DE69306499T2

DE69306499T2 - Herstellungsverfahren für Zündkerze

Info

Publication number: DE69306499T2
Application number: DE69306499T
Authority: DE
Inventors: Kazuya Iwata; Mamoru Musasa; Tsutomu Okayama; Takafumi Oshima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1992-07-27
Filing date: 1993-07-27
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2013-07-28
Also published as: US5320569A; EP0583103A1; DE69306499D1; EP0583103B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze, mit dessen Hilfe eine Edelmetallspitze an einem vorderen Ende einer Mittelelektrode befestigt wird, wobei die Edelmetallspitze gegen Funkenerosion beständig ist.
In einer Mittelelektrode einer Zündkerze wurde eine Verbundkonstruktion verwendet, in der ein wärmeleitender Kern (Cu) in ein hitze- und erosionsbeständiges Mantelmetall (Legierung auf Nickelbasis) eingebettet ist, wie in der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 59-2152 gezeigt ist. Gemäß der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 59-2152 ist des weiteren eine Zündspitze aus Edelmetall mit einem vorderen Ende des Mantelmetalls mittels elektrischen Widerstandsschweißens verbunden, um ihren Widerstand gegen Funkenerosion zu verbessern. Nach der Durchführung des elektrischen Widerstandsschweißens wird das vordere Ende des Mantelmetalls gefräst, um das vordere Ende mit der Zündspitze diametral gleich zu machen.
Mit diesem Verfahren wird die elektrisch widerstandsgeschweißte Spitze in das vordere Ende des Mantelmetalls eingebettet, und die scharfe Kante der Zündspitze wird unter dein Einfluß der Hitze und des Druckes, denen die Zündspitze ausgesetzt ist, abgerundet.
Als ein Ergebnis ist eine höhere Spannung für die Zündkerze erforderlich, damit eine Funkenentladung zwischen ihren Elektroden stattfindet. Um das vordere Ende des Mantelmetalls abzutrennen, um die erforderliche Funkenspannung zu verringern und die Zündempfindlichkeit zu verbessern, ist es unvermeidlich, die Zündspitze zu fräsen, wodurch teures Edelmetall vergeudet wird.
Wenn das vordere Ende des Mantelmetalls erodiert, wobei die Kante der Zündspitze bereits nach wenigen Betriebsstunden abgerundet wird, ist eine signifikant höhere Spannung für die Zündkerze erforderlich, damit die Funkenentladung zwischen ihren Elektroden stattfindet.
Die US-A-4,963,112 und ihr Äquivalent, die WO-A-89/01717, offenbaren ein Verfahren zur Befestigung einer scheibenförmigen Spitze an der Mittelelektrode einer Zündkerze, indem ein Laserstrahl auf die Stirnfläche der Spitze gerichtet wird. Fig. 3 der US-A-4,963,112 zeigt die gegenüberliegende scharfe Kante der geschweißten Spitze, die nach dem Schweißen abgerundet werden muß.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze bereitgestellt, die einen metallischen Elektrodenrohling besitzt, an dem eine erosionsbeständige scheibenförmige Spitze befestigt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
(i) den metallischen Elektrodenrohling mit einem Halsabschnitt versehen;
(ii) die Spitze auf einer Stirnfläche des Halsabschnitts anordnen;
(iii) die Spitze an der Stirnfläche des Halsabschnitts befestigen, indem die Spitze mit Hilfe eines Laserstrahls mit dem Halsabschnitt verschweißt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt des Befestigens die Spitze gegen die Stirnfläche gedrückt und gleichzeitig der Laserstrahl auf den Außenumfang der Grenzfläche zwischen der Spitze und der Stirnfläche des Halsabschnitts gerichtet wird, so daß an der Grenzfläche dazwischen eine Schweißnaht entsteht.
Durch Verbinden der scheibenförmigen Spitze mit dem vorderen Ende des Halsabschnitts des metallischen Elektrodenrohlings mit Hilfe des Laserstrahlschweißens ist es möglich, die scharfe Kante der Spitze vor Verformung zu schützen. Wenn die scheibenförmige Spitze aus einem Edelmetall besteht, ist es möglich, das Ausmaß der Funkenerosion signifikant zu verringern, um zu einer verlängerten Lebensdauer beizutragen.
Das Drücken erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Preßvorrichtung.
Die Druckkraft liegt vorteilhafterweise im Bereich von (0,500 x g)N bis (3,000 x g)N und vorzugsweise im Bereich von (0,600 x g)N bis (2,500 x g)N, wobei g die schwerkraftbedingte Beschleunigung ist, gemessen in ms&supmin;¹.
Der metallische Elektrodenrohling ist vorzugsweise mit einem Trommelabschnitt versehen, und der Halsabschnitt ist gerade und besitzt einen kleineren Durchmesser als der Trommelabschnitt, und der metallische Elektrodenrohling weist eine sich verjüngende Fläche auf, die den Halsabschnitt mit dem Trommel abschnitt verbindet.
Vorteilhafterweise sind die Abmessungen der Zündkerze folgendermaßen definiert:
0,5 mm ≤ D ≤ 1,5 mm,
0,3 mm ≤ T ≤ 0,6 mm.
0,0 mm ≤ (d-D)/2 ≤ 0,2 mm,
0,2 mm ≤ L ≤ 0,5 mm,
wobei D der Durchmesser der scheibenförmigen Spitze ist,
T die Dicke der scheibenförmigen Spitze ist,
d der Durchmesser des Malsabschnitts ist, und
L die Länge des Halsabschnitts ist.
