JP2011258583A - スパークプラグの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 電極チップと電極基材とのレーザ溶接において、スパッタやブローホール、クラックの発生を抑制できるスパークプラグの製造方法を提供すること。
【解決手段】 スパークプラグ100の製造方法は、電極チップ133を電極母材131に配置し、これにパルス状のレーザ光LSを照射することにより、各レーザパルスN1〜N10に対応した単位溶接部135n1〜135n10を順次形成するレーザ溶接工程を備える。この工程では、各レーザパルスN1〜N10のレーザ強度波形を、開始時tsaから所定の初期期間Ta1において、時間が経過するとレーザ強度Sa1が大きくなる波形とする。
【選択図】 図8

Description

本発明は、内燃機関用のスパークプラグの製造方法に関し、特に、中心電極と外側電極とを有し、これらのうち少なくとも一方が、貴金属を含む電極チップと、これが溶接された、卑金属を含む電極基材とを有するスパークプラグの製造方法に関する。
従来より、中心電極と外側電極とを有し、これらのうち少なくとも一方が、貴金属を含む電極チップと、これが溶接された、卑金属を含む電極基材とを有するスパークプラグが知られている。例えば、特許文献1〜3に、このようなスパークプラグが開示されている。
特許文献1では、電極母材(電極基材)と貴金属チップ(電極チップ)とからなる接地電極(外側電極)を、次のように製造している。即ち、まず、電極母材に貴金属チップを抵抗溶接して、貴金属チップの底部に外径を膨らませた鍔部を形成する。その後、この貴金属チップの鍔部にレーザ光を照射して、貴金属チップと電極母材とをレーザ溶接する(特許文献1の特許請求の範囲等を参照)。
特許文献2では、電極母材(電極基材)と貴金属チップ(電極チップ)とからなる中心電極等を、次のように製造している。即ち、貴金属チップと電極母材にパルス状のレーザ光を照射し、各レーザパルスに対応する単位溶接部が貴金属チップの周方向に順次重なって連なる全周レーザ溶接部を形成して、貴金属チップと電極母材とを溶接する。その際、全周レーザ溶接部のうち、先頭部位の溶接部及び末尾部位の溶接部の少なくとも一方について、それを形成する際に用いる1パルス当りのレーザ照射エネルギーを、その他の溶接部を形成する際に用いる1パルス当りのレーザ照射エネルギーよりも低く設定する(特許文献2の特許請求の範囲等を参照)。
特許文献3では、電極母材(電極基材)と耐火花消耗電極材(電極チップ)とからなる外側電極を、次のように製造している。即ち、耐火花消耗電極材と電極母材との境界部分にレーザ等を照射し、耐火花消耗電極材と電極母材とを溶接する。その際、レーザ等の入射角が所定の条件を満たすようにする(特許文献3の特許請求の範囲等を参照)。
特開2005−158323号公報 特開2002−231417号公報 特開2001−135456号公報
上記特許文献1〜3では、レーザ溶接を利用して、電極チップと電極基材を溶接している。エネルギーが高いレーザ照射による溶接は、貴金属を含む電極チップと卑金属を含む電極基材とを溶接するような、融点の異なる部材を溶接する場合に特に有効である。
しかしながら、レーザ照射時に、溶融した金属のスパッタが発生し、そのスパッタが飛散して電極チップや電極基材に付着することがある。そうすると、スパークプラグの着火性が低下したり、放電ギャップ間にブリッジができるなどの問題が生じるおそれがある。また、レーザ照射時に、ブローホールが生じることもある。特に、パルス状のレーザ光を用いて、各レーザパルスに対応した単位溶接部が重なって連なる全周溶接部を形成する場合には、後半の単位溶接部を形成する際に、スパッタやブローホールが生じやすい。
また、レーザ照射で溶融した金属は急激に冷やされて凝固するため、凝固の際に溶接部にクラックが発生しやすい。そうすると、溶接部における接合強度が低下し、電極チップが電極基材から脱落するおそれもある。
このように、従来のレーザ溶接による電極チップと電極基材との溶接では、スパッタの発生やブローホールの発生、クラックの発生などの不具合が問題となっていた。このような問題を解消する方法としては、貴金属チップ及び電極基材の材質や形状、寸法などに応じて、1パルス当りの照射エネルギーやパルス幅といったレーザ照射条件を適宜変更することが考えられる。しかしながら、このような条件変更だけでは上記のような不具合の発生を十分に抑制できないことがあった。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、電極チップと電極基材をレーザ溶接する場合に、スパッタの発生やブローホールの発生、クラックの発生などの不具合を抑制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。
その解決手段は、中心電極と、この中心電極と放電ギャップを隔てて離間する外側電極とを備え、これら中心電極及び外側電極の少なくとも一方は、貴金属を含む電極チップと、この電極チップが溶接された、卑金属を含む電極基材と、を有するスパークプラグの製造方法であって、前記電極チップを前記電極基材の所定位置に配置し、これらにパルス状のレーザ光を照射することにより、各レーザパルスに対応した単位溶接部を前記電極チップの周方向に順次形成して、前記電極チップと前記電極基材とを溶接するレーザ溶接工程であって、前記レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、開始時から所定の初期期間において、時間が経過するとレーザ強度が大きくなる波形である初期増加型レーザパルスとする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。
従来のレーザ溶接においては、図15に示すように、開始時Tscから終了時Tecまでのパルス幅Tc全体でレーザ強度Scが一定で矩形波形のパルス状のレーザ光を照射していた。そして、このパルス幅Tcやレーザ強度Scを適宜変更することにより、電極チップと電極基材の溶接状態を調整していた。しかしながら、本発明者は、このレーザ強度波形自体に着目して鋭意検討した結果、この矩形状のレーザ強度波形を変更することによって前述の問題が解決されることを見出して、本発明を想到するに至った。
即ち、本発明では、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、開始時から所定の初期期間において、時間が経過するとレーザ強度が大きくなる波形である初期増加型レーザパルスとしている。このように、1つのレーザパルスのうち、初期期間のレーザ強度を時間が経過すると大きくなるようにすることで、レーザ照射時にスパッタが発生して、電極チップや電極基材に飛散して付着するのを抑制できると共に、各単位溶接部にブローホールが生じるのを抑制できる。電極チップや電極基材を徐々に加熱できるためであると考えられる。
なお、中心電極及び外側電極は、前記のように、少なくとも一方が、電極チップと、この電極チップが溶接された電極基材とを有するものである。従って、中心電極または外側電極が、電極チップと、この電極チップがレーザ溶接された電極母材とからなる場合には、電極母材が本発明の電極基材に相当する。一方、中心電極または外側電極が、電極チップと、この電極チップがレーザ溶接された中間部材と、これらが接合された電極母材とからなる場合、即ち、電極チップが中間部材を介して電極母材に接合される場合では、中間部材が本発明の電極基材に相当する。
また、レーザ溶接工程では、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、開始時から所定の初期期間において、時間が経過するとレーザ強度が大きくなる波形である初期増加型レーザパルスとすればよい。この波形としては、例えば、初期期間において、レーザ強度を零から始めて時間と共に徐々に(例えば直線的に)大きくなるように制御するものが挙げられる。また例えば、初期期間において、レーザ強度を所定の大きさから始めて時間と共に徐々に(例えば直線的に)大きくなるように制御するものが挙げられる。また例えば、初期期間において、レーザ強度を、階段状に大きくなるように制御するものが挙げられる。
また、レーザ溶接工程は、前述のように、パルス状のレーザ光を照射することにより、各レーザパルスに対応した単位溶接部を電極チップの周方向に順次形成するものである。従って、形成する溶接部は、単位溶接部が電極チップの周方向に順次重なって連なる全周溶接部でもよいし、単位溶接部が電極チップの周方向に隙間を介して並ぶ形態の溶接部であってもよい。接合強度の観点からは、前者の全周溶接部とするのが好ましい。
また、レーザ溶接工程は、前述のように、各レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスを、初期増加型レーザパルスとするものである。従って、全てのレーザパルスを初期増加型レーザパルスとしてもよいし、一部のレーザパルスのみを初期増加型レーザパルスとしてもよい。前述のレーザ照射によるスパッタの発生やブローホールの発生を抑制する観点からは、全てのレーザパルスを初期増加型レーザパルスとするのが好ましい。
