EP3231048B1 - Zündkerzenelektrode mit tiefschweissnaht sowie zündkerze mit der zündkerzenelektrode und herstellungsverfahren für die zündkerzenelektrode - Google Patents

Zündkerzenelektrode mit tiefschweissnaht sowie zündkerze mit der zündkerzenelektrode und herstellungsverfahren für die zündkerzenelektrode Download PDF

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EP3231048B1
EP3231048B1 EP15784299.8A EP15784299A EP3231048B1 EP 3231048 B1 EP3231048 B1 EP 3231048B1 EP 15784299 A EP15784299 A EP 15784299A EP 3231048 B1 EP3231048 B1 EP 3231048B1
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EP
European Patent Office
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wearing part
electrode
spark plug
longitudinal axis
welding
Prior art date
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EP15784299.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3231048A1 (de
Inventor
Sabine BLANKL
Andreas Benz
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T21/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs
    • H01T21/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs of sparking plugs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/02—Details
    • H01T13/08—Mounting, fixing or sealing of sparking plugs, e.g. in combustion chamber
    • H01T13/10—Mounting, fixing or sealing of sparking plugs, e.g. in combustion chamber by bayonet-type connection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H—ELECTRICITY
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    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/32—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by features of the earthed electrode

Definitions

  • the invention is based on an electrode for a spark plug according to the preamble of the independent claim.
  • the invention further comprises a spark plug with at least one spark plug electrode according to the invention and a manufacturing method for the spark plug electrode according to the invention.
  • the center electrode or ground electrode is typically made up of an electrode base body and a wear surface containing precious metal arranged on it.
  • the wear surface is generally more resistant to oxidation and corrosion and therefore less subject to wear than the material of the electrode base body.
  • the wear surface is bonded to the respective electrode base body by welding. There are various welding techniques, such as resistance welding, laser welding or electron beam welding, that are used in spark plug production.
  • the desired wear resistance of the precious metal-containing wear part is reduced in melted areas of the wear part.
  • a certain minimum volume of the unchanged precious metal-containing material is required.
  • the precious metal required for a wear part is relatively expensive, so that the volume containing precious metal is generally kept to a minimum.
  • the known joining methods produce poorer results as the radius increases. Either the material bond does not achieve sufficient strength or too much of the volume of the precious metal-containing wear part has to be melted in order to achieve sufficient strength of the material bond.
  • the invention is based on the finding that for a reliable and long-lasting material connection of the wearing part with the electrode base body, a minimum volume of the wearing part must melt so that sufficient material is available for an alloy with the electrode base body material.
  • a line AC in the wearing part has an angle ⁇ to the longitudinal axis xx of the wearing part and ⁇ is greater than or equal to 45°, with points A and C in a cutting plane along the longitudinal axis xx marking transitions between at least one first area that is not melted and at least one second area that is melted in the wearing part.
  • Point A marks a first transition on the outer surface of the cylindrical wearing part.
  • Point C marks a further transition that is closest to the longitudinal axis xx.
  • the second region having at least the same length or a longer extension in a radial direction to the longitudinal axis as or than in a direction parallel to the longitudinal axis. This ensures that the volume of material required for a stable, material-locking connection is melted not only at the edge of the wearing part, but also inside the wearing part.
  • the electrode has a deep and at the same time narrow connecting seam, a so-called deep weld seam, between the wearing part and the electrode base body.
  • a deep and narrow connecting seam between the electrode base body and the wearing part is achieved if the distance AC preferably has an angle ⁇ of greater than or equal to 60° to the longitudinal axis x-x, in particular preferably ⁇ is greater than or equal to 70° or even greater than or equal to 80°.
  • the longitudinal axis x-x of the wearing part extends from a side of the wearing part facing the electrode base body to the front side of the wearing part opposite this side.
  • the longitudinal axis x-x is perpendicular to the front side of the wearing part. If the wearing part has a cylindrical shape, then the longitudinal axis x-x corresponds to the cylinder axis of the wearing part.
  • the front sides or end faces of the wearing part can be round, elliptical or polygonal.
  • the number of corners on a polygonal front side is, for example, less than 12, preferably the number of corners is three, four, five or six.
  • the height H of the wearing part is measured along the longitudinal axis x-x within the first area of the wearing part.
  • the radius R of the wearing part corresponds to the radius of the circumference of the front side of the wearing part. If the longitudinal axis x-x of the wearing part passes through the center of the circumference of the wearing part, then the radius R of the wearing part corresponds to a maximum distance of the outer surface of the wearing part from the longitudinal axis x-x. If the front side of the wearing part is round, the radius R of the wearing part is the circle radius. According to the invention, the radius R of the wearing part is greater than or equal to twice the height H of the wearing part.
  • the distance from point A to the front side of the wearing part is not greater than 90% of the height H of the wearing part. This ensures that sufficient volume of the wearing part has been melted for a stable, material-locking connection. Additionally or alternatively, it can be provided that the distance from point A to the front side of the wearing part is not less than 50% of the height H of the wearing part, so that there is sufficient non-melted volume of the wearing part for sufficient wear resistance of the wearing part.
  • a shortest distance from the outer surface of the wearing part to the point C is not less than 50% of the radius R of the wearing part and/or not greater than 100% of the radius of the wearing part. This ensures that sufficient volume has been melted inside the wearing part for a stable, material-locking connection and that the connecting seam has a sufficient depth perpendicular to the longitudinal axis x-x.
  • the radius R of the wearing part is not smaller than 0.75 mm and/or not larger than 2 mm, preferably the radius R of the wearing part is in the range of 1 mm to 1.5 mm.
  • the height H of the wearing part is not less than 0.4 mm and/or not greater than 1 mm, preferably the height H of the wearing part is in the range of 0.5 mm to 0.8 mm.
  • the invention further relates to a spark plug which has at least one electrode according to the invention.
  • the at least one electrode can be designed as a center electrode and/or ground electrode.
  • the ground electrode can have the form of a roof electrode, side electrode and/or bracket electrode. If the spark plug has several ground electrodes, the ground electrodes can have the same shape or different shapes.
  • the invention also relates to a method for producing an electrode, in which a wear part is arranged on an electrode base body.
  • the wear part is bonded to the electrode base body by welding, the wear part preferably being cylindrical.
  • the wear part is in direct contact with the electrode base body with one of its front sides.
  • a welding beam is irradiated at an angle ⁇ relative to the longitudinal axis xx of the wear part, preferably into the contact area between the wear part and the electrode base body.
  • the heat energy required to create at least one melted area in the wear part is introduced into the wear body by the welding beam.
  • the energy deposited in the electrode base body by the welding beam also creates at least one melted area in the electrode base body.
  • the melted areas in the wear part and in the electrode base body border on one another at least in some areas.
  • an alloy area forms at least in some areas, in which the materials of the wear part and the electrode base body alloy with one another, thus creating a material bond between the wear part and the electrode base body.
  • the angle ⁇ is not less than 75°, preferably not less than 81°. This achieves the technical effect that the second, melted area in the wearing part extends from the outer surface far in the direction of the longitudinal axis x-x and overall results in a deep and at the same time relatively slim connecting seam, a so-called deep weld seam.
