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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2017 221 517 A1 ist bereits eine Vorkammer-Zündkerze bekannt, die ein Gehäuse aufweist sowie eine Kappe, die am brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordnet ist, und die zusammen mit dem Gehäuse eine Vorkammer ausbildet, sowie ein innerhalb des Gehäuses angeordneter Isolator, eine innerhalb des Isolators angeordnete Mittelelektrode und eine Masseelektrode, wobei die Masseelektrode und die Mittelelektrode einen Zündspalt in der Vorkammer ausbilden.
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Die Art und Weise, in der die Kappe an dem Gehäuse angeordnet ist, ist in dem genannten Stand der Technik nicht näher spezifiziert.
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Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung basiert auf der Überlegung der Erfinder, dass bei Vorkammer-Zündkerzen, die in Brennräumen von Brennkraftmaschinen extremen thermischen und mechanischen Bedingungen ausgesetzt sind, zwischen der Kappe und dem Gehäuse der Zündkerze eine besonders stabile Verbindung bestehen muss, wenn die Lebensdauer und die Betriebssicherheit der Vorkammer-Zündkerze hoch sein sollen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Kappe durch mindestens zwei in Längsrichtung zueinander versetzte, einander in Längsrichtung überlappende und um die Vorkammer-Zündkerze umlaufende Schweißnähte an dem Gehäuse befestigt ist.
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Durch diese mindestens zwei in Längsrichtung zueinander versetzten, einander in Längsrichtung überlappenden und um die Vorkammer-Zündkerze umlaufenden Schweißnähte (nachfolgend auch: Einzelschweißnähte) entsteht eine robuste Gesamtschweißnaht, die sich auch bei hohen thermischen und mechanischen Lasten nicht entmischt und somit eine geringe Anfälligkeit für Risse aufweist.
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Dass die mindestens zwei Einzelschweißnähte in Längsrichtung überlappen, hat insbesondere zur Folge, dass zwischen ihnen kein Bereich existiert, der nicht aufgeschmolzen ist, also das Material der Kappe oder des Gehäuses unverändert aufweist, und dass die Summe der Breiten der Einzelschweißnähte (in Längsrichtung der Zündkerze) größer ist als die Breite der Gesamtschweißnaht (in Längsrichtung der Zündkerze).
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Die Überlappung kann beispielsweise stets mindestens 30% der Breite einer Einzelschweißnaht betragen.
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Die Einzelschweißnähte können jeweils eine Tiefe (in radialer Richtung der Zündkerze) aufweisen, die 2 bis 20 mal so groß ist wie ihre Breite (in Längsrichtung der Zündkerze).
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Die Tiefe der Einzelschweißnähte kann beispielsweise 200 µm bis 1200 µm betragen.
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Darunter, dass die mindestens zwei Schweißnähte in Längsrichtung überlappen, wird im Rahmen der Anmeldung in dem Fall, in dem mehr als zwei Schweißnähte vorhanden sind, verstanden, dass jede Schweißnaht in Längsrichtung mit den Schweißnähten überlappt, die ihr in den beiden Längsrichtungen jeweils benachbart sind. Ein Überlapp mit weiter entfernt liegenden Schweißnähten (zum Beispiel mit den in den beiden Längsrichtungen jeweils übernächsten Schweißnähten) ist lediglich Gegenstand einer Weiterbildung der Erfindung.
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Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass die Kappe derart an dem Gehäuse angeordnet ist, dass zwischen der Kappe und dem Gehäuse ein Fügespalt ausgebildet ist, dass die mindestens zwei Schweißnähte eine erste Schweißnaht und eine zweite Schweißnaht umfassen, wobei die erste Schweißnaht auf diesem Fügespalt ausgebildet ist und die zweite Schweißnaht in Längsrichtung versetzt zur ersten Schweißnaht und diese überlappend angeordnet ist. Während die erste Schweißnaht eine Verbindung zwischen der Kappe und dem Gehäuse, beispielsweise zeitlich vorangehend, herstellt, wird die Schweißnaht durch die zweite Schweißnaht verbreitert, was bewirkt, dass in der Schweißnaht auftretende Gradienten der Materialkonzentrationen weniger hoch sind und das in der Folge Entmischungen und damit einhergehenden Rissen in der Schweißnaht im Betrieb der Vorkammer-Zündkerze wirksam vorgebeugt ist.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Schweißnähte neben der ersten und der zweiten Schweißnaht auch eine dritte Schweißnaht umfassen, wobei die erste Schweißnaht wiederum auf diesem Fügespalt ausgebildet ist und die zweite Schweißnaht und die dritte Schweißnaht in Längsrichtung versetzt zur ersten Schweißnaht und diese überlappend angeordnet sind, sodass die erste Schweißnaht in Längsrichtung zwischen der zweiten Schweißnaht und der dritten Schweißnaht angeordnet ist. Die erste Schweißnaht kann wiederum zeitlich vor der zweiten und der dritten Schweißnaht eingebracht werden.
