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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für eine Zündkerze, wobei die Zündkerze insbesondere für Verbrennungsmotoren ausgebildet ist, insbesondere in Kraftfahrzeugen.
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HINTERGRUND
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Zündkerzen können dazu verwendet werden, um eine Verbrennung in Verbrennungsmotoren einzuleiten. Zündkerzen zünden typischerweise ein Gas, wie ein Luft-/Brennstoffgemisch, und zwar in einem Motorzylinder oder in einer Verbrennungskammer, indem ein Funken quer über einer Funkenstrecke erzeugt wird, die zwischen zwei oder mehr Elektroden gebildet 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 funktionieren muss. Die raue Umgebung kann zu einer Erosion und zu einer Korrosion von Elektroden der Zündkerzen beitragen, was die Leistung der Zündkerze über der Zeit negativ beeinträchtigen kann. Dies wiederum kann potentiell zu Fehlzündungen oder anderen unerwünschten Zuständen führen.
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Zur Verringerung von Erosion und Korrosion der Elektroden der Zündkerze sind verschiedene Arten von Edelmetallen und deren Legierungen verwendet worden, wie jene, die aus Platin und aus Iridium hergestellt sind. Diese Materialien sind jedoch teuer. Demzufolge versuchen die Hersteller von Zündkerzen, die Menge der an einer Elektrode verwendeten Edelmetalle zu minimieren. Ein Ansatz hierfür besteht darin, derartige Materialien lediglich an einer Zündspitze oder an einem Funkenabschnitt der Elektroden zu verwenden, also dort, wo ein Funken über eine Funkenstrecke springt.
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Elektrodenanordnungen für Zündkerzen beinhalten typischerweise eine Mittelelektrodenanordnung und eine Masseelektrodenanordnung. Die Elektrodenanordnungen weisen vorzugsweise jeweils einen Elektrodenkörper aus einem ersten Material auf, bei dem es sich um ein Metall oder eine Metalllegierung handeln kann, beispielsweise eine Ni-Legierung.
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Die Elektrodenanordnungen weisen ferner vorzugsweise eine Zündspitze auf, die zumindest teilweise aus einem edleren Metallmaterial hergestellt ist, beispielsweise aus Iridium, aus Platin oder auch aus Ruthenium.
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Zum Verbinden des Elektrodenkörpers mit der Zündspitze, die auch als Edelmetallteil bezeichnet werden kann, sind verschiedene Fügetechniken bekannt. Klassisch erfolgt die Verbindung über ein Schweißverfahren, beispielsweise ein Laserschweißverfahren.
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Aus dem Dokument
WO 2009/ 034 318 A1 ist ein Herstellungsverfahren für eine Elektrode mit einer Iridium-Spitze bekannt, mit dem Schritt, die Spitze im Reibschweißverfahren an ein freies Ende der Elektrode zu fügen. Das Reibschweißverfahren wird insbesondere durch eine Relativrotation zwischen der Spitze und dem Elektrodenkörper durchgeführt, und zwar unter Aufbringung eines konstanten Anpressdruckes. Die Drehung wird dann angehalten, und hierbei wird der Druck weiter erhöht, und zwar weiter bis die Relativrotation beendet ist.
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Aus dem Dokument
US 9 705 292 B2 ist eine Zündkerze mit einer Mittelelektrode und mit einer Masseelektrode bekannt. An der Masseelektrode ist eine Zündspitze angeordnet. Die Zündspitze beinhaltet eine Entladungsschicht und eine Entspannungsschicht. Die Entspannungsschicht ist aus einer Pt-Ni-Legierung gebildet und ist über eine Diffusionsschicht an die gegenüberliegende Fläche gefügt. Die Entladungsschicht ist aus einer Pt-Rh-Legierung gebildet und über eine Diffusionsschicht an eine Seite der Entspannungsschicht gefügt, und zwar gegenüberliegend der Seite, mit der die Entspannungsschicht an die Masseelektrode gefügt ist.
