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BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die Anmeldung beansprucht die Vorteile der provisorischen US-Anmeldung mit der Serien-Nr. 61/782,738, die am 14. März 2013 eingereicht wurde, und jene der nichtprovisorischen US-Anmeldung mit der Serien-Nr. 14/206,121, die am 12. März 2014 eingereicht wurde.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die Offenbarung betrifft generell Verfahren zum Herstellen von Zündkerzen sowie Zündkerzen und andere Zündvorrichtungen für Verbrennungsmotoren und betrifft insbesondere das Zusammensetzen und das Anbringen von Zündkerzenkomponenten aneinander.
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HINTERGRUND
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Zündkerzen können dazu verwendet werden, um in Verbrennungsmotoren eine Verbrennung einzuleiten. Zündkerzen zünden typischerweise ein Gas, wie ein Luft/Brennstoff-Gemisch, in einem Motorzylinder oder in einer Verbrennungskammer, und zwar indem ein Funken quer über einer Funkenstrecke erzeugt wird, die zwischen zwei oder mehr Elektroden definiert ist. Das Zünden des Gases mittels des Funkens ruft eine Verbrennungsreaktion in dem Motorzylinder hervor, die für den Leistungshub des Motors verantwortlich ist. Die hohen Temperaturen, die hohen elektrischen Spannungen, die schnelle Wiederholung von Verbrennungsreaktionen und das Vorhandensein von korrosiven Materialien in den Verbrennungsgasen können eine raue Umgebung erzeugen, innerhalb der die Zündkerze funktioniert. Diese raue Umgebung kann zu einer Erosion und Korrosion der Elektroden beitragen und kann die Leistungsfähigkeit der Zündkerze über der Zeit negativ beeinflussen, was potentiell zu Fehlzündungen oder anderen unerwünschten Zuständen führen kann.
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Um eine Erosion und Korrosion der Elektroden einer Zündkerze zu reduzieren, sind verschiedene Arten von Edelmetallen und deren Legierungen - wie jene, die aus Platin und Iridium hergestellt sind - verwendet worden. Diese Materialien können jedoch teuer sein. Demzufolge versuchen die Hersteller von Zündkerzen von Zeit zu Zeit, die Menge der in Verbindung mit einer Elektrode verwendeten Edelmetalle zu minimieren, indem derartige Materialien lediglich an einer Zündspitze der Elektroden verwendet werden, also dort, wo ein Funken über eine Funkenstrecke springt.
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Das Dokument
US 2008 / 0 238 283 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Plasmajet-Zündkerze. Das Dokument
DE 11 2012 003 972 T5 offenbart eine weitere Zündkerze, bei der ein Nichtedelmetallteil bspw. durch Laserschweißen an einem Masseelektrodenkörper angebracht ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze sowie eine verbesserte Zündkerze anzugeben.
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ÜBERBLICK
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Die obige Aufgabe wird gelöst durch die jeweiligen Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze der Ansprüche 1, 2, 3, 5, 6 und 12 sowie durch die Zündkerze gemäß Anspruch 13.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren beinhalten die Schritte: Bereitstellen eines Zündplättchens, einer Masseelektrode und einer Metallhülle; Richten eines ersten Laserstrahls von einem Laserstrahl-Schweißgerät auf einen ersten Schweißort, der sich an oder nahe an einer Schnittstelle zwischen dem Zündplättchen und der Masseelektrode befindet, und Anbringen des Zündplättchens an der Masseelektrode mit einer ersten Laserschweißung; und Richten eines zweiten Strahls von dem Laserstrahl-Schweißgerät auf einen zweiten Schweißort, der sich an oder nahe an einer Stützstelle zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle befindet, und Anbringen der Masseelektrode an der Metallhülle mit einer zweiten Laserschweißung. Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl können beide unter Verwendung desselben Laserstrahl-Schweißgerätes emittiert werden.
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Erfindungsgemäß beinhaltet eine Zündkerze eine Metallhülle, einen Isolator, eine Mittelelektrode, eine Masseelektrode und ein Zündplättchen. Die Masseelektrode ist an der Metallhülle angebracht. Das Zündplättchen ist aus einem Edelmetallmaterial zusammengesetzt und ist an der Masseelektrode angebracht. Die Anbringung zwischen dem Zündplättchen und der Masseelektrode beinhaltet eine erste Keyhole-Schweißung bzw. Tiefschweißung, und die Anbringung zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle beinhaltet eine zweite Keyhole-Schweißung.