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Durch diese Maßnahmen resultiert wiederum der Vorteil, dass in der Schweißnaht auftretende Gradienten der Materialkonzentration vermindert sind, und in der Folge Entmischungen und damit einhergehenden Rissen in der Schweißnaht im Betrieb der Vorkammer-Zündkerze vorgebeugt ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kappe bis an einen Anschlag auf das Gehäuse aufgeschoben oder bis zu einem Anschlag in das Gehäuse eingeschoben ist; und dass der Fügespalt an dem Anschlag ausgebildet ist. Vorteilhaft ergibt sich bereits durch das Aufschieben bzw. das Einschieben eine relativ genaue Positionierung der Kappe relativ zu dem Gehäuse.
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Insbesondere befindet sich unterhalb (also radial einwärts) des Fügespalts Material eines Fügepartners (nämlich des Gehäuses im Fall der aufgeschobenen Kappe; und der Kappe im Fall der eingeschobenen Kappe). Hierauf basierend kann vorgesehen sein, dass die erste Schweißnaht den Fügespalt durchdringt und bis in den darunterliegenden Fügepartner - also Gehäuse oder Kappe - reicht. Die Schweißnaht ist dann besonders tief und damit fest.
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Alternativ kann die Schweißnaht aber auch eine Tiefe (radial einwärts) aufweisen, die geringer ist als die Tiefe (radial einwärts) des Fügespalts. Diese Schweißnaht kann in kurzer Zeit und damit bei geringen Herstellungskosten eingebracht werden.
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Die mehreren Schweißnähte können jeweils in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Längsachse der Vorkammerkerze ist, wobei die den unterschiedlichen Schweißnähten zugeordneten Ebenen untereinander parallel sind. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die mindestens zwei Schweißnähte entlang mindestens zweier Gänge einer um die Längsachse der Vorkammerzündkerze umlaufenden Schraubenlinie verlaufen. Das hat den Vorteil, dass die Gesamtheit aller Schweißnähte ohne Unterbrechung eingebracht werden kann.
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Vorzugsweise wird so eine relativ breite Gesamtschweißnaht generiert, die beispielsweise mindestens 500 µm breit ist. Materialgradienten innerhalb der Gesamtschweißnaht sind bevorzugt relativ klein, beispielsweise kann das darin zum Ausdruck kommen, dass die Kappe überwiegend ein erstes Material, zum Beispiel Nickel, aufweist, das das Gehäuse im Wesentlichen nicht aufweist, und dass die Konzentration des ersten Materials in der Schweißnaht in Längsrichtung von der Kappe zu dem Gehäuse kontinuierlich abnimmt; und/oder dass das Gehäuse ein zweites Material, zum Beispiel Eisen, das die Kappe nicht oder in einer geringeren Konzentration aufweist, und dass die Konzentration des zweiten Materials in der Schweißnaht in Längsrichtung von dem Gehäuse zu der Kappe kontinuierlich abnimmt; die Abnahme/ die Zunahme ist bevorzugt stets kleiner als 20 Gew.-% pro 100 µm.
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Die Herstellung der Verbindung bzw. der Einzelschweißnähte ist vorteilhaft durch Laserstrahlung möglich, beispielsweise durch kontinuierliche Laserstrahlung, beispielsweise innerhalb von einer Dauer von insgesamt bzw. jeweils 100ms bis 1500ms.
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Die Laserstrahlung kann vorzugsweise eine hohe Brillanz aufweisen, z.B. mindestens 250 W/(mm*mrad).
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Zum Einbringen der Schweißnaht kann die Vorkammer-Zündkerze um ihre Längsachse rotiert werden und ggf. zusätzlich in ihrer Längsrichtung vorgeschoben werden.