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Bei der Verbindung zwischen einem Edelmetall und einem Elektrodenkörper ist zu berücksichtigen, dass die hierbei zu verbindenden Materialien unterschiedliche Schmelzpunkte haben und in der Regel auch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Ferner müssen beide Materialien die Anforderungen hinsichtlich mechanischer, chemischer und thermischer Lebenszyklusvorgaben erfüllen.
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Neben den oben beschriebenen Fügetechniken ist es auch möglich, Elektrodenkörper und Edelmetallteile durch elektrisches Widerstandsschweißen miteinander zu verbinden, oder durch Elektronenstrahlschweißen. Das Edelmetallteil hat häufig Schmelzpunkte oberhalb von 2000°C. Nickel-basierte Legierungen für Elektrodenkörper haben häufig Schmelzpunkte in einem Bereich zwischen 1350°C und 1450°C.
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Gerade bei Kombinationen von Iridium und Nickel-basierten Materialien können an den Verbindungsbereichen Brüche auftreten, die zu Ausfällen führen können. Eine Abhilfe kann darin liegen, die Schweißzone als kontinuierliche Kontaktfläche auszubilden. Auch ist es möglich, durch besonders homogene Legierungen Brüche zu vermeiden. Das Bereitstellen solcher homogenen Legierungen ist jedoch sehr zeitaufwändig.
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ÜBERBLICK
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Es ist vor diesem Hintergrund eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für eine Zündkerze anzugeben. Die obige Aufgabe wird zum einen gelöst durch ein erstes und ein zweites Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für eine Zündkerze gemäß Anspruch 1 bzw. gemäß Anspruch 2. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren finden sich in den Unteransprüchen.
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Mit den erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, dass das Edelmetallteil und der Elektrodenkörper nach der Art eines Diffusionsschweißens miteinander verbunden werden. Dabei ist es bevorzugt, wenn während des Fügeprozesses im Bereich der Kontaktflächen zwischen dem Elektrodenkörper und dem Edelmetallteil keine Schmelzzone entsteht. Es erfolgt eine Bindung von Substanz zu Substanz, ohne jedoch eine flüssige Phase zu erzeugen. Stattdessen wird Partikelmaterial (Atome, Moleküle, Träger) über die Fügeflächen hinweg transportiert.
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Ein derartiger Materialtransport von Substanzen bzw. Partikeln kann durch eine Erwärmung der Fügezone aktiviert werden, wobei sich insbesondere durch ein Kornwachstum eine neue monolithische Struktur in dem Verbindungsbereich ergibt.
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Während im Stand der Technik eine Andrückkraft erfolgt, so lange eine Relativbewegung zwischen Elektrodenkörper und Edelmetall eingerichtet ist, wird vorliegend vorgeschlagen, nach dem Beenden der Relativbewegung und folglich nach dem Erwärmen der Fügezone die Anpresskraft noch einmal deutlich zu erhöhen, und zwar über einen Kraft-Schwellenwert hinaus. Diese Anpresskraft kann von der Größenordnung her einer Schmiedekraft entsprechen.
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Die Schmiedestelle, die hierdurch gebildet wird, ist vorzugsweise weder makroskopisch noch mikroskopisch sichtbar.
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Während im Stand der Technik eine Relativbewegung zwischen Elektrodenkörper und Edelmetallteil generell durch eine Relativrotation eingerichtet wird, wird gemäß dem ersten Verfahren der Erfindung vorgeschlagen, die Relativbewegung als eine relative Linearbewegung durchzuführen.
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Durch diese Maßnahme ist es möglich, einen Elektrodenkörper und ein Edelmetallteil miteinander zu verbinden, von deren Fügeflächen wenigstens eine nicht rotationssymmetrisch gebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher insbesondere zur Verbindung eines Masseelektrodenkörpers mit einem Edelmetallteil, wobei der Masseelektrodenkörper als ein im Querschnitt typischerweise etwa rechteckförmiger Drahtabschnitt ausgebildet ist.
