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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft Verfahren zum Anbringen einer sphärischen Zündspitze an einer Elektrode einer Zündkerze und sowie eine Elektrode einer Zündkerze, und betrifft generell Zündspitzen für Zündkerzen und insbesondere Verfahren zum Schweißen von Edelmetall-Zündspitzen an Zündkerzenelektroden, und zwar unter Verwendung von kapazitiven Entladungsschweißtechniken.
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HINTERGRUND
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Es ist bekannt, Zündspitzen wie solche, die aus verschiedenen Edelmetallen hergestellt sind, an Zündkerzenelektroden anzubringen, und zwar mit dem Zweck, das Widerstandsverhalten der Elektrode gegenüber Korrosion oder Oxidation zu verbessern, als auch gegenüber einer Funkenerosion, die auftreten kann, wenn die Zündkerze in einer Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors verwendet wird. Unterschiedliche Verfahren und Techniken sind zum Ausführen dieses Anbringens entwickelt worden, einschließlich gewisser Laser- und Widerstands-Schweißtechniken.
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Aufgrund der extrem rauen Umgebung in einer Verbrennungskammer besteht jedoch immer eine Notwendigkeit dahin gehend, die Festigkeit der Anbringung zwischen der Zündspitze und der darunter liegenden Elektrode zu erproben und zu verbessern, und, wo immer möglich, die thermische Leitfähigkeit über jenen Übergang bzw. jene Verbindung („junction“) zu verbessern.
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Das Dokument
US 5 430 346 A offenbart ein Verfahren zum Anbringen einer Zündspitze an einer Elektrode einer Zündkerze, wobei ein kapazitives Entladungsschwei-ßen eingesetzt wird.
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Aus dem Dokument
US 7 923 909 B 2 ist eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei eine kugelförmige, edelmetallhaltige Zündspitze widerstandsgeschweißt wird. Bei dem Dokument
DE 10 2010 014 325 A1 wird eine an eine Elektrode geschweißte Kugel nach dem Anschweißen durch Formprägen umgeformt. Ein Verfahren zum Aufschweißen einer Kugel auf ein Blech ist aus der
DE 10 2010 038 616 A1 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Anbringen einer sphärischen Zündspitze an einer Elektrode einer Zündkerze und eine verbesserte Elektrode einer Zündkerze anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Anbringen einer sphärischen Zündspitze an einer Elektrode einer Zündkerze gemäß Anspruch 1 und durch ein Zwischenprodukt für die Herstellung einer Elektrode einer Zündkerze gemäß Anspruch 14 gelöst.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Anbringen einer Zündspitze an einer Zündkerzenelektrode bereitgestellt. Das Verfahren kann die Schritte aufweisen: Ausrichten der Zündspitze mit der Zündkerzenelektrode; Drücken der Zündspitze gegen die Zündkerzenelektrode; und kapazitives Entladungsschweißen der Zündspitze an die Zündkerzenelektrode, und zwar durch Freigeben von gespeicherter Energie aus einer oder mehreren Energiespeichervorrichtungen, so dass ein Schweißstrom schnell durch die Zündspitze und die Zündkerzenelektrode fließt, wobei das kapazitive Entladungsschweißen eine wärmebeeinflusste Zone mit einer kapazitiven Entladungsschweißverbindung zwischen der Zündspitze und der Zündkerzenelektrode bildet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Zündkerzenelektrode bereitgestellt, mit: einem Elektrodenkörper; und einer Zündspitze, die an dem Elektrodenkörper mittels einer kapazitiven Entladungsschweißverbindung angebracht ist, wobei die kapazitive Entladungsschweißverbindung verfestigtes, geschmolzenes bzw. Schmelzmaterial von sowohl dem Elektrodenkörper als auch der Zündspitze beinhaltet.
