JP2014157765A - 微小径先端段付溶接電極 - Google Patents

Abstract

【課題】導体部材に金属部材をレーザ溶接によって接合する接合方法であって、望まれない窪みが形成され難いものを提供すること。
【解決手段】金属又はサーメットによって構成された導体部材２０の上面に、軸線を有する形状を備えた金属部材１０が、軸線が導体部材２０の上面に垂直になるように、レーザ溶接によって接合される。導体部材２０の上面に金属部材１０が載置され、且つ、金属部材１０の下側端部の周囲に、膨らみ部３０が設けられる。膨らみ部３０は、導体部材２０に含まれる金属、金属部材１０を構成する金属、又は、その他の導電性材料によって構成されるとともに、金属部材１０に対して全周に亘って軸線から遠ざかる方向に突出している。レーザビームの中心軸が膨らみ部３０に当たるように膨らみ部３０に向けてレーザビームが照射される。
【選択図】図９

Description

本発明は、接合方法に関する。

従来より、金属又はサーメットによって構成された中心電極（導体部材）に、軸線を有する形状を備えた金属チップ（金属部材）が溶接によって接合された、点火プラグの電極等（接合体）が広く知られている（特許文献１を参照）。

出願人は、このような接合体の接合法として、入熱量が少なく、溶け込み深さが長く、且つ、精密溶接が可能なレーザ溶接を採用することを検討している。

図１６は、円柱状の中心電極２００の上面に、中心電極よりも小径の円柱状の金属チップ１００が同軸的に載置された状態で、レーザビームの中心軸が中心電極２００と金属チップ１００との接触部の周囲に当たるようにレーザビームが照射される様子の一例を示す。レーザビームは、前記接触部の周囲に対して、周方向における複数の箇所に向けて間欠的に照射されてもよいし、全周に亘って連続的に照射されてもよい。これにより、前記接触部の全域（或いは、一部）が溶かし込まれることによって、中心電極２００の上面に金属チップ１００が連続的に接合される。

特表２０１１−５０１３７７号公報

ところで、図１６に示すように、レーザビームの中心軸が中心電極２００と金属チップ１００との接触部の周囲に当たるようにレーザビームが照射されると、図１７に示すように、金属チップ１００の側面における前記接触部の近傍部分において望まれない窪み（円柱形状の外径面に対して凹んだ窪み）が形成され易い、という問題があった。或いは、図１８に示すように、中心電極２００の上面における前記接触部の近傍部分において望まれない窪み（円柱形状の上面（平面）に対して凹んだ窪み）が形成され易い、という問題があった。これらの窪みは、レーザビームの照射中におけるレーザビームの反射等に起因して形成されると考えられる。このような窪みの形成が抑制されることが望まれるところである。

本発明は上記問題に対処するものであり、その目的は、導体部材に金属部材をレーザ溶接によって接合する接合方法であって、上述した窪みが形成され難いものを提供することにある。

本発明に係る接合方法は、金属又はサーメットによって構成された導体部材の接合面に、軸線を有する形状を備えた金属によって構成された金属部材における前記軸線の方向の一端に位置する前記軸線と垂直な接合面をレーザ溶接によって接合する接合方法である。

本発明の特徴は、前記導体部材の接合面と前記金属部材の接合面とが接触するように前記導体部材の上に前記金属部材が載置され、且つ、前記金属部材における前記軸線方向の前記接合面に近い側の端部の周囲に、前記導体部材に含まれる金属、前記金属部材を構成する金属、又は、その他の導電性材料によって構成されるとともに前記金属部材に対して全周に亘って前記軸線から遠ざかる方向に突出した膨らみ部が設けられた状態、を実現する第１工程と、レーザビームの中心軸が前記膨らみ部に当たるように前記膨らみ部に向けてレーザビームを照射する第２工程と、を備えたことにある。

ここにおいて、前記膨らみ部が角部を備え、前記第２工程において、前記レーザビームの中心軸が前記膨らみ部の角部に当たるように前記膨らみ部に向けて前記レーザビームが照射されることが好適である。加えて、前記レーザビームが、前記膨らみ部のみに当たり、前記膨らみ部以外の部位には当たらないように照射されることが好ましい。