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Bei der Linearbewegung wird die kleinere zweite Fügefläche relativ zu der ersten Fügefläche bewegt, wobei die Relativbewegung so erfolgt, dass die zweite Fügefläche innerhalb der ersten Fügefläche bewegt wird. Mit anderen Worten nimmt die erste Fügefläche an dem Elektrodenkörper eine Fläche ein, die größer ist als die zweite Fügefläche des Edelmetallteils.
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Das Edelmetallteil ist vorzugsweise in einer axialen Draufsicht kreisförmig ausgebildet, kann jedoch auch als quadratisches oder rechteckförmiges Edelmetallteil ausgeführt werden.
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Bei einer Linearbewegung des ersten Verfahrens ist die erste Fügefläche gebildet durch einen rechteckförmigen Abschnitt und zwei halbkreisförmige Abschnitte an gegenüberliegenden Seiten des rechteckförmigen Abschnittes.
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Gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren ist die Orbitalbewegung eine Multi-Orbitalbewegung, bei der eine relative Orbitalbewegung und eine relative Drehbewegung einander überlagert werden. Bei der Multi-Orbitalbewegung ist die erste Fügefläche in der Draufsicht wolkenförmig, da der reinen Orbitalbewegung noch eine weitere Bewegung überlagert wird.
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Hierdurch ist es möglich, eine gleichmäßige Erwärmung der Fügezone zu erreichen.
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Ferner ist es bei dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, wenn der Elektrodenkörper ein länglicher Körper ist, der eine Elektrodenkörper-Längsachse aufweist, wobei die lineare Relativbewegung parallel zu der Elektrodenkörper-Längsachse erfolgt.
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Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn wenigstens die zweite Fügefläche eine polygonale Fläche ist und/oder eine Fläche, die zumindest abschnittsweise aus Kreisbögen zusammengesetzt ist.
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Im ersten Fall kann die Form des Edelmetallteils polygonal sein, z.B. dreieckig, viereckig, fünfeckig etc. Im zweiten Fall ist die Form des Edelmetallteils in einer Draufsicht auf die Fügefläche beispielsweise kreisförmig oder elliptisch.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Teils einer Zündkerze, die eine erfindungsgemäß hergestellte Elektrodenanordnung aufweist;
- 2 eine schematische Schnittansicht entlang einer Linie II-II der 1, wobei zum Herstellen einer Elektrodenanordnung eine relative Linearbewegung eingerichtet wird;
- 3 eine der 2 vergleichbare Darstellung, wobei zur Herstellung der Elektrodenanordnung eine relative Orbitalbewegung eingerichtet wird;
- 4 eine der 2 vergleichbare Darstellung, wobei zur Herstellung der Elektrodenanordnung eine relative Multi-Orbitalbewegung eingerichtet wird; und
- 5 ein Zeitablaufdiagramm der Relativbewegung zwischen Elektrodenkörper und Edelmetallteil während des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, sowie der involvierten Kräfte.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist in schematischer Form eine Zündkerze 10 dargestellt, die insbesondere zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ausgelegt ist.
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Die Zündkerze 10 weist in an sich bekannter Weise eine Metallhülle 12 auf, die ein Außengewinde beinhalten kann, um die Zündkerze in einen Zylinderkopf einzuschrauben. Ferner beinhaltet die Zündkerze 10 einen Isolator 14, der radial innerhalb einer Axialbohrung der Metallhülle 12 angeordnet ist.
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In einer Axialbohrung des Isolators 14 ist eine Mittelelektrodenanordnung 16 festgelegt, die sich in axialer Richtung erstreckt.
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Die Metallhülle 12 ist mit einer Masseelektrodenanordnung 18 mechanisch und elektrisch verbunden. Die Masseelektrodenanordnung 18 erstreckt sich beispielsweise in einer Seitenansicht L-förmig von der Metallhülle 12.