Vorteilhafterweise ist der Halsabschnitt mit einer Ausnehmung in seinem Ende versehen, wobei die Ausnehmung so geformt ist, daß sie die Spitze aufnimmt und eine Wand um die Stirnfläche des metallischen Elektrodenrohlings begrenzt, wobei die Spitze in der Ausnehmung angeordnet ist und der Laserstrahl auf den Umfang der Außenseite der Wand gerichtet wird, so daß sich die Schweißnaht vollständig durch die Wand bis zur Grenzfläche zwischen der scheibenförmigen Spitze und der Stirnfläche des Halsabschnitts erstreckt.
Die Ausnehmung des geraden Halsabschnitts kann als eine Führung dienen, die die scheibenförmige Spitze in Position bringt, um die Spitze nach der Durchführung des Laserstrahlschweißens in stabiler Form zu halten.
Durch Anordnen der scheibenförmigen Spitze in der Ausnehmung und durch Anwenden des Laserstrahlschweißens durch die Außenwand der Ausnehmung ist es möglich, Gasblasen und die Änderung der Einbrandtiefe des Schweißabschnitts hinreichend zu reduzieren, die in dem Fall auftreten, wenn die Absorptionsgeschwindigkeit der Laserstrahlen zwischen Elementen wie z.B. zwischen Edelmetall und Nickel signifikant differiert.
Vorteilhafterweise sind die Abmessungen der Zündkerze folgendermaßen definiert:
0,5 mm ≤ D ≤ 1,5 mm,
0,3 mm ≤ T ≤ 0,6 mm,
0,01 mm ≤ (A-D) ≤ 0,1 mm,
0,05 mm ≤ B ≤ 0,2 mm,
0,05 mm ≤ (d-A)/2 ≤ 0,2 mm,
0,2 mm ≤ L ≤ 0,5 mm,
wobei D der Durchmesser der scheibenförmigen Spitze ist,
T die Dicke der scheibenförmigen Spitze ist,
A der Durchmesser der Ausnehmung ist,
B die Tiefe der Ausnehmung ist,
d der Durchmesser des Halsabschnitts ist, und
L die Länge des Halsabschnitts ist.
Mit diesen Abmessungen ist es möglich, die Verbindung zwischen der scheibenförmigen Spitze und dem vorderen Ende des geraden Halsabschnitts des metallischen Elektrodenrohlings bei einem Minimum an Gasblasen und bei minimaler Änderung der Einbrandtiefe des Schweißabschnitts physikalisch zu verstärken, während die scharfe Kante der Spitze in einer guten Form gehalten wird.
Die Spitze ist vorzugsweise konzentrisch auf der Stirnfläche angeordnet, und der Laserstrahl ist vorzugsweise auf den Halsabschnitt gerichtet, indem der metallische Elektrodenrohling gedreht wird, und so ausgerichtet, daß sich die Schweißnaht im wesentlichen vollständig um den Umfang des Halsabschnitts erstreckt.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden offensichtlich aus der folgenden nichteinschränkenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen:
Fig. 1a - 1d schematische Ansichten sind, die einen fortlaufenden Prozeß zur Herstellung einer Mittelelektrode gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
Fig. 2a eine Draufsicht eines vorderen Abschnitts der Mittelelektrode ist, in dem eine Laserstrahlschweißung erfolgte, wobei eine Preßvorrichtung benutzt wird, in der aber die linke Hälfte des vorderen Abschnitts der Mittelelektrode im Schnitt dargestellt ist;
Fig. 2b eine Draufsicht eines vorderen Abschnitts der Mittelelektrode ist, in dem die Laserstrahlschweißung ohne Benutzung der Preßvorrichtung erfolgte, in der aber die linke Hälfte des vorderen Abschnitts der Mittelelektrode im Schnitt dargestellt ist;
Fig. 3 eine grafische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der Belastung (g) der Preßvorrichtung und der axialen Dehnung (1 mm) der scheibenförmigen Spitze veranschaulicht;
Fig. 4 eine Längsschnittansicht des vorderen Abschnitts der Mittelelektrode ist, um die Abmessungsbeziehung zwischen D, T, A, B, d und L zu veranschaulichen;
Fig. 5 eine grafische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen dem Durchmesser der scheibenförmigen Spitze und dem Funkenstreckenzuwachs veranschaulicht;
Fig. 6 eine Draufsicht des vorderen Abschnitts der Mittelelektrode ist, wenn die Dicke der scheibenförmigen Spitze weniger als 0,3 mm beträgt, wobei aber ihre linke Hälfte im Schnitt dargestellt ist;
Fig. 7a - 7c schematische Ansichten sind, die einen fortschreitenden Prozeß zur Herstellung einer Mittelelektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
Fig. 8a und 8b Ansichten ähnlich denen von Fig. 2a und 2b sind;
Fig. 9a und 9b Ansichten ähnlich der von Fig. 4 sind; und
Fig. 10 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 6 ist.
Bezugnehmend auf Fig. 1a - 1d, die einen fortschreitenden Prozeß zur Herstellung einer Mittelelektrode gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen, wird die Mittelelektrode folgendermaßen hergestellt:
In einem ersten, in Fig. 1a veranschaulichten Schritt wird ein metallischer Elektrodenrohling 1 gefertigt, indem ein wärmeleitender Kern (Cu oder Ag) 12 durch plastische Umformung in ein zylindrisches Mantelmetall 11 eingebettet wird. Das Mantelmetall 11 besteht aus Inconel 600 (Ni-Cr-Fe- Legierung) oder aus einer Nickellegierung, die Si, Mn und Cr enthält. Während des Prozesses, in dem das Einbetten des wärmeleitenden Kerns (Cu oder Ag) 12 in das Mantelmetall 11 erfolgt, wird eine kleine Ausnehmung 15 an einer Stirnfläche (Funkenüberschlagsende) 14 des metallischen Elektrodenrohlings 1 mittels eines Nasenabschnitts (nicht dargestellt) vorgesehen, der an einem Drückstift vorgesehen ist, der die Stirnfläche 14 zum Zeitpunkt der Formung eines Flanschendes 13 auf ein hinteres Ende des metallischen Elektrodenrohlings 1 preßt.
