JP2011501377A - 点火プラグ電極チップの溶接方法 - Google Patents

Abstract

点火プラグの貴金属チップを点火プラグの電極に溶接する方法に関するものである。溶接方法は、レーザー溶接の時間に係るレーザービーム出力波形において、中間部の出力が両端部に比べて低くなるように形成する。また、上記レーザー溶接の時間に係るレーザービーム出力波形を、上記レーザービーム出力が漸進的に増加する上昇部、上記上昇部以後に上記レーザービーム出力が一定に維持される出力維持部及び上記出力維持部以後に出力が漸進的に減少する下降部をを含む台形波形に形成する。更に、上記レーザー溶接の時間に係るレーザービーム出力波形を、上記レーザービーム出力が漸進的に増加する上昇部及び上記上昇部以後に出力が漸進的に減少する下降部を含む三角形波形に形成する。その結果、電極チップを中心電極あるいは接地電極に堅固に付着することができる。

Description

本発明は、点火プラグ電極チップの溶接方法みに関するもので、詳しくは、点火プラグの貴金属電極チップを電極に結合するための溶接方法に関するものである。

点火プラグは、エンジンで燃焼させるためにスパークを発生する部品である。スパークを発生するために所定の間隔を有して中心電極と接地電極が配置される。中心電極と接地電極にはエンジン燃焼の効率を増大させるために電極チップがそれぞれ結合される。

中心電極及び接地電極としては一般にニッケル（Ｎｉ）が広用され、それらに結合される電極チップとしてはイリジウム（Ｉｒ）のような白金族貴金属あるいはこれらの貴金属合金が使われている。中心電極及び接地電極と電極チップとは溶接により固定され、溶接の方法としてはレーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接などが使われている。

最近、電極チップと中心電極とを結合する方法として特にレーザー溶接を利用することが検討されている。レーザー溶接は、入熱量が少なく、熱変形が小さくて、精密溶接が可能であるという長所がある一方、溶接工程変数に敏感であるという短所がある。レーザー溶接法は、レーザー光を利用して高密度エネルギーを中心電極または接地電極の電極母材と貴金属チップとの接合部に集中させる。そのため、電極母材の主成分であるニッケルとイリジウム合金が融解されるので、両者の中間の線膨脹係数を有する用材固着層を形成して熱応力を緩和させることができる。

研究によれば、レーザーエネルギーが小さいと、接合時の溶解度温度が低いのでニッケルだけが溶解されて溶けて、熱応力緩和効果は発揮されない。それはニッケルの融点が約１４５０℃であるのに対しイリジウムの融点は２４５０℃で極めて高く、両者の温度差が大きいからである。さらに、ニッケルの沸点は約２７００℃でイリジウムの融点に近い。一方、レーザーエネルギーが過大であると、融解部が高温になり、ニッケルが蒸発して欠陥が発生する。特に、レーザー溶接ビームはガウスビームであるので、中央部は過入熱のため蒸発による元素欠乏が発生して溶接品質が低下する問題点もあった。

よって、接地電極あるいは中心電極と電極チップとをレーザー溶接を利用し堅固に固定できるようにレーザー溶接に対する多くの研究が必要な実情である。

本発明は、上記のような問題点を解決しようと鑑みたもので、電極チップを中心電極あるいは接地電極に堅固に付着することができる、点火プラグ電極チップの溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は上記のような課題を解決するために、レーザー溶接により点火プラグの貴金属チップを電極に結合する点火プラグ電極チップの溶接方法であって、上記レーザー溶接の時間に係るレーザービーム出力波形において、中間部が両端部に比べて出力が低い馬蹄波形であることを特徴とする、点火プラグ電極チップの溶接方法を提供する。

ここで、上記レーザービーム出力波形は、四角波形を基とし中間部が両端部に比べて出力が低いことが好ましい。

更に、上記レーザービームの総入熱量は７０Ｊ／ｃｍ^２以上１5０Ｊ／ｃｍ^２以下であることが効果的である。

一方、上記レーザー溶接の時間に係るレーザービーム出力波形は、上記レーザービーム出力が漸進的に増加する上昇部と、上記上昇部以後に上記レーザービーム出力が一定に維持される出力維持部と、上記出力維持部以後に出力が漸進的に減少する下降部と、を含む台形波形で形成することもできる。

ここで、上記上昇部、上記出力維持部及び上記下降部のレーザービーム照射時間は実質的に同一であることが好ましい。

また、上記レーザービームの総入熱量は６０Ｊ／ｃｍ^２以上１５０Ｊ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

一方、上記レーザー溶接の時間に係るレーザービーム出力波形は、上記レーザービーム出力が漸進的に増加する上昇部と、上記上昇部以後に出力が漸進的に減少する下降部と、を含む三角形波形で形成することもできる。