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Figurenliste
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Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
- 1 eine Schnittansicht einer beispielhaften Zündkerze ist;
- 2 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes der Zündkerze der 1 ist;
- 3 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Laserstrahl-Schweißprozesses ist;
- 4 eine Schnittansicht einer beispielhaften Anbringung zwischen einem Körper einer Masseelektrode und einem Zündplättchen ist, und wobei 4 in Bezug auf 3 gedreht ist; und
- 5 eine Schnittansicht einer beispielhaften Anbringung zwischen einem Körper einer Masseelektrode und einer Metallhülle ist, wobei 5 ebenfalls in Bezug auf 3 gedreht ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Zusammenbau- und Herstellungsprozesse, wie sie in dieser Beschreibung angegeben sind, können in Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen verwendet werden, einschließlich von industriellen Zündkerzen, Zündeinrichtungen für die Luft- und Raumfahrt, oder in jeglicher anderer Vorrichtung, die dazu verwendet wird, in einem Motor ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu zünden. Dies beinhaltet Zündkerzen, die in Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren verwendet werden, wie Motoren, die dazu ausgerüstet sind, eine Benzindirekteinspritzung (direct injection, GDI) bereitzustellen, Motoren, die unter Strategien mit magerer Verbrennung arbeiten, Motoren, die unter Strategien mit effizienter Brennstoffausnutzung arbeiten, Motoren, die unter Strategien mit reduzierter Emission arbeiten, oder eine Kombination dieser Motoren. Das hier beschriebene Herstellungsverfahren kann zu einer verfestigten Anbringung und einem verbesserten Wärmemanagement zwischen Komponenten von Zündkerzen führen, und ist eine effektive und effiziente Laserschweißprozedur zum Anbringen oder Fügen von Zündkerzenkomponenten, neben anderen möglichen Verbesserungen. Die Begriffe axial, radial und umfänglich, so wie sie vorliegend verwendet werden, beschreiben Richtungen in Bezug auf die generell zylindrische Form der Zündkerze der 1, und beziehen sich auf eine Mittelachse A der Zündkerze, es sei denn, es ist vorliegend anderes angegeben.
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Wie es in 1 gezeigt ist, weist eine Zündkerze 10 eine Mittelelektrodenbasis („center electrode“ Basis bzw. CE-Basis) oder einen Mittelelektrodenkörper 12, einen Isolator 14, eine Metallhülle 16 und eine Masseelektrodenbasis („ground electrode“ base bzw. GE-Basis) oder einen Masseelektrodenkörper 18 auf. Weitere Komponenten können einen Anschlussbolzen, einen Innenwiderstand, verschiedene Dichtungen („gaskets“‘) und innere Dichtungen („seals“) beinhalten, die Fachleuten jeweils sämtlich bekannt sind. Der CE-Körper 12 ist generell innerhalb einer axialen Bohrung 20 des Isolators 14 angeordnet und weist einen Endabschnitt auf, der an einem Zündende der Zündkerze 10 außerhalb des Isolators freiliegt. In einem Beispiel ist der CE-Körper 12 aus einem Nickellegierungsmaterial (Ni-Legierungsmaterial) hergestellt, das als ein äußerer oder Ummantelungsabschnitt des Körpers dient, und beinhaltet ein Kupfermaterial (Cu-Material) oder ein Cu-Legierungsmaterial, das als ein innerer Kern des Körpers dient; andere Materialien und Konfigurationen sind möglich, einschließlich eines Körpers ohne Kern, das heißt aus einem einzelnen Material. Der Isolator 14 ist generell innerhalb einer Axialbohrung 22 der Metallhülle 16 angeordnet, und weist einen Endnasenabschnitt auf, der an dem Zündende der Zündkerze 10 außerhalb der Hülle freiliegt. Der Isolator 14 ist aus einem Material, wie einem Keramikmaterial, hergestellt, das den CE-Körper 12 gegenüber der Metallhülle 16 elektrisch isoliert. Die Metallhülle 16 stellt eine äußere Struktur der Zündkerze 10 bereit und weist Gewindegänge zur Installation in dem zugeordneten Motor auf. Die Metallhülle 16 kann aus einer Stahllegierung oder einem beliebigen anderen geeigneten Material zusammengesetzt sein, und kann gleichfalls mit einer Zink-basierten oder einer Nickel-basierten Legierungsbeschichtung beschichtet sein, um Beispiele zu nennen.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ist der GE-Körper 18 an einem freien Ende 23 der Metallhülle 16 angebracht, und kann als ein fertiggestelltes Produkt generell eine L-Form besitzen. An einem Endabschnitt, der einer Funkenstrecke G am nächsten ist, ist der GE-Körper 18 axial von dem CE-Körper 12 und von einer CE-Zündspitze 24 (wenn eine solche vorgesehen ist) axial beabstandet. Wie der CE-Körper 12 kann der GE-Körper 18 aus einem Ni-Legierungsmaterial hergestellt sein, das als ein äußerer oder Ummantelungsabschnitt des Körpers dient, und kann ein Cu-Material oder ein Cu-Legierungsmaterial aufweisen, das als ein innerer Kern des Körpers dient; andere Beispiele sind möglich, einschließlich von Körpern ohne Kern, das heißt aus einem einzelnen Material. Einige nicht einschränkende Beispiele von Ni-Legierungsmaterialien, die mit dem CE-Körper 12, dem GE-Körper 18 oder beiden verwendet werden können, beinhalten eine Legierung, die aus einem oder mehreren von Ni, Chrom (Cr), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Silicium (Si) oder einem anderen Element zusammengesetzt ist; und weitere spezifische Beispiele beinhalten Materialien, die gewöhnlich als Inconel®-Legierung 600 oder 601 bekannt sind. Im Querschnittsprofil kann der GE-Körper 18 eine generell rechteckige Form oder ein anderes geeignetes Profil besitzen. Der GE-Körper 18 weist eine innere oder in axiale Richtung weisende Arbeitsfläche 26 auf, die dem CE-Körper 12 und/oder der CE-Zündspitze 24 generell gegenübersteht und gegenüberliegt, und zwar über die Funkenstrecke G hinweg.