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Dabei kann die Lage der Laserstrahlung ortsfest sein. Alternativ kann die Laserstrahlung aber auch durch eine Strahlablenkeinheit (z.B. Galvo-Scanner) periodisch in Längsrichtung der Vorkammer-Zündkerze auf und ab bewegt oder auf einer Kreis- oder Ellipsenbahn rotiert werden. Auch andere an sich bekannte Wobbel-Schweißverfahren können verwendet werden. Es ergeben sich so noch breitere und homogenere Schweißverbindungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorkammer-Zündkerze.
- 2 zeigt vergrößert den Bereich II aus 1.
- 3 zeigt die Schritte a), b) und c), in denen jeweils eine Schweißnaht eingebracht wird.
- 4 zeigt eine Elementkonzentration entlang der Schweißverbindung nach den Schritten a), b) und c) aus 3.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt in einer halb geschnittenen Ansicht eine Zündkerze 1. Die Zündkerze 1 umfasst ein Gehäuse 2. In das Gehäuse 2 ist ein Isolator 3 eingesetzt. Das Gehäuse 2 und der Isolator 3 weisen jeweils entlang ihrer Längsachse eine Bohrung auf. Das Gehäuse hat eine Außenseite 24 und eine Innenseite 23. Die Längsachse des Gehäuses 2, die Längsachse X des Isolators 3 und die Längsachse der Zündkerze 1 fallen zusammen. In den Isolator 3 ist eine Mittelelektrode 4 eingesetzt. Des Weiteren erstreckt sich in den Isolator 3 eine elektrische Kontaktierung, über diese wird die Zündkerze 1 mit einer Spannungsquelle elektrisch kontaktiert. Die elektrische Kontaktierung bildet das Brennraum-abgewandte Ende der Zündkerze 1. Die elektrische Kontaktierung kann einstückig oder auch wie in diesem Beispiel mehreren aus Komponenten, wie beispielsweise einem Anschlussbolzen 8 und eine Anschlussmutter 9, ausgebildet sein.
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Der Isolator 3 wird typischerweise in drei Bereich unterteilt: Isolatorfuß 31, Isolatorkörper 32 und Isolatorkopf 33. Die drei Bereiche unterscheiden sich beispielsweise durch unterschiedliche Durchmesser. Der Isolatorfuß 31 ist das Brennraum-zugewandte Ende des Isolators 3. Innerhalb des Isolatorfußes 31 ist die Mittelelektrode 4 angeordnet. Der Isolatorfuß 31 ist in der Regel vollständig innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. In der Regel hat der Isolatorfuß 31 den kleinsten Außendurchmesser am Isolator 3.
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Angrenzend an den Isolatorfuß 31 ist der Isolatorkörper 32 angeordnet, der in der Regel vollständig vom Gehäuse 2 umfasst ist. Der Isolatorkörper 32 hat einen größeren Außendurchmesser als der Isolatorfuß 31. Der Übergang zwischen Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper 32 ist als Schulter oder Kehle ausgebildet. Dieser Übergang wird auch als Fußkehle oder Isolatorsitz 35 bezeichnet.
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Der Isolatorkopf 33 grenzt am Brennraum-abgewandten Ende des Isolatorkörpers 32 an diesem an und bildet das Brennraum-abgewandte Ende des Isolators 3. Der Isolatorkopf 33 ragt aus dem Gehäuse 2 heraus. Der Außendurchmesser des Isolatorkopfs 33 liegt zwischen den Außendurchmessern von Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper 32, wobei die Bereiche typischerweise über ihre Länge keinen konstanten Außendurchmesser haben, sondern der Außendurchmesser variieren kann.
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Das Gehäuse 2 weist an seiner Innenseite einen Sitz 25 auf. Der Isolator liegt mit seiner Schulter bzw. Isolatorsitz 35 auf dem Gehäuse-Sitz 25 auf. Zwischen dem Isolatorsitz 35 und dem Gehäuse-Sitz 25 ist eine Innendichtung 10 angeordnet.
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Zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Anschlussbolzen 8 befindet sich im Isolator 3 ein Widerstandselement 7, auch Panat genannt. Das Widerstandselement 7 verbindet die Mittelelektrode 4 elektrisch leitend mit dem Anschlussbolzen 8. Das Widerstandselement 7 ist beispielsweise als Schichtsystem aus einem ersten Kontaktpanat, einem Widerstandspanat und einem zweiten Kontaktpanat aufgebaut. Die Schichten des Widerstandselements unterscheiden sich durch ihre Materialzusammensetzung und dem daraus resultierenden elektrischen Widerstand. Das erste Kontaktpanat und das zweite Kontaktpanat können einen unterschiedlichen oder einen gleichen elektrischen Widerstand aufweisen.