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Figurenliste
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Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend i. V. m. der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
- 1 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Zündkerze mit einer vergrößerten Ansicht der Funkenstrecke G ist;
- 2 ein Flussdiagramm ist, dass unterschiedliche Schritte oder Stufen eines beispielhaften Verfahrens zum kapazitiven Entladungsschweißen von Zündspitzen an Zündkerzenelektroden darstellt;
- 3, 6 und 7 repräsentative Ansichten einer Edelmetall-Zündspitze sind, die kapazitiv an eine Zündkerzenmasseelektrode entladungsgeschweißt ist, wobei die Edelmetall-Zündspitze ursprünglich in der Form einer Kugel vorliegt;
- 4 und 5 Diagramme sind, die Schweißprofile und entsprechende Schnittstellentemperaturen eines kapazitiven Entladungsschweißprozesses und eines herkömmlichen Widerstandsschweißprozesses vergleichen;
- 8 und 9 repräsentative Ansichten der Edelmetall-Zündspitze sind, die eingeebnet („planished“), und erneut an die Masseelektrode geschweißt ist; und
- 10 eine repräsentative Darstellung einer Edelmetall-Zündspitze ist, die auf herkömmliche Art und Weise an eine Masseelektrode widerstandsgeschweißt ist, wobei die Edelmetall-Zündspitze ebenfalls ursprünglich in der Form einer Kugel vorliegt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das hier beschriebene kapazitive Entladungsschweißverfahren kann dazu verwendet werden, um Zündspitzen schnell, sicher und wirksam an Zündkerzenelektroden zu fügen bzw. mit Zündkerzenelektroden zu verbinden, einschließlich von Masseelektroden und/oder Mittelelektroden. Im Gegensatz zu einigen traditionellen Widerstandsschweißtechniken ist das vorliegende kapazitive Entladungsschweißverfahren ein Verbindungsprozess mit schneller Verfestigung („rapid solidification“), was zu einer erhöhten Schweißfestigkeit, verbesserten thermischen Zuständen, einer längeren Zündkerzenlebensdauer, verbesserter Herstellungseffizienz und/oder verlängerter Lebensdauer von Schweißausrüstung führen kann, um einige wenige Möglichkeiten zu nennen. Das kapazitive Entladungsschweißen („capacitive discharge welding, CD welding“) bezieht sich so, wie es vorliegend verwendet wird, im weitesten Sinne auf eine Art von Widerstandsschweißtechnik, die aufgeladene Kondensatoren oder andere Energiespeichervorrichtungen dazu verwendet, um gespeicherte Energie schnell freizugeben, um eine kapazitive Entladungsschweißverbindung zwischen einer Zündspitze und einer Zündkerzenelektrode zu erzeugen. Da das kapazitive Entladungsschweißen aufgeladene Kondensatoren verwendet, sind wiederholbare Freigaben von Energie typischerweise unabhängig von Leitungsspannungsfluktuationen und können hinsichtlich der Energie fein eingestellt werden. Es versteht sich, dass das kapazitive Entladungsschweißverfahren, das vorliegend beschrieben ist, dazu verwendet werden kann, um eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Zündspitzen an verschiedene Zündkerzenelektroden zu schweißen oder damit zu verbinden, und nicht auf die nachstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist.
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Eine beispielhafte Zündkerze ist in 1 dargestellt, wobei Zündspitzen sowohl an der Mittelelektrode als auch an der Masseelektrode angebracht sind, und zwar über einen jeweiligen kapazitiven Entladungsschweißprozess. Bei dieser besonderen Ausführungsform weist die Zündkerze 10 eine Mittelelektrode 12, einen Isolator 14, eine Metallhülle 16, eine Masseelektrode 18 und Zündspitzen 20, 22 auf. Andere Komponenten können einen Anschlussbolzen („terminal stud“), einen Innenwiderstand, verschiedene Innendichtungen („gaskets“) und innere Dichtungen („seals“) beinhalten, wobei diese Komponenten für Fachleute sämtlich bekannt sind. Die Mittelelektrode 12 ist eine elektrisch leitende Komponente und ist generell innerhalb einer axialen Bohrung 30 des Isolators 14 angeordnet und weist einen Endabschnitt auf, der an der Außenseite des Isolators nahe einem Zündende der Zündkerze 10 freiliegen kann. Der Isolator 14 ist generell innerhalb einer axialen Bohrung 32 der Metallhülle 16 angeordnet und kann einen Endnasenabschnitt aufweisen, der außerhalb der Hülle freiliegt, und zwar in der Nähe des Zündendes der Zündkerze 10. Der Isolator 14 ist vorzugsweise aus einem isolierenden Material wie einer Keramikzusammensetzung hergestellt, das die Mittelelektrode 12 gegenüber der Metallhülle 16 elektrisch isoliert. Die Metallhülle 16 stellt eine äußere Struktur für die Zündkerze 10 bereit, und weist Gewindegänge zur Installation in einem zugeordneten Motor und zur elektrischen Verbindung mit dem zugeordneten Motor auf. Die Masseelektrode 18 ist an einem freien Ende 34 in der Metallhülle 14 angebracht, und kann, als ein fertiggestelltes Produkt, eine von einer Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen besitzen, einschließlich der herkömmlichen Konfiguration mit L-Form, die in 1 gezeigt ist. Die Zündspitzen 20, 22 sind jeweils an der Mittelelektrode 12 bzw. der Masseelektrode 18 angebracht und tragen dazu bei, eine Funkenstrecke G zu bilden, also dort, wo ein Funken den Verbrennungsprozess während des Betriebs des Motors einleitet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Zündspitze 22 an der inneren Fläche 26 der Masseelektrode 18 angebracht, obgleich Fachleute erkennen, dass andere Anbringungsorte möglich sind, um die Funkenstrecke G zu bilden.