これによれば、膨らみ部に向けてレーザビームが照射される。従って、膨らみ部に加えて「導体部材と金属部材との界面部分の全域」が溶かし込まれ得、この結果、導体部材の上に金属部材が連続的に接合され得る。加えて、レーザビームの照射中において、膨らみ部の存在に起因して、上述したレーザビームの反射が低減され得る。また、レーザビームの照射中において、レーザビームの反射等に起因して上述のような窪みが仮に一時的に形成されたとしても、その後において、溶け込んだ「膨らみ部を構成していた材料」がその窪みを埋め得ることによって、上述した窪みの形成が抑制され得る。

本発明の実施形態に係る接合方法によって接合・形成された、点火プラグの電極の上面部、及び、側面図である。 図１に示した複数の点火プラグの電極が絶縁部材に埋設された状態の一例を示した図である。 図１に示した金属チップの溶接前の状態の上面図、及び、側面図である。 図３の４−４線に対応する断面図である。 図１に示した中心電極の溶接前の状態の上面図、及び、側面図である。 図５の６−６線に対応する断面図である。 図５に示した中心電極の上面に図３に示した金属チップを同軸的に載置する工程を示した図である。 図５に示した中心電極の上面に図３に示した金属チップが載置された状態を示した図である。 図８に示した状態にある積層体に対して、レーザビームの中心軸が膨らみ部の角部に当たるように膨らみ部に向けてレーザビームが照射された状態を示した図である。 図９に示したレーザビームが、膨らみ部の角部の周囲に対して、周方向における複数の箇所に向けて間欠的に照射された場合を示す図である。 図９に示したレーザビームが、膨らみ部の角部の周囲に対して、全周に亘って連続的に照射された場合を示す図である。 本発明の実施形態の第１変形例に係る、図８に対応する図である。 図１２に示した第１変形例に係る、図９に対応する図である。 本発明の実施形態の第２変形例に係る、図８に対応する図である。 図１４に示した第２変形例に係る、図９に対応する図である。 従来の接合方法によって、レーザビームの中心軸が中心電極と金属チップとの接触部の周囲に当たるように両者に向けてレーザビームが照射された状態を示した図である。 図１６に示した方法によってレーザビームが照射された場合において、金属チップの側面に望まれない窪みが形成された状態を示した図である。 図１６に示した方法によってレーザビームが照射された場合において、中心電極の上面に望まれない窪みが形成された状態を示した図である。

以下、本発明の実施形態（本実施形態）に係る接合方法、並びに、その接合方法によって形成された点火プラグの電極について説明する。

（本実施形態に係る接合方法によって形成された点火プラグの電極の構成）
図１は、本実施形態に係る接合方法によって接合・製造された点火プラグの電極（接合体）の一例を示す。この点火プラグの電極は、円柱状の中心電極２０と、中心電極２０の上面にレーザ溶接によって同軸的に接合・固定された中心電極２０よりも小径の円柱状の金属チップ１０と、によって構成される。

金属チップ１０の下側端部は、後述する膨らみ部３０に向けてレーザビームを照射することに起因して、径方向外側に周方向の全周に亘って若干膨らんでいる。この膨らんだ部分は、膨らみ部３０（及び、金属チップ１０及び中心電極２０における膨らみ部３０に近い領域）がレーザビームによって溶かし込まれたことに起因して形成されている。従って、この膨らんだ部分は、主として膨らみ部３０を構成する材料（金属チップ１０を構成する材料、及び中心電極２０を構成する材料も含まれ得る）によって構成されている。

図１に示す点火プラグの電極は、例えば、図２に示すように、複数の点火プラグの電極が所定の間隔をあけて互いに平行に整列するように、それぞれの中心電極２０がアルミナ等で構成される一つの円柱状の絶縁体４０に埋設された状態で使用され得る。

