bis 2d bereits dargestellt, ein Laser 14 auf eine dem einzusetzenden Edelmetallplättchen abgewandte Seite der Masseelektrode 12 gerichtet, sodass sich auf der der Masseelektrode 12 zugewandten Seite des Edelmetallplättchens eine Verschmelzungszone 18 ausbildet. Zur Regelung der pro Flächenbereich der Masseelektrode 12 eingetragenen Energiemenge wird auf der dem Laser 14 gegenüberliegenden Seite der Masseelektrode 12 ein Pyrometer 20 vorgesehen. Dieses ist vorzugsweise so positioniert, dass eine Oberflächentemperatur desjenigen Teilbereichs des Edelmetallplättchen bestimmt werden kann, der einem zum selben Zeitpunkt erzeugten Bereich der Verschmelzungszone 18 besonders nahe kommt. Im Idealfall bilden Pyrometer 20 und Laser 14 eine gedachte Linie, die zu der laserbestrahlten Großfläche der Masseelektrode 12 senkrecht steht und entlang derer der Laserstrahl des Lasers 14 in das Material der Masseelektrode 12 eindringt.
Dabei wird unter einem Pyrometer jegliche Messeinrichtung verstanden, die geeignet ist, die vergleichsweise hohe Oberflächentemperatur des Edelmetallplättchens während des Verarbeitungsprozesses hinreichend genau zu bestimmen. Diese kann auf einer berührungslosen Messmethode beruhen, wie beispielsweise der Aufnahme emittierter Infrarotstrahlung, oder auf einer Messmethode, die den Kontakt mit der Oberfläche des Edelmetallplättchen voraussetzt, wie beispielsweise die Messung des Widerstands einer elektrischen Widerstandsleiterbahn.
Die Regelung erfolgt vorzugsweise in der Weise, dass die Leistung des auf die Masseelektrode 12 gerichteten Lasers 14 und somit die Energiemenge, die pro Zeiteinheit in die Verschmelzungszone 18 eingetragen wird, in Abhängigkeit von der mit dem Pyrometer 20 bestimmten Oberflächentemperatur des Edelmetallplättchens erfolgt, wobei die translatorische Bewegung von Laser 14 und Pyrometer 20 vorzugsweise, jedoch nicht zwingend beibehalten wird.
Eine alternative Regelung besteht darin, dass die Bestrahlung eines Oberflächenbereichs der Masseelektrode 12 mit dem Laser 14 bis zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem an einem dem bestrahlten Oberflächenbereich gegenüberliegenden Oberflächenbereich des Edelmetallplättchens eine Temperatur registriert wird, die einer hinterlegten Mindesttemperatur entspricht. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt vorzugsweise eine translatorische Bewegung der Masseelektrode 12 und/oder des Lasers 14 sowie des Pyrometers 20. Dabei führen der Laser 14 und das Pyrometer 20 im Wesentlichen gleichsinnige translatorische Bewegungen aus, sodass die in 3 dargestellte Messanordnung unter Fokussierung auf einen neuen Oberflächenbereich im Wesentlichen erhalten bleibt.
Dies ermöglicht die Berücksichtigung sich fertigungstechnisch ergebender Toleranzschwankungen in Hinblick auf die Ausführung des Edelmetallplättchens bzw. der Aussparung an der Masseelektrode 12 ohne Qualitätseinbuße der erzeugten Schweißverbindung zwischen Edelmetall und Elektrodengrundstoff. Durch Wahl einer geeigneten Mindesttemperatur, die an der Oberfläche des Edelmetallplättchens einzuhalten ist, kann die Materialzusammensetzung in der Verschmelzungszone 18 geeignet beeinflusst werden. Dabei ist zur Vermeidung ausgeprägt unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten ein Edelmetallgehalt von < 30%, insbesondere von < 5% im Material der Verschmelzungszone 18 vorteilhaft. Weiterhin kann das Pyrometersignal zur Detektion fehlerhafter Schweißverbindungen herangezogen werden, beispielsweise wenn eine Oberflächentemperatur des untersuchten Edelmetallplättchens außerhalb einer hinterlegten Hüllkurve auftritt.