  • relatively slim means that the maximum extent of the second area in the wearing part in a radial direction to the longitudinal axis x-x is greater than the maximum extent in a parallel direction to the longitudinal axis x-x.
  • the welding beam has a focus diameter of no larger than 50 ⁇ m.
  • the focal point for the welding beam is advantageously placed within the contact area between the wear part and the electrode base body.
  • the focal point has a distance from the outer surface of the wear part in the direction of the longitudinal axis x-x of at least 50% of the wear part radius.
  • welding is carried out at least along part of the circumference of the wearing part.
  • a continuous weld seam is created along the entire circumference of the wearing part.
  • the weld seam can also be divided into several sections, wherein the sections are spaced apart on the outer surface of the wearing part and/or overlap within the contact area and/or the wearing part and/or the electrode base body.
  • the non-melted regions in the wearing part are contiguous, so that there is preferably only a first region in the wearing part.
  • a laser or an electrode beam can be used as the source for the welding beam.
  • the laser can be operated in pulsed or continuous wave (CW).
  • CW continuous wave
  • solid-state lasers, fiber lasers, disk lasers and/or diode lasers can be used in the welding process.
  • the source of the welding beam and thus also the welding beam can rotate around the electrode base body and the wearing part during welding.
  • the source of the welding beam is stationary and the electrode with the electrode base body and the wearing part rotates around an axis, in particular around the longitudinal axis x-x of the wearing part.
  • the power of the welding beam can be varied during welding. This allows power losses, for example due to shadowing effects, to be compensated for and thus a connection seam that is as uniform as possible to be produced.
  • the power of the welding beam in a first operating phase of the welding process is constant.
  • the power is continuously reduced or reduced to a low value which is kept constant during the second operating phase.
  • the second operating phase is interrupted by a third operating phase.
  • the third operating phase is preferably shorter in time than the individual time periods of the second operating phase.
  • the power of the welding beam is briefly increased again. After the end of the third operating phase, for example, the power of the welding beam is reset to its last value in the second operating phase before the interruption by the third operating phase.
  • Shadowing effects on the power of the welding beam occur when, during welding, the rotation of the electrode or welding source causes, for example, a leg of a ground electrode to get into the welding beam and thus shadows part of the welding beam.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a spark plug 1.
  • the spark plug 1 has a metal housing 2 with a thread 3 for mounting the spark plug 1 in an engine block.
  • An insulator 4 is arranged inside the housing 2.
  • a center electrode 5 and a connecting bolt 7 are arranged inside the insulator 4 and are electrically connected via a resistance element (not shown here).
  • the center electrode 5 typically protrudes from the insulator 4 at the end of the spark plug 1 on the combustion chamber side.
  • a ground electrode 6 is arranged at the end of the housing 2 on the combustion chamber side. This forms an ignition gap together with the center electrode 5.
  • the ground electrode 6 can be designed as a roof electrode, side electrode or bracket electrode.
  • the bracket electrode has two legs, each of which is welded to the housing 2 with its leg 16. The legs have an angle of 30° to 180° to one another.
  • the bracket electrode can be constructed in one piece or in several parts, whereby in a multi-part construction the individual parts are connected to one another by a material connection such as welding.
  • FIG 2 a section of an electrode 5, 6 according to the invention is shown.
  • the electrode 5, 6 has an electrode base body 8 and a wear part 10, wherein the wear part 10 is arranged on the electrode base body 8 in such a way that it, together with the opposite electrode 6, 5 or a second wearing part arranged on the opposite electrode 6, 5 forms the ignition gap.
  • the electrode base body 8 consists of a nickel alloy that is low or high alloyed.
  • the nickel alloy is low alloyed with yttrium or high alloyed with chromium.
  • the chromium content in the nickel alloy is, for example, at least 20% by weight, preferably even at least 25% by weight.
  • the wearing part 10 is cylindrical with round, elliptical or polygonal end faces and has a cylinder axis or longitudinal axis x-x.
  • the longitudinal axis x-x extends from the end face 13 of the wearing part to the opposite side 14 of the wearing part facing the electrode base body 8.
  • the height H of the wearing part 10 is measured along the longitudinal axis x-x.
  • the radius R of the wearing part 10 corresponds to the maximum distance of the outer surface 15 of the wearing part 10 to the longitudinal axis x-x, wherein the distance is measured perpendicular to the longitudinal axis x-x, for example to an end face 13 of the wearing part.
  • the wearing part 10 has a circular shape, i.e.
  • the radius R of the wearing part 10 is greater than or equal to the height H of the wearing part 10.
  • the radius R of the wearing part 10 is greater than or equal to 1.5 times the height H of the wearing part 10 or even the radius R of the wearing part 10 is greater than or equal to 2 times the height H of the wearing part 10.
  • the radius R of the wearing part 10 is not smaller than 0.75 mm and/or not larger than 2 mm.
  • the radius R of the wearing part 10 is not smaller than 1 mm and/or not larger than 1.5 mm.
  • the height H of the wearing part 10 is not smaller than 0.4 mm and/or not larger than 1 mm.
  • the height H of the wearing part 10 is not smaller than 0.6 mm and/or not larger than 0.8 mm.
  • the radius R of the wearing part 10 is 1.2 mm and the height H of the wearing part 10 is 0.6 mm.
  • the wearing part 10 consists of a precious metal or a precious metal alloy, such as iridium, platinum, rhodium, ruthenium and/or rhenium or alloys with at least one of these precious metals.
  • the side 14 of the wearing part 10 facing the electrode base body 8 is in direct contact with the electrode base body 8.
  • the wearing part 10 is integrally connected to the electrode base body 8 by welding, as a result of which areas 12, 18 are formed in the wearing body 10 and in the electrode base body 8, which are melted during the connection process.
  • the wearing part 10 can be divided into first regions 11, which were not melted during the joining process, and second regions 12, which were melted during the joining process.
  • the transitions between the non-melted areas 11 of the wearing part 10 and the melted areas 12 of the wearing part 10 are clearly visible.
  • the transition on the outer surface 15 between the first area 11 of the wearing part 10 and the second area 12 of the wearing part 10 is referred to as point A.
  • the transition between the first area 11 of the wearing part 10 and the second area 12 of the wearing part 10, which is closest to the longitudinal axis x-x, is referred to as point C.
  • the line AC has an angle ⁇ to the longitudinal axis x-x or to a parallel x'-x' of the longitudinal axis x-x passing through point C.
  • points A and C on the same second area 12 of the wearing part 10 are typically considered.
  • the angle ⁇ is greater than or equal to 45°.
  • the angle ⁇ is even greater than or equal to 60°.
  • the front side 13 of the wearing part 10 does not have a second region 12 of the wearing part 10, i.e. the front side 13 of the wearing part 10 is not completely melted and belongs to the first region 11 of the wearing part 10.
  • a distance from point A to the front side 13 of the wearing part 10 is not less than 50% of the height H of the wearing part 10.
  • the distance is not greater than 90% of the height H of the wearing part 10 so that enough material from the wearing part 10 has been melted for a firm, material-locking connection.
  • a shortest distance from the lateral surface 15 of the wearing part 10 to the point C is not less than 50% of the radius R of the wearing part 10 or the end face 13 and/or not greater than 100% of the radius R of the wearing part 10.
  • This shortest distance corresponds to a depth t of the second region 12 of the wearing part 10 along a radial direction to the longitudinal axis xx.