（本実施形態に係る接合方法）
以下、図１に示した点火プラグの電極（接合体）の本実施形態に係る接合方法について、図３〜図１１を参照しながら説明する。

先ず、図３、及び図４に示すように、円柱状の金属チップ１０が準備される。この円柱状の金属チップ１０の下端部には、金属チップ１０と同じ材料からなる円環状（ドーナツ状）の膨らみ部３０が、金属チップ１０と一体的に（連続的に）設けられている。即ち、金属チップ１０と膨らみ部３０とによって、段付き円柱状の一つの金属塊が構成されている。金属チップ１０の直径Ｄ１、及び高さＨ１は、例えば、０．２〜０．５ｍｍ、及び０．５〜５ｍｍである。膨らみ部３０の外径Ｄ２、及び高さＨ２は、例えば、０．６〜２ｍｍ、及び０．１〜０．５ｍｍである。

金属チップ１０及び膨らみ部３０を構成する金属材料としては、例えば、イリジウムＩｒ、ニッケルＮｉ、白金Ｐｔ等が挙げられる。この段付き円柱状の金属塊（金属チップ１０＋膨らみ部３０）は、例えば、金属のバルク体に対する機械加工、金属粉末を用いたプレス成形等の周知の手法の一つによって得られる。

次いで、図５、及び図６に示すように、円柱状の中心電極２０が準備される。中心電極２０の直径Ｄ３、及び高さＨ３は、例えば、１〜１０ｍｍ、及び５〜３０ｍｍである。中心電極２０は、金属、又はサーメットによって構成される。中心電極２０が金属で構成される場合、その金属材料としては、例えば、イリジウムＩｒ、ニッケルＮｉ、白金Ｐｔ等が挙げられる。中心電極２０がサーメットで構成される場合、サーメットに含まれる金属としては、例えば、イリジウムＩｒ、ニッケルＮｉ、白金Ｐｔ等が挙げられ、サーメットに含まれる金属以外の材料（セラミックス材料）としては、シリカＳｉＯ_２、アルミナＡｌ_２Ｏ_３等が挙げられる。

中心電極２０が金属で構成される場合、この円柱状の中心電極２０は、例えば、金属のバルク体に対する機械加工、金属粉末を用いたプレス成形等の周知の手法の一つによって得られる。中心電極２０がサーメットで構成される場合、この円柱状の中心電極２０は、金属材料、及びセラミックス材料の粉末を含むスラリーを用いて円柱状に成形された成形体を焼成することによって得られる。

次に、図７に示すように、円柱状の中心電極２０の上面に、断付き円柱状の金属塊（金属チップ１０＋膨らみ部３０）が同軸的に載置される。これにより、図８に示す積層体が得られる。図８に示す積層体において、中心電極２０の上に金属塊（金属チップ１０＋膨らみ部３０）を仮止めするために、中心電極２０と金属塊との接触部の周囲に対して、周方向における複数の箇所に向けて間欠的に、抵抗溶接（スポット溶接）が施されてもよい。

続いて、図９に示すように、レーザビームの中心軸が膨らみ部３０の角部に当たるように膨らみ部３０に向けてレーザビームが照射される。レーザビームの中心軸の水平面からの傾き角（照射角度）θは、１５〜７０°である。レーザビームは、レーザビームのスポット径に対応する部分が膨らみ部３０の角部に当たるように照射される。スポット径とは、レーザビームが最も集まる箇所（焦点）のビーム径である。

また、レーザビームは、レーザビーム（より具体的には、レーザビーム照射装置）と積層体とが、積層体の中心軸に対して周方向に相対的に移動しながら照射される。このとき、レーザビームは、図１０に示すように、膨らみ部３０の角部に対して、周方向における複数の箇所に向けて間欠的に照射されてもよいし、図１１に示すように、全周に亘って連続的に照射されてもよい。図１０、及び図１１において、微細なドットで示す領域は、膨らみ部３０に対してレーザビームが当たる領域（スポット径に対応する領域）を示す。

