JP2011044440A - スパークプラグの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 電極母材もしくはチップ基材と貴金属チップとの、または、主体金具と外側電極チップとの耐剥離性を向上できるスパークプラグの製造方法を提供する。
【解決手段】 スパークプラグ100の製造方法は、電極母材121と、これにレーザ溶接されてなる貴金属チップ151と、または、電極母材131と、これに接合してなるチップ基材171と、チップ基材にレーザ溶接されてなる貴金属チップ161と、を有するスパークプラグ100の製造方法であって、レーザビームPL1を上記レーザ溶接を行う溶接予定部128,158へ導く転送光学系LMへの入射時点でのBPP値が、25mm・mrad(半径・半角)以下のレーザビームを用いて、電極母材と、または、チップ基材と、貴金属チップとのレーザ溶接を行うレーザ溶接工程を備える。
【選択図】 図2

Description

本発明は、スパークプラグの製造方法に関する。
スパークプラグの中には、対向する中心電極および外側電極に、耐消耗性に優れた貴金属からなる貴金属チップを設けて、着火性や耐久性の向上を図ったものがある。
また、中心電極あるいは外側電極への貴金属チップの接合には、レーザ溶接を用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開平6−36856公報
特許文献1に記載のスパークプラグでは、貴金属チップが、中心電極との境界部を全周にわたりレーザ溶接され、楔形の溶融凝固合金部を介してこの中心電極と接合している。レーザ溶接により、貴金属チップを変形させずに中心電極の先端面に溶接することが可能で、これにより、繰り返し熱応力がかかっても、貴金属チップの剥離が防止されたスパークプラグとすることができるとされている。
しかしながら、特許文献1では、レーザ溶接に用いるレーザビームの品質、例えば広がり角については何ら言及されていなかった。一方、貴金属チップをレーザ溶接したスパークプラグにおいては、使用するレーザ照射装置によって貴金属チップの耐剥離性にばらつきの生じることが判ってきた。
そこで、発明者らが、レーザビームの品質と耐剥離性との関係について、研究を重ねたところ、レーザビームの広がり角と耐剥離性に関係があることを見出した。
本発明は、かかる現状を鑑みてなされたものであって、電極母材もしくはチップ基材と貴金属チップとの、または、主体金具と外側電極との耐剥離性を向上できるスパークプラグの製造方法を提供することを目的とする。
そして、その解決手段は、電極母材と、これにレーザ溶接されてなる貴金属チップと、または、電極母材と、これに接合してなるチップ基材と、上記チップ基材にレーザ溶接されてなる貴金属チップと、を有するスパークプラグの製造方法であって、レーザビームを上記レーザ溶接を行う溶接予定部へ導く転送光学系への入射時点でのBPP値が、25mm・mrad(半径・半角)以下の上記レーザビームを用いて、上記電極母材と、または、上記チップ基材と、上記貴金属チップとの上記レーザ溶接を行うレーザ溶接工程を備えるスパークプラグの製造方法である。
本発明の製造方法では、レーザ溶接工程で、レーザ溶接に用いるレーザビームとして、そのBPP値が、転送光学系への入射時点で25mm・mrad(半径・半角)以下のレーザビームを用いる。このレーザ溶接工程を経て製造したスパークプラグは、これよりも大きなBPP値のレーザビームを用いて製造したスパークプラグに比べ、貴金属チップの耐剥離性を高くすることができる。すなわち、貴金属チップの耐剥離性を向上させたスパークプラグを製造することができる。
なお、BPP値(ビームパラメータ積)は、レーザビームの品質を示すパラメータの1つであり、焦点でのレーザビーム半径ω(mm)とレーザビームの広がりの半角度θ(mrad)の積で表す。
BPP=ω・θ(mm・mrad)・・・(1)
上述のように差が生じる理由の詳細は不明であるが、以下が推測される。
例えば、小さいBPP値(BPPa)を持つレーザビームaを用いた場合と、大きなBPP値(BPPb)を持つレーザビームbを用いた場合(BPPa<BPPb)とを比べる。光学系の収差等を無視し、焦点でのスポット径d、光学系の焦点距離f、入射ビーム径Dとすると、d=(4f/D)×BPPの関係があることが知られている。従って、レーザビームaおよびレーザビームbの、焦点でのスポット径dと入射ビーム径Dとをそれぞれ同一とすると、光学系の焦点距離f(faとfb)をfa>fbにできることが判る。つまり、焦点の前後の部分において、レーザビームaの方が、レーザビームbよりビーム径を細くできることが判る。従って、BPP値の小さいレーザビームを用いてレーザ溶接を行えば、細く深い部分まで溶融させることができる。このため、貴金属チップと電極母材(あるいはチップ基材)とが溶融した部分のうち、表面に近い部分と深部とで溶融部分(断面における幅)の差が小さくなる。これが、貴金属チップの耐剥離性に寄与していると考えられる。
特に、熱膨張率の異なる、貴金属チップとNi合金等を接合するにあたり、このような形態とすることが好ましいと考えられる。
そのほか、レーザ溶接の際、焦点距離fを長くできる分、ワーク(貴金属チップ等)から光学系などレーザビームの出力位置を離すことができるので、レーザ溶接の際に生じるスパッタが、レンズその他光学系の部材に付着したり、ワークやこれを保持する部材等と光学系との干渉が生じるのを防止しやすい。
なお、転送光学系への入射時点でのBPP値とは、レーザ光源から出射したレーザビームを、貴金属チップなどの溶接予定部にまで導くミラー、レンズ等の転送光学系への入射部分におけるレーザビームの有するBPP値を指す。従って、例えば、レーザ光源から溶接予定部までの間にミラーを介在させる場合は、ミラーへ入射する部位における、レーザビームのBPP値を指す。また、光ファイバを介在させる場合には、光ファイバへ入射する部位におけるレーザビームのBPP値を指す。さらに、レーザ光源からミラー等の光学機器を介在させず、溶接予定部にレーザビームを直接照射する場合(レーザ光源から出射したレーザビームが空間のみを介して溶接予定部に届く場合)は、レーザ光源から出射したレーザビームのBPP値を指す。