  • the fact that the second region 12 of the wearing part 10 has a depth t of at least half the radius R of the wearing part 10 ensures that sufficient material of the wearing part 10 has been melted onto a firm, material-locking connection of the wearing part 10 to the electrode base body 8.
  • the boundary conditions result from the minimum and maximum height b and the minimum and maximum depth t of the second area 12 in the wearing part.
  • the height b of the second area 12 of the wearing part 10 is measured along the outer surface 15.
  • the height b of the second area 12 of the wearing part 10 should correspond to at least 10% and a maximum of 50% of the height H of the wearing part 10.
  • the depth t of the second area 12 of the wearing part 10 corresponds to the distance from point C to the outer surface 15 in a plane perpendicular to the longitudinal axis xx.
  • the depth t of the second area 12 of the wearing part 10 should correspond to at least 50% and a maximum of 100% of the radius R of the wearing part 10.
  • Table 1 R/H b t ⁇ [°] 1 10% H 50% R 78.5 1 10% H 100%
  • R 84 1 50% H 50% R 45 1
  • 50% H 100% R 63 1.5
  • H 50% R 82.5 1.5
  • the angle ⁇ has values in the range of 45° to 84°.
  • Small angles for ⁇ are particularly likely when the second areas 12 of the wearing part 10 have a large height b, i.e. 50% of the height H of the wearing part 10, and at the same time a small depth t, i.e. only 50% of the radius R of the wearing part 10.
  • the values for the angle ⁇ are in the range of 63°- 83°.
  • the values for the angle ⁇ are in the range of 84°-87°. From this it can be deduced that in a particularly preferred embodiment of the invention the angle ⁇ is preferably greater than or equal to 80°.
  • the material connection of the wearing part 10 to the electrode base body 8 is preferably carried out by a welding process, such as laser beam welding or electrode beam welding.
  • a welding process such as laser beam welding or electrode beam welding.
  • laser beam welding a pulsed laser beam or a continuous laser beam, i.e. continuous wave (CW) laser, can be used.
  • Solid-state lasers, disk lasers, diode lasers and/or fiber lasers can be used to generate the laser radiation.
  • the welding beam 20 is directed at an angle ⁇ relative to the longitudinal axis xx onto the contact area between the wear part 10 and the electrode base body 8, as shown in Figure 2 shown schematically.
  • the welding beam 20 is irradiated into the contact region at an angle ⁇ of not less than 75°, preferably not less than 81°.
  • the focal point for the welding beam 20 is, for example, within the contact area, i.e. preferably on the distance between the point C and the lateral surface 15.
  • the welding beam 20 advantageously has a diameter of no greater than 50 ⁇ m at the focal point. This produces a weld seam or connecting seam that is as deep as possible and at the same time not too high.
  • the shape of the weld seam correlates with the geometry of the melted areas 12, 18 in the wear part 10 and in the electrode base body 8.
  • the angle of incidence ⁇ of the welding beam 20 must also increase in order to achieve a sufficient depth t of the second region 12 of the wear part 10 and thus also a to create a reliable, firm connection between the electrode base body 8 and the wearing part 10 without having to melt too much of the height of the jacket surface 15.
  • welding is carried out at least along part of the circumference of the wearing part 10.
  • a continuous weld seam is created along the entire circumference of the wearing part 10.
  • the weld seam can also be divided into several sections, wherein the sections are spaced apart on the outer surface 15 of the wearing part 10 and/or overlap within the contact region and/or within the wearing body 10 and/or within the electrode base body 8.
  • the non-melted regions 11 in the wearing part 10 are connected, so that there is preferably only a first region 11 in the wearing part 10.
  • FIG 3 shows two possible realizations for the production of an electrode according to the invention as a center electrode 5.
  • the welding beam source 21 is stationary and the electrode 5 with the electrode base body 8 and the wear part 10 rotates about an axis, in this example the longitudinal axis xx of the wear part 10.
  • Figure 3b the welding beam source 21 rotates around the electrode 5.
  • FIG 4 shows two possible realizations for the production of an electrode according to the invention as a ground electrode 6.
  • the welding beam source 21 is stationary and the electrode 6 with the electrode base body 8 and the wear part 10 rotates about an axis, in this example the longitudinal axis xx of the wear part 10.
  • Figure 4b the welding beam source 21 rotates around the electrode 6.
  • the power of the welding beam 21 is varied during welding of the ground electrode 6. This makes it possible to compensate for power losses during welding if, for example, during the rotation of the electrode 6 or the welding source 21, a leg 16 of a ground electrode 6 gets into the welding beam 20 and thus shades part of the welding beam 20.
  • Figure 5 shows an example of a time course T of the power P of the welding beam 20 during the welding of a bracket ground electrode 6.
  • the power P is kept at a constant value.
  • the areas 12, 18 to be melted in the wearing part 10 and in the electrode base body 8 are heated, thereby generating the molten pools required for deep welding in the electrode base body 8 and in the wearing part 10.
  • the power P is reduced to 80% to 90% of the initial power. This reduced power P is sufficient for the molten pools, together with the welding beam 20, to move along the circumference of the wearing part 10 in accordance with the rotational speed of the electrode 6 or the welding beam source 21, thereby generating the connecting seam.
  • the second operating phase in this exemplary embodiment is interrupted twice by a third operating phase, in which the power P is increased again to the initial value in order to compensate for the shading effects on the power P deposited in the electrode 6 caused by the legs 16 of the ground electrode 6, which are temporarily located in the welding beam 20. After at least one full rotation, the power P is reduced to 0% in a fourth operating phase and the welding process is ended.
  • the initial position of the welding and/or the direction of rotation during welding is selected such that the components of the spark plug 1 causing shadowing effects enter the welding beam 20 as late as possible within one rotation cycle.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einer Elektrode für eine Zündkerze nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs aus. Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Zündkerze mit mindestens einer erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode sowie ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode.
  • Heutige Zündkerzen weisen eine Mittelelektrode und mindestens eine Masseelektrode auf. Zwischen den Elektroden bildet sich bei bestimmungsgemäßen Betrieb der Zündkerze ein Zündfunken aus, der ein brennbares Gasgemisch entzündet. Typischerweise sind Mittelelektrode oder Masseelektrode aus einem Elektrodengrundkörper und einer daran angeordneten edelmetallhaltigen Verschleißfläche aufgebaut. Die Verschleißfläche weist in der Regel eine höhere Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und somit einen geringeren Verschleiß als das Material des Elektrodengrundkörpers auf. Die Verschleißfläche wird mit dem jeweiligen Elektrodengrundkörper durch eine Schweißung stoffschlüssig verbunden. Es gibt verschiedene Schweißtechniken, wie beispielsweise Widerstandsschweißen, Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißung, die bei der Zündkerzen-Herstellung Verwendung finden.
  • Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften von Verschleißteil und Elektrodengrundkörper, insbesondere die wesentlich höheren Schmelztemperatur des Verschleißteilmaterials, ist die Herstellung einer zuverlässigen und langlebigen stoffschlüssigen Verbindung der beiden Komponenten eine Herausforderung.