ここで、上記上昇部及び上記下降部のレーザービーム照射時間は実質的に同一であることが好ましい。

更に、上記レーザービームの総入熱量は６０Ｊ／ｃｍ^２以上１５０Ｊ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

以上説明したように、本発明の課題解決手段によれば、レーザー溶接時間に係るレーザービームの出力波形を四角波形ではなく、馬蹄（Ｕ字形）波形、台形波形及び三角形波形に形成することで、中央部が過入熱して蒸発による元素欠乏、アンダーカット（undercut）及びアンダーカットにより周辺部にビーズが発生するハンピング（humping）などの問題点を解決することができる。

さらに、これらの波形に伴うレーザービームの適切な総入熱量を見出すことで、中心電極あるいは接地電極に貴金属電極チップをより強固に溶接することができる。

点火プラグの一部破断断面図である。 図１の中心電極及び接地電極を示した一部拡大断面図である。 レーザー溶接に使われるレーザービームの中心からの距離に係るビームの強度を示したグラフである。 本発明の各実施例に係るレーザー溶接に使われたレーザービーム照射時間に係るレーザービームの出力関係を示したグラフである。 本発明の各実施例に係るレーザー溶接に使われたレーザービーム照射時間に係るレーザービームの出力関係を示したグラフである。 本発明の各実施例に係るレーザー溶接に使われたレーザービーム照射時間に係るレーザービームの出力関係を示したグラフである。 本発明の各実施例に係るレーザー溶接に使われたレーザービーム照射時間に係るレーザービームの出力関係を示したグラフである。 本発明の実施例の溶接が適用される電極チップを示した側面図である。 図８の矢印VIから見た平面図である。 馬蹄波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の溶接断面写真である。 馬蹄波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の溶接断面写真である。 馬蹄波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の溶接断面写真である。 馬蹄波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の溶接断面写真である。 馬蹄波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の溶接断面写真である。 馬蹄波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の溶接断面写真である。 台形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。 台形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。 台形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。 台形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。 台形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。 三角形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。 三角形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。 三角形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。 三角形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例に関して詳細に説明する。

図１は、点火プラグの一部破断断面図である。

図１に示したように、点火プラグは、中心電極３と、中心電極３の外部に配置された絶縁体２と、絶縁体２の外部に配置された金属ハウジング１と、一端は金属ハウジング１に連接して他端は中心電極３に対抗する接地電極４と、を含む。中心電極３と接地電極４の対向する位置にはそれぞれ電極チップ３１、３２が形成される。

図２は、図１の中心電極及び接地電極の一部拡大断面図である。

図２に示したように、中心電極３の主要本体３aはその端部が先細になり、その端部面は平坦に形成される。電極チップ３１はディスク形状に形成されて平坦な端部面に配置され、レーザー接合、電子ビーム接合、抵抗接合またはその他の適切な接合技術を適用して連接面の外面に接合線Ｗを形成し、その結果、電極チップ３１は中心電極３の端部面に堅固に固定される。対向する電極チップ３２は接地電極４に配置され、接合線Ｗは同じように連接面の外面に形成され、その結果、電極チップ３２は接地電極４に堅固に固定される。

状況により２個の対向する電極チップ３１、３２中の一つを省略することもできる。もし、そのような場合にスパーク放電間隙ｇは各電極チップ３１、３２中の一つと接地電極４（または中心電極３）との間で形成される。

電極チップ３１、３２としては一般に白金族貴金属、特にイリジウムが広用される。電極チップ３１、３２は、必要な合金成分を混合しその混合物を溶かして得た溶解された物質から形成されるか、稠密な合金粉末型に形成するか、または、基本的な金属成分粉末を特定比率で混合してその稠密な合金粉末を焼結して得られた焼結体から形成される。

もし、電極チップ３１、３２が溶解された合金により形成されると、溶解された合金の生物質は、ローリング作業、焼き戻し作業、伸ばし作業、切断作業、剪断作業、消去作業中の一つ以上を含む作業工程を経由し、これによって電極チップは特定の形状を有して生産される。

以下では上述した電極チップ３１、３２と、中心電極３あるいは接地電極４と、をレーザー溶接により固定する溶接方法に関して説明する。

図３は、レーザー溶接に使われるレーザービームの中心からの距離に係るビームの強度を示したグラフである。

図３に示したように、レーザービームは、ビームの強度が中心で最も強くて周辺部へ行くほど急激に弱くなるガウス分布を有している。その結果、レーザービームを図４のように四角波形で照射すると、中央部は過入熱で蒸発による元素欠乏、アンダーカット（undercut）及びアンダーカットにより周辺部にビーズが発生するハンピング（humping）などの問題点が発生する。従って、過入熱を防止することができる様々なレーザー出力波形及びそれによるレーザー工程変数に伴う溶接結果を検討する。