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Die Mittelelektrode 12 und/oder die Masseelektrode 18 können einen Körper- bzw. Basisabschnitt aufweisen, der eine äußere Nickel-basierte Ummantelungsschicht und einen inneren Kupfer-basierten wärmeleitenden Kern aufweist. Einige nicht einschränkende Beispiele von Nickel-basierten Materialien, die mit der Mittelelektrode 12 und/oder der Masseelektrode 18 verwendet werden können, beinhalten Legierungen, die aus Nickel (Ni), Chrom (Ca), Eisen (Fe), Aluminium (AI), Mangan (Mn), Silizium (Si) zusammengesetzt ist sowie jede geeignete Legierung oder Kombination hiervon, einschließlich von Nickel-basierten Legierungen, die gewöhnlich als Inconel® 600 bzw. 601 bekannt sind bzw. bezeichnet werden. Der innere wärmeleitende Kern kann aus reinem Kupfer, aus Kupfer-basierten Legierungen oder aus einem gewissen anderen Material hergestellt sein, das eine geeignete thermische Leitfähigkeit aufweist. Andere Materialien und Konfigurationen sind natürlich möglich, einschließlich von Mittel- und/oder Masseelektroden, die mehr als einen internen wärmeleitenden Kern oder überhaupt keine inneren wärmeleitenden Kerne aufweisen. Der Begriff „Zündkerzenelektrode“ beinhaltet, so wie er vorliegend verwendet wird, im weitesten Sinne jede Zündkerzen-Mittelelektrode, -Masseelektrode oder eine Komponente hiervon.
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Die Zündspitzen 20 und/oder 22 können eines oder mehrere Edelmetalle beinhalten und sind dazu ausgelegt, die Betriebslebensdauer der Zündkerze 10 zu verlängern. Fachleute erkennen, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Zündspitzenkonfigurationen, -anordnungen und Zusammensetzungen existiert und dass das vorliegend beschriebene kapazitive Entladungsschweißverfahren nicht auf ein bestimmtes derartiges Verfahren beschränkt ist. Erfindungsgemäß ist die Zündspitze sphärisch bzw. kugelförmig. In anderen Beispielen können die Zündspitze 20 und/oder 22 in der Form eines Niets, eines Zylinders, eines Balkens, einer Säule, eines Drahtes, einer Erhöhung, eines Konus, eines flachen Plättchens, einer Scheibe, eines Rings oder einer Hülse vorliegen, um einige wenige Möglichkeiten zu nennen. Bei dem vorliegenden kapazitiven Entladungsschweißverfahrens ist es vorgesehen, sphärische Zündspitzen zu verwenden, die kleinere Kontaktschweißbereiche haben, wie Kugeln (in anderen Beispielen sind es Säulen, Koni oder Spitzen mit Vorsprüngen), da derartige Konfigurationen den Schweißstrom während des kapazitiven Entladungsschweißprozesses konzentrieren können. In einem weiteren Beispiel können die Zündspitze 20 und/oder 22 eine einstückige Zündspitze (wie eine Masseelektrodenzündspitze 22) sein, oder eine mehrteilige Zündspitze (wie eine Mittelelektrodenzündspitze 20), wobei diese sowohl eine Edelmetall-Funkenbildungskomponente 40 als auch eine Zwischenkomponente 42 beinhaltet. Die Zwischenkomponente 42 kann eine verbesserte Schweißfläche zur Anbringung der mehrschichtigen Zündspitze an der Zündkerzenelektrode bereitstellen und kann als eine Zwischenwirkungsschicht oder spannungsabbauende Schicht („stress-relieving layer“) dienen. Einige nicht einschränkende Beispiele von geeigneten Edelmetallen, die mit den Zündspitzen 20 und/oder 22 verwendet werden können, beinhalten Iridium (Ir), Platin (Pt), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Palladium (Pd), Gold (Au), Silber (Ag) sowie Wolfram (W), verschiedene hochschmelzende Metalle und/oder Seltenerdmetalle, und können jede geeignete Legierung oder Kombination hiervon beinhalten. Wie er nachstehend verwendet wird, beinhaltet der Begriff „Zündspitze“ im weitesten Sinne jede Mittelelektroden-Zündspitze, Masseelektroden-Zündspitze, Einzelteil-Zündspitze bzw. einteilige Zündspitze, mehrteilige Zündspitze oder eine Komponente hiervon.