  • Zusätzlich kommt hinzu, dass einerseits die gewünschte Verschleißbeständigkeit des edelmetallhaltigen Verschleißteils sich in aufgeschmolzenen Bereichen des Verschleißteils reduziert. Um dennoch die gewünschten Standzeiten für die Elektrode und damit auch für die Zündkerze zu erreichen, wird ein gewisses Mindestvolumen des unveränderten edelmetallhaltigen Materials benötigt. Anderseits ist das für ein Verschleißteil benötigte Edelmetall relativ teuer ist, so dass man grundsätzlich das edelmetallhaltige Volumen gering halten möchte.
  • Für Elektroden mit Verschleißteilen, die einen kleineren Radius im Vergleich zu ihrer Höhe aufweisen, gibt es Verbindungsverfahren, die einen akzeptablen Kompromiss aus Langlebigkeit der Schweißverbindung, des Verschleißteils und der Zündkerze sowie Herstellungskosten sind.
  • Aus der US 2004/189169 A1 ist eine Elektrode und eine Zündkerze bekannt.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Für Elektroden, bei denen der Radius des Verschleißteils sich der Höhe des Verschleißteil annähert bzw. bei denen der Radius größer als die Höhe wird, liefern die bekannten Verbindungsverfahren mit zunehmenden Radius schlechtere Ergebnisse. Entweder wird keine ausreichende Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung erreicht oder es muss zu viel Volumen des edelmetallhaltigen Verschleißteils aufgeschmolzen werden, um eine ausreichende Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zu erreichen.
  • Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode der eingangs genannten Art und ihr Herstellungsverfahren dahingehend zu verbessern, dass die vorstehenden Nachteile beseitigt bzw. minimiert werden.
  • Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des unabhängigen Elektroden-Anspruchs bzw. durch den kennzeichnenden Teil des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine zuverlässige und langlebige stoffschlüssige Verbindung des Verschleißteils mit dem Elektrodengrundkörper ein Mindestvolumen des Verschleißteils aufschmelzen muss, damit genügend Material für eine Legierung mit dem Elektrodengrundkörpermaterial zur Verfügung steht.
  • Um dies zu gewährleisten ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Verschleißteil eine Strecke AC einen Winkel α zu der Längsachse x-x des Verschleißteils aufweist und α größer oder gleich 45° ist, wobei die Punkte A und C in einer Schnittebene entlang der Längsachse x-x Übergänge zwischen mindestens einem ersten Bereich, der nicht aufgeschmolzen ist, und mindestens einem zweiten Bereich, der aufgeschmolzenen ist, im Verschleißteil markieren. Der Punkt A markiert einen ersten Übergang an der Mantelfläche des zylinderförmigen Verschleißteils. Der Punkt C markiert einen weiteren Übergang, der der Längsachse x-x am nächsten liegt.
  • Dadurch ergibt sich, dass der zweite Bereich mindestens eine gleich lange bzw. längere Ausdehnung in einer radiale Richtung zur der Längsachse wie bzw. als in einer parallelen Richtung zur Längsachse hat. Damit wird sichergestellt, dass nicht nur am Rand des Verschleißteils das für eine stabile stoffschlüssige Verbindung benötigte Materialvolumen aufgeschmolzen wird, sondern auch im Inneren des Verschleißteils. Die Elektrode hat eine tiefe und gleichzeitig schmale Verbindungsnaht, eine sogenannte Tiefschweißnaht, zwischen dem Verschleißteil und dem Elektrodengrundkörper. Insbesondere wird eine tiefe und schmale Verbindungsnaht zwischen Elektrodengrundkörper und Verschleißteil erzielt, wenn die Strecke AC vorzugsweise einen Winkel α von größer oder gleich 60° zur Längsachse x-x aufweist, insbesondere vorzugsweise ist α größer oder gleich 70° oder sogar größer oder gleich 80°.
  • Die Längsachse x-x des Verschleißteils erstreckt sich von einer dem Elektrodengrundkörper zugewandten Seite des Verschleißteils bis zu der dieser Seite gegenüberliegenden Stirnseite des Verschleißteils. Die Längsachse x-x steht senkrecht auf der Stirnseite des Verschleißteils. Wenn das Verschleißteil eine zylindrische Form hat, dann entspricht die Längsachse x-x der Zylinderachse des Verschleißteils. Die Stirnseiten bzw. Stirnflächen des Verschleißteils können rund, elliptisch oder mehreckig sein. Die Anzahl der Ecken bei einer mehreckigen Stirnseite ist beispielsweise kleiner als 12, vorzugsweise liegt die Anzahl der Ecken bei drei, vier, fünf oder sechs.
  • Die Höhe H des Verschleißteils wird entlang der Längsachse x-x innerhalb des ersten Bereichs des Verschleißteils gemessen. Der Radius R des Verschleißteils entspricht dem Radius des Umkreises der Stirnseite des Verschleißteils. Wenn die Längsachse x-x des Verschleißteils durch den Mittelpunkt des Umkreises des Verschleißteils geht, dann entspricht der Radius R des Verschleißteils einem maximalen Abstand der Mantelfläche des Verschleißteils zur Längsachse x-x. Bei einer runden Stirnfläche des Verschleißteils ist der Radius R des Verschleißteils der Kreisradius. Erfindungsgemäß ist der Radius R des Verschleißteils größer oder gleich der doppelten Höhe H des Verschleißteils ist.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Abstand von Punkt A bis zu der Stirnseite des Verschleißteils nicht größer als 90% der Höhe H des Verschleißteils ist. Damit sichergestellt ist, dass genügend Volumen des Verschleißteils für eine stabile stoffschlüssige Verbindung aufgeschmolzen wurde. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Abstand vom Punkt A bis zu der Stirnseite des Verschleißteils nicht kleiner als 50% der Höhe H des Verschleißteils ist, damit es genügend nicht aufgeschmolzenes Volumen des Verschleißteils für ein ausreichende Verschleißbeständigkeit des Verschleißteils gibt.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine kürzeste Strecke von der Mantelfläche des Verschleißteils bis zum Punkt C nicht kleiner als 50% des Radius R des Verschleißteils ist und/oder nicht größer als 100% des Radius des Verschleißteils ist. Dadurch wird gewährleistet, dass genügend Volumen im Inneren des Verschleißteils für eine stabile stoffschlüssige Verbindung aufgeschmolzen wurde und die Verbindungsnaht eine ausreichende Tiefe senkrecht zur der Längsachse x-x aufweist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Radius R des Verschleißteils nicht kleiner als 0,75 mm und/oder nicht größer als 2 mm ist, vorzugsweise liegt der Radius R des Verschleißteils im Bereich von 1 mm bis 1,5 mm.
  • Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Höhe H des Verschleißteils nicht kleiner als 0,4 mm und/oder nicht größer als 1 mm ist, vorzugsweise liegt die Höhe H des Verschleißteils im Bereich von 0,5 mm bis 0,8 mm.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Zündkerze, die mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode aufweist. Die mindestens eine Elektrode kann als Mittelelektrode und/oder Masseelektrode ausgebildet sein. Die Masseelektrode kann die Form einer Dachelektrode, Seitenelektrode und/oder Bügelelektrode aufweisen. Wenn die Zündkerze mehrere Masseelektrode aufweist, dann können die Masseelektroden die gleiche Form oder unterschiedliche Formen haben.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zu Herstellung einer Elektrode, bei dem ein Verschleißteil auf einen Elektrodengrundkörper angeordnet wird. Mittels Schweißen wird das Verschleißteil stoffschlüssig mit dem Elektrodengrundkörper verbunden, wobei das Verschleißteil vorzugsweise zylinderförmig ist. Mit einer seiner Stirnseite steht das Verschleißteil im direkten Kontakt mit dem Elektrodengrundkörper. Ein Schweißstrahl wird unter einem Winkel β bezogen auf die Längsachse x-x des Verschleißteils vorzugsweise in den Kontaktbereich von Verschleißteil und Elektrodengrundkörper eingestrahlt. Durch den Schweißstrahl wird die zur Erzeugung von mindestens einem aufgeschmolzenen Bereich im Verschleißteil benötigte Wärmeenergie in den Verschleißkörper eingebracht. Zusätzlich erzeugt die durch den Schweißstrahl im Elektrodengrundkörper deponierte Energie auch mindestens einen aufgeschmolzenen Bereich im Elektrodengrundkörper. Die aufgeschmolzenen Bereiche im Verschleißteil und im Elektrodengrundkörper grenzen mindestens bereichsweise aneinander. Im Grenzbereich der aufgeschmolzenen Bereiche im Elektrodengrundkörper und im Verschleißteil bildet sich mindestens bereichsweise ein Legierungsbereich aus, in dem die Materialien des Verschleißteils und des Elektrodengrundkörpers miteinander legieren und somit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verschleißteil und dem Elektrodengrundkörper entsteht.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Winkel β nicht kleiner als 75°, vorzugsweise nicht kleiner als 81° ist. Dadurch wird der technische Effekt erzielt, dass der zweite, aufgeschmolzene Bereich im Verschleißteil sich von der Mantelfläche weit in Richtung der Längsachse x-x erstreckt und insgesamt eine tiefe und gleichzeitig relativ schlanke Verbindungsnaht ergibt, eine sogenannte Tiefschweißnaht. Im Sinne dieser Anmeldung ist mit relativ schlank gemeint, dass die maximale Ausdehnung des zweiten Bereichs im Verschleißteil in einer radialen Richtung zur Längsache x-x größer ist als die maximale Ausdehnung in einer parallelen Richtung zur Längsachse x-x.
  • Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft für die Erreichung dieses technischen Effekts herausgestellt, wenn der Schweißstrahl einen Fokusdurchmesser von nicht größer als 50 µm hat.
  • Vorteilhafterweise wird der Fokuspunkt für den Schweißstrahl innerhalb des Kontaktbereichs von Verschleißteil und Elektrodengrundkörper gelegt. Beispielsweise hat der Fokuspunkt einen Abstand zur Mantelfläche des Verschleißteils in Richtung der Längsachse x-x von mindestens 50% des Verschleißteilradius.
  • Vorzugsweise wird mindestens entlang eines Teils des Umfangs des Verschleißteils geschweißt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine kontinuierliche Schweißnaht entlang des gesamten Umfangs des Verschleißteils erzeugt wird. Alternativ kann auch die Schweißnaht in mehrere Teilabschnitt unterteilt sein, wobei die Teilabschnitt an der Mantelfläche des Verschleißteils beabstandet sind und/oder innerhalb des Kontaktbereichs und/oder des Verschleißteils und/oder des Elektrodengrundkörpers sich überlappen.
  • Vorzugsweise sind die nicht aufgeschmolzenen Bereiche im Verschleißteil zusammenhängend, so dass es bevorzugt nur einen ersten Bereich im Verschleißteil gibt.
  • Als Quelle für den Schweißstrahl kann ein Laser oder ein Elektrodenstrahl verwendet werden. Der Laser kann gepulst oder kontinuierlich (CW - continous wave) betrieben werden. Beispielsweise können Festkörperlaser, Faserlaser, Scheibenlaser und/oder Diodenlaser beim Schweißverfahren eingesetzt werden.
  • Vorteilhafterweise können die Quelle des Schweißstrahls und damit auch der Schweißstrahl während des Schweißens um den Elektrodengrundkörper und das Verschleißteil rotieren. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Quelle des Schweißstrahls ortsfest ist und die Elektrode mit dem Elektrodengrundkörper und dem Verschleißteil sich um eine Achse dreht, insbesondere um die Längsachse x-x des Verschleißteils sich dreht.
  • Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Leistung des Schweißstrahls während des Schweißens variiert wird. Dadurch können Leistungsverluste beispielsweise durch Abschattungseffekte kompensiert werden und somit eine möglichst gleichmäßige Verbindungsnaht erzeugt werden.
  • Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in einer ersten Betriebsphase des Schweißverfahrens die Leistung des Schweißstrahls konstant ist. In einer auf die erste Betriebsphase folgende zweite Betriebsphase wird die Leistung kontinuierlich reduziert oder auf einen niedrigen Wert reduziert, der während der zweiten Betriebsphase konstant gehalten wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Betriebsphase durch eine dritte Betriebsphase unterbrochen wird. Die dritte Betriebsphase ist vorzugsweise zeitlich kürzer als die einzelnen zeitlichen Abschnitte der zweiten Betriebsphase. In der dritten Betriebsphase wird die Leistung des Schweißstrahls kurzzeitig wieder erhöht. Nach Ende der dritten Betriebsphase wird beispielsweise die Leistung des Schweißstrahls auf ihren letzten Wert in der zweiten Betriebsphase vor der Unterbrechung durch die dritte Betriebsphase wieder eingestellt.
  • Abschattungseffekt der Leistung des Schweißstrahls treten auf, wenn während des Schweißens bei der Rotation der Elektrode oder der Schweißquelle beispielsweise ein Bein einer Masseelektrode in den Schweißstrahl gerät, und somit einen Teil des Schweißstrahls abschattet.
    • Zeichnung
    • Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine Zündkerze
    • Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Elektrode
    • Figur 3 zeigt ein Beispiel für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Mittelelektrode
    • Figur 4 zeigt ein Beispiel für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Masseelektrode
    • Figur 5 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Schweißstrahlleistung.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Zündkerze 1. Die Zündkerze 1 weist ein metallisches Gehäuse 2 mit einem Gewinde 3 für die Montage der Zündkerze 1 in einem Motorblock auf. Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein Isolator 4 angeordnet. Eine Mittelelektrode 5 und ein Anschlussbolzen 7 sind innerhalb des Isolators 4 angeordnet und über ein hier nicht gezeigtes Widerstandselement elektrisch verbunden. Die Mittelelektrode 5 ragt typischerweise am brennraumseitigen Ende der Zündkerze 1 aus dem Isolator 4 raus.
  • Am brennraumseitigen Ende des Gehäuses 2 ist eine Masseelektrode 6 angeordnet. Die gemeinsam mit der Mittelelektrode 5 einen Zündspalt bildet. Die Masseelektrode 6 kann als Dachelektrode, Seitenelektrode oder Bügelelektrode ausgebildet sein. Die Bügelelektrode weist zwei Schenkel auf, die mit ihrem Bein 16 jeweils an das Gehäuse 2 angeschweißt sind. Die Schenkel weisen zueinander einen Winkel von 30° bis 180° auf. Die Bügelelektrode kann einstückig oder mehrteilig aufgebaut sein, wobei bei einem mehrteiligen Aufbau die einzelnen Teile durch eine stoffschlüssige Verbindung wie beispielsweise Schweißen miteinander verbunden sind.