レーザ照射装置としては、ＩＰＧフォトニクスジャパン（株）製の水冷式のシングルモードファイバレーザ（型式：ＹＬＲ−３００−ＳＭ）が使用された。レーザビームのコア径は９μｍであり、レーザビームのスポット径は２０μｍであった。図１０に示すようにレーザビームが間欠的に照射される場合、レーザビームの照射条件は、１箇所につき、３００Ｗ（ワット）、１Ｈｚ（ヘルツ）で７０ｍｓｅｃ（ミリ秒）であった。図１１に示すようにレーザビームが連続的に照射される場合、レーザビームの照射条件は、３００Ｗ、１Ｈｚ（ヘルツ）で、周方向の相対移動角速度が６°／ｓｅｃ（秒）であった。

上述したレーザビームの照射によって、膨らみ部３０（並びに、金属チップ１０及び中心電極２０における膨らみ部３０に近い領域）がレーザビームによって溶かし込まれる。この結果、中心電極２０と金属塊との接触部の全域（或いは、一部）が溶かし込まれることにより、中心電極２０の上面に金属チップ１０が連続的に強固に接合・固定される。

なお、上述した図１に示すように、このレーザビームの照射後、金属チップ１０の下側端部（即ち、膨らみ部３０が存在していた部分）には、径方向外側に周方向の全周に亘って若干膨らんだ部分が形成される。この膨らんだ部分は、主として膨らみ部３０を構成する材料（金属チップ１０を構成する材料、及び中心電極２０を構成する材料も含まれ得る）によって構成される。

以上、本実施形態に係る接合方法によれば、膨らみ部３０に向けてレーザビームが照射される。従って、膨らみ部３０に加えて「中心電極２０と金属チップ１０との界面部分の全域」が溶かし込まれ得、この結果、中心電極２０の上に金属チップ１０が連続的に強固に接合され得る。加えて、レーザビームの照射中において、膨らみ部３０の存在に起因して、「発明の概要」の欄で述べたレーザビームの反射が低減され得る。また、レーザビームの照射中において、レーザビームの反射等に起因して「発明の概要」の欄で述べたような窪み（図１７、図１８を参照）が仮に一時的に形成されたとしても、その後において、溶け込んだ「膨らみ部３０を構成していた材料」がその窪みを埋め得る。これにより、上述した窪みの形成が抑制され得る。

ここで、レーザビームは、膨らみ部３０のみに当たり、膨らみ部３０以外の部位（具体的には、金属チップ１０及び中心電極２０における膨らみ部３０に近い部位）には当たらないように照射されることが好適である。これにより、上述した窪みの形成がより一層抑制され得る。

（本実施形態の第１変形例に係る接合方法）
次に、図１に示した点火プラグの電極（接合体）の第１変形例に係る接合方法について、図１２、図１３を参照しながら説明する。上記本実施形態に対する第１変形例の相違点は、図１２、図１３から理解できるように、円環状の膨らみ部３０が、円柱状の金属チップ１０とは別体である点のみである。即ち、第１変形例では、膨らみ部３０は、金属チップ１０の下端部の周囲において前記下端部の周囲を覆うように設けられている。

この第１変形例では、円柱状の金属チップ１０に円環状の膨らみ部３０が取り付けられた後に、円柱状の中心電極２０の上面に金属チップ１０（及び膨らみ部３０）が同軸的に載置されてもよいし、円柱状の中心電極２０の上面に円柱状の金属チップ１０が同軸的に載置された後に、金属チップ１０に円環状の膨らみ部３０が取り付けられてもよい。図１２に示す積層体において、金属チップ１０と膨らみ部３０とを仮止めするために、金属チップ１０と膨らみ部３０との接触部の周囲に対して、周方向における複数の箇所に向けて間欠的に、抵抗溶接（スポット溶接）が施されてもよい。

この第１変形例では、膨らみ部３０を構成する材料は、金属チップ３０を構成する材料と異なっていてもよい。具体的には、膨らみ部３０を構成する材料は、中心電極２０を構成する材料に含まれる金属であってもよいし、その他の導電性材料であってもよい。

図１２、図１３に示す例では、膨らみ部３０は、断面が四角形の円環状を呈していて、全周に亘って連続する角部を有しているが、膨らみ部３０は、紐状の金属材料片を円柱状の金属チップ１０の下端部に巻きつけることで構成されてもよい。この場合、膨らみ部３０の角部は、形成されないか、或いは、全周に亘っては連続しない。