また、貴金属チップとしては、例えば、使用による消耗が少ない貴金属からなるチップが挙げられ、さらに具体的には、Pt、Ir、Irに稀土類酸化物を添加したもの、Pt−Ir合金材、Ir−Rh合金材等からなるものが挙げられる。
また、電極母材としては、耐熱性の良好な合金であれば良く、例えば、インコネル600(商標名)等、Cr、Feを含むNi合金からなるものが挙げられる。
チップ基材としては、例えば、インコネル600等、Cr、Feを含むNi合金からなるものが挙げられ、貴金属チップをレーザ溶接した後に、電極母材に接合すると良い。
さらに、上述のスパークプラグの製造方法であって、前記レーザ溶接工程は、前記貴金属チップの軸線を中心に、上記貴金属チップおよび前記電極母材と、または、上記貴金属チップおよび前記チップ基材と、前記レーザビームと、を相対的に回転させつつ、上記貴金属チップの全周にわたって前記レーザ溶接を行う全周レーザ溶接工程であるスパークプラグの製造方法とすると良い。
本発明のレーザ溶接工程は、全周にわたって、BPP値が前述のように小さいレーザビームを照射する全周レーザ溶接工程を含む。従って、貴金属チップの耐剥離性を全周にわたって確実に向上させたスパークプラグを製造することができる。
なお、貴金属チップの軸線を軸にして、相対的に回転させるように、全周にレーザビーム照射を行うには、レーザビームの照射装置を固定した状態で、貴金属チップと電極母材と、または貴金属チップとチップ基材とを、貴金属チップの軸線を中心に回転させて、レーザビームを照射する場合が挙げられる。また、これとは逆に、貴金属チップおよび電極母材の位置を、または貴金属チップおよびチップ基材の位置を固定した状態で、レーザビーム照射装置を貴金属チップの軸線の周りを移動させながら、レーザビームを照射しても良い。
また、本発明に用いるレーザビームは、パルスレーザビームでも良いし、CWレーザビームでも良い。
さらに、上述のスパークプラグの製造方法であって、前記レーザ溶接工程では、前記電極母材と前記貴金属チップとが溶け合った溶融部、または、前記チップ基材と前記貴金属チップとが溶け合った溶融部が、前記貴金属チップの径方向中心で繋がるように前記レーザ溶接を行うスパークプラグの製造方法とすると良い。
貴金属チップの耐剥離性を高めるためには、貴金属チップと電極母材(あるいはチップ基材)とが溶け合った溶融部が貴金属チップの径方向中心で繋がる(換言すれば、貴金属チップの径方向中心において未溶融部が存在しない)ように、レーザ溶接を行うことが望ましい。しかしながら、従来の大きなBPP値を持つレーザビームを用いて上記のようなレーザ溶接を行うと、貴金属チップと電極母材(あるいはチップ基材)とが溶融した部分のうち、表面に近い部分の高さが大きくなってしまい、貴金属チップのうち溶融していない部分の長さが短くなって、スパークプラグとしての着火性が低下するおそれがあった。
これに対して、本発明の製造方法では、BPP値の小さいレーザビームを用いているため、細く深い部分まで溶融させることができる。このため、溶融部が貴金属チップの径方向中心で繋がるようにしてレーザ溶接を行っても、貴金属チップのうち溶融していない部分の長さを十分確保することができ、スパークプラグとしての着火性および貴金属チップの耐剥離性を確保することができる。
さらに、上述のスパークプラグの製造方法であって、前記レーザ溶接工程では、複数の前記溶接予定部に対して同時に複数の前記レーザビームが照射されるスパークプラグの製造方法とすると良い。
貴金属チップと電極母材(あるいはチップ基材)とのレーザ溶接を効率良く行うためには、複数のレーザビームを貴金属チップと電極母材(あるいはチップ基材)との溶接予定部に対して同時に照射することが望ましい。しかしながら、複数のレーザビームが同時に照射されると、一つのレーザビームが照射された場合に比べて貴金属チップおよび電極母材(あるいはチップ基材)が単位時間あたりに受熱する熱量が多いために、スパッタが発生しやすく、発生したスパッタがレンズその他光学系の部材に付着してしまうおそれがあった。
これに対して、本発明の製造方法では、BPP値の小さいレーザビームを用いているため、レーザ溶接の際、焦点距離fを長くできる分、ワーク(貴金属チップ等)から光学系などレーザビームの出力位置を離すことができる。このため、複数の溶接予定部に対して同時に複数のレーザビームを照射しても、レーザ溶接の際に生じるスパッタが、レンズその他光学系の部材に付着するのを防止しやすい。
さらに、上述のスパークプラグの製造方法であって、前記スパークプラグは、中軸側電極母材と、これにレーザ溶接されてなる中軸側貴金属チップと、を備える中心電極と、外側電極側電極母材と、これにレーザ溶接されてなる外側電極側貴金属チップと、または、外側電極側電極母材と、これに接合してなるチップ基材と、上記チップ基材にレーザ溶接されてなる外側電極側貴金属チップと、を備える外側電極と、を有するスパークプラグであり、上記中軸側電極母材と上記中軸側貴金属チップとのレーザ溶接に用いられる前記レーザビームの前記転送光学系への入射時点のBPP値に比べ、上記外側電極側電極母材と上記外側電極側貴金属チップ、または、上記チップ基材と上記外側電極側貴金属チップとの前記レーザ溶接に用いられる前記レーザビームの前記転送光学系への入射時点のBPP値が小さいスパークプラグの製造方法とすると良い。
スパークプラグでは、一般的に、外側電極の方が中心電極よりも燃焼室の中央部に突き出した状態でシリンダヘッドに配置されるため、外側電極の方が中心電極に比べて高温になりやすい。従って、中心電極および外側電極のそれぞれに貴金属チップを備えたスパークプラグにおいては、中軸側貴金属チップの耐剥離性に比べて、外側電極側貴金属チップの耐剥離性を高めておくがある。