下記の［表１］は、図４の四角波形でレーザービームの入熱量を相違にした時の溶接深さと、発生するハンピング（Humping）の平均大きさと、ハンピングの発生頻度を記載したものである。溶接深さが深いほど結合部位の結合力は増大される。よって、溶接の良好度を測定する指標として溶接深さを使用することができる。ハンピングとは、溶接時に溶接面の表面にこぶ状にデコボコに形成されるビーズであって、過入熱によるアンダーカット（undercut）により発生する溶接不良の一形態である。実験は中心電極あるいは接地電極として使われるニッケルを主体とする金属板に保護ガスをアルゴン（Ar）とし、ビーム移送速度は５００ｍｍ／ｓｅｃで実験した。

下記の[表２]は、図５の波形でレーザービームの入熱量を相違にしたときに発生する溶接深さ、ハンピング（Humping）の平均大きさ及びハンピングの発生頻度を記載したものである。図５の波形は、レーザー溶接時間に係るレーザービーム出力波形の形状が中間部４２が両端部４１に比べて出力が低いように形成される。即ち、四角波形を基として中間部４２が両端部に比べて出力が低いように調整されたものである（以下、図５の波形を‘馬蹄波形’と称す）。入熱量及びその他の溶接条件は四角波形と同様に実施した。

馬蹄波形は、[表２]から分かるように溶接深さが大差ではないが四角波形に比べて少しずつ増えたことが分かる。特に、ハンピングは全く発生しなかった。上記結果は、四角波形に比べて馬蹄波形の溶接特性が著しく優れることを示している。

下記の[表３]は、図６の波形でレーザービームの入熱量を相違にしたときに発生する溶接深さ、ハンピング（Humping）の平均大きさ及びハンピングの発生頻度を記載したものである。図６の波形は、レーザー溶接時間に係るレーザービーム出力波形の形状が台形形状である。即ち、レーザービームの出力が漸進的に増加する上昇部４３と、上昇部４３の以後にレーザービーム出力が一定に維持される出力維持部４４と、出力維持部４４の以後に出力が漸進的に減少する下降部４５と、により形成される。ここで、上昇部４３、出力維持部４４及び下降部４５のレーザービーム照射時間は相互実質的に同一になるように実験したが、必ずこれに限定されるものではない。入熱量及びその他の溶接条件は四角波形と同様に実施した。

台形波形も[表３]から分かるように、溶接深さが大差ではないが四角波形に比べて少しずつ増えたことが分かる。特に、ハンピングは１回発生したし、ハンピングの大きさも同一入熱量の四角波形に比べて遥かに小さい。上記の結果は、四角波形に比べて台形波形の溶接特性が著しく優れることを示している。

下記の[表４]は、図７の波形でレーザービームの入熱量を相違にしたときに発生する溶接深さ、ハンピング（Humping）の平均大きさ及びハンピングの発生頻度を記載したものである。図７の波形は、レーザー溶接時間に係るレーザービーム出力波形の形状が三角形波形である。即ち、レーザービームの出力が漸進的に増加する上昇部４６と、上昇部４６以後に出力が漸進的に減少する下降部４７と、により形成される。ここで、上昇部４６及び下降部４７のレーザービーム照射時間は相互実質的に同一になるように実験したが、必ずこれに限定されるものではない。入熱量及びその他の溶接条件は四角波形と同様に実施した。

台形波形も[表４]から分かるように溶接深さは大差がないことが分かる。しかし、ハンピングは１回だけ発生したし、ハンピングの大きさも同一入熱量の四角形波形に比べて遥かに小さい。上記の結果は四角波形に比べて台形波形の溶接特性が著しく優れることを示している。

以下では、四角波形に比べて著しく優れた効果を示している図５〜図７の波形それぞれに対してビームの入熱量を相違にしたときの接地電極あるいは中心電極と貴金属チップ間の溶接状態を観察する。

溶接は、図８及び図９に示したように、中心電極３と、電極チップ３１間に４５度の角度でレーザービームを４ヶ所（Ｗ１）に照射する方法で実施した。電極チップ３１はイリジウムチップであって直径は０。６ｍｍである。レーザービームはビームの直径が６００μｍのビームを使用した。ビームの照射時間は１５０ｍｓである。

図１０〜図１５は、馬蹄波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の溶接断面の写真である。各溶接条件を整理すれば下記の[表５]のようである。