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Die Mittelelektrodenanordnung 16 weist einen Mittelelektrodenkörper 20 auf, der sich gegenüber dem Isolator 14 axial in Richtung hin zu der Masseelektrodenanordnung 18 erstreckt. Der Mittelelektrodenkörper 20 ist im Querschnitt vorzugsweise kreisförmig. An einem vorderen Ende, das der Masseelektrodenanordnung 18 zugewandt ist, ist der Mittelelektrodenkörper 20 mit einer Mittelelektrodenzündspitze 22 verbunden, die als Edelmetallteil ausgeführt ist, das wenigstens eines der folgenden Edelmetallteile aufweist oder vollständig hierdurch gebildet ist: Platin, Iridium, Ruthenium, Legierungen aus Platin, aus Iridium, aus Ruthenium, etc.
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Die Masseelektrodenanordnung 18 weist einen Masseelektrodenkörper 26 auf, der als im Querschnitt im Wesentlichen rechteckförmiger Draht ausgebildet ist und einen sich parallel zu einer Längsachse der Zündkerze 10 erstreckenden Abschnitt aufweist, der mit der Metallhülle 12 verbunden ist. Ferner weist der Masseelektrodenkörper 26 einen sich quer bis unter die Mittelelektrodenanordnung 16 erstreckenden Abschnitt auf, der mit dem sich axial erstreckenden Abschnitt über einen Biegeabschnitt verbunden ist, so dass sich in der Seitenansicht der 1 eine L-förmige Konfiguration ergibt.
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Der Masseelektrodenkörper 18 beinhaltet ferner eine Masseelektrodenzündspitze 28, die als Edelmetallteil ausgebildet ist. Die Masseelektrodenzündspitze 28 ist koaxial zu der Mittelelektrodenzündspitze 22 angeordnet, derart, dass zwischen der Mittelelektrodenzündspitze 22 und der Masseelektrodenzündspitze 28 ein Zündspalt eingerichtet ist, der eine Funkenstrecke bildet. In an sich bekannter Weise kann über einen Funken, der über die Funkenstrecke springt, ein Gas-/Brennstoffgemisch in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors entzündet werden, um einen verbrennungsmotorischen Prozess einzuleiten oder aufrechtzuerhalten.
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Die Masseelektrodenzündspitze 28 kann in einer Draufsicht kreisförmig ausgebildet sein.
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Die Zündspitzen 22, 28 können, wie oben beschrieben, jeweils als Edelmetallteile ausgebildet sein, die jeweils wenigstens eine der folgenden Komponenten aufweisen: Platin, Iridium, Ruthenium, eine Platinlegierung, eine Iridiumlegierung, eine Rutheniumlegierung, etc.
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Der sich quer zu der Längsachse der Zündkerze 10 erstreckende Abschnitt des Masseelektrodenkörpers 26 weist, wie es in 2 schematisch angedeutet ist, eine Masseelektroden-Längsachse 29 auf.
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2 zeigt in schematischer Form (und aus Übersichtsgründen nicht in gleichen Proportionen wie 1) eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der 1, und zwar gerichtet auf eine zu der Mittelelektrodenanordnung 16 weisende Innenseite des sich quer erstreckenden Abschnittes des Masseelektrodenkörpers 26 mit der daran festgelegten Masseelektrodenzündspitze 28, die in der Draufsicht kreisförmig ist.
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2 zeigt ferner die Art und Weise der Anbringung des Edelmetallteils an den Elektrodenkörper, und zwar mittels einer Relativbewegung, währenddessen Fügeflächen des Elektrodenkörpers und des Edelmetallteils aneinander gefügt werden.
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Vorliegend ist die Relativbewegung zwischen dem Elektrodenkörper und dem Edelmetallteil eine lineare Bewegung, die parallel zu der Längsachse 29 des Querabschnittes des Masseelektrodenkörpers 26 ausgerichtet ist. 2 zeigt dabei in schematischer Form die Linearbewegung 30 als hin und her gerichteter Doppelpfeil, und zeigt ferner benachbart hierzu in schematischer Form ein Bewegungsmuster 32 dieser relativen Linearbewegung.