そこで、本発明の製造方法では、中軸側電極母材と中軸側貴金属チップとのレーザ溶接に用いられるレーザビームの転送光学系への入射時点のBPP値に比べ、外側電極側電極母材(あるいはチップ基材)と外側電極側貴金属チップとのレーザ溶接に用いられるレーザビームの転送光学系への入射時点のBPP値を小さくしている。このため、外側電極側貴金属チップと外側電極側電極母材(あるいはチップ基材)とが溶融した部分のうち、表面に近い部分と深部とで溶融部分(断面における幅)の差が小さくなり、外側電極側貴金属チップの耐剥離性を高めることができる。
さらに、上述のスパークプラグの製造方法であって、前記電極母材は外側電極側電極母材であり、前記貴金属チップは外側電極側貴金属チップであり、前記レーザ溶接工程では、上記外側電極側電極母材をスパークプラグの主体金具の端面に固定した後、屈曲前の上記外側電極側電極母材の所定位置に前記外側電極側貴金属チップを配置した状態で、前記転送光学系のうち前記レーザビームを前記溶接予定部に向けて出射するレーザビーム出射部が上記主体金具の端面よりも前記外側電極側貴金属チップとは反対側であって且つ上記主体金具及び上記外側電極側電極母材により前記レーザビームの前記溶接予定部への照射が妨げられない位置に配置されて前記レーザ溶接を行うスパークプラグの製造方法とすると良い。
外側電極側貴金属チップを外側電極側電極母材にレーザ溶接するとき、レーザ照射によって発生したスパッタがレーザビーム出射部に付着するのを防止するためには、レーザビーム出射部と溶接予定部との距離を離すことが望ましい。しかしながら、焦点距離fの短いレーザビーム、すなわち、大きなBPP値を持つ従来のレーザビームでは、外側電極側貴金属チップの耐剥離性を確保しようとすると、レーザビーム出射部と溶接予定部との距離を長くとることが困難であった。
これに対して、本発明の製造方法では、BPP値の小さいレーザビームを用いているため、レーザ溶接の際、焦点距離fを長くできる分、ワーク(貴金属チップ等)からレーザビーム出射部を離すことができる。このため、外側電極側貴金属チップを外側電極側電極母材にレーザ溶接するに際し、レーザビーム出射部を主体金具の端面よりも外側電極側貴金属チップとは反対側の位置に配置してレーザ溶接を行っても、レーザビーム出射部へのスパッタの付着を防止しつつ外側電極側貴金属チップの耐剥離性を確保することができる。
さらに、他の解決手段は、主体金具と、貴金属からなり、上記主体金具にレーザ溶接されてなる外側電極と、を有するスパークプラグの製造方法であって、レーザビームを上記レーザ溶接を行う溶接予定部へ導く転送光学系への入射時点でのBPP値が、25mm・mrad(半径・半角)以下の上記レーザビームを用いて、上記主体金具と上記外側電極との上記レーザ溶接を行うレーザ溶接工程を備えるスパークプラグの製造方法である。
本発明の製造方法では、レーザ溶接工程で、主体金具に外側電極をレーザ溶接する際に用いるレーザビームとして、そのBPP値が、転送光学系への入射時点で25mm・mrad(半径・半角)以下のレーザビームを用いる。このレーザ溶接工程を経て製造したスパークプラグは、これよりも大きなBPP値のレーザビームを用いて製造したスパークプラグに比べ、この外側電極の耐剥離性を高くすることができる。すなわち、外側電極の耐剥離性を向上させたスパークプラグを製造することができる。
なお、貴金属からなる外側電極としては、例えば、使用による消耗が少ない貴金属からなるものが挙げられ、Pt、Ir、Irに稀土類酸化物を添加したもの、Pt−Ir合金材等からなるものが挙げられる。
また、主体金具としては、例えば、低炭素鋼等からなるものが挙げられる。
さらに、上述のスパークプラグの製造方法であって、前記転送光学系に用いる光ファイバとして、ステップインデックス形光ファイバを用いるスパークプラグの製造方法とすると良い。
BPP値の小さいレーザビームを用いてレーザ溶接を行うと、細く深い部分まで溶融させることができる反面、スパッタが発生しやすい傾向がある。これに対して、本発明の製造方法では、転送光学系に用いる光ファイバとして、ステップインデックス(SI)形光ファイバを用いるため、レーザ光におけるエネルギ分布が均一に近づく。このため、グレーデッドインデックス(GI)形光ファイバのように、レーザ光における光軸付近のエネルギ分布が過度に高められることがなく、スパッタの発生を抑えることができる。
実施形態にかかるスパークプラグの側面図である。 実施形態にかかるスパークプラグの製造方法に関し、中心電極に中心電極チップを溶接するレーザ溶接工程を示す説明図である。 実施形態にかかるスパークプラグの製造方法に関し、中心電極に中心電極チップが溶接された様子を示す説明図である。 実施形態にかかるスパークプラグの製造方法に関し、外側電極に外側電極チップを溶接するレーザ溶接工程を示す説明図である。 実施形態にかかるスパークプラグの製造方法に関し、外側電極に外側電極チップが溶接された様子を示す説明図である。 実施形態にかかる中心電極チップの剥離率と照射したレーザビームのBPP値との相関を示すグラフである。 実施形態にかかる外側電極チップの剥離率と照射したレーザビームのBPP値との相関を示すグラフである。 変形形態1にかかるスパークプラグの概要図であり、(a)は側面図、(b)はA部拡大斜視図である。 変形形態1にかかるスパークプラグの製造方法に関し、チップ基材に外側電極チップを溶接するレーザ溶接工程を示す説明図である。 変形形態1にかかるスパークプラグの製造方法に関し、チップ基材に外側電極チップが溶接された様子を示す説明図である。 変形形態2にかかるスパークプラグの概要図であり、(a)は側面図、(b)はB部拡大斜視図である。 変形形態2にかかるスパークプラグの製造方法に関し、主体金具に外側電極を溶接するレーザ溶接工程を示す説明図であり、(a)は側面図、(b)はC方向 上面図である。 変形形態2にかかるスパークプラグの製造方法に関し、主体金具に外側電極が溶接された様子を示す説明図であり、(a)は側面図、(b)はC方向上面図で ある。 別の変形形態にかかるスパークプラグの製造方法に関し、外側電極に外側電極チップを溶接するレーザ溶接工程を示す説明図である。