  • In Figur 2 ist ein Schnitt einer erfindungsgemäßen Elektrode 5, 6 gezeigt. Die Elektrode 5, 6 hat einen Elektrodengrundkörper 8 und ein Verschleißteil 10, wobei das Verschleißteil 10 am Elektrodengrundkörper 8 so angeordnet ist, dass es zusammen mit der gegenüberliegenden Elektrode 6, 5 bzw. einem an der gegenüberliegenden Elektrode 6, 5 angeordneten zweiten Verschleißteil den Zündspalt ausbildet.
  • Der Elektrodengrundkörper 8 besteht aus einer Nickel-Legierung, die niedrig- oder hochlegiert ist. Beispielsweise ist die Nickel-Legierung niedriglegiert mit Yttrium oder hochlegiert mit Chrom. Der Chrom-Anteil in der Nickel-Legierung beträgt beispielsweise mindestens 20 Gew.%, vorzugsweise sogar mindestens 25 Gew.%.
  • Das Verschleißteil 10 ist zylinderförmig mit runden, elliptischen oder mehreckigen Stirnflächen und weißt eine Zylinderachse bzw. Längsachse x-x auf. Die Längsachse x-x erstreckt von der Stirnfläche 13 des Verschleißteils bis zu der gegenüberliegenden, dem Elektrodengrundkörper 8 zugewandte Seite 14 des Verschleißteils. Entlang der Längsachse x-x wird die Höhe H des Verschleißteils 10 gemessen. Der Radius R des Verschleißteils 10 entspricht dem maximalen Abstand der Mantelfläche 15 des Verschleißteils 10 zu der Längsachse x-x, wobei der Abstand senkrecht zu der Längsachse x-x gemessen wird, beispielsweise an eine Stirnfläche 13 des Verschleißteils. In diesem Ausführungsbeispiel hat das Verschleißteil 10 eine Rondenform, d.h. der Radius R des Verschleißteils 10 ist größer oder gleich der Höhe H des Verschleißteils 10. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Radius R des Verschleißteils 10 größer oder gleich 1,5-fache Höhe H des Verschleißteils 10 oder sogar der Radius R des Verschleißteils 10 größer oder gleich 2-fache die Höhe H des Verschleißteils 10 ist. Der Radius R des Verschleißteils 10 ist nicht kleiner als 0,75 mm und/oder nicht größer als 2 mm. Vorzugsweise ist der Radius R des Verschleißteils 10 nicht kleiner als 1 mm und/oder nicht größer als 1,5 mm. Die Höhe H des Verschleißteil 10 ist nicht kleiner als 0,4 mm und/oder nicht größer als 1 mm. Vorzugsweise ist die Höhe H des Verschleißteils 10 nicht kleiner als 0,6 mm und/oder nicht größer als 0,8 mm. In diesem Ausführungsbeispiel ist beispielsweise der Radius R des Verschleißteils 10 1,2 mm und die Höhe H des Verschleißteils 10 0,6 mm.
  • Das Verschleißteil 10 besteht aus einem Edelmetall oder einer Edelmetall-Legierung, wie beispielsweise Iridium, Platin, Rhodium, Ruthenium und/oder Rhenium oder Legierungen mit mindestens einem dieser Edelmetalle.
  • In diesem Ausführungsbeispiel steht die dem Elektrodengrundkörper 8 zugewandte Seite 14 des Verschleißteils 10 im direkten Kontakt mit dem Elektrodengrundkörper 8. Mittels Schweißen wird das Verschleißteil 10 mit dem Elektrodengrundkörper 8 stoffschlüssig verbunden, dadurch bilden sich im Verschleißkörper 10 und im Elektrodengrundkörper 8 Bereiche 12, 18 aus, die während des Verbindungsprozess aufgeschmolzen werden.
  • Zusätzlich gibt es noch einen Bereich im Kontaktbereich zwischen Elektrodengrundkörper 8 und Verschleißteil 10, in dem das Material des Elektrodengrundkörpers 8 mit dem Material des Verschleißteils 10 miteinander legieren. Dieser Legierungsbereich kann kleiner oder gleich der Summe der aufgeschmolzenen Bereiche 18, 12 im Elektrodengrundkörper 8 und im Verschleißteil 10 sein. Während die Grenzen zwischen Legierungsbereich und aufgeschmolzenen Bereichen 18, 12 fließend sein können, kann man im Schnitt die Grenzen zwischen aufgeschmolzenen Bereich 12 und nicht aufgeschmolzenen Bereich 11 im Verschleißteil 10 bzw. im Elektrodengrundkörper 8 in der Regel deutlich erkennen. Wie in Figur 2 gezeigt kann das Verschleißteil 10 in erste Bereiche 11, die beim Verbindungsprozess nicht aufgeschmolzen wurden, und in zweite Bereiche 12, die beim Verbindungsprozess aufgeschmolzen wurden, unterteilt werden.
  • Im Schnitt sind die Übergänge zwischen den nicht aufgeschmolzen Bereichen 11 des Verschleißteils 10 und den aufgeschmolzenen Bereichen 12 des Verschleißteils 10 gut zu erkennen. Der Übergang an der Mantelfläche 15 zwischen dem ersten Bereich 11 des Verschleißteils 10 und dem zweiten Bereich 12 des Verschleißteils 10 wird als Punkt A bezeichnet. Der Übergang zwischen dem ersten Bereich 11 des Verschleißteils 10 und dem zweiten Bereich 12 des Verschleißteils 10, der der Längsachse x-x am nächsten liegt, wird als Punkt C bezeichnet. Die Strecke AC hat einen Winkel α zu der Längsachse x-x bzw. zu einer durch den Punkt C gehenden Parallelen x'-x' der Längsachse x-x. Für die Festlegung der Strecke AC werden typischerweise die Punkte A und C am gleichen zweiten Bereich 12 des Verschleißteils 10 betrachtet. Der Winkel α ist größer oder gleich 45°. Vorzugsweise ist der Winkel α sogar größer oder gleich 60°.
  • Vorteilhafterweise weist die Stirnseite 13 des Verschleißteils 10 keinen zweiten Bereich 12 des Verschleißteils 10 auf, d.h. die Stirnseite 13 des Verschleißteils 10 ist vollständig nicht aufgeschmolzen und gehört zu dem ersten Bereich 11 des Verschleißteils 10. Idealerweise ist ein Abstand von Punkt A zu der Stirnseite 13 des Verschleißteils 10 nicht kleiner als 50% der Höhe H des Verschleißteils 10. Des Weiteren ist der Abstand nicht größer als 90% der Höhe H des Verschleißteils 10, damit genügend Material vom Verschleißteil 10 für eine feste stoffschlüssige Verbindung aufgeschmolzen wurde.