In einem zweiten, in Fig. 1b veranschaulichten Schritt ist ein gerader Halsabschnitt 1A mit reduziertem Durchmesser konzentrisch rings um die kleine Ausnehmung 15 durch Fräsen eines vorderen Endes des metallischen Elektrodenrohlings 1 vorgesehen. Der gerade Halsabschnitt 1A weist einen größeren Durchmesser als die kleine Ausnehmung 15 auf, jedoch einen kleineren Durchmesser als ein Trommelabschnitt 17 des metallischen Elektrodenrohlings 1. Nach dem Formen des geraden Halsabschnitts 1A ist eine sich verjüngende Fläche 1B zwischen dem geraden Halsabschnitt 1A und dem Trommelabschnitt 17 so vorgesehen, daß sie ihn progressiv mit dem Trommelabschnitt 17 verbindet.
In einem dritten, in Fig. 1c veranschaulichten Schritt wird ein unteres Ende 21 der scheibenförmigen Spitze 2 in der kleinen Ausnehmung 15 angeordnet, um mit einem inneren Boden 18 der Ausnehmung 15 in elektrischen Kontakt zu kommen. In diesem Fall besteht die Spitze 2 aus einer dünnen Metallschicht, z.B. aus einer Pt-Ir-Legierung, aus Au, Pt, Ir oder aus einer Ir-Legierung, die ein Seltenerdmetalloxid enthält.
In einem vierten, in Fig. 1d veranschaulichten Schritt erfolgt das Laserstrahlschweißen unter Anwendung von YAG- (Yttrium, Aluminium und Granat) Laserstrahlen (Lb), die in Richtung parallel zu dem inneren Boden 18 der Ausnehmung 15 mit einer Schußenergie von 2,0 Joule ausgesandt werden. Die Laserstrahlen (Lb) werden intermittierend auf eine äußere Wand 16 der Ausnehmung 15 im wesentlichen über ihre gesamte Umfangslänge gerichtet, während gleichzeitig die Spitze 2 mit Hilfe einer Preßvorrichtung 4 fest gegen den inneren Boden 18 der Ausnehmung 15 eingreift. Während des Prozesses der Laserstrahlanwendung (Lb) werden die Laserstrahlen (Lb) hinreichend lange ausgesandt, um wenigstens teilweise die benachbarten Schweißpunkte (L1) im wesentlichen über ihre gesamte Umfangslänge zu überdecken. In jedem der Schweißpunkte (L1) wird ein Schweißerstarrungsabschnitt 3 ausgebildet, in dem die Spitze 2 und der gerade Halsabschnitt 1A teilweise miteinander verschmolzen werden, um die Spitze 2 fest an dem geraden Halsabschnitt 1A zu befestigen.
In diesem Fall wird die Spitze 2 durch die äußere Wand 16 der Ausnehmung 15 an den geraden Halsabschnitt 1A angeschweißt, wodurch es möglich wird, die Gasblasen und die Änderung der Einbrandtiefe des Schweißabschnitts unter den Bedingungen zu reduzieren, daß ein signifikanter Unterschied in der Laserstrahl-Absorptionsgeschwindigkeit zwischen der Spitze 2 und dem geraden Halsabschnitt 1A besteht.
Der Schweißerstarrungsabschnitt 3 ist so beschaffen, daß er eine physikalische Eigenschaft (z.B. den Wärmeausdehnungskoeffizienten) aufweist, die zwischen der des geraden Halsabschnitts 1A und der der Spitze 2 liegt. Dies erschwert das unbeabsichtigte Abfallen der Spitze 2 von dem geraden Halsabschnitt 1A infolge des Unterschiedes der Wärmeausdehnung dazwischen, wenn das vordere Ende der Mittelelektrode einer hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist.
Während der Durchführung der Laserstrahlschweißung, wie sie in dem vierten Schritt beschrieben ist, ist der vordere Abschnitt der scheibenförmigen Spitze 2 einer axialen Dehnung (1) unterworfen, wie in Fig. 2b veranschaulicht ist. Die Benutzung der Preßvorrichtung 4 verhindert jedoch die axiale Dehnung (1), da die Preßvorrichtung 4 in der Richtung, in der die Spitze 2 fest gegen den inneren Boden 18 der Ausnehmung 15 eingreift, die Einwirkung einer Last von 1 kg auf die scheibenförmige Spitze 2 aufrechterhält Die Benutzung der Preßvorrichtung 4 verhindert außerdem, daß die Spitze 2 während der Durchführung der Laserstrahlschweißung versehentlich aus dem normalen Sitz rutscht.
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der wirkenden Belastung (g) und der axialen Dehnung (1 mm) der Spitze 2 veranschaulicht. Es wird festgestellt, daß die axiale Dehnung (1) spürbar ist, wenn die wirkende Belastung weniger als 500 g beträgt, die Preßvorrichtung 4 hinterläßt jedoch ihr Prägezeichen auf der Stirnfläche 22 der Spitze 2, wenn die Belastung 3000 g überschreitet, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Die wirkende Belastung liegt vorzugsweise im Bereich von 600 g bis 2500 g.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, lauten die Beziehungen der Abmessungen D, T, A, B, d und L folgendermaßen:
0,5 mm ≤ D ≤ 1,5 mm;
0,3 mm ≤ T ≤ 0,6 mm;
0,01 mm ≤ (A-D) ≤ 0,1 mm;
0,05 mm ≤ B ≤ 0,2 mm;
0,05 mm ≤ (d-A)/2 ≤ 0,2 mm, und
0,2 mm ≤ L ≤ 0,5 mm,
wobei D der Durchmesser der scheibenförmigen Spitze 2 ist;
T die Dicke der scheibenförmigen Spitze 2 ist;
A der Durchmesser der Ausnehmung 15 des geraden Halsabschnitts 1A ist;
B die Tiefe der Ausnehmung 15 des geraden Halsabschnitts 1A ist;
d der Durchmesser des geraden Halsabschnitts 1A ist; und