(実施形態)
本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態にかかるスパークプラグ100の側面図を図1に示す。このスパークプラグ100は、図示しないエンジンのシリンダヘッドに取り付けられて使用される内燃機関用のスパークプラグである。スパークプラグ100は、主として、主体金具105、絶縁体111、中心電極121、および外側電極131を備える。
主体金具105は、筒形形状であり低炭素鋼などの金属からなる。そして、フランジ部102と、これより基端側(図中上方)に位置し、スパークプラグ100の取り付けに用いる工具を係合させる断面六角形状の工具係合部103と、さらに、その基端側に位置し、絶縁体111を主体金具105に加締め固定してなる加締部104と、を有する。また、フランジ部102の先端側(図中下方)には、フランジ部102より細径で、外周にスパークプラグ100をシリンダヘッドにネジ止めするための取り付けネジ106を有する。
絶縁体111は、アルミナ系セラミック等からなり、主体金具105によって周囲が取り囲まれ、その先端部113が主体金具105の先端面107から先端側(図中下方)に突出すると共に、基端部115も主体金具105の加締部104から基端部(図中上方)に突出している。絶縁体111には、軸線方向(図中上下方向)に沿った軸孔(図示しない)が形成されている。この軸孔の先端側(図中下方)には中心電極121が、一方、基端側(図中上方)には高電圧を中心電極121に導く端子金具141が挿入、固定されている。
中心電極121は、その先端部123が絶縁体111の先端面114から突出した状態で、絶縁体111の軸孔に貫通保持されている。中心電極121は、図示しないが、熱伝導性が高いCuを主成分とする銅芯部と、Niを主成分とするインコネル600材からなり、銅芯部を取り囲む外層部とを有する。中心電極121の先端(図中下方)には、円柱状の中心電極チップ151がレーザ溶接により接合され、その軸線AX1が中心電極121の軸線と一致した状態で、先端側(図中下方)に向かって突出している。中心電極チップ151は、Ir−5%Pt合金からなり、チップ直径は0.6mmである。
外側電極131は、Niを主成分とするインコネル600材からなり、一端が主体金具105の先端面107に接合され、他端が中心電極121の軸線側に向けて屈曲されている。その中心を向く対向面(チップ接合面133)には、円柱状の外側電極チップ161がレーザ溶接され、その軸線AX2がチップ接合面133に垂直な状態で基端側(図中上方)に向かって突出している。そして、外側電極チップ161と中心電極チップ151との間隙が、火花放電を生じさせる火花放電ギャップG1となっている。この外側電極チップ161は、Pt−20%Rh合金からなり、チップ直径は0.7mmである。
次いで、本実施形態にかかるスパークプラグ100の製造方法のうち、中心電極チップ151のレーザ溶接方法について、図2および図3を参照しつつ説明する。
まず、公知の手法により形成した中心電極121を用意する(図2参照)。この接合前の中心電極121は、その先端部123が、基端側(図中下方)に位置する径大部124と、先端側(図中上方)に位置し、平坦な電極先端面129を有する細径な電極先端部128と、これらの間に位置するテーパ部126とからなる。
また一方で、中心電極チップ151を用意する。この接合前の中心電極チップ151は、チップ先端面153と、チップ基端面157と、これらに繋がるチップ側面155とを有する円柱形状をなす。
本実施形態にかかる中心電極全周レーザ溶接工程では、まず電極先端面129にチップ基端面157が接し、この中心電極チップ151の軸線AX1が中心電極121の軸線に一致するように中心電極チップ151を配置しておく。次に、水平方向(図中左右方向)、中心電極チップ151のチップ基端部158および中心電極121の電極先端部128に向けて、第1レーザビームPL1を照射し、中心電極チップ151のチップ基端部158と中心電極121の電極先端部128とを溶融させて、中心電極チップ151と中心電極121を接合する。具体的には、レーザ照射装置LKを所定位置に固定し、中心電極チップ151と中心電極121とを軸線AX1を中心として回転させて、パルス状の第1レーザビームPL1を順次照射する(ショット数:9発)。なお、レーザパルスの照射エネルギは3J/パルスである。また、第1レーザビームPL1を、中心電極チップ151(チップ基端部158)と中心電極121(電極先端部128)とが溶け合った溶融部が中心電極チップ151の径方向中心で繋がるように照射するのが、中心電極チップ151の耐剥離性を向上させる観点から好ましい。
これにより、図3に示すように、中心電極チップ151が第1接合部位159を介して中心電極121に接合される。この第1接合部位159は、第1レーザビームPL1照射前のチップ基端部158および電極先端部128をなす金属(あるいは合金)が、一旦溶融し混ざり合った組成を有する。
中心電極チップ151を中心電極121に接合した後は、公知の手法により、この中心電極121を別途形成しておいた絶縁体111に組み付けると共に、抵抗体や端子金具141も絶縁体111に組み付け、ガラスシールを行う。
さらにこれらを、主体金具105に、公知の手法により組みつけ、その後、主体金具105に棒状の外側電極131b(屈曲加工されていない状態の四角棒状の外側電極131)を接合する。
次いで、スパークプラグ100の製造方法のうち、外側電極チップ161の溶接方法について、図4および図5を参照しつつ説明する。
まず、外側電極チップ161を用意する(図4参照)。この外側電極チップ161も、中心電極チップ151と同様、チップ先端面163と、チップ基端面167と、これらに繋がるチップ側面165と、を有する円柱形状をなす。