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Wie erwähnt, beinhaltet die Zündkerze 10 bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform die optionale CE-Zündspitze 24, die an einer in axiale Richtung weisenden Arbeitsfläche 28 des CE-Körpers 12 angebracht ist und Funken über die Funkenstrecke G austauscht. Unter besonderer Bezugnahme auf 2 hat die hier gezeigte CE-Zündspitze 24 eine zweistückige und generell nietartige Konstruktion, und beinhaltet ein erstes Teil 30 (Nietkopf), das an ein zweites Teil (Nietschaft) geschweißt ist. Das erste Teil 30 kann direkt an dem CE-Körper 12 angebracht sein, und das zweite Teil 32 kann direkt an dem ersten Teil angebracht sein, so dass eine in axiale Richtung weisende Funkenbildungsfläche 34 bereitgestellt wird, und zwar zum Austauschen von Funken über die Funkenstrecke G. Das erste Teil 30 kann aus einem Ni-Legierungsmaterial hergestellt sein, und das zweite Teil 32 kann aus einem Edelmetall-Legierungsmaterial hergestellt sein, wie solche Materialien, die Iridim (Ir), Platin (Pt) oder Ruthenium (Ru) beinhalten; für beide dieser Teile sind andere Materialien möglich. In anderen Ausführungsformen, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind, wird eine separate oder diskrete CE-Zündspitze insgesamt weggelassen, in welchem Fall Funken aus dem CE-Körper 12 selber ausgetauscht werden. Die optionale Zündspitze 24 könnte eine einstückige Konstruktion oder eine Konstruktion aus einem einzelnen Material haben, und könnte unterschiedliche Formen besitzen, einschließlich von nicht-nietartigen Formen, wie Zylinder, Stangen, Säulen, Drähte, Kugeln, Buckel, Kegel, flache Plättchen, Ringe oder Hülsen, um einige Möglichkeiten zu nennen. Die vorliegende Zündkerze und das vorliegende Herstellungsverfahren sind nicht auf irgendeine bestimmte Anordnung von CE-Zündspitze oder Zündende eingeschränkt.