更に、上記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、前記初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形を、前記初期期間において、レーザ強度が時間の経過と共に徐々に大きくなる波形とするスパークプラグの製造方法とすると良い。
本発明では、前述の初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形を、初期期間において、レーザ強度が時間の経過と共に徐々に大きくなる波形としている。このようにすることで、スパッタの発生を更に効果的に抑制できると共に、各単位溶接部におけるブローホールの発生も更に効果的に抑制できる。
なお、本発明に係る波形としては、例えば、初期期間において、レーザ強度を零から始めて時間と共に徐々に(例えば直線的に)大きくなるように制御するものが挙げられる。また例えば、初期期間において、レーザ強度を所定の大きさから始めて時間と共に徐々に(例えば直線的に)大きくなるように制御するものが挙げられる。
更に、上記のいずれか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、前記初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形のうち、前記初期期間を、パルス幅に対して10%以上40%以下の期間とするスパークプラグの製造方法とすると良い。
本発明では、前述の初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形のうち、初期期間を、パルス幅に対して開始時から10%以上40%以下の期間としている。このように初期期間を設定することで、スパッタの発生を更に効果的に抑制できると共に、各単位溶接部におけるブローホールの発生も更に効果的に抑制できる。
また、他の解決手段は、中心電極と、この中心電極と放電ギャップを隔てて離間する外側電極とを備え、これら中心電極及び外側電極の少なくとも一方は、貴金属を含む電極チップと、この電極チップが溶接された、卑金属を含む電極基材と、を有するスパークプラグの製造方法であって、前記電極チップを前記電極基材の所定位置に配置し、これらにパルス状のレーザ光を照射することにより、各レーザパルスに対応した単位溶接部を前記電極チップの周方向に順次形成して、前記電極チップと前記電極基材とを溶接するレーザ溶接工程であって、前記レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、終了時までの所定の終期期間において、時間が経過するとレーザ強度が小さくなる波形である終期減少型レーザパルスとする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。
本発明では、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、終了時までの所定の終期期間において、時間が経過するとレーザ強度が小さくなる波形である終期減少型レーザパルスとしている。このように、1つのレーザパルスのうち、終期期間のレーザ強度を時間が経過すると小さくなるようにすることで、各単位溶接部にクラックが発生するのを抑制できる。溶融部分が急激に冷やされず徐々に凝固するためであると考えられる。
なお、終期期間において時間が経過するとレーザ強度が小さくなる波形としては、例えば、終期期間において、レーザ強度を時間と共に徐々に(例えば直線的に)小さくして零になるように制御するものが挙げられる。また例えば、終期期間において、レーザ強度を時間と共に徐々に(例えば直線的に)小さくして所定の大きさで終わるように制御するものが挙げられる。また例えば、終期期間において、レーザ強度を、階段状に小さくなるように制御するものが挙げられる。
また、レーザ溶接工程は、前述のように、各レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスを、終期減少型レーザパルスとするものである。従って、全てのレーザパルスを終期減少型レーザパルスとしてもよいし、一部のレーザパルスのみを終期減少型レーザパルスとしてもよい。前述の各単位溶接部にクラックが発生するのを抑制する観点からは、全てのレーザパルスを終期減少型レーザパルスとするのが好ましい。
更に、上記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、前記終期減少型レーザパルスのレーザ強度波形を、前記終期期間において、レーザ強度が時間の経過と共に徐々に小さくなる波形とするスパークプラグの製造方法とすると良い。
本発明では、前述の終期減少型レーザパルスのレーザ強度波形を、終期期間において、レーザ強度が時間の経過と共に徐々に小さくなる波形としている。このようにすることで、各単位溶接部にクラックが発生するのを更に効果的に抑制できる。
更に、上記のいずれか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、前記終期減少型レーザパルスのレーザ強度波形のうち、前記終期期間を、パルス幅に対して10%以上40%以下の期間とするスパークプラグの製造方法とすると良い。
本発明では、前述の終期減少型レーザパルスのレーザ強度波形のうち、終期期間を、パルス幅に対して終了時までの10%以上40%以下の期間としている。このように終期期間を設定することで、各単位溶接部にクラックが発生するのを更に効果的に抑制できる。
更に、上記のいずれか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、前記レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、開始時から所定の初期期間において、時間が経過するとレーザ強度が大きくなる波形である初期増加型レーザパルスとするスパークプラグの製造方法とすると良い。
本発明では、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、開始時から所定の初期期間において、時間が経過するとレーザ強度が大きくなる波形である初期増加型レーザパルスとしている。このように、1つのレーザパルスのうち、初期期間のレーザ強度を時間が経過すると大きくなるようにすることで、レーザ照射時にスパッタが発生して、電極チップや電極基材に飛散して付着するのを抑制できると共に、各単位溶接部にブローホールが生じるのを抑制できる。
なお、本発明におけるレーザ溶接工程では、各レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスを、初期増加型レーザパルスとすると共に、少なくともいずれかのレーザパルスを、終期減少型レーザパルスとする。従って、一部または全てのレーザパルスを、初期増加型レーザパルスとすると共に、終期減少型レーザパルスとしてもよいし、一部のレーザパルスを初期増加型レーザパルスとし、他の一部のレーザパルスを終期減少型レーザパルスとしてもよい。特に、レーザ照射によるスパッタの発生やブローホールの発生を抑制すると共に、各単位溶接部にクラックが発生するのを抑制する観点からは、全てのレーザパルスを、初期増加型レーザパルス、かつ、終期減少型レーザパルスとするのが好ましい。
更に、上記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、前記初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形を、前記初期期間において、レーザ強度が時間の経過と共に徐々に大きくなる波形とするスパークプラグの製造方法とすると良い。
本発明では、前述の初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形を、初期期間において、レーザ強度が時間の経過と共に徐々に大きくなる波形としている。このようにすることで、スパッタの発生を更に効果的に抑制できると共に、各単位溶接部におけるブローホールの発生も更に効果的に抑制できる。
更に、上記のいずれか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、前記初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形のうち、前記初期期間を、パルス幅に対して10%以上40%以下の期間とするスパークプラグの製造方法とすると良い。
本発明では、各レーザパルスのレーザ強度波形のうち、初期期間を、パルス幅に対して開始時から10%以上40%以下の期間としている。このように初期期間を設定することで、スパッタの発生を更に効果的に抑制できると共に、各単位溶接部におけるブローホールの発生も更に効果的に抑制できる。
更に、上記のいずれか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、前記初期期間よりも前記終期期間の方が長いスパークプラグの製造方法とすると良い。
このようにすることで、スパッタの発生を極めて効果的に抑制できる共に、各単位溶接部におけるブローホールの発生及びクラックの発生を極めて効果的に抑制できる