外側電極チップ161のチップ基端面167を外側電極131bのチップ接合面133に接するように配置しておく(図4参照)。その後、図中、斜め上方(本実施形態では軸線AX2と55度をなす方向)から、外側電極チップ161のチップ基端部168、および外側電極131bのチップ接合部134に向けて、パルス状の第2レーザビームPL2を照射し、チップ基端部168とチップ接合部134とを溶融させて、外側電極チップ161と外側電極131bとを接合する。この外側電極全周レーザ溶接工程においても、レーザ照射装置LKを所定位置に固定し、外側電極チップ161と外側電極131bとを軸線AX2を中心として回転させて、第2レーザビームPL2を順次照射する(ショット数:9発)。なお、レーザパルスの照射エネルギは4J/パルスである。また、第2レーザビームPL2を、外側電極チップ161(チップ基端部168)と外側電極131b(チップ接合部134)とが溶け合った溶融部が外側電極チップ161の径方向中心で繋がるように照射するのが、外側電極チップ161の耐剥離性を向上させる観点から好ましい。
このようにして、図5に示すように、第2接合部位169を介して、外側電極チップ161が外側電極131bに接合される。第2接合部位169は、第2レーザビームPL2照射前のチップ基端部168およびチップ接合部134をなす金属(あるいは合金)が、一旦溶融し混ざり合った組成を有する。
その後は、公知の手法により、棒状の外側電極131bを屈曲加工して外側電極131とし、外側電極チップ161を、火花放電ギャップG1を隔てて中心電極チップ151と対向させる。かくして、スパークプラグ100が完成する。
本実施形態にかかる製造方法で製造したスパークプラグ100において、レーザ溶接に用いるレーザビームのBPP値と、中心電極チップ151あるいは外側電極チップ161の耐剥離性との関係について検証した。
まず、同じYAGレーザのレーザ照射装置(レーザ加工機)LKではあるが、放射するレーザビームPL1,PL2のBPP値が異なるレーザ照射装置(5種類)LKを用意し、前述のようにして、中心電極チップ151あるいは外側電極チップ161をレーザ溶接し、スパークプラグ100を製造した。
各々のレーザ照射装置LKは、いずれも、レーザ発振器LHから出射するレーザビーム(転送光学系へ入力前のレーザビーム)LLを、転送光学系であるミラーLMによって転送し、レーザビームPL1,PL2を溶接予定部(本実施形態では、チップ基端部158および電極先端部128、あるいはチップ基端部168およびチップ接合部134)に導く構成となっている(図2、図4参照)。
但し、各々のレーザ照射装置LKは、YAGレーザとして、同じ波長(1.064μm)のレーザビームPL1,PL2を放射するが、前述したように、レーザビームPL1,PL2のBPP値が、互いに異なっている。具体的には、ミラーLMへ入力する前のレーザビームLLにおいて、BPP値が、8,16,25,40,100mm・mradの5種類である。
なお、このレーザビームLLのBPP値は、レーザ発振器LHの性能評価(定格)において表示されているものを用いた。そのほか、OPHIR社製BeamStar Fxによって、レーザビームLLのBPP値を実測しても良い。
このように5種類のレーザビームLL(PL1,PL2)を用いて製造したスパークプラグ100について、冷熱サイクルテストを行った。具体的には、L6エンジン(排気量2000cc、DOHC4バルブ)に、スパークプラグ100を取り付けて、アイドル(アクセルOFF)状態、および、約6000rpm(アクセル全開)状態をそれぞれ連続で1分間ずつ交互に維持し、これを連続100時間繰り返して行った。その後、スパークプラグ100を取り出して、中心電極チップ151および外側電極チップ161について調査し、剥離率を得た。
具体的には、まず、中心電極チップ151の軸線AX1を通る平面で中心電極チップ151および中心電極121を切断し、その断面をエッチング処理する。その後、その断面において中心電極チップ151と中心電極121との接合面を観察して、剥離している部分の長さのうち、中心電極チップ151の軸線AX1に直交する方向の長さを求める。そして、中心電極チップ151の軸線AX1に直交する方向の長さに対する、上述の剥離している部分の合計長さ(剥離している部分の長さのうち、中心電極チップ151の軸線AX1に直交する方向の長さの合計)の割合を、中心電極チップ151の剥離率として算出する。
なお、外側電極チップ161の場合も同様に、外側電極チップ161の軸線AX2を通る平面で外側電極チップ161および外側電極131を切断し、その断面をエッチング処理する。その後、断面における外側電極チップ161と外側電極131との接合面で、外側電極チップ161の軸線AX2に直交する方向の剥離長さに対する、剥離している部分の長さの割合を、外側電極チップ161の剥離率として算出する。
図6は、溶接に用いたレーザビームLLのBPP値と、上述の冷熱サイクルテスト後の、中心電極チップ151の剥離率との関係を示すグラフである。このグラフによれば、25mm・mrad(半径・半角)以下のBPP値を持つレーザビームLLを用いて溶接を行ったスパークプラグ100は、その中心電極チップ151の剥離率が約10%程度である。一方、それよりも大きなBPP値のレーザビームLLを用いると剥離率が50%程度にまで急激に増加することが判る。この理由の詳細は不明であるが、BPP値の小さいレーザビームLL(PL1,PL2)を用いることで、集光時のビーム広がり角を狭く取ることができることから、焦点前後でのビーム径変化を小さくできる。従って、中心電極チップ151と中心電極121とは細く深い部分まで溶融され、これにより溶融した部分の、表面に近い部分と深部との溶融部分(断面における幅)の差が小さくなることで、上述の剥離性率の低下に寄与すると考えられる。特に、熱膨張率の異なる、貴金属とNi合金等を接合するにあたり、このような形態とすることが好ましいと考えられる。従って、この結果から本実施形態における中心電極全周レーザ溶接工程では、BPP値が25mm・mrad(半径・半角)以下のレーザビームLLを用いて、中心電極チップ151の溶接を行うと良いことが判る。