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Unter erneuter Bezugnahme auf sowohl die 1 als auch die 2 beinhaltet die Zündkerze 10 ferner ein Zündplättchen („firing pad“) 36, das aus einem Edelmetallmaterial hergestellt ist und das an der Arbeitsfläche 26 des GE-Körpers 18 angebracht ist, und zwar zum Austauschen von Funken über die Funkenstrecke G. Das Zündplättchen 36 ist als ein dünnes Plättchen bereitgestellt, in jenem Sinne, dass seine größte Breitenabmessung quer über eine Funkenbildungsfläche 38 einige Male oder mehr größer ist als seine größte axiale Dickenabmessung durch das Zündplättchen hindurch, obgleich dies nicht notwendigerweise der Fall ist. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel weist das Zündplättchen 36 eine Dicke auf, die kleiner/gleich etwa 0,275 mm ist, oder eine Dicke, die noch bevorzugter in einem Bereich zwischen etwa 0,05 mm und 0,2 mm liegt (z.B. eine Dicke von etwa 0,13 mm). Diese Ausführungsform mit dünnem Plättchen unterscheidet sich von vielen zuvor bekannten Zündspitzenkonfigurationen mit sogenannten Feindrahtkonstruktionen, bei denen die größte Breitenabmessung quer über die Funkenbildungsfläche des Drahtes (d.h. der Durchmesser) kleiner ist als die Dickenmessung des Drahtes (d.h. die axiale Höhe). Wie erwähnt, ist das Zündplättchen 36 vorzugsweise aus einem Edelmetallmaterial hergestellt, und kann aus einem reinen Edelmetall hergestellt sein oder aus einer Edelmetalllegierung, wie jene, die Pt, Ir, Ru oder eine Kombination hiervon enthalten. In einigen nicht einschränkenden Beispielen ist das Zündplättchen 36 aus einer Pt-Legierung hergestellt, die Ni oder Ir in einem Bereich zwischen etwa 10 Gew.-% und etwa 30 Gew.-% enthält und als Rest Pt enthält, oder aus einer solchen Legierung, die Wolfram (W) in einem Bereich zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 10 Gew.-% enthält, wobei der Rest Pt ist; in beiden vorstehenden Pt-Legierungsbeispielen könnten gleichfalls andere Materialien, wie Ir, Ru, Rhodium (Rh), Rhenium (Re), oder eine Kombination hiervon enthalten sein. Für das Zündplättchen 36 sind andere Materialien möglich, einschließlich von reinem Pt, reinem Ir, reinem Ru, um einige zu nennen. Die vorliegende Zündkerze und das vorliegende Herstellungsverfahren sind nicht auf irgendein bestimmtes Edelmetall oder eine andere Materialzusammensetzung eingeschränkt.
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Die Anbringungen zwischen dem GE-Körper 18 und der Metallhülle 16 sowie zwischen dem GE-Körper und dem Zündplättchen 36 werden, wie es nachstehend in dieser Beschreibung beschrieben ist, auf eine effektivere und effizientere Art durchgeführt als in der Vergangenheit. Bei den bislang bekannten Anwendungsprozeduren wurde eine Anbringung, die zwischen einem GE-Körper und einer Hülle gebildet wurde, in einer dedizierten bzw. fest zugewiesenen Prozedur mit dedizierter Ausrüstung bzw. fest zugewiesener Ausrüstung durchgeführt, wohingegen eine Anbringung zwischen dem GE-Körper und einer GE-Spitze in einer noch anderen diskreten und dedizierten Prozedur mit ihrer eigenen dedizierten Ausrüstung und typischerweise an einer anderen Bearbeitungsstation durchgeführt wurde. Gewöhnlich beinhalteten diese Prozeduren ein Widerstandsschweißen, insbesondere was die Anbringung von GE-Körper und Hülle betraf. Sofern in den bislang bekannten Prozeduren ein Laserschweißen durchgeführt wurde, wurde dies häufig nur zwischen dem GE-Körper und der Spitze durchgeführt - und wiederum unter Verwendung von diskreten und dedizierten Prozeduren und Ausrüstungen.
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Das Herstellungsverfahren oder der Anbringungsprozess, die hier beschrieben sind, können hingegen eine einzelne Laserschweißvorrichtung verwenden, um das Zündplättchen 36 an dem GE-Körper 18 und den GE-Körper 18 an der Metallhülle 16 anzubringen, und können dies mit einer minimalen Anzahl von Schritten erreichen. Der genaue Anbringungsprozess kann in unterschiedlichen Ausführungsformen variieren, einschließlich der Durchführung von mehr, weniger oder unähnlichen Schritten als jene, die gezeigt und beschrieben sind. Tatsächlich kann der genaue Prozess, neben anderen Faktoren, von der Konstruktion und dem Design der Zündkerze 10 und der verwendeten Ausrüstung abhängen. Die Ausführungsform der 3 beinhaltet ein Laserstrahlschwei-ßen und ist ein Prozess im Rahmen eines größeren Zündkerzenmontage- und Herstellungsbetriebs. Insbesondere können ein Laserstrahl-Schweißgerät 40 und dessen Abgabekopf 42 dazu verwendet werden, einen ersten Laserstrahl L zu emittieren, der das Zündplättchen 36 an dem GE-Körper 18 anbringt, und zwar an oder nahe einem ersten Schweißort 46, und um einen zweiten Laserstrahl L' zu emittieren, der den GE-Körper 18 an der Metallhülle 16 anbringt, und zwar an oder nahe einem zweiten Schweißort 50. Die erste und die zweite Laserschweißung können sequentiell an dem ersten und dem zweiten Schweißort 46, 50 durchgeführt werden, und zwar während getrennter und unterschiedlicher Laserschweißschritte - d.h., eine der Schweißungen wird erzeugt und anschließend wird die andere Schweißung zu einer unterschiedlichen Zeit erzeugt, wie beispielsweise unmittelbar nach der ersten Schweißung. Bei dem nachstehend beschriebenen Beispiel wird zuerst das Zündplättchen 36 an dem GE-Körper 18 angebracht, und anschließend wird der GE-Körper 18 an der Metallhülle 16 angebracht; in anderen Beispielen kann die Reihenfolge jedoch umgekehrt sein, und der GE-Körper 18 und die Metallhülle können als erstes aneinander angebracht werden, gefolgt von einer Anbringung des Zündplättchens an dem GE-Körper.