更に、上記のいずれか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、各々の前記レーザパルスの1パルス当たりのレーザ照射エネルギーについて、最初のレーザパルスのレーザ照射エネルギーが最も大きく、最後のレーザパルスのレーザ照射エネルギーが最も小さくなるように、段階的に減少させるスパークプラグの製造方法とすると良い。
パルス状のレーザ光を用いて、各レーザパルスに対応した単位溶接部を電極チップの周方向に順次形成する場合には、後半の単位溶接部を形成する際に、特にスパッタやブローホールが生じやすい。前半の単位溶接部の形成に際してレーザ照射によって注入された熱が、まだ十分に除去されないでその一部が残っている時点で、新たなレーザ照射によって更に熱が加えられるため、後になるほど単位溶接部の温度が上がりやすいからである。
これに対し本発明では、1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを、最初のレーザパルスが最も大きく、最後のレーザパルスが最も小さくなるように、段階的に減少させている。このようにすることで、先のレーザパルスによって残っている残留熱による影響を抑制し、各単位溶接部同士の溶融状態を均一化することができる。これにより、レーザ照射時、特に、後半のレーザ照射時におけるスパッタの発生やブローホールの発生を、効果的に抑制できる。
更に、上記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、初めから数えて所定数のレーザパルスを前期レーザパルスとし、終わりから数えて所定数のレーザパルスを後期レーザパルスとし、これらの間のレーザパルスを中間レーザパルスとしたとき、前記前期レーザパルスと前記中間レーザパルスとの間、及び、前記中間レーザパルスと前記後期レーザパルスとの間で、1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを段階的に減少させると共に、前記前期レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを、前記中間レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーよりも、5%〜30%大きくするスパークプラグの製造方法とすると良い。
本発明によれば、前期レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを、中間レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーよりも、5%〜30%大きくしている。即ち、中間レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを、前期レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーよりも、所定量小さくしている。このように中間レーザパルスのレーザ照射エネルギーを相対的に小さくすることで、レーザ照射時におけるスパッタやブローホールの発生を、更に効果的に抑制できる。
更に、上記のいずれか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、初めから数えて所定数のレーザパルスを前期レーザパルスとし、終わりから数えて所定数のレーザパルスを後期レーザパルスとし、これらの間のレーザパルスを中間レーザパルスとしたとき、前記前期レーザパルスと前記中間レーザパルスとの間、及び、前記中間レーザパルスと前記後期レーザパルスとの間で、1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを段階的に減少させると共に、前記後期レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを、前記中間レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーよりも、5%〜30%小さくするスパークプラグの製造方法とすると良い。
本発明によれば、後期レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを、中間レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーよりも、5%〜30%小さくしている。このように後期レーザパルスのレーザ照射エネルギーを相対的に小さくすることで、レーザ照射時におけるスパッタやブローホールの発生を、更に効果的に抑制できる。
更に、上記のいずれか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、最後に形成される最終単位溶接部以外の単位溶接部を形成するレーザ光として、前記電極チップを介して対向する二方向から同時に照射される二方向同時照射レーザ光を用い、前記最終単位溶接部を形成するレーザ光として、一方向から照射されるレーザ光を用いるスパークプラグの製造方法とすると良い。
電極チップに対して二方向から同時にレーザ光を照射する場合には、一方向からレーザビームを照射する場合に比べて電極チップが単位時間あたりに受熱する熱量が多いために、ブローホールが生じやすい。特に、最終の単位溶接部を形成する際には、それよりも前の単位溶接部を形成するためのレーザ照射による熱が十分に除去されずに残留していると考えられる。
これに対し本発明では、最終単位溶接部を形成するレーザ光として、一方向から照射されるレーザ光を用いている。このようにすることで、先のレーザパルスによって残っている残留熱による影響を抑制し、各単位溶接部同士の溶融状態を均一化することができる。これにより、ブローホールの発生を効果的に抑制できる。
更に、上記のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法であって、前記電極チップは外側電極側電極チップであり、前記電極基材は外側電極基材であり、前記レーザ溶接工程では、前記外側電極基材の所定位置に配置された前記外側電極側電極チップの周方向のうち前記外側電極基材の先端側の部位であって最先端側部を除く位置から前記レーザ光の照射が開始され、その後、前記最先端側部を経て基端側に向かう方向に前記レーザ光の照射が行われるスパークプラグの製造方法とすると良い。
外側電極基材における先端部は、主体金具に固定されている基端部に比べて主体金具から離れているため熱引きが悪く、後半の単位溶接部を外側電極側電極チップの周方向のうち外側電極基材における先端側にて形成する場合には、単位溶接部の温度が上がりやすくブローホールが生じやすい。
これに対し本発明では、外側電極側電極チップの周方向のうち外側電極基材の先端側の部位であって最先端位置を除く位置からレーザ光の照射が開始され、その後、この最先端位置を経て基端側に向かう方向にレーザ光の照射されるようにしている。このように、外側電極側電極チップの周方向のうち先端側を先にレーザ溶接して、その後、熱引きの良い基端側をレーザ溶接することで、ブローホールの発生を効果的に抑制できる。
更に、上記のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法であって、前記電極チップは外側電極側電極チップであり、前記電極基材は所定長を有した外側電極基材であり、前記外側電極側電極チップは前記外側電極基材における先端側の所定位置に溶接されるものであり、前記レーザ溶接工程では、前記外側電極基材の所定長よりも前記先端側に長く形成された加工前外側電極基材を用意し、該加工前外側電極基材における前記外側電極基材の前記所定位置に対応する位置に対し前記外側電極側電極チップの溶接を行い、その後、前記外側電極側電極チップが溶接された加工前外側電極基材を所定長となるように切断加工を行うスパークプラグの製造方法とすると良い。
外側電極基材における先端部は、主体金具に固定されている基端部に比べて主体金具から離れているため熱引きが悪く、後半の単位溶接部を外側電極側電極チップの周方向のうち外側電極基材における先端側にて形成する場合には、単位溶接部の温度が上がりやすくブローホールが生じやすい。
これに対し本発明では、外側電極基材の所定長よりも先端側に長く形成された加工前外側電極基材を用意し、この加工前外側電極基材に外側電極側電極チップをレーザ溶接し、その後、所定長となるように加工前外側電極基材を切断加工している。このように、外側電極基材の所定長よりも先端側に長く形成された加工前外側電極基材を用い、レーザ溶接時における外側電極基材の先端側のボリュームを大きくすることで、単位溶接部の温度上昇を抑えることができ、ブローホールの発生を効果的に抑制できる。