次いで、図7は、溶接に用いたレーザビームLLのBPP値と、冷熱サイクルテスト後の、外側電極チップ161の剥離率との関係を示すグラフである。このグラフによれば、25mm・mrad(半径・半角)以下のBPP値を持つレーザビームLLで溶接を行ったスパークプラグ100は、その外側電極チップ161の剥離率が約25%程度である。一方、それよりも大きなBPP値のレーザビームLLを用いると剥離率が70%以上に増加することが判る。従って、この結果から本実施形態における外側電極全周レーザ溶接工程では、BPP値が25mm・mrad(半径・半角)以下のレーザビームLLを用いて、外側電極チップ161の溶接を行うと良いことが判る。
さらに、本実施形態では、中心電極チップ151(チップ基端部158)の溶接、および外側電極チップ161(チップ基端部168)の溶接において、これらの全周にわたって、パルス状のレーザビームPL1,PL2を照射した。つまり、本実施形態のスパークプラグ100の製造方法では、耐剥離性を向上可能なBPP値の小さいレーザビームLLを導いたパルス状のレーザビームPL1,PL2で、中心電極チップ151あるいは外側電極チップ161の全周をレーザ溶接するので、中心電極チップ151および外側電極チップ161の耐剥離性を確実に向上させたスパークプラグ100を製造することができる。
なお、外側電極131は中心電極121に比べて高温になりやすいため、外側電極チップ161の耐剥離性を高めるために、外側電極チップ161をレーザ溶接するのに用いるレーザビームのBPP値を、中心電極チップ151をレーザ溶接するのに用いるレーザビームのBPP値よりも小さくすると良い。例えば、外側電極チップ161をレーザ溶接するのに用いるレーザビームのBPP値を8mm・mrad(半径・半角)とし、中心電極チップ151をレーザ溶接するのに用いるレーザビームのBPP値を16mm・mrad(半径・半角)とすることができる。
(変形形態1)
次に、変形形態1にかかるスパークプラグの製造方法について、図8〜図10を参照しつつ説明する。
本変形形態1の製造方法により製造されたスパークプラグ200は、外側電極チップ161が、チップ基材171を介して外側電極131に接合している点で、前述のスパークプラグ100と異なり、それ以外では同様である。
そこで、異なる点を中心として説明すると共に、同様の部分の説明は省略または簡略化するが、同様の部分については同様の作用効果を生じる。また、同内容のものには同番号を付して説明する。
図8は、本変形形態1にかかる製造方法で製造したスパークプラグ200の概要図である。
チップ基材171は、外側電極チップ161よりも径大な円板形状の台座部172を有し(図8(b)参照)、Niを主成分とするインコネル600材からなる。チップ基材171には、円柱状の外側電極チップ161がレーザ溶接されている。なお、チップ基材171の円板軸と外側電極チップ161の軸線AX2とは一致している。そして、外側電極チップ161と中心電極チップ151との間隙が、火花放電を生じさせる火花放電ギャップG2となっている。また、台座部172(チップ基材171)の底面172bは、外側電極131の基材接合面135と抵抗溶接で接合されている。
次いで、本変形形態1にかかるスパークプラグ200の製造方法について図9および図10を参照しつつ説明する。
なお、前述の通り、外側電極の製造工程以外は実施形態と同様である。
本変形形態1では、チップ基材全周レーザ溶接工程において、まず、実施形態と同様の外側電極チップ161(チップ直径:0.7mm)のほか、レーザ照射前のチップ基材171bを用意する。このレーザ照射前のチップ基材171bは、上述の台座部172と、台座部172の上面172aに凸状円板状をなす隆起部173とを有する。この隆起部173の直径は0.8mmである。
チップ基端面167が隆起部173に接し、外側電極チップ161の軸線AX2がチップ基材171bの軸線に一致するように、これらを配置しておく。次に、図中、水平方向から、隆起部173および外側電極チップ161のチップ基端部168に向けて、パルス状の第3レーザビームPL3を照射し、隆起部173とチップ基端部168とを溶融させて、外側電極チップ161とチップ基材171bとを接合する。このチップ基材全周レーザ溶接工程においても、レーザ照射装置LKを所定位置に固定し、外側電極チップ161とチップ基材171bとを軸線AX2を中心として回転させて、第3レーザビームPL3を順次照射する(ショット数:18発)。なお、レーザパルスの照射エネルギは1J/パルスである。また、第3レーザビームPL3を、外側電極チップ161(チップ基端部168)とチップ基材171b(隆起部173)とが溶け合った溶融部が外側電極チップ161の径方向中心で繋がるように照射するのが、外側電極チップ161の耐剥離性を向上させる観点から好ましい。
また、第3レーザビームPL3については、レーザ発振器LHから出射するレーザビームLLのミラーLMへの入力前におけるBPP値を25mm・mrad(半径・半角)以下とした。
このようにして、図10に示すように、第3接合部位269を介して、外側電極チップ161がチップ基材171に接合される。第3接合部位269は、第3レーザビームPL3の照射前のチップ基端部168および隆起部173をなす金属(あるいは合金)が、一旦溶融し混ざり合った組成を有する。
上述のチップ基材全周レーザ溶接工程後、外側電極チップ161を接合したチップ基材171の底面172bと、外側電極131の基材接合面135とを重ね合わせ、抵抗溶接を行い、チップ基材171を外側電極131に接合する。
その後の工程は、実施形態の外側電極全周レーザ溶接工程以降と同様である。かくして、スパークプラグ200が完成する。
本変形形態1でも、チップ基材全周レーザ溶接工程においては、BPP値が25mm・mrad(半径・半角)以下のレーザビームLL(PL3)を用いて、外側電極チップ161とチップ基材171との溶接を行ったので、剥離率を小さくすることができる。