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Unabhängig von der Reihenfolge können unterschiedliche Kombinationen von Teilen und Komponenten bewegt werden oder können stationär verbleiben. Beispielsweise können das Schweißgerät 40, der Abgabekopf 42 und die Zündkerze 10 sowohl während der ersten als auch der zweiten Laserstrahlschweißung festgelegt und statisch sein, wohingegen nur der Laserstrahl L selbst abgelenkt und auf die unterschiedlichen Schweißorte der Zündkerze gerichtet wird. In einem speziellen Beispiel wird eine fokussierende optische Funktionalität verwendet, bei der eine programmierbar Fokussieroptikanordnung („programmable focusing optic assembly“, PFO-Anordnung) 44 verwendet wird, die Spiegel oder andere reflektierende Flächen verwenden kann, um die Laserstrahlen L, L' abzulenken und auszurichten, wohingegen sowohl das Schweißgerät 40, der Abgabekopf 42 als auch die Zündkerze 10 stationär verbleiben. Generell kann die PFO-Anordnung 44 die Laserstrahlen L, L' auf ein vorbestimmtes Ziel richten bzw. zielen und kann den Laserstrahl entlang eines vorbestimmten Pfades führen. Ein spezifisches Beispiel einer PFO-Anordnung wird von TRUMPF, Inc. aus Farmington, Connecticut, USA, geliefert, und wird mit dem Produktnamen „PFO 20“ verkauft. Natürlich sind andere Beispiele von PFO-Anordnungen möglich, einschließlich solcher, die von anderen Firmen geliefert werden. In einer unterschiedlichen Ausführungsform können das Schweißgerät 40 oder der Abgabekopf 42 oder die Zündkerze 10 oder eine Kombination hiervon gedreht werden, zusammengebracht werden, voneinander wegbewegt werden, oder auf eine andere Art und Weise bewegt werden, und zwar während der ersten, der zweiten oder während beider Laserstrahlschweißungen. Natürlich können in anderen Ausführungsformen andere Techniken und Anordnungen dazu verwendet werden, um die erste und die zweite Laserstrahlschweißung an den unterschiedlichen Schweißorten bereitzustellen, einschließlich einer Funktionalität, die nicht notwendigerweise fokussierende Optiken beinhaltet. In einigen Fällen können existierende Laserschweißgeräte mit Ausrüstung nachgerüstet werden, die notwendig ist, um das vorliegende Verfahren auszuführen. Es ist möglich, dass das Verfahren an einer einzelnen Arbeitsstation durchgeführt wird, und es ist möglich, dass das Verfahren automatische und robotergestützte Operationen bzw. Betriebsschritte beinhaltet, um einige Möglichkeiten zu nennen.