実施形態1に係るスパークプラグの側面図である。 実施形態1に係るスパークプラグのうち、中心電極及び接地電極付近の部分拡大図である。 実施形態1に係るスパークプラグのうち、中心電極の先端付近の部分拡大図である。 実施形態1に係るスパークプラグのうち、中心電極の先端付近の部分拡大断面図である。 実施形態1に係るスパークプラグのうち、接地電極の先端付近の部分拡大図である。 実施形態1に係るスパークプラグのうち、接地電極の先端付近の部分拡大断面図である。 実施形態1に係るスパークプラグの製造方法に関し、中心電極を形成するレーザ溶接工程でパルス状のレーザ光を照射する様子を示す説明図である。 実施形態1に係るスパークプラグの製造方法に関し、レーザ溶接工程で照射するパルス状のレーザ光のレーザ強度波形を示す説明図である。 実施形態1に係るスパークプラグの製造方法に関し、中心電極を形成するレーザ溶接工程で照射するパルス状のレーザ光の各レーザパルスを示す説明図である。 実施形態1に係るスパークプラグの製造方法に関し、接地電極を形成するレーザ溶接工程でパルス状のレーザ光を照射する様子を示す説明図である。 実施形態1に係るスパークプラグの製造方法に関し、接地電極を形成するレーザ溶接工程で照射するパルス状のレーザ光の各レーザパルスを示す説明図である。 実施形態2に係るスパークプラグの製造方法に関し、レーザ溶接工程で照射するパルス状のレーザ光のレーザ強度波形を示す説明図である。 実施形態3に係るスパークプラグの製造方法に関し、レーザ溶接工程で照射するパルス状のレーザ光のレーザ強度波形を示す説明図である。 実施形態4に係るスパークプラグの製造方法に関し、レーザ溶接工程で照射するパルス状のレーザ光のレーザ強度波形を示す説明図である。 従来技術に係るスパークプラグの製造方法に関し、照射するパルス状のレーザ光のレーザ強度波形を示す説明図である。 別の変形形態に係るスパークプラグの製造方法に関し、接地電極の先端付近の部分拡大断面図である。 更に別の変形形態に係るスパークプラグの製造方法に関し、接地電極の先端付近の部分拡大断面図である。
(実施形態1)
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図1に本実施形態1に係るスパークプラグ100を示す。また、図2に中心電極130及び接地電極(外側電極)140付近を示す。更に、図3及び図4に中心電極130の先端付近の側面及び断面を示し、図5及び図6に接地電極140の先端付近の側面及び断面を示す。このスパークプラグ100は、エンジンのシリンダヘッドに取り付けられて使用に供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、図1に示すように、主体金具110と、絶縁体120と、中心電極130と、接地電極140とを備える。
このうち主体金具110は、低炭素鋼からなり、軸線AX方向に延びる筒状をなす。主体金具110は、径大なフランジ部110fと、これより基端側(図中、上方)に位置し、スパークプラグ100をシリンダヘッドに取り付ける際に工具を係合させる断面六角形状の工具係合部110mと、更にその基端側に位置し、絶縁体120を主体金具110に加締め固定するための加締部110nとを有する。また、フランジ部110fの先端側(図中、下方)には、フランジ部110f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付ねじ部110gが形成された先端部110sを有する。
絶縁体120は、アルミナ系セラミックからなり、主体金具110によって周囲が取り囲まれ、その先端部120sが主体金具110の先端面110scから先端側(図中、下方)に突出すると共に、基端部120kが主体金具110の加締部110nから基端側(図中、上方)に突出している。絶縁体120には、軸線AX方向に沿った軸孔が穿設され、その先端側(図中、下方)には中心電極130が、一方、基端側(図中、上方)には高電圧を中心電極130に導く端子金具150が、挿入され固定されている。
中心電極130は、絶縁体120の先端面120scから先端側(図中、下方)に突出した状態で絶縁体120に保持されている。この中心電極130は、図2〜図4に示すように、基端側(図中、上方)に位置する中心電極母材(中心電極基材)131と、先端側(図中、下方)に位置する中心電極チップ133とからなる。
このうち、中心電極母材131は、図7に示すように、基端側に位置し、径大な円柱状をなす第1円柱部131pと、先端側に位置し、第1円柱部131pよりも径小な円柱状をなす第2円柱部131qと、これらの間に位置し、円錐台状をなす円錐台部131rとを有する。この中心電極母材131は、Niを主成分とするNi合金からなる。
中心電極チップ133は、直径0.6mmの円柱状をなし、中心電極母材131の先端にレーザ溶接で接合され、先端側(図中、下方)に向かって突出している。この中心電極チップ133は、貴金属合金、具体的にはIr−Ptからなる。
この中心電極チップ133と中心電極母材131は、パルス状のレーザ光を用いてレーザ溶接されているので、中心電極チップ133と中心電極母材131の間には、中心電極チップ133と中心電極母材131とが互いに溶融混合して固化した溶接部、具体的には、10個の単位溶接部135n1〜135n10が中心電極チップ133の周方向に順次重なって連なる全周溶接部135が形成されている(図3参照)。
接地電極140は、図2,図5,図6に示すように、先端側(図中、下方)に位置する接地電極母材(外側電極基材)141と、基端側(図中、上方)に位置する接地電極チップ(外側電極チップ)143とからなる。
このうち、接地電極母材141は、Niを主成分とするNi合金からなる。この接地電極母材141は、その基端部141kが主体金具110の先端面110scに接合され、先端部141sが軸線AX側に向けて屈曲されてなり、径方向内側を向く内側側面141mが、中心電極130の中心電極チップ133と対向するように配置されている。
接地電極チップ143は、直径0.7mmの円柱状をなし、接地電極母材141の先端部141sの内側側面141mにレーザ溶接で接合され、基端側(図中、上方)に向かって突出し、中心電極チップ133と対向している。そして、接地電極チップ143と中心電極チップ133との間が、火花放電を生じさせる放電ギャップGとなっている。この接地電極チップ143は、貴金属合金、具体的にはPt−Rhからなる。
この接地電極チップ143と接地電極母材141は、パルス状のレーザ光を用いてレーザ溶接されているので、接地電極チップ143と接地電極母材141の間には、接地電極チップ143と接地電極母材141とが互いに溶融混合して固化した溶融部、具体的には、12個の単位溶接部145m1〜145m12が接地電極チップ143の周方向に順次重なって連なる全周溶接部145が形成されている(図5参照)。
次いで、上記スパークプラグ100の製造方法について説明する。
まず、第1円柱部131p,第2円柱部131q及び円錐台部131rを有する中心電極母材131と、円柱状の中心電極チップ133とを用意する。そして、図7に示すように、中心電極チップ133を中心電極母材131の第2円柱部131qの中央上に配置し、中心電極チップ133と中心電極母材131との境界部分に、レーザ照射装置LBによりパルス状のレーザ光LSを照射して、中心電極チップ133と中心電極母材131とをレーザ溶接する。なお、この工程が、本発明のレーザ溶接工程に相当する。
具体的には、パルス状のレーザ光LSを照射することにより、各レーザパルスN1〜N10に対応した10個の単位溶接部135n1〜135n10が中心電極チップ133の軸線BXの周方向に順次重なって連なる全周溶接部135を形成して、中心電極チップ133と中心電極母材131とを溶接する。その際、レーザ溶接の条件を、各レーザパルスN1〜N10のパルス幅Taを2msec、周波数を10Hz、ショット数を10パルスとした。
そして、図8に示すように、各レーザパルスN1〜N10のレーザ強度波形を以下のようにする。まず、パルス幅Ta(2msec)に対して、開始時tsaから20%の期間(0.4msec)を初期期間Ta1とし、終了時teaまでの20%の期間(0.4msec)を終期期間Ta3とし、これらの間の期間を中期期間Ta2(1.2msec)とする。そして、各レーザパルスN1〜N10の初期期間Ta1において、時間が経過するとレーザ強度Sa1が大きくなり、終期期間Ta3において、時間が経過するとレーザ強度Sa3が小さくなる波形とする。なお、本実施形態1では、これら全てのレーザパルスN1〜N10が、本発明の初期増加型レーザパルスに相当すると共に、終期減少型レーザパルスにも相当する。
具体的には、開始時tsaから時刻tmaまでの初期期間Ta1においては、レーザ強度Sa1を、零から始めて時間と共に徐々に大きく、更に具体的には直線的に大きくなるように制御する。その後、時刻tmaから時刻tnaまでの中期期間Ta2においては、レーザ強度Sa2を、一定となるように制御する。更に、時刻tnaから終了時teaまでの終期期間Ta3においては、レーザ強度Sa3を、時間と共に徐々に小さく、更に具体的には直線的に小さくして終了時teaに零になるように制御する。
このように初期期間Ta1においてレーザ強度Sa1を増加させることで、レーザ照射開始時に、中心電極チップ133や中心電極母材131の表面付近で温度が急激に上がり、スパッタが発生して中心電極チップ133や中心電極母材131に飛散し付着するのを抑制できる。また、各単位溶接部135n1〜135n10にブローホールが生じるのを抑制できる。また、終期期間Ta3においてレーザ強度Sa3を減少させることで、各単位溶接部135n1〜135n10が急激に冷やされ、これらと中心電極チップ133や中心電極母材131との境界に応力が生じてクラックが発生するのを抑制できる。