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Nunmehr wird Bezug genommen auf 2, die ein Flussdiagramm zeigt, das einige der Schritte eines beispielhaften Verfahrens 100 zum kapazitiven Entladungsschweißen einer Zündspitze an einer Zündkerzenelektrode darstellt. Bei dieser besonderen Ausführungsform ist die Zündspitze eine Masseelektroden-Zündspitze 22, die aus einer Edelmetalllegierung hergestellt ist, liegt in der Form einer Kugel oder Sphäre vor und wird an eine Seitenfläche der Masseelektrode 18 gefügt, die der Funkenstrecke G gegenüberliegt. Die Masseelektrode 18 kann aus einer Nickel-basierten Legierung hergestellt sein, mit oder ohne einen Kupfer-basierten inneren wärmeleitenden Kern. Dies ist jedoch nur eine mögliche Ausführungsform, da das kapazitive Entladungsschweißverfahren in einer Anzahl von anderen Anmeldungen stattdessen verwendet werden kann.
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In einem Schritt 102 richtet das Verfahren die Zündspitze mit der Zündkerzenelektrode aus, mit der sie zu verbinden ist. Verschiedene Arten von Ausrüstungen und Techniken können dazu verwendet werden, um diesen Ausrichtungs- oder Positionierschritt durchzuführen. Beispielsweise wird bei dem in 3 gezeigten Beispiel eine Edelmetall-Zündspitze 22 in einer halbkugelförmigen Tasche eines Schweißdorns 50 gehalten, bspw. durch Vakuum, und zwar während der Schweißdorn die Zündspitze gegen eine Seitenfläche der Masseelektrode 18 positioniert. Ein zusätzlicher Schweißdorn 52 ist unterhalb der Masseelektrode 18 angeordnet und stützt die Masseelektrode sowohl physikalisch ab als auch kooperiert elektrisch mit dem Schweißdorn 50, indem er als eine Strom führende Elektrode wirkt. Wie es sich aus 3 erkennen lässt, ist der Kontaktschweißbereich an dem Übergang 60 zwischen der Zündspitze 22 und der Masseelektrode 18 sehr viel kleiner als der Kontaktschweißbereich an dem Übergang 62 zwischen der Masseelektrode 18 und dem Schweißdorn 52; wenn der Vorgang des kapazitiven Entladungsschweißens eingeleitet ist („is on the way“) und eine signifikante Menge an elektrischem Strom durch die Werkstücke hindurch verläuft, ergibt sich an dem Übergang 60 eine Konzentration des elektrischen Stromes, die eine signifikante Wärmemenge erzeugt und folglich eine stärkere kapazitive Entladungsschweißverbindung hervorruft, wie es nachstehend erläutert werden wird. Fachleute erkennen, dass verschiedene Arten von bildgebenden bzw. Vision-Systemen und anderen Systemen mit geschlossener Regelschleife dazu verwendet werden können, um bei der Ausrichtung der Schweißdorne 50, 52 oder anderer Gegenstände während des Ausrichtungsschrittes 102 zu assistieren.
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Als Nächstes drückt das Verfahren in einem Schritt 104 die Zündspitze gegen die Zündkerzenelektrode, und zwar mit einem vorbestimmten Betrag einer Schweißkraft. Der genaue Betrag der Schweißkraft, der anzulegen ist, kann in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Faktoren variieren - Faktoren wie die Materialien der Zündspitze und der Zündkerzenelektrode, die Größe und die Form der Zündspitze sowie das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Vorsprungs an der Zündspitze können den Betrag der angelegten Schweißkraft sämtlich beeinflussen - gewöhnlich ist die bei dem vorliegenden kapazitiven Entladungsschweißprozess verwendete Schweißkraft jedoch kleiner als der entsprechende Betrag der Schweißkraft, der bei herkömmlichen Widerstandsschweißvorgängen verwendet wird. Einige Testvorgänge und Experimente haben gezeigt, dass eine anfängliche Schweißkraft von weniger als 15 Ibs. (z.B. zwischen etwa 3-14 Ibs.) und zwar in Abhängigkeit von dem Spitzendurchmesser, wünschenswert sein können, und zwar für ein kapazitives Entladungsschweißen einer kugelförmigen Edelmetall-Zündspitze an eine Zündkerzenelektrode, die aus einer Nickel-basierten Legierung hergestellt ist, wie Inconel® 600 oder 601. Die Schweißkraft kann für die Dauer der Schweißzeit konstant oder nahezu konstant bleiben, und zwar wenn bzw. während die kugelförmige Edelmetall-Zündspitze in die Oberfläche der Nickel-basierten Zündkerzenelektrode gestaucht („upset“) wird (d.h. etwas einsinkt). Dies unterscheidet sich von herkömmlichen Widerstandsschweißvorgängen, die typischerweise eine Schweißkraft in einem Bereich von etwa 25-50 Ibs. für Zündspitzen und Zündkerzenelektroden anwenden, die ähnliche Formen haben und aus ähnlichen Materialien hergestellt sind.