  • Eine kürzeste Strecke von der Mantelfläche 15 des Verschleißteils 10 bis zum Punkt C ist nicht kleiner als 50% des Radius R des Verschleißteils 10 bzw. der Stirnfläche 13 und/oder nicht größer als 100% des Radius R des Verschleißteils 10. Diese kürzeste Strecke entspricht einer Tiefe t des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10 entlang einer radialen Richtung zu der Längsachse x-x. Dadurch dass vorgesehen ist, dass der zweite Bereich 12 des Verschleißteils 10 eine Tiefe t von mindestens dem halben Radius R des Verschleißteils 10 aufweist wird sichergestellt, dass genügend Material des Verschleißteils 10 auf eine feste stoffschlüssige Verbindung des Verschleißteils 10 mit dem Elektrodengrundkörpers 8 aufgeschmolzen wurde.
  • In der Tabelle 1 sind beispielhaft für drei Fälle, R=H, R=1,5H und R=2H, der sich ergebene Winkel α für die Grenzwerte der Randbedingungen aufgeführt. Die Randbedingungen ergeben sich aus der minimalen und maximalen Höhe b sowie der minimalen und maximalen Tiefe t des zweiten Bereichs 12 im Verschleißteil. Die Höhe b des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10 wird entlang der Mantelfläche 15 gemessen. Die Höhe b des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10 sollte mindestens 10% und maximal 50% der Höhe H des Verschleißteils 10 entsprechen. Die Tiefe t des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10 entspricht dem Abstand des Punkt C zur Mantelfläche 15 in einer Ebene senkrecht zur Längsachse x-x. Die Tiefe t des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10 sollte mindestens 50% und maximal 100% des Radius R des Verschleißteils 10 entsprechen. Für die oben aufgeführten Fälle ergeben sich somit jeweils 4 mögliche Kombinationen bei den Randbedingungen für die sich jeweils ein Winkel α ergibt. Tabelle 1
    R/H b t α [°]
    1 10% H 50% R 78,5
    1 10% H 100% R 84
    1 50% H 50% R 45
    1 50% H 100% R 63
    1,5 10% H 50% R 82,5
    1,5 10% H 100% R 86
    1,5 50% H 50% R 56,5
    1,5 50% H 100% R 71,5
    2 10% H 50% R 64
    2 10% H 100% R 87
    2 50% H 50% R 63
    2 50% H 100% R 76
  • In den oben aufgeführten Beispielen ergibt sich für den Winkel α Werte im Bereich von 45° bis 84°. Wobei sich kleine Winkel für α (45°- 63°) insbesondere dann ergeben, wenn der zweite Bereiche 12 des Verschleißteils 10 eine große Höhe b, sprich 50% der Höhe H des Verschleißteils 10 entspricht, und gleichzeitig eine kleine Tiefe t, d.h. nur 50% des Radius R des Verschleißteils 10 entspricht, aufweist. Für die Fälle mit kleiner Höhe b (10% H) und kleiner Tiefe t (50% R) des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10, bzw. mit großer Höhe b (50% H) und großer Tiefe t (100% R) des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10 liegen die Werte für den Winkel α im Bereich von 63°- 83°. Für die Grenzfälle mit kleiner Höhe b und großer Tiefe t des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10, entspricht einer schmalen und tiefen Verbindungsnaht, liegen die Werte für den Winkel α im Bereich von 84°-87°. Daraus lässt sich ableiteten, dass bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Winkel α vorzugsweise größer oder gleich 80° ist.
  • Die stoffschlüssige Verbindung des Verschleißteils 10 mit dem Elektrodengrundkörper 8 erfolgt vorzugsweise durch ein Schweißverfahren, wie beispielsweise Laserstrahlschweißen oder Elektrodenstrahlschweißen. Bei den Laserstrahlschweißen kann ein gepulster Laserstrahl oder ein kontinuierlicher Laserstrahl, d.h. continous wave (CW) Laser, verwendet werden. Bei der Erzeugung der Laserstrahlung können Festkörperlaser, Scheibenlaser, Diodenlaser und/oder Faserlaser verwendet werden.
  • Der Schweißstrahl 20 wird unter einen Winkel β bezogen auf die Längsachse x-x auf den Kontaktbereich zwischen Verschleißteil 10 und Elektrodengrundkörper 8 gerichtet, wie in Figur 2 schematisch dargestellt. Um eine möglichst große Tiefe t und gleichzeitig geringe Höhe b des zweiten Bereichs 12 im Verschleißteil 10 zu erzielen wird der Schweißstrahl 20 unter einem Winkel β nicht kleiner als 75°, vorzugsweise nicht kleiner als 81°, in den Kontaktbereich eingestrahlt.
  • Der Fokuspunkt für den Schweißstrahl 20 liegt beispielsweise innerhalb des Kontaktbereichs, d.h. vorzugsweise auf der Strecke zwischen dem Punkt C und der Mantelfläche 15. Vorteilhafterweise hat der Schweißstrahl 20 im Fokuspunkt einen Durchmesser von nicht größer als 50 µm. Dadurch wird eine möglichst tiefe und gleichzeitig nicht zu hohe Schweißnaht bzw. Verbindungsnaht erzeugt. Die Form der Schweißnaht korreliert mit der Geometrie der aufgeschmolzenen Bereiche 12, 18 im Verschleißteil 10 und im Elektrodengrundkörper 8.
  • Grundsätzlich gilt, dass wenn das Verhältnis von Radius R zu Höhe H des Verschleißteils 10 zunimmt, muss sich auch der Einfallswinkel β des Schweißstrahls 20 vergrößern um eine ausreichende Tiefe t des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10 und damit auch eine zuverlässige feste Verbindung zwischen Elektrodengrundkörper 8 und Verschleißteil 10 zu erzeugen, ohne dass zu viel in der Höhe an der Mantelfläche 15 aufgeschmolzen werden muss.
  • Vorzugsweise wird mindestens entlang eines Teils des Umfangs des Verschleißteils 10 geschweißt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine kontinuierliche Schweißnaht entlang des gesamten Umfangs des Verschleißteils 10 erzeugt wird. Alternativ kann auch die Schweißnaht in mehrere Teilabschnitt unterteilt sein, wobei die Teilabschnitt an der Mantelfläche 15 des Verschleißteils 10 beabstandet sind und/oder innerhalb des Kontaktbereichs und/oder innerhalb des Verschleißkörpers 10 und/oder innerhalb des Elektrodengrundkörpers 8 sich überlappen. Vorzugsweise sind die nicht aufgeschmolzenen Bereiche 11 im Verschleißteil 10 zusammenhängend, so dass es bevorzugt nur einen ersten Bereich 11 im Verschleißteil 10 gibt.
  • Figur 3 zeigt zwei mögliche Realisierung für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode als Mittelelektrode 5. In der ersten Realisierung, Figur 3a, ist die Schweißstrahlquelle 21 ortsfest und die Elektrode 5 mit dem Elektrodengrundkörper 8 und dem Verschleißteil 10 dreht sich um eine Achse, in diesem Beispiel die Längsachse x-x des Verschleißteils 10. In der zweiten Realisierung, Figur 3b, rotiert die Schweißstrahlquelle 21 um die Elektrode 5.
  • Figur 4 zeigt zwei mögliche Realisierung für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode als Masseelektrode 6. In der ersten Realisierung, Figur 4a, ist die Schweißstrahlquelle 21 ortsfest und die Elektrode 6 mit dem Elektrodengrundkörper 8 und dem Verschleißteil 10 dreht sich um eine Achse, in diesem Beispiel die Längsachse x-x des Verschleißteils 10. In der zweiten Realisierung, Figur 4b, rotiert die Schweißstrahlquelle 21 um die Elektrode 6.
  • Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Leistung des Schweißstrahls 21 während des Schweißens der Masseelektrode 6 variiert wird. Dadurch können Leistungsverluste während des Schweißens, wenn beispielsweise bei der Rotation der Elektrode 6 oder der Schweißquelle 21 ein Bein 16 einer Masseelektrode 6 in den Schweißstrahl 20 gerät, und somit einen Teil des Schweißstrahls 20 abschattet, kompensiert werden.
  • Figur 5 zeigt ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf T der Leistung P des Schweißstrahls 20 während des Schweißens einer Bügel-Masseelektrode 6. In einer ersten Betriebsphase wird die Leistung P auf einen konstanten Wert gehalten. In dieser Phase werden die aufzuschmelzenden Bereiche 12, 18 im Verschleißteil 10 und im Elektrodengrundkörper 8 erhitzt und dadurch die für die Tiefschweißung benötigten Schmelzbäder im Elektrodengrundkörper 8 und im Verschleißteil 10 erzeugt. In der zweiten Betriebsphase wird die Leistung P auf 80% bis 90% der Anfangsleistung reduziert. Diese reduzierte Leistung P reicht aus, damit die Schmelzbäder zusammen mit dem Schweißstrahl 20 sich gemäß der Rotationsgeschwindigkeit der Elektrode 6 bzw. der Schweißstrahlquelle 21 entlang des Umfangs des Verschleißteils 10 bewegt und dadurch die Verbindungsnaht erzeugt wird. Die zweite Betriebsphase in diesem Ausführungsbeispiel wird zweimal durch eine dritte Betriebsphase unterbrochen, in der die Leistung P wieder auf den Anfangswert erhöht wird um die durch die zeitweise im Schweißstrahl 20 befindlichen Beine 16 der Masseelektrode 6 erzeugten Abschattungseffekte bei der in die Elektrode 6 deponierte Leistung P zu kompensieren. Nach mindestens einer vollen Umdrehung wird die Leistung P in einer vierten Betriebsphase bis auf 0% reduziert und das Schweißverfahren beendet.
  • Vorteilhafterweise wird die Anfangsposition des Schweißens und/oder die Rotationsrichtung während des Schweißens so gewählt, dass die Abschattungseffekte verursachende Bauteile der Zündkerze 1 möglichst spät innerhalb eines Rotationsumlauf in den Schweißstrahl 20 geraten.

Claims (13)

  1. Elektrode (5,6) für eine Zündkerze (1), aufweisend einen Elektrodengrundkörper (8) und ein zylinderförmiges Verschleißteil (10), wobei das Verschleißteil (10) eine Längsachse (x-x) aufweist, die sich von einer dem Elektrodengrundkörper (8) zugewandten Stirnseite (14) des Verschleißteils zu einer dieser Stirnseite (14) gegenüberliegenden Stirnseite (13) erstreckt, und wobei das Verschleißteil (10) mindestens einen ersten Bereich (11) und mindestens einen zweiten Bereich (12) aufweist, wobei das Verschleißteil (10) in dem mindestens einem ersten Bereich (11) nicht aufgeschmolzen ist und das Verschleißteil (10) in dem mindesten einen zweiten Bereich (12) aufgeschmolzen ist, und wobei das zylindrische Verschleißteil (10) eine Höhe (H) und einen Radius (R) aufweist, wobei die Höhe (H) im ersten Bereich (11) entlang der Längsachse (x-x) messbar ist, und wobei der Radius (R) bei mehreckigen Stirnflächen (13, 14) ein Umkreisradius oder bei runden Stirnflächen (13, 14) ein Kreisradius ist, wobei die Höhe (H) des Verschleißteils (10) nicht kleiner ist als 0,4 mm, und dass in einer Schnittebene der Längsachse als Punkt A ein erster Übergang zwischen dem mindestens einen ersten Bereich (11) und dem mindestens einen zweiten Bereich (12) an einer Mantelfläche (15) des Verschleißteils (10) bezeichnet wird, und wobei in der Schnittebene als Punkt C ein zweiter Übergang zwischen dem mindestens einen ersten Bereich (11) und dem mindestens einen zweiten Bereich (12) bezeichnet wird, der der Längsachse (x-x) in der Schnittebene am nächsten liegt, und die Strecke AC einen Winkel α zu der Längsachse (x-x) aufweist und α größer oder gleich 45° ist, dadurch gekennzeichnet, dass gilt R ≥ 2H.
  2. Elektrode (5,6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand von Punkt A zu der dem Elektrodengrundkörper (8) abgewandten Stirnseite (13) nicht größer als 90% der Höhe (H) des Verschleißteil (10) ist und/oder nicht kleiner als 50% der Höhe (H) des Verschleißteils (10) ist.
  3. Elektrode (5,6) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine kürzeste Strecke von der Mantelfläche (15) des Verschleißteils (10) bis zum Punkt C nicht kleiner als 50% des Radius (R) der Stirnfläche (13, 14) ist und/oder nicht größer als 100% des Radius der Stirnfläche (13, 14) des Verschleißteils (10) ist.
  4. Elektrode (5,6) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (R) der Stirnfläche (13, 14) nicht kleiner ist als 0,75 mm und/oder nicht größer ist als 2 mm, und/oder dass die Höhe (H) des Verschleißteils (10) nicht größer ist als 1 mm.
  5. Zündkerze (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (1) mindestens eine Elektrode (5,6) nach einem der vorherigen Elektroden-Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
  6. Zündkerzen (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (5,6) eine Mittelelektrode (5) und/oder eine Masseelektrode (6) ist, wobei insbesondere die Masseelektrode (6) eine Dachelektrode, Seitenelektrode und/oder Bügelelektrode ist.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (5,6), nach einem der Ansprüche 1 bis 4, oder einer Zündkerze (1), nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Elektrode (5,6) einen Elektrodengrundkörper (8) und ein zylinderförmiges Verschleißteil (10) aufweist, wobei das Verschleißteil (10) eine Längsachse (x-x) aufweist, die sich von einer dem Elektrodengrundkörper (8) zugewandten Stirnseite (14) des Verschleißteils zu einer dieser Stirnseite (14) gegenüberliegenden Stirnseite (13) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schweißstrahl (20) zum Erzeugung von mindestens einen aufgeschmolzenen Bereichs (12) in dem Verschleißteil (10) unter einem Winkel β zu der Längsachse (x-x) eingestrahlt wird, wobei der Winkel β nicht kleiner als 75° ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrahl (20) einen Fokusdurchmesser von nicht größer als 50 µm hat.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistung (P) des Schweißstrahls (20) während des Schweißens variiert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens entlang eines Teils des Umfangs des Verschleißteils (10) geschweißt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (21) des Schweißstrahls (20) während des Schweißens um den Elektrodengrundkörper (8) und dem Verschleißteil (10) rotiert.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweißens der Elektrodengrundkörpers (8) und das Verschleißteil (10) um die Längsachse (X-X) des Verschleißteils (10) rotieren.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laser, insbesondere ein continous wave (CW) Laser, oder eine Elektronenstrahl als Quelle (21) für den Schweißstrahl (20) verwendet wird.
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