更に本実施形態1のレーザ溶接工程では、図9に示すように、全ショット数10ヶのレーザパルスN1〜N10のうち、初めから数えて2つのレーザパルスN1,N2を前期レーザパルスとし、終わりから数えて2つのレーザパルスN9,N10を後期レーザパルスとし、これら間の6つのレーザパルスN3〜N8を中間レーザパルスとする。そして、1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを、前期レーザパルスN1,N2が最も大きく、後期レーザパルスN9,N10が最も小さくなるように、段階的に減少させる。
具体的には、6つの中間レーザパルスN3〜N8における1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa2を、基準エネルギーとして1.7Jに設定する。そして、2つの前期レーザパルスN1,N2における1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa1を、中間レーザパルスN3〜N8のレーザ照射エネルギーEa2よりも、10%大きい1.87Jに制御する。一方、2つの後期レーザパルスN9,N10における1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa3を、中間レーザパルスN3〜N8のレーザ照射エネルギーEa2よりも、10%小さい1.53Jに制御する。
このようにレーザ照射エネルギーEa1,Ea2,Ea3を段階的に制御することで、先のレーザパルスによって残っている残留熱による影響を抑制し、各単位溶接部135n1〜135n10同士の溶融状態を均一化することができる。これにより、レーザ照射時、特に、後半のレーザ照射時におけるスパッタの発生やブローホールの発生を、効果的に抑制できる。
次に、公知の手法により、この中心電極130を、別途形成した絶縁体120に組み付けると共に、端子金具150等も絶縁体120に組み付け、ガラスシールを行う。また、主体金具110を用意し、公知の手法により、主体金具110に棒状の接地電極母材141(接地電極チップ143が接合されておらず、屈曲加工もされていない状態の接地電極母材141)を接合する。その後、公知の手法により、この接地電極母材141を接合した主体金具110に、中心電極130等を組み付けた絶縁体120を組み付け、加締め等を行う。
また別途、円柱状の接地電極チップ143を用意する。そして、図10に示すように、これを接地電極母材141のうち先端部141sの内側側面141mの所定位置に配置する。その後、接地電極チップを143と接地電極母材141との境界部分に、レーザ照射装置LBによりパルス状のレーザ光LSを照射して、接地電極チップ143と接地電極母材141をレーザ溶接する。なお、この工程も、本発明のレーザ溶接工程に相当する。
具体的には、パルス状のレーザ光LSを照射することにより、各レーザパルスM1〜M12に対応した12個の単位溶接部145m1〜145m12が接地電極チップ143の軸線CXの周方向に順次重なって連なる全周溶接部145を形成して、接地電極チップ143と接地電極母材141とを溶接する。その際、レーザ溶接の条件を、各レーザパルスM1〜M12のパルス幅Tbを4msec、周波数を12Hz、ショット数を12パルスとした。
そして、図8に示すように、各レーザパルスM1〜M12のレーザ強度波形を以下のようにする。まず、パルス幅Tb(2msec)に対して、開始時tsbから20%の期間(0.4msec)を初期期間Tb1とし、終了時tebまでの20%の期間(0.4msec)を終期期間Tb3とし、これらの間の期間を中期期間Tb2(1.2msec)とする。そして、各レーザパルスM1〜M12の初期期間Tb1において、時間が経過するとレーザ強度Sb1が大きくなり、終期期間Tb3において、時間が経過するとレーザ強度Sb3が小さくなる波形とする。なお、本実施形態1では、これら全てのレーザパルスM1〜M12が、本発明の初期増加型レーザパルスに相当すると共に、終期減少型レーザパルスにも相当する。
更に具体的には、開始時tsbから時刻tmbまでの初期期間Tb1においては、レーザ強度Sb1を、零から始めて時間と共に徐々に大きく、更に具体的には直線的に大きくなるように制御する。その後、時刻tmbから時刻tnbまでの中期期間Tb2においては、レーザ強度Sb2を、一定となるように制御する。更に、時刻tnbから終了時tebまでの終期期間Tb3においては、レーザ強度Sb3を、時間と共に徐々に小さく、更に具体的には直線的に小さくして終了時tebに零になるように制御する。
このように初期期間Tb1においてレーザ強度Sb1を増加させることで、レーザ照射開始時に、接地電極チップ143や接地電極母材141の表面付近で温度が急激に上がり、スパッタが発生して接地電極チップ143や接地電極母材141に飛散し付着するのを抑制できる。また。各単位溶接部145m1〜145m12にブローホールが生じるのを抑制できる。また、終期期間Tb3においてレーザ強度Sb3を減少させることで、各単位溶接部145m1〜145m12が急激に冷やされ、これらと接地電極チップ143や接地電極母材141との境界に応力が生じてクラックが発生するのを抑制できる。
更に、このレーザ溶接工程では、図11に示すように、全ショット数12ヶのレーザパルスM1〜M12のうち、初めから数えて2つのレーザパルスM1,M2を前期レーザパルスとし、終わりから数えて2つのレーザパルスM11,M12を後期レーザパルスとし、これら間の8つのレーザパルスM3〜M10を中間レーザパルスとする。そして、1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを、前期レーザパルスM1,M2が最も大きく、後期レーザパルスM11,M12が最も小さくなるように、段階的に減少させる。
具体的には、8つの中間レーザパルスM3〜M10における1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEb2を、基準エネルギーとして2.0Jに設定する。そして、2つの前期レーザパルスM1,M2における1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEb1を、中間レーザパルスM3〜M10のレーザ照射エネルギーEb2よりも、10%大きい2.2Jに制御する。一方、後期レーザパルスM11,M12における1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEb3を、中間レーザパルスM3〜M10のレーザ照射エネルギーEb2よりも、10%小さい1.8Jに制御する。
このようにレーザ照射エネルギーEb1,Eb2,Eb3を段階的に制御することで、先のレーザパルスによって残っている残留熱による影響を抑制し、各単位溶接部145m1〜145m12同士の溶融状態を均一化することができる。これにより、レーザ照射時、特に、後半のレーザ照射時におけるスパッタの発生やブローホールの発生を、効果的に抑制できる。
その後は、接地電極140を軸線AX側に曲げて所定形状とし、中心電極130との間に放電ギャップGを形成すれば、スパークプラグ100が完成する。
(実施例)
本実施形態1の効果を検証するために、本発明に係る実施例として、接地電極140の形成について、パルス幅Tbを一定とし、これに対する初期期間Tb1及び終期期間Tb3の割合をそれぞれ変更して、13種類のスパークプラグ100を製造した。具体的には、表1に示すように、初期期間Tb1の割合をパルス幅Tbに対しての0%,5%,10%,20%,40%,50%に変化させ、また、終期期間Tb3の割合をパルス幅Tbに対しての0%,5%,10%,20%,40%,50%に変化させた。一方、比較例として、初期期間Tb1及び終期期間Tb3を零としたもの、即ち、レーザ強度波形を図15に示した矩形状の波形として、スパークプラグを製造した。なお、この実施例1〜13及び比較例1では、各レーザパルスM1〜M12の1パルス当たりのパルスエネルギーは一定とした。
各実施例1〜13及び比較例1について、それぞれ100ヶのサンプルを製造し、接地電極140の外観状態(スパッタの発生と全周溶接部145におけるクラックの発生)を検査した。そして、不具合が見つかったスパークプラグ100の数をカウントした。
更に、各実施例1〜13については、過酷な熱サイクル試験も行った。具体的には、この熱サイクル試験は、1000℃で2分間加熱し、その後1分間自然冷却するサイクルを1000サイクル行うものである。そして、接地電極140の全周溶接部145におけるクラックの発生を検査し、クラックが発生しなかったものを良好と判断、クラックが発生したものを不良と判断した。
Figure 2011258583
その結果、初期期間Tb1の割合をパルス幅Tb全体の5%〜50%とした実施例1〜5,11〜13では、いずれも、スパッタの発生が3ヶ以下であり、スパッタの発生を防止または十分に抑制できた。特に、初期期間Tb1の割合を10%〜50%とした実施例2〜5,11〜13では、スパッタの発生が1ヶ以下であり、スパッタの発生を十分に防止できた。更に、熱サイクル試験において、初期期間Tb1の割合を50%とした実施例5,13に不良が認められたことから、初期期間Tb1の割合は、40%までとするのが好ましいことが判る。