上記の結果を見ると、図１０はビームの入熱量が充分でないので各合金の接合面だけが若干溶融されていることが分かる。

図１１〜図１４では、電極チップと中心電極間の境界面が完全に溶融されて溶接部位を形成していることが分かる。図１５では、ビームの入熱量が多すぎて溶融面に激しい気孔が発生して適合しない溶接性を示していることが分かる。従って、馬蹄波形ではレーザービームの総入熱量は７０Ｊ／ｃｍ^２以上１5０Ｊ／ｃｍ^２以下であることが最も好ましい。

図１６〜図２０は、台形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。各溶接条件を整理すれば下記の[表６]と同様である。

上記の結果を見ると、図１６はビームの入熱量が充分でないので電極チップが全く溶融されてないことが分かる。

図１７〜図１９では、電極チップと中心電極間の境界面が完全に溶融されて溶接部位を形成していることが分かる。図２０では、ビームの入熱量が多すぎて溶融面にだいぶ大きい気孔が発生して適合しない溶融状態を示していることが分かる。従って、台形波形ではレーザービームの総入熱量は６０Ｊ／ｃｍ^２以上１５０Ｊ／ｃｍ^２以下のものが最も好ましい。

図２１〜図２４は、三角形波形のビームを入熱量を相違にして中心電極と貴金属チップに適用した後の断面写真である。各溶接条件を整理すれば下記の[表７]と同様である。

上記の結果を見ると、図２１はビームの入熱量が充分でないので電極チップが全く溶融されてないことが分かる。

図２２〜図２４では、電極チップと中心電極間の境界面が完全に溶融されて溶接部位を形成していることが分かる。ビームの総入熱量が１８０Ｊ／ｃｍ^２である場合は最高点でのレーザービームの出力が強くて電極チップが離脱するので量産には適用することが出来ないと判断される。

従って、三角形の波形ではレーザービームの総入熱量は６０Ｊ／ｃｍ^２以上１５０Ｊ／ｃｍ^２以下のものが最も好ましい。

以上、本発明の好ましい実施例を例示的に説明したが、本発明の範囲はこのような特定実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で適切に変更することができる。

３１：貴金属チップ
４１：（馬蹄波形の）両端部
４２：（馬蹄波形の）中間部
４３：（台形波形の）上昇部
４４：（台形波形の）出力維持部
４５：（台形波形の）下降部
４６：（三角形波形の）上昇部
４７：（三角形波形の）下降部

Claims (9)

1. レーザー溶接により点火プラグの貴金属チップを電極に結合する点火プラグ電極チップの溶接方法であって、
   上記レーザー溶接の時間に係るレーザービーム出力波形において、中間部が両端部に比べて出力が低いことを特徴とする、点火プラグ電極チップの溶接方法。
2. 上記レーザービーム出力波形は、四角波形を基とし中間部が両端部に比べて出力が低いことを特徴とする、請求項１記載の点火プラグ電極チップの溶接方法。
3. 上記レーザービームの総入熱量は７０Ｊ／ｃｍ^２以上１5０Ｊ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の点火プラグ電極チップの溶接方法。
4. レーザー溶接により点火プラグの貴金属チップを電極に結合する点火プラグ電極チップの溶接方法であって、
   上記レーザー溶接の時間に係るレーザービーム出力波形は、
   上記レーザービーム出力が漸進的に増加する上昇部と、
   上記上昇部以後に上記レーザービーム出力が一定に維持される出力維持部と、
   上記出力維持部以後に出力が漸進的に減少する下降部と、
   を含む台形波形であることを特徴とする、点火プラグ電極チップの溶接方法。
5. 上記上昇部、上記出力維持部及び上記下降部のレーザービーム照射時間は実質的に同一であることを特徴とする、請求項４記載の点火プラグ電極チップの溶接方法。
6. 上記レーザービームの総入熱量は６０Ｊ／ｃｍ^２以上１５０Ｊ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする、請求項４または５記載の点火プラグ電極チップの溶接方法。
7. レーザー溶接により点火プラグの貴金属チップを電極に結合する点火プラグ電極チップの溶接方法であって、
   上記レーザー溶接の時間に係るレーザービーム出力波形は、
   上記レーザービーム出力が漸進的に増加する上昇部と、
   上記上昇部以後に出力が漸進的に減少する下降部と、
   を含む三角形波形であることを特徴とする、点火プラグ電極チップの溶接方法。
8. 上記上昇部及び上記下降部のレーザービーム照射時間は実質的に同一であることを特徴とする、請求項７記載の点火プラグ電極チップの溶接方法。
9. 上記レーザービームの総入熱量は６０Ｊ／ｃｍ^２以上１５０Ｊ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする、請求項７または８記載の点火プラグ電極チップの溶接方法。

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