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Im Schritt 106 stellt das Verfahren einen Schweißstrom schnell an dem Übergang zwischen der Zündspitze und der Zündkerzenelektrode bereit, und zwar gemäß einem kapazitiven Entladungsschweißprozess. Da der hier beschrieben kapazitive Entladungsschweißprozess darauf ausgerichtet ist, eine unterschiedliche Schweißverbindung und wärmebeeinflusste Zone zu erzeugen als jene, die von herkömmlichen Widerstandsschweißtechniken erzeugt werden, kann das Profil des Schweißstromes sich von jenem deutlich unterscheiden, das bei Standard-Widerstandsschweißen eingesetzt wird. Wie es durch die Diagramme der 4 und 5 dargelegt ist, die jeweils einem beispielhaften kapazitiven Entladungsschweißprozess und einem Widerstandsschweißprozess des Standes der Technik entsprechen, führt der vorliegende kapazitive Entladungsschweißprozess zu beträchtlich höheren Schnittstellentemperaturen zusammen mit einem verringerten Energieverbrauch; beides sind wünschenswerte Eigenschaften, wenn Edelmetall-Zündspitzen an Zündkerzenelektroden angebracht werden.
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Gemäß 4, die auf der x-Achse die Zeit (ms) und auf der y-Achse die kapazitive Entladungsschweißleistung (W/Sek.) als auch die Schnittstellentemperatur (°C) zeigt, ergibt sich für den kapazitiven Entladungsschweißprozess ein Schweißleistungsprofil, bei dem eine Spitzenschweißleistung 54 nahezu sofort erreicht wird (z.B. mit einer Anstiegszeit von etwa 0,2 ms), gefolgt von einer schnellen Abnahme der Schweißleistung, was von einer schnellen Abkühlung an der Schnittstelle zwischen der Zündspitze und der Zündkerzenelektrode begleitet wird. Bei diesem Beispiel, das an einer Platin-basierten Edelmetallkugel und einer Nickel-basierten Elektrode durchgeführt wurde, wurde eine sehr hohe maximale Schnittstellentemperatur von über 2000 °C (z.B. 2990 °C) bei etwa 0,45 ms erreicht, und die gesamte Schweißzeit für den Prozess betrug weniger als 40 ms (z.B. 25 ms). Diese Werte werden mit dem Widerstandsschweißprozess des Standes der Technik in 5 verglichen, wobei eine Spitzenschweißleistung 56 nicht einmal nach etwa 40 ms beobachtet werden kann, eine maximale Schnittstellentemperatur nur von etwa 1450 °C erzielt wird, und die gesamte Schweißzeit etwa 70 ms beträgt. Wie es sich aus diesen zwei Diagrammen ergibt, erzielt der vorliegende kapazitive Entladungsschweißprozess eine sehr viel höhere maximale Schnittstellentemperatur als das herkömmliche Widerstandsschweißen (was wünschenswert ist, wenn Edelmetalllegierungen mit höheren Schmelztemperaturen geschweißt werden), besitzt eine sehr viel kürzere Gesamtschweißzeit als das herkömmliche Widerstandsschweißen (was wünschenswert ist, um die Zykluszeiten für die Herstellungsvorgänge zu reduzieren), und verwendet beträchtlich weniger Leistung oder Energie als das herkömmliche Widerstandsschweißen (die Verwendung bzw. der Verbrauch von Leistung wird durch die integrierten Flächen unter den Kurven in 4 und 5 dargestellt). In einer Ausführungsform steuert eine Schweißsteuervorrichtung eine Bank von Kondensatoren oder anderen kapazitiven Vorrichtungen (nicht gezeigt) dazu an, bis zu 100 Prozent ihrer gespeicherten Energie freizugeben oder zu entladen, so dass der Schweißstrom schnell durch den Schweißdorn 50, die Zündspitze 22, den Übergang 60, die Zündkerzenelektrode 18 und den Schweißdorn 52 fließt. Es ist sogar beobachtet worden, dass sich während der anfänglichen Stufen des vorliegenden kapazitiven Entladungsschweißprozesses ein Lichtbogen momentan bildet, der zu der erhöhten Schnittstellentemperatur weiter beiträgt.