L die Länge des geraden Halsabschnitts 1A ist.
Fig. 5 zeigt eine Kurve der Änderung der Funkenstrecke in Abhängigkeit von dem Durchmesser (D) der scheibenförmigen Spitze 2. Die Kurve wird nach Durchführung einer Dauerprüfung bei Vollgas (5000 min&supmin;¹) während 300 Stunden mit der in einen Verbrennungsmotor (Sechszylinder, 2000 cm³) eingesetzten Zündkerze 100 erhalten.
Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist die Funkenentladung auf die Spitze 2 konzentriert, um die Funkenstrecke schnell zu vergrößern, wenn der Durchmesser (D) der Spitze 2 kleiner ist als 0,5 mm. Das heißt, ein Durchmesser (D) kleiner als 0,5 mm entwickelt sofort die Funkenerosion der Spitze 2, obwohl die für die Entladung der Zündkerze erforderliche Spannung mit der Abnahme des Durchmessers (D) reduziert ist.
Ein Durchmesser (D), der 1.5 mm überschreitet, verschlechtert indessen die Zündempfindlichkeit infolge der vergrößerten Oberfläche der Spitze 2 und verteuert die Spitze gleichzeitig, indem er die Menge des Edelmetalls erhöht.
Fig. 6 veranschaulicht den vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode, in dem die Dicke (T) der Spitze 2 weniger als 0,3 mm beträgt. Wenn die Dicke (T) weniger als 0,3 mm beträgt, wird die scharfe Kante 23 der Spitze 2 zum Zeitpunkt der Anwendung der Laserstrahlschweißung abgerundet, um die für die Funkenentladung der Zündkerze erforderliche Spannung zu erhöhen.
Der Grund, warum die Dicke (T) der Spitze 2 weniger als 0,6 mm beträgt, besteht darin, daß die Menge des Edelmetalls, das nicht an dem Funkenerosionswiderstand beteiligt ist, ansteigt und damit die Spitze verteuert, wenn die Dicke (T) 0,6 mm überschreitet.
In Verbindung mit dem Durchmesser (A) der Ausnehmung 15 beträgt der Durchmesser (A) beispielsweise 0,85 mm, während die Tiefe (B) der Ausnehmung 15 0,15 mm beträgt. Die Spitze 2 ist nicht glatt in der Ausnehmung 15 angeordnet, wenn der Abmessungsunterschied (A-D) weniger als 0,01 mm beträgt. Wenn der Abmessungsunterschied (A-D) 0,1 mm überschreitet, rutscht die Spitze 2 leicht aus ihrem Sitz, der so nicht mehr als eine Führung dient, die die Spitze 2 in Position bringt. Es ist daher wünschenswert, daß der Durchmesser (A) um 0,05 - 0,07 größer ist als der Durchmesser (D) der Spitze 2.
Wenn die Tiefe (B) der Ausnehmung 15 zu gering ist, rutscht die Spitze 2 leicht aus ihrem Sitz, der so nicht mehr als eine Führung dient, die die Spitze 2 in Position bringt. Eine größere Tiefe (B) verkürzt jedoch die Lebensdauer des Nasenabschnitts des Drückstiftes. Es ist daher wünschenswert, daß die Tiefe (B) im Bereich von 0,05 mm bis 0,2 mm liegt (vorzuziehen ist der Bereich 0,1 mm - 0,15 mm).
Die Abmessung (D-A)/2, die gleichbedeutend ist mit der Dicke der äußeren Wand 16 der Ausnehmung 15, liegt im Bereich von 0,05 mm - 0,2 mm. Wenn die Abmessung (D-A)/2 weniger als 0,05 mm beträgt, verliert die Wand 16 an mechanischer Festigkeit, so daß sich die Wand 16 selbst bei einer geringen äußeren Kraft leicht verformt. Wenn die Abmessung (D-A)/2 0,2 mm überschreitet, ist es möglich, eine hinreichende Länge zu erhalten, in der der Schweißerstarrungsabschnitt 3 zu der Spitze 2 hin vordringt, da die Spitze durch die äußere Wand 16 verschweißt ist. Dies ermöglicht es außerdem, die Änderung der Einbrandlänge des Schweißerstarrungsabschnitts 3 zu vergrößern.
Wenn die Länge (L) des geraden Halsabschnitts 1A weniger als 0,2 mm beträgt, wird die Wärme des Laserstrahlschweißens teilweise von dem Mantelmetall 11 zu dem wärmeleitenden Kern 12 abgeführt. Dies erschwert es, die Spitze 2 und den geraden Halsabschnitt 1A gleichmäßig zu verschmelzen.
Wenn die Länge (L) des geraden Halsabschnitts 1A mehr als 0,5 mm betragt, ist das Mantelmetall 11 einer erhöhten Menge der Laserstrahlwärme ausgesetzt, so daß sich Gasblasen oder Risse in dem Schweißerstarrungsabschnitt 3 zum Zeitpunkt der Durchführung der Laserstrahlschweißung entwickeln, insbesondere deswegen, weil das Mantelmetall 11 einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Spitze 2 besitzt.
Gemäß der Erfindung wird die Spitze 2 an dem geraden Halsabschnitt 1A mit Hilfe des Laserstrahlschweißens befestigt, so daß die Spitze 2 gegen Ausknicken geschützt ist, während die einwandfreie Form der Kante der Spitze 2 erhalten bleibt. Das Vorsehen der Ausnehmung 15 ermöglicht es, die Spitze 2 davor zu bewahren, zum Zeitpunkt der Anordnung der Spitze 2 in der Ausnehmung 15 aus ihrem Sitz zu rutschen. Mit den durch die äußere Wand 16 der Ausnehmung 15 geschossenen Laserstrahlen (Lb) wird es möglich, die Entwicklung von Gasblasen oder Rissen in dem Schweißerstarrungsabschnitt 3 zum Zeitpunkt der Durchführung der Laserstrahlschweißung zu verhindern.
In der oben genannten Ausführungsform der Erfindung ist die Ausnehmung 15 auf der Stirnfläche 14 des metallischen Elektrodenrohlings 1 im ersten Schritt vorgesehen, und der gerade Halsabschnitt 1A und die sich verjüngende Fläche 1B sind mittels Fräsens im zweiten Schritt vorgesehen. Der zweite Schritt kann jedoch dem ersten Schritt vorangehen, indem der gerade Halsabschnitt 1A und die sich verjüngende Fläche 1B im ersten Schritt vorgesehen werden und die Ausnehmung 15 im zweiten Schritt vorgesehen wird.