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Bei Verwendung der PFO-Anordnung 44 zur Durchführung der ersten Laserstrahlschweißung wird der Laserstrahl L bei dieser Ausführungsform in einer ersten Richtung emittiert, und zwar generell auf einen Schweißort 46, der den Verbund aus Zündplättchen 36 und GE-Körper 18 überspannt bzw. umfasst. Der Laserstrahl kann auf das Zündplättchen 36 unter einem orthogonalen Winkel oder unter einem nahezu orthogonalen Winkel relativ zu der Funkenbildungsfläche 38 gerichtet werden (wie es in 3 dargestellt ist), oder kann unter einem nicht-orthogonalen Winkel ausgerichtet werden. Die PFO-Anordnung 44 kann den Laserstrahl L über einen oder mehrere Pfade führen, der oder die eine Laserschweißung oder eine aufgeschmolzene Bindung („molten bond“) 48 erzeugen, die innerhalb einer Umfangskante P des Zündplättchens 36 angeordnet ist, der oder die eine Schweißung erzeugen, die entlang der Umfangskante P angeordnet ist (d.h. eine Nahtschweißung), oder der oder die eine Schweißung mit Segmenten erzeugen, die sowohl innerhalb als auch außerhalb der Umfangskante P angeordnet sind, so, dass sie auf den GE-Körper 18 übertragen werden („carried over“), um einige Möglichkeiten zu nennen. Diese Schweißungen oder geschmolzenen Bindungen bzw. Verbindungen können hinsichtlich ihrer Eigenart bzw. Natur kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Dieser Schritt bringt das Zündplättchen 36 über einen Laserstrahlschweißvorgang an dem GE-Körper 18 an. 4 zeigt ein Beispiel einer Laserschweißung oder -schweißverbindung 48, die sich aus dem ersten Laserstrahl ergibt. Bei diesem Beispiel ist die Schweißung 48 eine ringförmige Keyhole-Laserschweißung und ist innerhalb bzw. einwärts der Umfangskante P durch Laserenergie gebildet, die transversal durch eine Dicke des Zündplättchens 36 hindurchgedrungen ist, und zwar an einer Schnittstelle I von Fläche zu Fläche vorbei, und in den GE-Körper 18 hinein. In anderen Beispielen ist die Schweißung 48 entlang der Umfangskante P angeordnet oder folgt dieser (d.h. eine Nahtschweißung), oder erstreckt sich über die Umfangskante P vor und zurück, im Gegensatz zu einer Anordnung vollständig innerhalb der Umfangskante P. An gewissen Abschnitten der Schweißung 48 kann die Schweißung eine Mischung aus Materialien des Zündplättchens 36 und des GE-Körpers 18 beinhalten. Der Eintrittspunkt des Laserstrahls in das Zündplättchen 36 kann sich an der Funkenbildungsfläche 38 befinden, an deren Umfangskante P oder, in anderen Beispielen, an der in axiale Richtung weisenden Fläche 20 der Masseelektrode. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Zündkerze und das vorliegende Herstellungsverfahren nicht auf irgendeine bestimmte Art von Schweißung oder Schweißanordnung beschränkt sind.
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Ferner wird unter Verwendung der PFO-Anordnung 44 zur Durchführung der zweiten Laserstrahlschweißung der Laserstrahl L' in einer zweiten Richtung emittiert, und zwar generell auf einen Schweißort oder einen Schnittstellenbereich 50 zwischen dem GE-Körper 18 und der Metallhülle 16. Insbesondere kann der Laserstrahl L' auf eine Kantenlinie einer Schnittstelle 52 von Fläche zu Fläche zwischen dem GE-Körper 18 und der Metallhülle 16 gerichtet werden. Die PFO-Anordnung 44 kann den Laserstrahl L' über einen oder mehrere Pfade führen, der bzw. die eine einzelne kontinuierliche Schweißung entlang der Erstreckung der Kantenlinie erzeugt bzw. erzeugen, kann den Laserstrahl führen, um ein Naht- oder Zickzack-Schweißmuster zu erzeugen, und zwar mit individuellen und diskreten Schweißsegmenten an der Kantenlinie, oder kann den Laserstrahl führen, um eine weitere Schweißung an der Schnittstellenregion 50 zu erzeugen. Wie zuvor bringt dieser Schritt den GE-Körper 18 an der Metallhülle 16 über einen Laserschweißvorgang an. 5 zeigt ein Beispiel einer verfestigten Schweißverbindung oder Schweißung 54, die sich aus der zweiten Laserstrahlschweißung ergibt. Bei diesem Beispiel ist auch die Schweißung 54 eine Keyhole-Schweißung bzw. Tiefschweißung bzw. Lasertiefschweißung, und beginnt an der Kantenlinie der Schnittstelle 52 von Fläche zu Fläche und dringt in den GE-Körper 18 und in die Metallhülle 16 ein. Die Schweißung 54 kann in den GE-Körper 18 bis auf eine Tiefe eindringen, die nahezu gleich oder gleich der Dicke des GE-Körpers ist. Diese beispielhafte Durchdringung ist in 5 dargestellt, wo die Schweißung 54 eine äußere Fläche 55 des GE-Körpers überspannt; tatsächlich kann die Schweißung in manchen Fällen sogar sichtbar sein, wenn eine Betrachtung an der äußeren Oberfläche erfolgt. Es ist herausgefunden worden, dass Durchdringungen bis auf diese Tiefen dazu beitragen, eine geeignete Haltekraft und Schweißfestigkeit zwischen dem GE-Körper 18 und der Metallhülle 16 zu gewährleisten. Und wie bei der Schweißung 48 kann die Schweißung 54 eine Mischung von Materialien des GE-Körpers 18 und der Metallhülle 16 beinhalten.