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Das plötzliche Einführen von signifikanten Mengen von Schweißstrom an dem Übergang oder der Schnittstelle zwischen der Zündspitze und der Zündkerzenelektrode hilft, verglichen mit herkömmlichen Widerstandsschweißtechniken, eine wärmebeeinflusste Zone 70 und eine kapazitive Entladungsschweißverbindung 72 zu erzeugen, die hinsichtlich ihrer Natur gewissermaßen einzigartig ist, und zwar in Bezug auf Edelmetall-Zündspitzen und Nickel-basierte Zündkerzenelektroden. Unter Bezugnahme auf die 6 und 7 sind vergrößerte Darstellungen einer wärmebeeinflussten Zone 70 mit einer kapazitiven Entladungsschweißverbindung 72 gezeigt, die aus geschmolzenem Material von der Zündspitze 22 und/oder von der Zündkerzenelektrode 18 besteht bzw. gebildet ist. Der Begriff „wärmebeeinflusste Zone“, so wie er vorliegend verwendet wird, beinhaltet im weitesten Sinne jene Bereiche der Zündspitze und/oder der Zündkerzenelektrode, die aufgrund des kapazitiven Entladungsschweißprozesses eine gewisse erkennbare Änderung ihrer kristallinen oder Kornstruktur erfahren haben; dies beinhaltet bspw. die kapazitive Entladungsschweißverbindung. Der vorliegende kapazitive Entladungsschweißprozess verwendet generell keinen zusätzlichen Schweißvorsprung an dem Übergang 60. Vielmehr erzeugt die Kugelform der Zündspitze einen kleinen Kontaktschweißbereich an dem Übergang 60 zwischen der Zündspitze 22 und der Zündkerzenelektrode 18, der den Schweißstrom kanalisieren oder signifikant konzentrieren kann, so dass an jener Verbindung ein aggressives Schmelzen oder eine Expulsion von Material auftreten können; zusätzlich dazu, dass dies die Kosten und die Komplexität der Verwendung derartiger Schweißvorsprünge in einem Herstellungsprozess verringert, kann dies wiederum zu einigen Phänomenen führen.
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Zunächst kann die wärmebeeinflusste Zone 70 ziemlich klein sein, verglichen mit wärmebeeinflussten Zonen, die durch herkömmliche Widerstandsschweißtechniken gebildet werden (z.B. kann das Volumen einer wärmebeeinflussten Zone einer kapazitiven entladungsgeschweißten kugelförmigen Zündspitze lediglich bis zu 30 Prozent von jener einer herkömmlichen widerstandsgeschweißten Zündspitze mit der gleichen Form betragen), wie jene, die in 10 gezeigt ist. Bei der Ausführungsform der 10 des Standes der Technik ist die wärmebeeinflusste Zone (WBZ) 270 signifikant größer hinsichtlich ihres Volumens als jene, die durch das vorliegende Verfahren gebildet wird, und erstreckt sich sehr viel tiefer in das Innere der Zündkerzenelektrode 218. Zum Zweiten kann die Zündspitze 22 nur um eine relativ kleine Distanz in eine obere Fläche der Zündkerzenelektrode 18 eingedrückt oder eingesenkt sein (z.B. kann die Zündspitze in die Elektrode um 0,25 mm oder weniger eingesenkt sein). Das größere Eintauchen der Zündspitze 222 des Standes der Technik in die Zündkerzenelektrode 218 lässt sich besser erkennen, wenn die 7 und 10 verglichen werden. Zum Dritten kann die Form der Zündspitze 22 zu einem großen Maße intakt verbleiben, und zwar selbst nach den Schritten 104 und 106, die die Zündspitze 22 gegen die Zündkerzenelektrode 18 drücken, wobei eine signifikante Wärmemenge involviert ist. Wie es in 6 dargestellt ist, hat die Zündspitze 22 nach wie vor eine generell kugelförmige Form, mit nur einem kleinen Maß an Deformation nahe ihrem unteren Ende, der durch das Schmelzen hervorgerufen ist. Die Zündspitze 222 des Standes der Technik hat andererseits eine erhebliche Deformation erfahren, und zwar nach einer derart langen Schweißdauer, so dass die Komponente von einer Kugelform übergeht in eine Form mit einer starken Abflachung an einer gesamten Seite. Die Seite der Zündspitze 222, die die Masseelektrode 218 kontaktiert, ist aufgrund der Schweißkraft und der andauernden Wärme eines herkömmlichen Widerstandsschweißprozesses kollabiert und beinhaltet nun einen umfänglichen Flansch an ausgestoßenem Material um ihren äußeren Umfang. Dies könnte wenigstens teilweise zu dem höheren mittleren Schweißstrom über eine sehr viel längere Schweißzeit für die herkömmliche Widerstandsschweißtechnik beitragen, in welchem Fall die Elektrode manchmal als eine Art Wärmesenke wirkt. Zum Vierten kann die wärmebeeinflusste Zone 70 in großem Maß frei sein von intermetallischen Verbindungen oder eingefangenen Gasen, die die Schweißverbindung ansonsten schwächen könnte. Die resultierende kapazitive Entladungsschweißverbindung 72 kann eine geschmolzene Schweißschmelze mit geschmolzenem Material von beiden Seiten der Schnittstelle aufweisen, also dort, wo die Materialien tatsächlich aufgeschmolzen sind und sich dann verfestigt haben, was sich von der Widerstandsschweißverbindung 272 unterscheidet, bei der es sich mehr um eine molekulare Bindung handelt, die gewissermaßen ähnlich ist zu jener, die durch Schmieden erzeugt wird.