Anderenfalls können die Ausnehmung 15, der gerade Halsabschnitt 1A und die sich verjüngende Fläche 1B durch den Fräsvorgang gleichzeitig vorgesehen werden, um den ersten und den zweiten Schritt zusammenzufassen.
Wir beziehen uns auf Fig. 7a - 7c, die die fortlaufende Verarbeitung der Mittelelektrode 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.
In einem ersten, in Fig. 7a veranschaulichten Schritt wird der metallische Mittelelektrodenrohling 1 durch Einbetten des wärmeleitenden Kern (Cu oder Ag) 12 in das zylindrische Mantelmetall 11 mit Hilfe der plastischen Umformung gefertigt. Das Mantelmetall 11 besteht aus Inconel 600 (Ni-Cr-Fe- Legierung) oder aus einer Nickellegierung, die Si, Mn und Cr enthält. Der metallische Elektrodenrohling weist einen kegelförmigen Abschnitt auf, der durch Fräsen oder durch plastische Umformung den geraden Halsabschnitt 1A mit dem Trommelabschnitt 14 verbindet. Der gerade Halsabschnitt 1A (mit einem Durchmesser von 0,85 mm und einer Höhe von 0,25 mm) ist diametral kleiner als der Trommelabschnitt 14. Die scheibenförmige Edelmetallspitze 2 besitzt einen Durchmesser von 0,8 mm und eine Höhe von 0,5 mm.
Wie in Fig. 7b veranschaulicht ist, weist der metallische Mittelelektrodenrohling 1 den wärmeleitenden Kern 12 in dem zylindrischen Mantelmetall 11 auf, und die Spitze 2 ist auf dem geraden Halsabschnitt 1A angeordnet, um die Stirnfläche 13 des Mantelmetalls 11 abzudecken. In diesem Fall besteht die Spitze 2 aus einer dünnen Metallschicht, z.B. aus einer Pt-Ir-Legierung, aus Au, Pt, Ir oder einer Ir-Legierung, die ein Seltenerdmetalloxid enthält.
In einem dritten, in Fig. 7c veranschaulichten Schritt erfolgt das Laserstrahlschweißen unter Anwendung von YAG- (Yttrium, Aluminium und Granat) Laserstrahlen (Lb), die in Richtung parallel zu der Grenzfläche zwischen dem geraden Halsabschnitt 1A und der Spitze 2 mit einer Schußenergie von 2,0 Joule ausgesandt werden. Die Laserstrahlen (Lb) werden intermittierend auf die Grenzfläche im wesentlichen ganz oder vollständig über ihren Umfang gerichtet, während gleichzeitig die Spitze 2 mit Hilfe der Preßvorrichtung 4 fest gegen die Stirnfläche 13 des geraden Halsabschnitts 1A eingreift. Während der Anwendung der Laserstrahlen (Lb) werden die Laserstrahlen (Lb) (die Mehrzahl) hinreichend lange ausgesandt, damit sich die benachbarten Schweißpunkte (L1) im wesentlichen ganz oder vollständig über ihren Umfang wenigstens teilweise überdecken. In jedem der Schweißpunkte (L1) wird der Schweißerstarrungsabschnitt 3 ausgebildet, in dem die Spitze 2 und der gerade Halsabschnitt 1A teilweise miteinander verschmolzen werden, um die Spitze 2 haltbar an dem geraden Halsabschnitt 1A zu befestigen.
Der Schweißerstarrungsabschnitt 3 ist so beschaffen, daß er eine physikalische Eigenschaft (z.B. den Wärmeausdehnungskoeffizienten) aufweist, die zwischen der des geraden Halsabschnitts 1A und der der Spitze liegt. Dies erschwert das unbeabsichtigte Abfallen der Spitze 2 von dem geraden Halsabschnitt 1A infolge des Unterschiedes der Wärmeausdehnung dazwischen, wenn das vordere Ende der Mittelelektrode einer hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist.
Während der Durchführung der Laserstrahlschweißung, wie sie in Fig. 7b beschrieben ist, ist der vordere Abschnitt der scheibenförmigen Spitze 2 einer axialen Dehnung (1) unterworfen, wie in Fig. 2b der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht ist. Die Benutzung der Preßvorrichtung 4 verhindert jedoch die axiale Dehnung (1), da die Preßvorrichtung 4 in der Richtung, in der die Spitze 2 fest gegen das vordere Ende des geraden Halsabschnitts 1A eingreift, die Einwirkung einer Last von 1 kg auf die scheibenförmige Spitze 2 aufrechterhält, wie zuvor in Fig. 2b gezeigt wurde. Die Benutzung der Preßvorrichtung 4 verhindert außerdem, daß die Spitze 2 während der Durchführung der Laserstrahlschweißung versehentlich aus dem normalen Sitz rutscht.
Wie zuvor in Fig. 3 der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht wurde, wird festgestellt, daß die axiale Dehnung (1) spürbar ist, wenn die wirkende Belastung weniger als 500 g beträgt, die Preßvorrichtung 4 hinterläßt jedoch ihr Pragezeichen auf der Stirnfläche 22 der Spitze 2, wenn die Belastung 3000 g überschreitet, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Die wirkende Belastung liegt vorzugsweise im Bereich von 600 g bis 2500 g.
Wie in Fig. 9a dargestellt ist, lauten die Beziehungen der Abmessungen D, T, B, d und L folgendermaßen:
0,5 mm ≤ D ≤ 1,5 mm;
0,3 mm ≤ T ≤ 0,6 mm;
0 mm ≤ (d-D)/2 ≤ 0,2 mm, und
0,2 mm ≤ L ≤ 0,5 mm.
Dabei ist (D) der Durchmesser der scheibenförmigen Spitze 2;
(T) die Dicke der scheibenförmigen Spitze 2;
(d) der Durchmesser des geraden Halsabschnitts 1A;
(L) die Länge des geraden Halsabschnitts 1A.