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An der Innenseite 23 des Gehäuses 2 ist die Masseelektrode 5 in einer Bohrung 52 angeordnet, so dass die Masseelektrode 5 radial von der Gehäuse-Innenseite 23 in die Bohrung entlang der Längsachse X des Gehäuses 2 hineinragt. Die Masseelektrode 5 und die Mittelelektrode 4 bilden zusammen einen Zündspalt aus. Die Bohrung 52 erstreckt sich von der Außenseite 24 durch die Gehäusewand bis zur Innenseite 23 des Gehäuses 2.
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Das Gehäuse 2 weist einen Schaft auf. An diesem Schaft sind ein Mehrkant 21, ein Schrumpfeinstich und ein Gewinde 22 ausgebildet. Das Gewinde 22 dient zum Einschrauben der Zündkerze 1 in eine Brennkraftmaschine. Zwischen dem Gewinde 22 und dem Mehrkant 21 ist ein äußeres Dichtelement 6 angeordnet. Das äußere Dichtelement 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Faltdichtung ausgestaltet.
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Die Bohrung 52 in der Gehäusewand ist im Bereich des Gewindes 22 ausgebildet. Dabei kann die Bohrung 52 für die Masseelektrode 5 und damit auch die Masseelektrode 5 auf jeder beliebigen Höhe im Bereich des Gewindes 22 angeordnet sein. Je nach der Position der Masseelektrode 5 im Bereich des Gewindes 22 ragt entsprechend die Mittelelektrode 4 und mit ihr auch der Isolatorfuß 31 mehr oder weniger weit in die Vorkammer 81 hinein. Je nach gewünschten Verwendungszweck der Vorkammer-Zündkerze kann die Position der Bohrung im Bereich des Gewindes 22 und der Masseelektrode 5 auf der Innenseite 23 des Gehäuses 2 gewählt werden.
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Die Bohrung 52 ist in einer Vertiefung 51, wie beispielsweise eine konische oder eine runde Nut, angeordnet. Dabei ist der Außendurchmesser des Gehäuses 2 in der Vertiefung kleiner als der Kerndurchmesser des Gewindes 22.
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Die Vertiefung 51 kann beispielsweise durch ein Stanzen des Gehäuses 2 bei der Herstellung der Vorkammer-Zündkerze 1 entstehen. Dabei wird nicht nur der Außendurchmesser des Gehäuses 2 im Bereich der Vertiefung 51 reduziert, sondern auch der Innendurchmesser des Gehäuses 2 im Bereich der Vertiefung 51.
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Am Gehäuse 2 ist auf dessen brennraumseitigen Stirnfläche eine Kappe 80 angeordnet. Das Gehäuse 2 und die Kappe 80 bilden zusammen eine Vorkammer 81 mit einem Vorkammervolumen. Die Vorkammer 81 erstreckt sich von der Kappe bis ins Gehäuse 2 hinein und innerhalb des Gehäuses 2 bis zum Gehäuse-Sitz 25, dem der Isolator 3 mit seiner Schulter 35 aufliegt. Der Zwischenraum zwischen Gehäuse 2 und Isolator 3 ist an dieser Stelle mittels einer Innendichtung 10 gasdicht abgedichtet.
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Die Kappe 80 ist mit dem Gehäuse 2 durch mindestens zwei in Längsrichtung zueinander versetzte, einander in Längsrichtung überlappende und um die Vorkammer-Zündkerze 1 umlaufende Schweißnähte 82 verbunden. Diese sind in der 1 lediglich schematisch und in den nachfolgenden Figuren detaillierter dargestellt.
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2 zeigt vergrößert den Ausschnitt II aus 1. Gezeigt ist, dass die Kappe 80 derart an dem Gehäuse 2 angeordnet ist, dass zwischen der Kappe 80 und dem Gehäuse 2 ein Fügespalt 83 ausgebildet ist, dass die mindestens zwei Schweißnähte 82 eine erste Schweißnaht 82.1, eine zweite Schweißnaht 82.2 und eine dritte Schweißnaht 82.3 umfassen, wobei die erste Schweißnaht 82.1 auf diesem Fügespalt 83 ausgebildet ist und die zweite Schweißnaht 82.2 und die dritte Schweißnaht 82.3 in Längsrichtung versetzt zur ersten Schweißnaht 82.1 und diese überlappend angeordnet sind, sodass die erste Schweißnaht 82.1 in Längsrichtung zwischen der zweiten Schweißnaht 82.2 und der dritten Schweißnaht 82.3 angeordnet ist.