この第１変形例においても、膨らみ部３０に角部が存在する場合には、上記本実施形態（図９を参照）と同様、図１３に示すように、レーザビームの中心軸が膨らみ部３０の角部に当たるように膨らみ部３０に向けてレーザビームが照射される。レーザビームの照射条件（出力、照射時間、照射角度θ）は、上記本実施形態と同じである。膨らみ部３０に角部が存在しない場合には、レーザビームの中心軸が膨らみ部３０のどこかに当たるように膨らみ部３０に向けてレーザビームが照射される。

この第１変形例においても、上記本実施形態と同様のメカニズムによって、上述した窪みの形成が抑制され得る。ここで、レーザビームが、膨らみ部３０のみに当たり、膨らみ部３０以外の部位（具体的には、金属チップ１０及び中心電極２０における膨らみ部３０に近い部位）には当たらないように照射されることが好適である。これにより、上述した窪みの形成がより一層抑制され得る。

（本実施形態の第２変形例に係る接合方法）
次に、図１に示した点火プラグの電極（接合体）の第２変形例に係る接合方法について、図１４、図１５を参照しながら説明する。上記本実施形態に対する第２変形例の相違点は、図１４、図１５から理解できるように、「円柱状の金属部材１０が、上側の円柱状の第１部分１０ａと、第１部分１０ａとは別体の下側の円柱状の第２部分１０ｂと、で構成された点」、並びに、「膨らみ部３０が、第１、第２部分１０ａ、１０ｂと同じ材料で、第２部分１０ｂと一体で構成されている点」のみである。換言すれば、第２部分１０ｂと膨らみ部３０とによって、一つの円柱状の金属塊（大径部分）が構成され、その金属塊の上に同軸上に円柱状の第１部分１０ａ（小径部分）が載置されている。第１、第２部分１０ａ、１０ｂ、並びに、膨らみ部３０は、全て同じ金属材料で構成されている。

この第２変形例では、円柱状の上記金属塊（第２部分１０ｂ＋膨らみ部３０）に第１部分１０ａが取り付けられた後に、円柱状の中心電極２０の上面にその積層体（金属塊＋第１部分１０ａ）が同軸的に載置されてもよいし、円柱状の中心電極２０の上面に円柱状の上記金属塊（第２部分１０ｂ＋膨らみ部３０）が同軸的に載置された後に、その金属塊の上に円柱状の第１部分１０ａが同軸的に載置されてもよい。図１４に示す積層体において、金属塊と中心電極２０、及び、金属塊と第１部分１０ａを仮止めするために、各接触部の周囲に対して、周方向における複数の箇所に向けて間欠的に、抵抗溶接（スポット溶接）が施されてもよい。

この第２変形例では、図１４に示すように、レーザビームの照射が２か所に対して実行され得る。この場合、先ず、レーザビームの中心軸が第１部分１０ａと金属塊（第２部分１０ｂ＋膨らみ部３０）との接触部の周囲に当たるように第１、第２部分１０ａ、１０ｂに向けてレーザビームＬ１が照射される。これにより、第１部分１０ａと金属塊（第２部分１０ｂ＋膨らみ部３０）との界面部分の全域が溶かし込まれ得、この結果、第１部分１０ａと金属塊（第２部分１０ｂ＋膨らみ部３０）とが強固に接合・固定される。その後、レーザビームの中心軸が膨らみ部３０の角部に当たるように膨らみ部３０に向けてレーザビームＬ２が照射される。これにより、金属塊（第２部分１０ｂ＋膨らみ部３０）と中心電極２０とが強固に接合・固定される。

図１０に示すようにレーザビームが間欠的に照射される場合、レーザビームＬ１の照射条件は、１箇所につき、３００Ｗ（ワット）、１Ｈｚ（ヘルツ）で４ｍｓｅｃ（ミリ秒）、周方向の相対移動角速度が６°／ｓｅｃ（秒）、オーバーラップ率が８０％であり、レーザビームＬ２の照射条件は、１箇所につき、３００Ｗ（ワット）、１Ｈｚ（ヘルツ）で７０ｍｓｅｃ（ミリ秒）、オーバーラップ率が５０％であった。照射角度θは、レーザビームＬ１、Ｌ２ともに、上記本実施形態と同じである。