Die vorausgegangene grafische Darstellung von Fig. 5 veranschaulicht, wie sich die Funkenstrecke in Abhängigkeit von dem Durchmesser (D) der scheibenförmigen Spitze 2 ändert. Die Kurve wird nach Durchführung einer Dauerprüfung bei Vollgas (5000 min&supmin;¹) während 300 Stunden mit der in einen Verbrennungsmotor (Sechszylinder, 2000 cm³) eingesetzten Zündkerze 100 erhalten.
Wie aus Fig. 5 der ersten Ausführungsform der Erfindung hervorgeht, ist die Funkenentladung auf die Spitze 2 konzentriert, um die Funkenstrecke schnell zu vergrößern, wenn der Durchmesser (D) der Spitze 2 kleiner ist als 0,5 mm. Das heißt, ein Durchmesser (D) kleiner als 0,5 mm entwickelt sofort die Funkenerosion der Spitze 2, obwohl die für die Entladung der Zündkerze erforderliche Spannung mit der Abnahme des Durchmessers (D) reduziert ist.
Ein Durchmesser (D), der 1.5 mm überschreitet, bewirkt indessen die Verschlechterung der Zündempfindlichkeit infolge der vergrößerten Oberfläche der Spitze 2 und verteuert die Spitze gleichzeitig, indem er die Menge des Edelmetalls erhöht.
Fig. 10 veranschaulicht den vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode, in dem die Dicke (T) der Spitze 2 weniger als 0,3 mm beträgt. Wenn die Dicke (T) weniger als 0,3 mm beträgt, wird die scharfe Kante 22 der oberen Fläche 21 der Spitze 2 zum Zeitpunkt der Anwendung der Laserstrahlschweißung abgerundet, um die für die Funkenentladung der Zündkerze erforderliche Spannung zu erhöhen.
Der Grund, warum die Dicke (T) der Spitze 2 weniger als 0,6 mm beträgt, besteht darin, daß die Menge des Edelmetalls, das nicht an dem Funkenerosionswiderstand beteiligt ist, ansteigt und damit die Spitze verteuert, wenn die Dicke (T) 0,6 mm überschreitet.
Der Grund, warum die Abmessung (d-D)/2 in dem Bereich von mm - 0,2 mm liegen sollte, ist folgender:
Wie in Fig. 9b veranschaulicht ist, wird die Edelmetallspitze 2 mittels Laserstrahlschweißung an das vordere Ende 13 des geraden Halsabschnitts 1A angeschweißt. In diesem Fall wird, wenn der gerade Halsabschnitt 1A den gleichen Durchmesser besitzt wie die Edelmetallspitze 2, die Wärme der Laserstrahlen (Lb) von der Spitze 2 und von dem Mantelmetall 11 gleichmäßig absorbiert, da in den Punkten 23, auf die die Laserstrahlen (Lb) gerichtet werden, keine abgestufte Fläche dazwischen vorhanden ist. Wenn dagegen an der Grenzfläche ein abgestufter Abschnitt von mehr als 0,2 mm vorhanden ist, verteilt sich die Wärme der Laserstrahlen (Lb), so daß sie in dem Schweißabschnitt unzureichend in die Grenzfläche eindringt, so daß die Einbrandtiefe des Schweißabschnitts variiert. Die Abmessung (d-D)/2 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,1 mm - 0,15 mm.
Wenn die Länge (L) des geraden Halsabschnitts 1A weniger als 0,2 mm beträgt, wird die Wärme des Laserstrahlschweißens teilweise von dem Mantelmetall 11 zu dem wärmeleitenden Kern 12 abgeführt. Dies erschwert es, die Spitze 2 und den geraden Halsabschnitt 1A gleichmäßig zu verschmelzen.
Wenn die Länge (L) des geraden Halsabschnitts 1A mehr als 0,5 mm beträgt, ist das Mantelmetall 11 einer erhöhten Menge der Laserstrahlwärme ausgesetzt, so daß sich Gasblasen oder Risse in dem Schweißerstarrungsabschnitt 3 zum Zeitpunkt der Durchführung der Laserstrahlschweißung entwickeln, insbesondere deswegen, weil das Mantelmetall einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Spitze 2 besitzt.
Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Spitze 2 an dem geraden Halsabschnitt 1A mit Hilfe des Laserstrahlschweißens befestigt, so daß die Spitze 2 gegen Ausknicken geschützt ist, während die einwandfreie Form der Kante der Spitze 2 erhalten bleibt. Die Anwendung des Laserstrahlschweißens ermöglicht es, Elektrodenwerkstoffe zu verschweißen, die einen höheren Schmelzpunkt als Platin besitzen und die sich mit Hilfe des elektrischen Widerstandsschweißens schwer verschweißen lassen.
Es versteht sich, daß die scheibenförmige Spitze 2 aus Ru, W oder Cr anstelle von Au, Pt oder Ir bestehen kann, um sie funkenerosionsbeständig zu machen.
Ferner wird erwähnt, daß bei der Herstellung einer Masseelektrode diese einstückig mit dem Metallgehäuse ausgebildet werden kann, anstatt sie an das Metallgehäuse anzuschweißen.
Des weiteren versteht es sich, daß bei der Herstellung einer Masseelektrode diese aus einem Verbundzylinder gefertigt werden kann, in dem ein Kupferkern in der gleichen Weise in ein Mantelmetall eingebettet ist, wie der metallische Elektrodenrohling 1 in der Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, daß diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinn auszulegen ist, da verschiedene Modifikationen und Ergänzungen zu den spezifischen Ausführungsformen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze, die einen metallischen Elektrodenrohling (1) besitzt, an dem eine erosionsbeständige scheibenförmige Spitze (2) befestigt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(i) den metallischen Elektrodenrohling (1) mit einem Halsabschnitt (1A) versehen;