Zur Erfassung des Pyrometersignals ist eine geeignete, nicht dargestellte Auswerte- und Regeleinheit vorgesehen, mittels derer die Leistungsregelung und/oder Positionierung des Lasers 14 erfolgt. Die Auswerte- und Regeleinheit führt einen Soll-/Ist-Vergleich zwischen gemessener Oberflächentemperatur und hinterlegter Mindesttemperatur durch und gibt auf der Basis des Resultats gegebenenfalls Positionier- und Regelbefehle an eine den Laser positionierende Vorrichtung bzw. an den Laser aus.
Zu verarbeitende Edelmetallplättchen können beispielsweise eine Länge von 0,8 bis 2,5 mm aufweisen, insbesondere 1,5 mm, und eine Breite von 0,3 bis ca. 7 mm. Sie können beispielsweise Platin, Iridium, Rhodium, Ruthenium und/oder Palladium allein, in Mischungen oder als Legierungen enthalten.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Regelung ist nicht auf die Anwendung bei der Herstellung von Masseelektroden für Zündkerzen beschränkt, sondern kann auch bei der Bestückung von Mittelelektroden von Zündkerzen mit Edelmetallplättchen eingesetzt werden. Weiterhin ist die Regelung bei beliebigen Schweißprozessen zur Verbindung eines metallischen Gegenstandes mit einer Edelmetallschicht einsetzbar, bei denen ein Aufschmelzen der Edelmetallschicht unerwünscht ist. Weiterhin ist die Anwendung nicht auf Laserschweißverfahren beschränkt, sondern die Regelung kann auch bei Widerstandsschweißprozessen, beim Argon- oder beim Elektronenstrahlschweißen angewandt werden.

Claims

Verfahren zum Verschweißen einer Edelmetallschicht (16) mit einer Elektrode (12) einer Zündkerze, wobei ein Wärmeeintrag in eine Verschmelzungszone (18) von einer der Edelmetallschicht (16) abgewandten Seite der Elektrode (12) zumindest teilweise durch diese hindurch in Richtung der Edelmetallschicht (16) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der die Edelmetallschicht (16) aufweisenden Seite der Elektrode (12) mittels eines Pyrometers (20) die Temperatur der Edelmetallschicht (16) zur Kontrolle des Schweißvorganges bestimmt wird, und dass eine an der Oberfläche der Edelmetallschicht (16) einzuhaltende Mindesttemperatur so gewählt wird, so dass der Edelmetallgehalt in der Verschmelzungszone (18) kleiner als 30% ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen mittels Laserschweißen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Edelmetallgehalt in der Verschmelzungszone (18) kleiner als 5% ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallschicht (16) zumindest in einer Teilfläche nicht vollständig aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen im wesentlichen entlang eines Umfangs der Elektrode (12) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmequelle (14) während des Wärmeeintrags eine erste translatorische Bewegung über der Oberfläche der Elektrode (12) ausführt und dass das Pyrometer (20) im wesentlichen synchron eine zweite translatorische Bewegung in einer Art ausführt, dass sich die Elektrode (12) stets zwischen der Wärmequelle (14) und dem Pyrometer (20) befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag im wesentlichen entlang einer gedachten Linie zwischen der Wärmequelle (14) und dem Pyrometer (20) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieleistung der Wärmequelle (14) in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur der Edelmetallschicht (16) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste translatorische Bewegung in Abhängigkeit von der mit dem Pyrometer (20) bestimmten Temperatur der Edelmetallschicht (16) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass keine erste translatorische Bewegung erfolgt, solange die Temperatur des im Fokus des Pyrometers (20) liegende Oberflächenanteils der Edelmetallschicht (16) nicht eine hinterlegte Minimaltemperatur aufweist.