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Durch die relative Linearbewegung 30 ergibt sich während des Fügeverfahrens eine erste Fügefläche 34 an dem Masseelektrodenkörper 26, die aus einem zentralen rechteckigen Abschnitt und zwei halbkreisförmigen Abschnitten zusammengesetzt ist, wie es in 2 dargestellt ist. Eine Fügefläche 35 der Masseelektrodenzündspitze 28 entspricht einer vollen Axialfläche der Masseelektrodenzündspitze 28 und ist folglich kreisförmig ausgebildet.
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2 zeigt die Endlage, in der die Masseelektrodenzündspitze 28 an den Masseelektrodenkörper 26 gefügt ist, in einer durchgezogenen Linie. Ausgehend von dieser Position geht die relative Linearbewegung 30 parallel zu der Längsachse 29 in die eine Richtung und dann in die andere Richtung, so dass sich über der Zeit für die Relativbewegung ein Sinusverlauf ergibt, wie es bei s schematisch in 5 dargestellt ist.
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5 zeigt den zeitlichen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektrodenanordnung, vorliegend der Masseelektrodenanordnung 18.
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Zu einem Zeitpunkt t1 werden die Fügeflächen 34, 35 aneinander gelegt und mit einer ersten Kraft F1 aneinander gedrückt. Anschließend beginnt zu einem Zeitpunkt t2 die lineare Relativbewegung, die in 5 mit s bezeichnet ist und die im Wesentlichen sinusförmig verläuft. Durch die Relativbewegung, während der die Fügeflächen 34, 35 aneinander gefügt werden, werden die Fügeflächen 34, 35 erwärmt. Der Ablauf ist dabei so, dass die Erwärmung auf eine Temperatur erfolgt, die unterhalb des Schmelzpunktes eines Hauptbestandteiles des Edelmetallteils liegt, insbesondere kleiner als 2000°C. Vorzugsweise liegt die Temperatur ferner unterhalb einer Schmelztemperatur des Materials des Masseelektrodenkörpers 26, bei dem es sich vorzugsweise um eine NickelLegierung handelt.
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Vorzugsweise liegt die Temperatur unterhalb von 1400°C.
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Zu einem Zeitpunkt t3 wird die Relativbewegung beendet (s = 0, was der in 2 dargestellten Position der Masseelektrodenzündspitze 28 in durchgezogenen Linien entspricht). Unmittelbar im Anschluss hieran wird die Kraft F, mit der die Fügeflächen 34, 35 aneinander gedrückt werden, noch einmal erhöht, und zwar auf einen Wert F2 .
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Die zweite Kraft F2 ist größer als ein Kraft-Schwellenwert FS , der wiederum größer ist als die Kraft F1, mit der die Fügeflächen 34, 35 während der Relativbewegung aneinander gedrückt wurden.
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Durch die Erwärmung der Fügeflächen 34, 35 mittels der Relativbewegung und das anschließende Aneinanderdrücken mit einer großen zweiten Kraft F2 erfolgt eine Diffusions-Verbindung bzw. -Verschweißung des Masseelektrodenkörpers 26 mit der Masseelektrodenzündspitze 28, derart, dass eine Diffusion von Material des Masseelektrodenkörpers 26 und/oder von Material der Masseelektrodenzündspitze 28 über die Fügeflächen 34, 35 hinweg in das jeweils andere Material erfolgt. Dieser Diffusionsvorgang kann dabei einem Schmiedevorgang entsprechen.
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Nach der Herstellung ist im Bereich der Fügeflächen 34, 35 ein im Wesentlichen nahtloser Übergang erfolgt, wodurch eine Art monolithische Struktur entsteht, und zwar vorzugsweise über einen Materialtransport über die Fügeflächen hinweg und ein entsprechendes Kornwachstum.
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Die Fügeverbindung ist vorzugsweise weder makroskopisch noch mikroskopisch sichtbar.
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Zum Zeitpunkt t4 wird die Kraft F wieder auf 0 abgesenkt. Das Fügeverfahren ist beendet.