また、終期期間Tb3の割合をパルス幅Tb全体の5%〜50%とした実施例6〜13では、いずれも、クラックの発生が3ヶ以下であり、全周溶接部145におけるクラックの発生を防止または十分に抑制できた。特に、終期期間Tb3の割合を10%〜50%とした実施例7〜13では、クラックの発生が零であり、クラックの発生を防止できた。更に、熱サイクル試験において、終期期間Tb3の割合を50%とした実施例10,13に不良が認められたことから、終期期間のTb3の割合は、40%までとするのが好ましいことが判る。
一方、比較例では、スパッタの発生も、全周溶接部145におけるクラックの発生も複数認められた。
これらの結果から、時間が経過するとレーザ強度Sb1が大きくなる初期期間Tb1を設けることで、更に好ましくは、初期期間Tb1の割合をパルス幅Tb全体の10%〜40%とすることで、溶接直後及び熱サイクル試験において、スパッタの発生やクラックの発生を十分に防止できることが判る。
また、時間が経過するとレーザ強度Sb3が小さくなる終期期間Tb3を設けることで、更に好ましくは、終期期間Tb3の割合をパルス幅Tb全体の10%〜40%とすることで、溶接直後及び熱サイクル試験において、クラックの発生を十分に防止できることが判る。
次に、本発明に係る別の実施例として、中心電極130の形成について、全ショット数10パルスのうち、2つの前期レーザパルスN1,N2と、6つの中間レーザパルスN3〜N8と、2つの後期レーザパルスN9,N10とで、1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa1,Ea2,Ea3を変化させて、4種類のスパークプラグ100を製造した。具体的には、表2に示すように、中間レーザパルスN3〜N8の1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa2を基準として、前期レーザパルスN1,N2の1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa1を、それよりも5%、10%及び30%大きくした。また、後期レーザパルスN9,N10の1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa3を、基準となるレーザ照射エネルギーEa2よりも10%、30%及び50%小さくした。
一方、比較例2として、前期レーザパルスN1,N2及び後期レーザパルスN9,N10における1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa1,Ea3を、中間レーザパルスN3〜N8における1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa2と同じ値として、スパークプラグ100を製造した。
そして、各実施例14〜17及び比較例2について、全周溶接部135の溶接状態を検査した。
Figure 2011258583
実施例14〜17では、全周溶接部135の溶接状態はいずれも良好であった。一方、比較例2では、最初のレーザパルスN1による単位溶接部135n1が小さく形成され、また、最後のレーザパルスN10による単位溶接部135n10においてブローホールが発生した。このことから、前期レーザパルスN1,N2の1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa1を相対的に大きくし、後期レーザパルスN9,N10の1パルス当たりのレーザ照射エネルギーEa3を相対的に小さく制御することで、溶接状態を良好にできることが判る。
(実施形態2)
次いで、第2の実施の形態について説明する。なお、上記実施形態1と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。本実施形態2では、中心電極130及び接地電極140のレーザ溶接工程におけるレーザ強度波形(図12参照)が、上記実施形態1におけるレーザ強度波形(図8参照)と異なるのみで、それ以外は上記実施形態1と同様である。
本実施形態2のレーザ強度波形は、図12に示すように、各レーザパルスN1〜N10,M1〜M12のレーザ強度波形をそれぞれ以下のようにする。まず、パルス幅Ta,Tbに対して、開始時tsa,tsbから20%の期間を初期期間Ta1,Tb1とし、終了時tea,tebまでの20%の期間を終期期間Ta3,Tb3とし、これらの間の期間を中期期間Ta2,Tb2とする。そして、各レーザパルスN1〜N10,M1〜M12の初期期間Ta1,Tb1において、時間が経過するとレーザ強度Sa1,Sb1が大きくなり、終期期間Ta3,Tb3において、時間が経過するとレーザ強度Sa3,Sb3が小さくなる波形とする。なお、本実施形態2でも、これら全てのレーザパルスN1〜N10,M1〜M12が、本発明の初期増加型レーザパルスに相当すると共に、終期減少型レーザパルスにも相当する。
具体的には、開始時tsa,tsbから時刻tma,tmbまでの初期期間Ta1,Tb1においては、レーザ強度Sa1,Sb1を、中期期間Ta2,Tb2のレーザ強度Sa2,Sb2の半分の大きさSah,Sbhから始め、時間と共に徐々に大きく、更に具体的には直線的に大きくなり、時刻tma,tmbでレーザ強度Sa2,Sb2と同じ大きさに達するように制御する。
その後、時刻tma,tmbから時刻tna,tnbまでの中期期間Ta2,Tb2においては、レーザ強度Sa2,Sb2を、一定となるように制御する。
更に、時刻tna,tnbから終了時tea,tebまでの終期期間Ta3,Tb3においては、レーザ強度Sa3,Sb3を、レーザ強度Sa2,Sb2の大きさから時間と共に徐々に小さく、更に具体的には直線的に小さくなり、終了時tea,tebにレーザ強度Sa2,Sb2の半分の大きさSah,Sbhで終わるように制御する。
このようなレーザ強度波形としても、初期期間Ta1,Tb1のレーザ強度Sa1,Sb1を時間が経過すると大きくなるようにしているので、レーザ照射時にスパッタが発生するのを抑制でき、また、全周溶接部135,145にブローホールが生じるのを抑制できる。また、終期期間Ta3,Tb3のレーザ強度Sa3,Sb3を時間が経過すると小さくなるようにしているので、全周溶接部135,145にクラックが発生するのを抑制できる。その他、上記実施形態1と同様な部分は、同様な作用・効果を奏する。
(実施形態3)
次いで、第3の実施の形態について説明する。なお、上記実施形態1または2と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。本実施形態3では、中心電極130及び接地電極140のレーザ溶接工程におけるレーザ強度波形(図13参照)が、上記実施形態1におけるレーザ強度波形(図8参照)と異なるのみで、それ以外は上記実施形態1と同様である。
本実施形態3のレーザ強度波形は、図13に示すように、各レーザパルスN1〜N10,M1〜M12のレーザ強度波形をそれぞれ以下のようにする。まず、パルス幅Ta,Tbに対して、開始時tsa,tsbから20%の期間を初期期間Ta1,Tb1とし、終了時tea,tebまでの20%の期間を終期期間Ta3,Tb3とし、これらの間の期間を中期期間Ta2,Tb2とする。そして、各レーザパルスN1〜N10,M1〜M12の初期期間Ta1,Tb1において、時間が経過するとレーザ強度Sa1,Sb1が大きくなり、終期期間Ta3,Tb3において、時間が経過するとレーザ強度Sa3,Sb3が小さくなる波形とする。なお、本実施形態3でも、これら全てのレーザパルスN1〜N10,M1〜M12が、本発明の初期増加型レーザパルスに相当すると共に、終期減少型レーザパルスにも相当する。
更に具体的には、開始時tsa,tsbから時刻tma,tmbまでの初期期間Ta1,Tb1においては、レーザ強度Sa1,Sb1を、中期期間Ta2,Tb2のレーザ強度Sa2,Sb2の3分の1の大きさSaj,Sbjから始め、初期期間Ta1,Tb1が半分経過する時刻tpa,tpbまで一定とする。その後、この時刻tpa,tpbから初期期間Ta1,Tb1が終わる時刻tma,tmbまで、レーザ強度Sa1,Sb1を、中期期間Ta2,Tb2のレーザ強度Sa2,Sb2の3分の2の大きさSai,Sbiで一定とする。
その後、時刻tma,tmbから時刻tna,tnbまでの中期期間Ta2,Tb2においては、レーザ強度Sa2,Sb2を、一定となるように制御する。
更に、時刻tna,tnbから終了時tea,tebまでの終期期間Ta3,Tb3においては、レーザ強度Sa3,Sb3を、中期期間Ta2,Tb2のレーザ強度Sa2,Sb2の3分の2の大きさSai,Sbiから始め、終期期間Ta3,Tb3が半分経過する時刻tqa,tqbまで一定とする。その後、この時刻tqa,tqbから終期期間Ta3,Tb3が終わる時刻tea,tebまで、レーザ強度Sa3,Sb3を、中期期間Ta2,Tb2のレーザ強度Sa2,Sb2の3分の1の大きさSaj,Sbjで一定とする。
このようなレーザ強度波形としても、初期期間Ta1,Tb1のレーザ強度Sa1,Sb1を時間が経過すると大きくなるようにしているので、レーザ照射時にスパッタが発生するのを抑制でき、また、全周溶接部135,145にブローホールが生じるのを抑制できる。また、終期期間Ta3,Tb3のレーザ強度Sa3,Sb3を時間が経過すると小さくなるようにしているので、全周溶接部135,145にクラックが発生するのを抑制できる。その他、上記実施形態1または2と同様な部分は、同様な作用・効果を奏する。