(ii) die Spitze (2) auf einer Stirnfläche (13) des Halsabschnitts (1A) anordnen;

(iii) die Spitze (2) an der Stirnfläche (13) des Halsabschnitts (1A) befestigen, indem die Spitze (2) mit Hilfe eines Laserstrahls mit dem Halsabschnitt (1A) verschweißt wird;

dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt des Befestigens die Spitze (2) gegen die Stirnfläche (13) gedrückt und gleichzeitig der Laserstrahl auf den Außenumfang der Grenzfläche zwischen der Spitze (2) und der Stirnfläche (13) des Halsabschnitts (1A) gerichtet wird, so daß an der Grenzfläche eine Schweißnaht (3) entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Drücken mit Hilfe einer Preßvorrichtung (4) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Drücken mit einer Kraft im Bereich von (0,500 x g)N bis (3,000 x g)N, und vorzugsweise im Bereich von (0,600 x g)N bis (2,500 x g)N erfolgt, wobei g die schwerkraftbedingte Beschleunigung ist, gemessen in ms&supmin;¹.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der metallische Elektrodenrohling (1) mit einem Trommelabschnitt (17) versehen ist, und der Halsabschnitt (1A) gerade ist und einen kleineren Durchmesser besitzt als der Trommelabschnitt (17), und bei dem der metallische Elektrodenrohling (1) eine sich verjüngende Fläche (1B) aufweist, die den Halsabschnitt (1A) mit dem Trommelabschnitt verbindet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abmessungen der Zündkerze folgendermaßen definiert sind:

0,5 mm ≤ D ≤ 1,5 mm,

0,3 mm ≤ T ≤ 0,6 mm,

0,0 mm ≤ (d-D)/2 ≤ 0,2 mm,

0,2 mm ≤ L ≤ 0,5 mm,

wobei D der Durchmesser der scheibenförmigen Spitze (2) ist,

T die Dicke der scheibenförmigen Spitze (2) ist,

d der Durchmesser des Halsabschnitts (1A) ist, und

L die Länge des Halsabschnitts (1A) ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Halsabschnitt (1A) mit einer Ausnehmung (15) in seinem Ende versehen ist, wobei die Ausnehmung (15) so geformt ist, daß sie die Spitze (2) aufnimmt und eine Wand (16) um die Stirnfläche des metallischen Elektrodenrohlings (1) begrenzt, wobei die Spitze (2) in der Ausnehmung (15) angeordnet ist, und der Laserstrahl auf den Umfang der Außenseite der Wand (16) gerichtet wird, so daß sich die Schweißnaht (3) vollständig durch die Wand (16) bis zur Grenzfläche zwischen der scheibenförmigen Spitze (2) und der Stirnfläche des Halsabschnitts (1A) erstreckt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Abmessungen der Zündkerze folgendermaßen definiert sind:

0,5 mm ≤ D ≤ 1,5 mm,

0,3 mm ≤ T ≤ 0,6 mm,

0,01 mm ≤ (A-D) ≤ 0,1 mm,

0,05 mm ≤ B ≤ 0,2 mm,

0,05 mm ≤ (d-A)/2 ≤ 0,2 mm,

0,2 mm ≤ L ≤ 0,5 mm,

wobei D der Durchmesser der scheibenförmigen Spitze (2) ist,

T die Dicke der scheibenförmigen Spitze (2) ist,

A der Durchmesser der Ausnehmung (15) ist,

B die Tiefe der Ausnehmung (15) ist,

d der Durchmesser des Halsabschnitts (1A) ist, und

L die Länge des Halsabschnitts (1A) ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die scheibenformige Spitze (2) aus einem Edelmetall besteht.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserstrahl auf den Halsabschnitt (1A) gerichtet wird, indem der metallische Elektrodenrohling (1) gedreht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserstrahl so gerichtet wird, daß sich die Schweißnaht im wesentlichen vollständig um den Umfang des Halsabschnitts (1A) erstreckt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Spitze (2) konzentrisch auf der Stirnfläche angeordnet ist.