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Wenn die erste und die zweite Laserstrahlschweißung gebildet werden, kann die Zündkerze 10 so positioniert und orientiert werden, dass die innere Seite oder innere Fläche 26 des GE-Körpers 18 dem Abgabekopf 42 und den emittierten Laserstrahlen L, L' ausgesetzt ist und gegenüberliegt. Auf diese Art und Weise sind die Schweißorte 46, 50 freiliegend und für einen Laserschweißvorgang mittels einer einzelnen Laserschweißvorrichtung zugänglich. Dies ist in 3 dargestellt, wobei der GE-Körper 18 in einem noch nicht fertiggestellten Zustand gezeigt ist, und zwar bevor er in seine finale L- oder J-Form gebogen wird (1). Tatsächlich werden bei dieser Ausführungsform die erste und die zweite Laserstrahlschweißung durchgeführt, bevor der Schritt des Vor-Biegens oder End-Biegens des GE-Körpers 18 in Position erfolgt, so dass die Zündspitze 24 mit dem Zündplättchen 36 ausgerichtet wird. Darüber hinaus können die erste und die zweite Laserstrahlschweißung mit unterschiedlichen Parametern relativ zueinander eingestellt werden, die für die unterschiedlichen Schweißungen, die dabei erzeugt werden, jeweils geeignet sind. Die Schweißparameter können, neben anderen Faktoren, abhängen von der Größe, der Form, der Dicke und dem Material des Zündplättchens 36; der Größe, der Form, der Dicke und des Materials des GE-Körpers 18; und der Größe, der Dicke und des Materials der Wand der Metallhülle 16, sowie von dem Vorhandensein und den Eigenschaften bzw. der Natur von jeglicher bereits geformter Widerstandsschweißung, Heftschweißung etc. In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden die Schweißparameter (z.B. die Intensität oder Energie des Lasers) während des Schweißprozesses eingestellt oder modifiziert, so dass eine Energie oder Intensität des zweiten Laserstrahls L', der auf den Schweißort 50 auftrifft, größer ist als die Energie oder Intensität des ersten Laserstrahls L, der auf den Schweißort 46 auftrifft. Typischerweise wird zum Schmelzen von Edelmetall mehr Energie oder Intensität benötigt als zum Schmelzen von Nickel, bei dieser besonderen Ausführungsform muss der Laserstrahl L' jedoch in eine Tiefe vordringen bzw. eindringen, die um einige Male tiefer (z.B. fünfmal tiefer) ist als jene des Laserstrahls L. Die erhöhte Schweißtiefe führt zu einem sehr viel größeren Schweißbadvolumen, was zu einem „Wärmesenken“-Effekt beitragen kann, der bereits durch die relativ große Masse der Metallhülle erzeugt wird. In anderen Ausführungsformen oder Implementierungen kann der Laserstrahl L eine größere Energie oder Intensität erfordern als der Laserstrahl L', und zwar in Abhängigkeit von der Anwendung. Die Einstellung von derartigen Schweißparametern ermöglicht es dem vorliegenden Verfahren, auf die Anwendung angepasste („customized“) Schweißungen für beide Schweißorte zu erzeugen, wobei dennoch lediglich eine einzelne Laserschweißvorrichtung 40 verwendet wird.
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Die Schweißungen 48, 54 können über unterschiedliche Laserschweißtypen und - techniken erzeugt werden. In einem Beispiel kann ein Faserlaser-Schweißgerät verwendet werden, als auch andere Laser-Schweißgeräte, wie jene, die Nd:YAG-, CO2-, Dioden-, Scheiben- und Hybrid-Laserausrüstung verwenden, und zwar mit oder ohne Schutzgas (z.B. Argon), um das geschmolzene Schweißbad zu schützen. Bei dem Beispiel des Faserlasers emittiert der Faserlaser einen relativ konzentrierten und hochenergiedichten Strahl, der eine Keyhole-Schweißung bzw. Lasertiefschweißung 48, 54 erzeugen kann; andere Laserstrahlen können auch einen geeignet konzentrierten und hochenergiedichten Strahl erzeugen und zu einer Keyhole- oder einer Nicht-Keyhole-Schweißung führen. In einem Beispiel einer Keyhole-Schweißung schmelzt der Laserstrahl L - und verdampft in manchen Fällen - die Materialien des Zündplättchens 36 und des GE-Körpers 18 in jenem Bereich, wo der Laserstrahl direkt auf diese auftrifft. Im Ergebnis wird eine temporäre Kavität erzeugt, und die temporäre Kavität wird schnell nahezu vollständig oder in manchen Fällen vollständig durch das benachbarte und unmittelbar umgebende Material gefüllt, das in Antwort auf die thermische Energie des Laserstrahls L schmilzt und in die Kavität strömt bzw. fließt. Die Laserstrahlen L, L' können nicht-gepulste oder kontinuierliche Wellenstrahlen („continuos wave beams“), können gepulste Strahlen oder können von einem anderen Typ sein. Es ist anzumerken, dass an jedem Schweißort auch Nicht-Keyhole-Schweißungen verwendet werden können, die von Nicht-Faser-Lasereinrichtungen erzeugt werden, da das vorliegende Verfahren nicht derart eingeschränkt ist.