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Im Beispiel ist vorgesehen, dass die Kappe 80 zeitlich vor der Schweißung bis an einen Anschlag in das Gehäuse 2 eingeschoben ist und dass der Fügespalt 83 an dem Anschlag ausgebildet ist.
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Im Beispiel ist ferner vorgesehen, dass die erste Schweißnaht 82.1 den Fügespalt 83 durchdringt und bis in die darunter liegende Kappe 80 reicht.
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Die drei gezeigten Schweißnähte 82.1, 82.2 und 82.3 können jeweils ringförmig sein und in Ebenen liegen, die senkrecht zur Längsachse X-X der Vorkammer-Zündkerze 1 sind.
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Es ist im Beispiel allerdings alternativ auch möglich, dass die drei Schweißnähte 82.1, 82.2 und 82.3 gemeinsam auf einer Schraubenlinie liegen, die insgesamt drei Gewindegänge umfasst, sodass jeder Schweißnaht 82.1, 82.2 und 82.3 ein Gewindegang zugeordnet ist.
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Um den Vorteil des Verfahrens zu verifizieren bzw. zu demonstrieren, wurden die vorangehend beschriebenen Schweißnähte 82.1, 82.2 und 82.3 nacheinander durch Laserstrahlung eingebracht, nämlich zuerst die erste, dann die zweite, dann die dritte Schweißnaht, siehe Teilfiguren a), b) und c) in 3. Dabei wurde eine Kappe 80 aus einer Nickelbasis-Legierung und ein Gehäuse 2 aus Stahl verwendet. Nach dem Einbringen der ersten Schweißnaht 82.1 wurde die Eisenkonzentration c1 im Bereich der Schweißnaht 82 in Längsrichtung X-X der Vorkammer-Zündkerze 1 (nach rechts in der 3) gemessen und als Messkurve a) in der 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Eisenkonzentration c1 im Bereich der Kappe 80 sehr klein ist, im Bereich des Gehäuses 2 sehr groß ist und dazwischen - im Bereich der Schweißnaht 82.1 - mit vergleichsweise großem Gradienten ansteigt. Nach dem Einbringen der zweiten Schweißnaht 82.2 wurde die Eisenkonzentration c1 im Bereich der Schweißnaht 82 in Längsrichtung X-X der Vorkammer-Zündkerze 1 erneut gemessen und als Messkurve b) in der 3 dargestellt.
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Ein Vergleich der Messkurve a) mit der Messkurve b) zeigt, dass sich der Gradient der Eisenkonzentration c1 im Bereich der Schweißnähte 82.1, 82.2 verringert hat, einhergehend mit einer Verbreiterung der Gesamtschweißnaht 82.
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Dieser Trend setzt sich durch Einbringen der dritten Schweißnaht 82.3 weiter fort, siehe Messkurve c) in 4: Der Gradient der Eisenkonzentration c1 im Bereich der Schweißnähte 82.1, 82.2 und 82.3 verringert sich nochmals, wiederum einhergehend mit einer Verbreiterung der Gesamtschweißnaht 82.
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Die Schweißnähte 82 sind durch cw-Laserstrahlung hoher Brillanz eingebracht, im Beispiel innerhalb von jeweils oder insgesamt 100ms bis 1500ms.
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Dabei wurde die Vorkammer-Zündkerze um ihre Längsachse rotiert und zwischen den Einzelschweißungen bzw. kontinuierlich in ihrer Längsrichtung X-X vorgeschoben.
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Der Laserstrahl wurde ortsfest belassen. Alternativ wäre es möglich zu wobbeln, beispielsweise indem die Laserstrahlung über eine ansteuerbare Strahlablenkeinheit auf der Vorkammer-Zündkerze 1 aufgebracht wird, wobei die Strahlablenkeinheit die Laserstrahlung periodisch in Längsrichtung der Vorkammer-Zündkerze auf und ab bewegt oder auf einer Kreis- oder Ellipsenbahn rotiert oder dergleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017221517 A1 [0001]