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In einem Schritt 108 kühlt das Verfahren die Verbindung zwischen der Zündspitze und der Zündkerzenelektrode schnell ab, und zwar gemäß einem kapazitivem Entladungsschweißprozess. Die Menge bzw. der Betrag der Zeit, die es braucht, um die Schnittstelle oder dem Übergang zwischen der Zündspitze und der Zündkerzenelektrode zu kühlen, ist wenigstens teilweise eine Funktion der Gesamtmenge der Energie, die während des Schweißprozesses in die Komponenten eingetragen worden ist. Und, wie es durch die 4 und 5 oben demonstriert worden ist, bringt der kapazitive Entladungsschweißprozess signifikant weniger Energie ein, als ein vergleichbarer Widerstandsschweißprozess. Da die wärmebeeinflusste Zone 70 und die kapazitive Entladungsschweißverbindung 72 so schnell abkühlen - und folglich so schnell verfestigen, für den Fall von geschmolzenem Material - kann die Mikrostruktur der wärmebeeinflussten Zone eingefroren oder eingestellt werden, bevor sich Zeit ergibt, damit sich signifikante intermetallische Verbindungen bilden. Die resultierende Granulation der Mikrostruktur der wärmebeeinflussten Zone kann relativ fein sein, da der schnelle Abkühlprozess nur für eine sehr begrenzte Zeitspanne ein Kornwachstum zulässt. Die wärmebeeinflusste Zone 70 und/oder die kapazitive Entladungsschweißverbindung 72 können gemäß einer Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen bereitgestellt werden, da die besonderen Charakteristika, die oben beschrieben sind, lediglich beispielhaft für einige Möglichkeiten stehen.
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Es ist anzumerken, dass die Schritte 104, 106 und 108 miteinander kombiniert werden können, um als ein kapazitiver Entladungsschweißvorgang zu wirken, und in einer unterschiedlichen Art und Weise oder Reihenfolge, als oben beschrieben ausgeführt werden können. Ferner können die Schritte 104 und 106 gleichzeitig anstelle sequenziell durchgeführt werden, so dass die Zündspitze gegen die Zündkerzenelektrode zu dem Moment bzw. Zeitpunkt gedrückt wird, zu dem das Verfahren an dem Übergang den Schweißstrom bereitstellt. In einem unterschiedlichen Beispiel können zwei oder mehr dieser Schritte miteinander kombiniert oder konsolidiert werden, und zwar in einen einzelnen Schritt, da es bei der vorliegenden Methodologie nicht notwendig ist, dass zwischen den Schritten unterschiedliche bzw. genaue Grenzen oder Trennungen vorliegen. Nach dem zuvor erwähnten kapazitiven Entladungsschweißprozess können eine oder mehrere dem kapazitiven Entladungsschweißen nachgeschaltete Prozesse durchgeführt werden, einschließlich von zusätzlichen kapazitiven Entladungsschweißvorgängen.