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2 zeigt, dass die erste Fügefläche 34 größer ist als die zweite Fügefläche 35, wobei die Relativbewegung 30 so erfolgt, dass die zweite Fügefläche 35 innerhalb der ersten Fügefläche 34 bewegt wird, wobei die zweite Fügefläche 35 vor dem Beenden der Relativbewegung in eine Position relativ zu der ersten Fügefläche 34 gebracht wird, bei der die zweite Fügefläche 35 zumindest abschnittsweise von einem Umfangsrand der ersten Fügefläche 34 beabstandet ist.
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In den 3 und 4 sind weitere Ausführungsformen von Verfahren zum Herstellen von Elektrodenanordnungen gezeigt, die hinsichtlich des Ablaufes generell der unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 5 beschriebenen Ausführungsform entsprechen. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
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3 zeigt ein Verfahren, bei dem die Relativbewegung zwischen dem Masseelektrodenkörper 26 und der Masseelektrodenzündspitze 28 durch eine Orbitalbewegung 36 eingerichtet ist, bei der die Masseelektrodenzündspitze 28 exzentrisch zu einer Mittelpunktlage auf einer Kreisbahn bewegt wird, wie es sich aus dem in 3 Orbitalbewegungsmuster 38 ergibt.
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Die hierdurch an dem Masseelektrodenkörper 26 gebildete erste Fügefläche 34' hat dabei im Wesentlichen eine Kreisform, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Masseelektrodenzündspitze 28. Die Masseelektrodenzündspitze 28 kann bei dieser Orbitalbewegung 36 nicht rotieren oder kann um ihre eigene Zentralachse rotieren.
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4 zeigt eine Relativbewegung zwischen dem Masseelektrodenkörper 26 und der Masseelektrodenzündspitze 28" in Form einer Multi-Orbitalbewegung, bei der eine Orbitalbewegung 36 und eine insbesondere exzentrische Drehbewegung 40 der Masseelektrodenzündspitze 28 um eine Längsachse der Masseelektrodenzündspitze 28 herum überlagert werden.
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Hierdurch ergibt sich ein Multi-Orbitalmuster 42. Die erste Fügefläche 34" hat generell eine Kreisform, ist an ihrem Außenumfang durch eine Mehrzahl von aneinander in Umfangsrichtung angrenzenden Kreisbögen gebildet, also quasi „wolkenförmig“.
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Die oben beschriebenen Fügeverfahren können als Diffusionsschweißverfahren bezeichnet werden oder auch als Reibschweißverfahren. Die Fügeverfahren werden vorzugsweise so ausgeführt, dass die Materialien an den Fügeflächen zwar plastifizieren, jedoch vorzugsweise nicht aufschmelzen. Dadurch kann in einem Umfangsbereich um die Masseelektrodenzündspitze 28 herum ein Schweißwulst entstehen.
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Ferner wurden oben Verfahren zur Verbindung einer Masseelektrodenzündspitze 28 an einem Masseelektrodenkörper 26 gezeigt. Es versteht sich, dass die obigen Verfahren in gleicher Weise auf die Verwendung einer Mittelelektrodenzündspitze 22 an einen Mittelelektrodenkörper 20 anwendbar sind.
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Die Form der Masseelektrodenzündspitze 28 ist nicht auf eine Kreisform beschränkt. Die Form kann eine polygonale Form sein, insbesondere eine viereckige Form.
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Die Masseelektrodenzündspitze 28 und/oder die Mittelelektrodenzündspitze 22 können aus einem Stück gefertigt sein, können jedoch auch aus zwei oder mehr Lagen bestehen. Eine Edelmetalllage ist dabei vorzugsweise der jeweiligen anderen Zündspitze zugewandt. Eine weitere Lage kann dabei dem jeweiligen Elektrodenkörper zugewandt sein.
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Das Material dieser mittleren Lage kann ein Legierungsmaterial sein, dessen Wertigkeit zwischen jenem der Edelmetalllage und jenem des jeweiligen Elektrodenkörpers liegt.