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Die erste und die zweite Laserstrahlschweißung können zusätzlich zu vorher durchgeführten Widerstandsschweißungen durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Zündplättchen 36 vorläufig an dem GE-Körper 18 über eine Heft- oder Widerstandsschweißung angebracht werden, die dazu dient, das Plättchen temporär zu halten und an Ort und Stelle festzulegen, bis die permanentere erste Laserstrahlschweißung durchgeführt wird. In ähnlicher Weise kann der GE-Körper 18 vorläufig an der Metallhülle 16 über eine Heft- oder Widerstandsschweißung angebracht werden, die wiederum dazu dient, die Komponenten temporär zu halten und an Ort und Stelle festzulegen, bis die permanentere zweite Laserstrahlschweißung durchgeführt wird. In diesen Fällen könnten die Laserstrahlschweißungen physikalisch durch die existierenden Widerstandsschweißungen hindurch ausgeführt werden, und könnten die Anbringung zwischen den Komponenten verstärken und vergrößern bzw. verbessern. Oder der Laserstrahl kann weg oder beabstandet von der existierenden Widerstandsschweißung ausgeführt werden. Die Laserstrahlschweißungen können ferner einen Wärmetransfer und eine Wärmeabfuhr zwischen den Komponenten verbessern, und zwar verglichen mit einer Widerstandsschweißung, da die resultierende Laserschweißverbindung eine festkörperartige und monolithische Körperstruktur sein kann, durch die hindurch Wärme leichter wandern kann. Und während ein Widerstandsschweißen allein in manchen Fällen eine geeignete Haltekraft bereitstellen kann, ist herausgefunden worden, dass ein GE-Körper aus einem Material Inconel®, Legierung 601, insbesondere ein solches, das mit einem Kupferkern versehen ist, nicht immer eine Haltekraft an einer Metallhülle bis zu einem Ausmaß bereitstellt, das in manchen Fällen gewünscht ist. Daher kann eine ergänzende Laserstrahlschweißung in diesen Fällen eine geeignete Haltekraft („retention“) bereitstellen.
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Schließlich erleichtert das Zündplättchen 36 aufgrund seines Designs und seiner Konstruktion - insbesondere seiner Dünnheit - die Bildung der ersten und der zweiten Laserschweißung mittels einer einzelnen Laserschweißmaschine und -vorrichtung. Das heißt, der Laserstrahl L kann direkter und orthogonaler auf die Funkenbildungsfläche 38 gerichtet werden, verglichen mit zuvor bekannten Nahtschweißungen, da es beabsichtigt ist, dass der Laserstrahl L das dünne Zündplättchen 36 vollständig durchdringt, im Gegensatz zu einer Schweißung, bei der dem Umfang des Zündplättchens umfänglich gefolgt werden muss, was gewöhnlich eine gewisse Art von nicht-orthogonalem Auftreffwinkel erfordert, damit der Laserstrahl den Umfang geeignet trifft bzw. auf diesen auftrifft. Sobald der Laserstrahl L die Schweißung 48 durch das dünne Zündplättchen 36 hindurch vervollständigt hat, was bevorzugt, jedoch nicht zwingend ist, kann das Laserstrahl-Schweißgerät 40 einen weiteren Laserstrahl L' auf den Schweißort 50 emittieren, wie bereits beschrieben. Es ist nicht notwendig, dass die Schweißung 48 vor der Schweißung 54 durchgeführt wird; es versteht sich, dass die Benennungen „erste“ und „zweite“ Schweißung keine Reihenfolge angeben, sondern lediglich Begriffe sind, die dazu verwendet werden, um die eine Schweißung von der anderen zu unterscheiden. In manchen Fällen könnte die Schweißung 54 vor der Schweißung 48 durchgeführt werden.
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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 offenbarte bestimmte Ausführungsform bzw. die hier offenbarten bestimmten Ausführungsformen beschränkt, sondern ausschließlich durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Ferner beziehen sich in der vorstehenden Beschreibung enthaltene Aussagen auf bestimmte 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. In der vorliegenden Spezifikation und in den Ansprüchen sind die Begriffe „zum Beispiel“, „z.B.“, „beispielsweise“, „wie“ und „wie beispielsweise“ 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 bzw. auszulegen.