さらに、本変形形態1では、外側電極チップ161(チップ基端部168)の溶接において、この全周にわたって、パルス状の第3レーザビームPL3を照射した。つまり、本変形形態1のスパークプラグ200の製造方法では、耐剥離性を向上可能なBPP値の小さいレーザビームLLを導いたパルス状の第3レーザビームPL3で、外側電極チップ161の全周をレーザ溶接するので、外側電極チップ161の耐剥離性を確実に向上させたスパークプラグ200を製造することができる。
(変形形態2)
次に、本発明の変形形態2について、図面を参照しつつ説明する。
本変形形態2のスパークプラグの製造方法により製造されたスパークプラグ300は、主体金具305に貴金属からなる棒状の外側電極361を斜めに突出させて接合している点、また、中心電極121が主体金具305の先端面307よりも突出していない点で、実施形態等のスパークプラグ100,200と異なり、それ以外では同様である。
そこで、異なる点を中心として説明すると共に、同様の部分の説明は省略または簡略化するが、同様の部分については同様の作用効果を生じる。また、同内容のものには同番号を付して説明する。
本変形形態2で製造したスパークプラグ300を図11に示す。上述したように、このスパークプラグ300は、貴金属からなる直棒状の外側電極361を主体金具305から斜めに突出させた点で、実施形態と異なる。また、絶縁体311を実施形態の絶縁体111よりも短くして、絶縁体311、中心電極121、および中心電極チップ151が、主体金具305の先端面307から主体金具305の外側に突出していない点で、実施形態と異なる。
また、主体金具305は、低炭素鋼などの金属からなり、この先端部308の外表面331が先細のテーパ面となっている。この外表面331上には、直棒状の外側電極3611がレーザ溶接されている。なお、外側電極361の先端部位364と中心電極チップ151との間隙が、火花放電を生じさせる火花放電ギャップG3となっている。
次いで、本変形形態2にかかる上記スパークプラグ300の製造方法について図12および図13を参照しつつ説明する。なお、中心電極チップ151の製造方法については、実施形態と同様であるので、説明を省略する。
図12において、主体金具305は、上述の外表面331を有し、この外表面331の一部は、外側電極361と接合する電極接合面334となる。なお、この電極接合面334の周辺を、外側電極レーザ溶接工程の際に、レーザビーム(第4レーザビームPL4)を直接受ける電極接合部333とする。また、外側電極361は、主体金具305の電極接合面334と接する金具接合面365を有する。そして、この金具接合面365の周辺を、第4レーザビームPL4を直接受ける金具接合部368とする。
さて、外側電極レーザ溶接工程において、主体金具305に対し、外側電極361の金具接合面365が主体金具305の電極接合面334と接するよう、外側電極361を配置する(図12(a)参照)。そして、図12(b)中、斜め上方から、外側電極361の金具接合部368および主体金具305の電極接合部333に向けて、パルス状の第4レーザビームPL4を照射し、金具接合部368と電極接合部333とを溶融させて、外側電極361と主体金具305とを接合する。また、第4レーザビームPL4については、ミラーLMに入射するレーザビームLLのBPP値を25mm・mrad(半径・半角)以下とした。
かくして、図13に示すように、第4接合部位369を介して、外側電極361が主体金具305に接合される。第4接合部位369は、第4レーザビームPL4の照射前の金具接合部368および電極接合部333をなす金属(あるいは合金)が、一旦溶融し混ざり合った組成を有する。
上述の主体金具レーザ溶接工程後は、実施形態の外側電極における全周レーザ溶接工程以降と同様である。かくして、スパークプラグ300が完成する。
本変形形態2でも、外側電極レーザ溶接工程においては、BPP値が25mm・mrad(半径・半角)以下のレーザビームLLを用いて、外側電極361と主体金具305との溶接を行ったので、外側電極361の剥離率を小さくすることができる。
以上において、本発明を実施形態、変形形態1および変形形態2に即して説明したが、本発明は上述の実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、中心電極に中心電極チップが溶接され、外側電極にも外側電極チップが溶接されたスパークプラグを製造する方法について例示した。しかし、本発明を適用できるスパークプラグの形態はこれに限られるものではない。例えば、中心電極のみ電極チップを有するスパークプラグに本発明を適用しても良いし、あるいは、外側電極にのみ電極チップを有するスパークプラグに本発明を適用しても良い。
また、中心電極チップをチップ基材にレーザ溶接した後に、このチップ基材を、中心電極に抵抗溶接して、間接的に中心電極チップを中心電極に接合するスパークプラグの製造方法に、本発明を適用しても良い。
また、実施形態等では、レーザ照射装置LKにおいて、レーザ発振器LHから出射されたレーザビームLLを転送光学系であるミラーLMによって転送していたが、転送光学系にステップインデックス(SI)形光ファイバを用いて転送し、溶接予定部に導いても良い。これにより、BPP値の小さいレーザビームを用いても、スパッタの発生を抑えることができる。
また、実施形態等では、一つの溶接予定部に対して一つのレーザビームを照射しているが、複数の溶接予定部に対して同時に複数のレーザビームが照射されるようにしても良い。具体的に、例えば、中心電極チップ151を介して対向する二方向から同時にレーザビームを照射してレーザ溶接を行っても良い。これにより、レーザ溶接を効率良く行うことができるとともに、BPP値の小さいレーザビームを用いているため、ワーク(貴金属チップ等)から光学系などレーザビームの出力位置を離すことができ、スパッタが光学系の部材に付着するのを防止することができる。