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Beispielsweise stellen Schritt 120 sowie die 8 und 9 einen dem kapazitiven Entladungsschweißen nachgeschalteten Prozess dar, bei dem die Zündspitze eingeebnet bzw. abgeflacht und erneut geschweißt wird, so dass sie noch sicherer an der Masseelektrode 18 angebracht wird. Bei dieser besonderen Ausführungsform beinhaltet der finale Schritt des offenbarten Verfahrens 100 ein Planieren oder Abflachen und dann ein erneutes Schweißen der Zündspitze 22 an die Zündkerzenelektrode 18, so dass sie eine finale abgeflachte Form 90 annimmt. Die Zündspitze 22 und die Elektrode 18 können zwischen zwei flachen Dornen 80, 82 gehalten werden, die vorzugsweise aus Kupfer hergestellt sind und die die gleichen Dorne sein können wie die Schweißdorne 50, 52, oder unterschiedlich hiervon sein können. Die Dorne 80, 82 erwärmen die Zündspitze 22 und flachen diese ab, indem gleichzeitig ein hohes Maß an Kompressionskraft und elektrischem Strom über einen zweiten kapazitiven Entladungsschweißprozess aufgebracht werden. Ein zusätzliches Schmelzen tritt in einem Hochwiderstandsbereich auf, und zwar um den Umfang der Zündspitze 22 herum, dort, wo die Zündspitze in die Oberfläche der Elektrode 18 eingedrückt wird. Die sich hieraus ergebende Anbringung ist in 7 dargestellt und zeigt eine finale wärmebeeinflusste Zone 76 und eine kapazitive Entladungsschweißverbindung 76, die, obgleich sie etwas unterschiedlich ist gegenüber jener, die in 4 und 5 gezeigt ist, einige der gemeinsamen Attribute hiermit teilen kann.
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Die finale wärmebeeinflusste Zone 74 ist nach wie vor sehr viel kleiner als die entsprechende wärmebeeinflusste Zone 270 der Konstruktion des Standes der Technik. Ferner kann die finale wärmebeeinflusste Zone 74 eine Natur und eine Mikrostruktur haben, die ähnlich sind zu jenen, die oben beschrieben sind (bspw. kann sie eine feinkörnige Mikrostruktur haben und kann eine verfestigte Schmelzmischung der Materialien der Zündspitze und der Elektrode beinhalten, im Gegensatz zu der konventionelleren molekularen oder geschmiedeten Bindung). In Abhängigkeit von dem Betrag von aufgebrachter Wärme und Kraft kann die obere Fläche der finalen Form 90 der Zündspitze mit der Oberfläche der Masseelektrode 18 bündig ausgerichtet sein, oder kann leicht in die Oberfläche der Elektroden zurückversetzt sein, oder sie kann gegenüber der Elektrodenfläche weg und etwas nach vorne vorstehen.
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Der kapazitive Entladungsschweißprozess kann zu einer höheren Schweißfestigkeit führen, als sie durch konventionelle Widerstandsschweißverfahren erzielt wird, kann eine verlängerte Zündkerzenlebensdauer bereitstellen, kann die Effizienz des Herstellungsprozesses verbessern, indem gewisse Verarbeitungsschritte reduziert oder eliminiert werden, und kann ferner die Menge der nötigen Energie reduzieren und/oder die Lebensdauer von Schweißausrüstung verlängern, indem gewisse Bedingungen wie die Menge an Wärme und Druck auf die verschiedenen Dorne erleichtert wird, um einige Möglichkeiten zu nennen. Der kapazitive Entladungsschweißprozess und die sich hieraus ergebende kapazitive Entladungsschweißverbindung, die vorliegend beschrieben sind, könne auch andere Charakteristika oder Attribute genießen oder ausführen.
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Es versteht sich, dass das Vorstehende eine Beschreibung von einer oder mehreren bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarten bestimmten Ausführungsformen bzw. die hier offenbarte bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern ausschließlich durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Ferner beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen auf bestimmten Ausführungsformen und sollen nicht als Beschränkungen des Schutzbereiches der Erfindung oder hinsichtlich der Definition von in den Ansprüchen verwendeten Begriffen verstanden werden, ausgenommen dort, wo ein Begriff oder eine Phrase ausdrücklich oben definiert ist. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen der offenbarten Ausführungsform(en) ergeben sich für den Fachmann. In der vorliegenden Spezifikation und in den Ansprüchen sind die Begriffe „zum Beispiel,“ „z.B.“, „beispielsweise“, „wie“ und „wie bspw.“, sowie die Verben „aufweisen“, „haben“, „enthalten“ und deren andere Verbformen, wenn in Verbindung mit einer Auflistung von einem oder mehreren Bestandteilen oder anderen Einzelteilen verwendet, jeweils als nicht endend bzw. offen zu verstehen, was bedeutet, dass die Auflistung nicht so zu verstehen ist, dass andere, zusätzliche Bestandteile oder Einzelteile auszuschließen wären. Andere Begriffe sind unter Verwendung ihrer breitesten vernünftigen Bedeutung zu verstehen.