(実施形態4)
次いで、第4の実施の形態について説明する。なお、上記実施形態1〜3のいずれかと同様な部分の説明は、省略または簡略化する。本実施形態4では、中心電極130及び接地電極140のレーザ溶接工程におけるレーザ強度波形(図14参照)が、上記実施形態1におけるレーザ強度波形(図8参照)と異なるのみで、それ以外は上記実施形態1と同様である。
本実施形態4のレーザ強度波形は、図14に示すように、各レーザパルスN1〜N10,M1〜M12のレーザ強度波形をそれぞれ以下のようにする。まず、パルス幅Ta,Tbに対して、開始時tsa,tsbから20%の期間を初期期間Ta1,Tb1とし、終了時tea,tebまでの20%の期間を終期期間Ta3,Tb3とし、これらの間の期間を中期期間Ta2,Tb2とする。そして、各レーザパルスN1〜N10,M1〜M12の初期期間Ta1,Tb1において、時間が経過するとレーザ強度Sa1,Sb1が大きくなり、終期期間Ta3,Tb3において、時間が経過するとレーザ強度Sa3,Sb3が小さくなる波形とする。なお、本実施形態4でも、これら全てのレーザパルスN1〜N10,M1〜M12が、本発明の初期増加型レーザパルスに相当すると共に、終期減少型レーザパルスにも相当する。
具体的には、開始時tsa,tsbから時刻tma,tmbまでの初期期間Ta1,Tb1においては、レーザ強度Sa1,Sb1を、零から始めて時間と共に徐々に大きく、更に具体的には直線的に大きくなるように制御する。
その後、時刻tma,tmbから時刻tna,tnbまでの中期期間Ta2,Tb2においては、レーザ強度Sa2,Sb2を、レーザ強度Sak,Sbkから始めて時刻twa,twbでレーザ強度Saw,Sbwに達するように、時間と共に直線的に大きくなるように制御する。その後、この時刻twa,twbから中期期間Ta2,Tb2が終わる時刻tna,tnbまで、レーザ強度Sa2,Sb2を、
時間と共に直線的に小さくし、時刻tna,tnbでレーザ強度Sak,Sbkになるように制御する。
更に、時刻tna,tnbから終了時tea,tebまでの終期期間Ta3,Tb3においては、レーザ強度Sa3,Sb3を、時間と共に徐々に小さく、更に具体的には直線的に小さくして終了時tea,tebに零になるように制御する。
このようなレーザ強度波形としても、初期期間Ta1,Tb1のレーザ強度Sa1,Sb1を時間が経過すると大きくなるようにしているので、レーザ照射時にスパッタが発生するのを抑制でき、また、全周溶接部135,145にブローホールが生じるのを抑制できる。また、終期期間Ta3,Tb3のレーザ強度Sa3,Sb3を時間が経過すると小さくなるようにしているので、全周溶接部135,145にクラックが発生するのを抑制できる。その他、上記実施形態1〜3のいずれかと同様な部分は、同様な作用・効果を奏する。
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態1〜4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いうまでもない。
例えば、上記実施形態1〜4では、中心電極130及び接地電極140の形成において本発明を適用したが、いずれか一方の電極の形成においてのみ、本発明を適用することもできる。
また、上記実施形態1〜4では、中心電極130及び接地電極140が、電極チップ133,143と、この電極チップ133,143がレーザ溶接された電極母材131,141とからなるものを示し、電極チップ133,143と電極母材131,141とのレーザ溶接に本発明を適用した。しかし、これに限らず、中心電極130または接地電極140を、電極チップ133,143と、この電極チップ133,143がレーザ溶接された中間部材と、これらが接合された電極母材131,141とからなるものとし、電極チップ133,143と中間部材とのレーザ溶接に本発明を適用してもよい。この場合、中間部材が本発明の電極基材に相当する。
また、上記実施形態1では、初期期間Ta1,Tb1と終期期間Ta3,Tb3とが同一の時間であったが、初期期間よりも終期期間の方を長くしても良い。これにより、スパッタの発生を極めて効果的に抑制できる共に、各単位溶接部におけるブローホールの発生及びクラックの発生を極めて効果的に抑制できる。
また、上記実施形態1〜4では、レーザ溶接にあたって一つのレーザ光LSを照射しているが、中心電極チップや接地電極チップに対し、これらチップを介して対向する二方向から同時にレーザ光を照射するようにしても良い。但し、この方法はブローホールが生じやすいため、最終の単位溶接部の形成には一方向から照射されるレーザ光を用いることが好ましい。これにより、レーザ溶接を効率良く実現できると共に、ブローホールの発生を効果的に抑制できる。
また、接地電極母材141と接地電極チップ143とのレーザ溶接を行う際、図16に示すように、接地電極側電極チップ143の周方向のうち接地電極母材141の先端部141S寄りの位置からレーザ光LSの照射が開始され、その後、最先端位置を経て基端部141Kに向かう方向にレーザ光LSの照射されるようにしても良い。これにより、ブローホールの発生を効果的に抑制できる。
また、接地電極母材141と接地電極チップ143とのレーザ溶接を行う際、図17に示すように、接地電極母材141の所定長Lよりも先端側にΔLだけ長く形成された加工前接地電極母材141’を用意しておき、この加工前接地電極母材141’に接地電極チップ143をレーザ溶接し、その後、加工前接地電極母材141’を切断加工して所定長Lの接地電極140を得るようにしても良い。これにより、ブローホールの発生を効果的に抑制できる。
100 スパークプラグ
130 中心電極
131 中心電極母材(中心電極基材)
133 中心電極チップ
135 全周溶接部
135n1〜135n10 単位溶接部
140 接地電極(外側電極)
141 接地電極母材(外側電極基材)
143 接地電極チップ(外側電極チップ)
145 全周溶接部
145m1〜145m12 単位溶接部
AX 軸線
G 放電ギャップ
Ta,Tb パルス幅
Ta1,Tb1 初期期間
Ta2,Tb2 中期期間
Ta3,Tb3 終期期間
Sa1,Sb1 (初期期間の)レーザ強度
Sa2,Sb2 (中期期間の)レーザ強度
Sa3,Sb3 (終期期間の)レーザ強度
Ea1,Eb1 (初期期間の1パルス当たりの)レーザ照射エネルギー
Ea2,Eb2 (初期期間の1パルス当たりの)レーザ照射エネルギー
Ea3,Eb3 (初期期間の1パルス当たりの)レーザ照射エネルギー
N1〜N10,M1〜M12 (各々の)レーザパルス

その解決手段は、中心電極と、この中心電極と放電ギャップを隔てて離間する外側電極とを備え、これら中心電極及び外側電極の少なくとも一方は、貴金属を含む電極チップと、この電極チップが溶接された、卑金属を含む電極基材と、を有するスパークプラグの製造方法であって、前記電極チップを前記電極基材の所定位置に配置し、これらにパルス状のレーザ光を照射することにより、各レーザパルスに対応した単位溶接部を前記電極チップの周方向に順次形成して、前記電極チップと前記電極基材とを溶接するレーザ溶接工程であって、前記レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、開始時から所定の初期期間において、時間が経過するとレーザ強度が大きくなる波形である初期増加型レーザパルスとするレーザ溶接工程を備え、前記レーザ溶接工程では、前記初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形を、前記初期期間において、レーザ強度が所定の大きさから始めて時間と共に徐々に大きくなる波形とするスパークプラグの製造方法である。
また、レーザ溶接工程では、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、開始時から所定の初期期間において、時間が経過するとレーザ強度が大きくなる波形である初期増加型レーザパルスとすればよい。この波形としては、初期期間において、レーザ強度を所定の大きさから始めて時間と共に徐々に(例えば直線的に)大きくなるように制御するものがよい。
また、他の解決手段は、中心電極と、この中心電極と放電ギャップを隔てて離間する外側電極とを備え、これら中心電極及び外側電極の少なくとも一方は、貴金属を含む電極チップと、この電極チップが溶接された、卑金属を含む電極基材と、を有するスパークプラグの製造方法であって、前記電極チップを前記電極基材の所定位置に配置し、これらにパルス状のレーザ光を照射することにより、各レーザパルスに対応した単位溶接部を前記電極チップの周方向に順次形成して、前記電極チップと前記電極基材とを溶接するレーザ溶接工程であって、前記レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、終了時までの所定の終期期間において、時間が経過するとレーザ強度が小さくなる波形である終期減少型レーザパルスとするレーザ溶接工程を備え、前記レーザ溶接工程では、前記終期減少型レーザパルスのレーザ強度波形を、前記終期期間において、レーザ強度が時間と共に徐々に小さくして所定の大きさで終わる波形とするスパークプラグの製造方法である。