また、外側電極チップ161を外側電極131にレーザ溶接するとき、レーザ照射によって発生したスパッタがレーザビーム出射部に付着するのを防止するために、図14に示すように、レーザビーム出射部を主体金具105の先端面107よりも外側電極チップ161とは反対側であって、さらに、主体金具105及び外側電極131によりレーザビームPL5の溶接予定部への照射が妨げられない位置に配置して、レーザ溶接を行うことが好ましい。
100,200,300 スパークプラグ
121 中心電極(電極母材)
128 電極先端部(溶接予定部)
131 外側電極(電極母材)
134 電極接合部(溶接予定部)
151 中心電極チップ(貴金属チップ)
158 チップ基端部(溶接予定部)
161 外側電極チップ(貴金属チップ)
168 チップ基端部(溶接予定部)
171 チップ基材
173 隆起部(溶接予定部)
305 主体金具
333 電極接合部(溶接予定部)
361 外側電極
368 金具溶接部(溶接予定部)
AX1 (中心電極チップの)軸線
AX2 (外側電極チップの)軸線
LM ミラー(転送光学系)
PL1 第1レーザビーム(レーザビーム)
PL2 第2レーザビーム(レーザビーム)
PL3 第3レーザビーム(レーザビーム)
PL4 第4レーザビーム(レーザビーム)

Claims (8)

  1. 電極母材と、これにレーザ溶接されてなる貴金属チップと、または、
    電極母材と、これに接合してなるチップ基材と、上記チップ基材にレーザ溶接されてなる貴金属チップと、を有する
    スパークプラグの製造方法であって、
    レーザビームを上記レーザ溶接を行う溶接予定部へ導く転送光学系への入射時点でのBPP値が、25mm・mrad(半径・半角)以下の上記レーザビームを用いて、上記電極母材と、または、上記チップ基材と、上記貴金属チップとの上記レーザ溶接を行うレーザ溶接工程を備える
    スパークプラグの製造方法。
  2. 請求項1に記載のスパークプラグの製造方法であって、
    前記レーザ溶接工程は、
    前記貴金属チップの軸線を中心に、
    上記貴金属チップおよび前記電極母材と、または、上記貴金属チップおよび前記チップ基材と、
    前記レーザビームと、を相対的に回転させつつ、上記貴金属チップの全周にわたって前記レーザ溶接を行う
    全周レーザ溶接工程である
    スパークプラグの製造方法。
  3. 請求項1または請求項2に記載のスパークプラグの製造方法であって、
    前記レーザ溶接工程では、
    前記電極母材と前記貴金属チップとが溶け合った溶融部、または、前記チップ基材と前記貴金属チップとが溶け合った溶融部が、前記貴金属チップの径方向中心で繋がるように前記レーザ溶接を行う
    スパークプラグの製造方法。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のスパークプラグの製造方法であって、
    前記レーザ溶接工程では、
    複数の前記溶接予定部に対して同時に複数の前記レーザビームが照射される
    スパークプラグの製造方法。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のスパークプラグの製造方法であって、
    前記スパークプラグは、
    中軸側電極母材と、これにレーザ溶接されてなる中軸側貴金属チップと、を備える中心電極と、
    外側電極側電極母材と、これにレーザ溶接されてなる外側電極側貴金属チップと、または、
    外側電極側電極母材と、これに接合してなるチップ基材と、上記チップ基材にレーザ溶接されてなる外側電極側貴金属チップと、を備える外側電極と、を有する
    スパークプラグであり、
    上記中軸側電極母材と上記中軸側貴金属チップとのレーザ溶接に用いられる前記レーザビームの前記転送光学系への入射時点のBPP値に比べ、上記外側電極側電極母材と上記外側電極側貴金属チップ、または、上記チップ基材と上記外側電極側貴金属チップとの前記レーザ溶接に用いられる前記レーザビームの前記転送光学系への入射時点のBPP値が小さい
    スパークプラグの製造方法。
  6. 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のスパークプラグの製造方法であって、
    前記電極母材は外側電極側電極母材であり、前記貴金属チップは外側電極側貴金属チップであり、
    前記レーザ溶接工程では、
    上記外側電極側電極母材をスパークプラグの主体金具の端面に固定した後、屈曲前の上記外側電極側電極母材の所定位置に前記外側電極側貴金属チップを配置した状態で、前記転送光学系のうち前記レーザビームを前記溶接予定部に向けて出射するレーザビーム出射部が上記主体金具の端面よりも前記外側電極側貴金属チップとは反対側であって且つ上記主体金具及び上記外側電極側電極母材により前記レーザビームの前記溶接予定部への照射が妨げられない位置に配置されて前記レーザ溶接を行う
    スパークプラグの製造方法。
  7. 主体金具と、
    貴金属からなり、上記主体金具にレーザ溶接されてなる外側電極と、を有する
    スパークプラグの製造方法であって、
    レーザビームを上記レーザ溶接を行う溶接予定部へ導く転送光学系への入射時点でのBPP値が、25mm・mrad(半径・半角)以下の上記レーザビームを用いて、上記主体金具と上記外側電極との上記レーザ溶接を行うレーザ溶接工程を備える
    スパークプラグの製造方法。
  8. 請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載のスパークプラグの製造方法であって、
    前記転送光学系に用いる光ファイバとして、ステップインデックス形光ファイバを用いる
    スパークプラグの製造方法。
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