この第２変形例においても、上記本実施形態と同様のメカニズムによって、上述した窪みの形成が抑制され得る。ここで、レーザビームＬ２が、膨らみ部３０のみに当たり、膨らみ部３０以外の部位（具体的には、第１部分１０ａ及び中心電極２０における膨らみ部３０に近い部位）には当たらないように照射されることが好適である。これにより、上述した窪みの形成がより一層抑制され得る。

以上、本発明は上記本実施形態、及び変形例に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記本実施形態等では、金属チップ１０、及び中心電極２０の（軸線と垂直な）断面形状が円形であり、膨らみ部３０の（軸線と垂直な）断面形状が円環状（ドーナツ状）を呈しているが、軸線方向からみて、膨らみ部３０が、金属チップ１０に対して全周に亘って軸線から遠ざかる方向にはみ出し、かつ、中心電極２０が膨らみ部３０に対して全周に亘って軸線から遠ざかる方向にはみ出している限りにおいて、金属チップ１０、中心電極２０、及び膨らみ部３０の（軸線と垂直な）断面形状が如何なる形状であってもよい。

１０…金属チップ、１０ａ、１０ｂ…第１、第２部分、２０…中心電極、３０…膨らみ部

Claims (8)

1. 金属又はサーメットによって構成された導体部材の接合面に、軸線を有する形状を備えた金属によって構成された金属部材における前記軸線の方向の一端に位置する前記軸線と垂直な接合面をレーザ溶接によって接合する接合方法であって、
   前記導体部材の接合面と前記金属部材の接合面とが接触するように前記導体部材の上に前記金属部材が載置され、且つ、前記金属部材における前記軸線方向の前記接合面に近い側の端部の周囲に、前記導体部材に含まれる金属、前記金属部材を構成する金属、又は、その他の導電性材料によって構成されるとともに前記金属部材に対して全周に亘って前記軸線から遠ざかる方向に突出した膨らみ部が設けられた状態、を実現する第１工程と、
   レーザビームの中心軸が前記膨らみ部に当たるように前記膨らみ部に向けてレーザビームを照射する第２工程と、
   を含む、接合方法。
2. 請求項１に記載の接合方法において、
   前記膨らむ部が角部を備え、
   前記第２工程において、前記レーザビームの中心軸が前記膨らみ部の角部に当たるように前記膨らみ部に向けて前記レーザビームが照射される、接合方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の接合方法において、
   前記膨らみ部は、前記金属部材を構成する金属で構成された、前記金属部材と一体の部分である、接合方法。
4. 請求項１又は請求項２に記載の接合方法において、
   前記膨らみ部は、前記金属部材の前記端部の周囲において前記端部の周囲を覆うように設けられた、前記金属部材とは別体の部材である、接合方法。
5. 請求項１又は請求項２に記載の接合方法において、
   前記金属部材は、前記軸線方向において前記金属部材の接合面から遠い側の第１部分と、前記第１部分とは別体の前記接合面に近い側の第２部分と、で構成され、
   前記膨らみ部は、前記金属部材を構成する金属で構成された、前記金属部材の第２部分と一体の部分である、接合方法。
6. 請求項５に記載の接合方法において、
   前記膨らむ部が角部を備え、
   前記第２工程において、
   前記金属部材の前記第２部分の上に前記金属部材の前記第１部材が載置された状態において、
   先ず、前記レーザビームの中心軸が前記金属部材の前記第１、第２部分の接触部の周囲に当たるように前記第１、第２部分に向けて前記レーザビームが照射され、
   その後、前記レーザビームの中心軸が前記膨らみ部の角部に当たるように前記膨らみ部に向けて前記レーザビームが照射される、接合方法。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の接合方法において、
   前記レーザビームが、前記膨らみ部のみに当たり、前記膨らみ部以外の部位には当たらないように照射される、接合方法。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の接合方法において、
   前記膨らみ部の形状における前記軸線方向と垂直な方向の代表長さが、１ｍｍ以下である、接合方法。

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