なお、終期期間において時間が経過するとレーザ強度が小さくなる波形としては、終期期間において、レーザ強度を時間と共に徐々に(例えば直線的に)小さくして所定の大きさで終わるように制御するものがよい。

Claims (16)

  1. 中心電極と、この中心電極と放電ギャップを隔てて離間する外側電極とを備え、
    これら中心電極及び外側電極の少なくとも一方は、貴金属を含む電極チップと、この電極チップが溶接された、卑金属を含む電極基材と、を有する
    スパークプラグの製造方法であって、
    前記電極チップを前記電極基材の所定位置に配置し、これらにパルス状のレーザ光を照射することにより、各レーザパルスに対応した単位溶接部を前記電極チップの周方向に順次形成して、前記電極チップと前記電極基材とを溶接するレーザ溶接工程であって、
    前記レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、開始時から所定の初期期間において、時間が経過するとレーザ強度が大きくなる波形である初期増加型レーザパルスとする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では、
    前記初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形を、前記初期期間において、レーザ強度が時間の経過と共に徐々に大きくなる波形とする
    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、
    前記初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形のうち、前記初期期間を、パルス幅に対して10%以上40%以下の期間とする
    スパークプラグの製造方法。
  4. 中心電極と、この中心電極と放電ギャップを隔てて離間する外側電極とを備え、
    これら中心電極及び外側電極の少なくとも一方は、貴金属を含む電極チップと、この電極チップが溶接された、卑金属を含む電極基材と、を有する
    スパークプラグの製造方法であって、
    前記電極チップを前記電極基材の所定位置に配置し、これらにパルス状のレーザ光を照射することにより、各レーザパルスに対応した単位溶接部を前記電極チップの周方向に順次形成して、前記電極チップと前記電極基材とを溶接するレーザ溶接工程であって、
    前記レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、終了時までの所定の終期期間において、時間が経過するとレーザ強度が小さくなる波形である終期減少型レーザパルスとするレーザ溶接工程を備える
    スパークプラグの製造方法。
  5. 請求項4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、
    前記終期減少型レーザパルスのレーザ強度波形を、前記終期期間において、レーザ強度が時間の経過と共に徐々に小さくなる波形とする
    スパークプラグの製造方法。
  6. 請求項4または請求項5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、
    前記終期減少型レーザパルスのレーザ強度波形のうち、前記終期期間を、パルス幅に対して10%以上40%以下の期間とする
    スパークプラグの製造方法。
  7. 請求項4〜請求項6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、
    前記レーザパルスのうち、少なくともいずれかのレーザパルスについて、そのレーザ強度波形が、開始時から所定の初期期間において、時間が経過するとレーザ強度が大きくなる波形である初期増加型レーザパルスとする
    スパークプラグの製造方法。
  8. 請求項7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、
    前記初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形を、前記初期期間において、レーザ強度が時間の経過と共に徐々に大きくなる波形とする
    スパークプラグの製造方法。
  9. 請求項7または請求項8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、
    前記初期増加型レーザパルスのレーザ強度波形のうち、前記初期期間を、パルス幅に対して10%以上40%以下の期間とする
    スパークプラグの製造方法。
  10. 請求項7〜請求項9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、
    前記初期期間よりも前記終期期間の方が長い
    スパークプラグの製造方法。
  11. 請求項1〜請求項10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、
    各々の前記レーザパルスの1パルス当たりのレーザ照射エネルギーについて、最初のレーザパルスのレーザ照射エネルギーが最も大きく、最後のレーザパルスのレーザ照射エネルギーが最も小さくなるように、段階的に減少させる
    スパークプラグの製造方法。
  12. 請求項11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、
    初めから数えて所定数のレーザパルスを前期レーザパルスとし、終わりから数えて所定数のレーザパルスを後期レーザパルスとし、これらの間のレーザパルスを中間レーザパルスとしたとき、
    前記前期レーザパルスと前記中間レーザパルスとの間、及び、前記中間レーザパルスと前記後期レーザパルスとの間で、1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを段階的に減少させると共に、
    前記前期レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを、前記中間レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーよりも、5%〜30%大きくする
    スパークプラグの製造方法。
  13. 請求項11または請求項12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、
    初めから数えて所定数のレーザパルスを前期レーザパルスとし、終わりから数えて所定数のレーザパルスを後期レーザパルスとし、これらの間のレーザパルスを中間レーザパルスとしたとき、
    前記前期レーザパルスと前記中間レーザパルスとの間、及び、前記中間レーザパルスと前記後期レーザパルスとの間で、1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを段階的に減少させると共に、
    前記後期レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーを、前記中間レーザパルスにおける1パルス当たりのレーザ照射エネルギーよりも、5%〜30%小さくする
    スパークプラグの製造方法。
  14. 請求項1〜請求項13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、
    最後に形成される最終単位溶接部以外の単位溶接部を形成するレーザ光として、前記電極チップを介して対向する二方向から同時に照射される二方向同時照射レーザ光を用い、
    前記最終単位溶接部を形成するレーザ光として、一方向から照射されるレーザ光を用いる
    スパークプラグの製造方法。
  15. 請求項1〜請求項14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、
    前記電極チップは外側電極側電極チップであり、前記電極基材は外側電極基材であり、
    前記レーザ溶接工程では、
    前記外側電極基材の所定位置に配置された前記外側電極側電極チップの周方向のうち前記外側電極基材の先端側の部位であって最先端位置を除く位置から前記レーザ光の照射が開始され、その後、前記最先端位置を経て基端側に向かう方向に前記レーザ光の照射が行われる
    スパークプラグの製造方法。
  16. 請求項1〜請求項14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、
    前記電極チップは外側電極側電極チップであり、前記電極基材は所定長を有した外側電極基材であり、前記外側電極側電極チップは前記外側電極基材における先端側の所定位置に溶接されるものであり、
    前記レーザ溶接工程では、
    前記外側電極基材の所定長よりも前記先端側に長く形成された加工前外側電極基材を用意し、該加工前外側電極基材における前記外側電極基材の前記所定位置に対応する位置に対し前記外側電極側電極チップの溶接を行い、
    その後、前記外側電極側電極チップが溶接された加工前外側電極基材を所定長となるように切断加工を行う
    スパークプラグの製造方法。

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