JP6931739B2 - スパークプラグ電極及びかかるスパークプラグ電極の製造方法並びにスパークプラグ電極を備えるスパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載のスパークプラグ電極と、請求項６に記載のかかるスパークプラグ電極を備えるスパークプラグと、請求項７に記載のかかるスパークプラグ電極の製造方法と、に関する。

スパークプラグの寿命は、その部品の耐久性が理由で制限される。かかる部品の一つが、スパークプラグ電極又はスパークプラグ電極を製造する原料となる材料である。このスパークプラグ電極を内燃機関内で使用している間は、スパークプラグ電極及びその材料は、常に腐食及び浸食過程にさらされる。内燃機関の作動中のスパークプラグ電極の材料の酸化及び点火火花プラズマが原因で、時間の経過と共にスパークプラグ電極間の点火間隙が大きくなり、こうしてスパークプラグが点火能力を失い、交換することが必要となる。

これに応じて、今日の研究の目的は、高い耐腐食性及び耐浸食性を有する材料及び材料の組み合わせを見出すことにある。現在使用されるニッケル合金製のスパークプラグ電極は、約３００００ｋｍ〜６００００ｋｍの寿命を有する。貴金属合金製のスパークプラグ電極は、６００００ｋｍ〜９００００ｋｍの寿命を有するが、材料費が原因で、ニッケル合金製のスパークプラグ電極より明らかに高価となる。

材料費を削減するために、多くの場合、ニッケル合金製の電極本体と、貴金属又は貴金属合金製の点火要素とが組み合わせられる。電極本体と点火要素は、溶接法を用いて材料結合によって互いに結合される。頻繁に使用される貴金属は、白金及びイリジウム並びにこれらの元素を含む合金である。

しかし、貴金属合金とニッケル合金は、異なる熱膨張係数を有するため、溶接継手に機械的応力が発生する。極端な場合には、溶接継手が破断し、貴金属を原料とする点火要素が電極本体から剥離するので、スパークプラグが使用不可能になる。この問題は、Ｐｔを原料とした点火要素の場合よりもＩｒを原料とした点火要素の場合により明確に表出する。というのは、Ｉｒ合金とＮｉ合金とでは、熱膨張係数が係数２も相違するからである。

点火要素と電極本体との間で安定した溶接継手を製造しようとするさまざまな溶接法が存在する。レーザ溶接は、Ｉｒを原料とした点火要素とＮｉを原料とした電極本体とを結合する際にきわめて広く使用される。例えば、特許文献１から、レーザ溶接法において、ＣＷレーザ線が静的に点火要素と電極本体との結合領域に向けられ、スパークプラグ電極がその長手軸周りに、又は、レーザ線がスパークプラグ電極周りに回転するものが公知である。特許文献２から、同様の方法が公知であるが、ここでは、パルスレーザ線が静的に結合領域に向けられる。特許文献３において、静的レーザ線で、互いに対して若干ずれている二つの溶接継手が生成される。

今日入手可能なスパークプラグにおいて、貴金属を含有する点火要素と電極本体は、通常冒頭に記載した２つの方法のいずれかを用いて溶接されており、上に説明した問題を抱えている。

独国特許出願公開第１０１０３０４５号明細書 欧州特許出願公開第０６７１７９３号明細書 独国特許出願公開第２０１４１０２２３７９２号明細書

本発明の課題は、上に記載した問題が軽減され、スパークプラグ電極及びスパークプラグが可能な限り長い寿命を有するスパークプラグ電極及びこの電極の製造方法を提供することにある。

この課題は、溶接継手を介して互いに材料結合によって結合される第一の材料製の電極本体と、第二の材料製のスパークプラグの点火面を形成する点火要素とを備える本発明のスパークプラグ電極によって、点火要素に隣接する溶接継手の半分において、第一の材料又は第二の材料の混合度Ｄが１５重量％未満とすることで解決される。

混合度Ｄを算出するために、溶接継手においてこれらの線に沿って元素濃度を算出するためのラインスキャンが実行される。通常、スキャン用の線は、互いに等間隔を有し、点火要素の長手軸に垂直、即ち溶接継手に平行に延在する。好ましくは、第一の材料及び第二の材料の元素濃度の基準値を決定するために、点火要素においてラインスキャンが実行される。好ましくは、別のラインスキャンが点火要素と溶接継手との境界面において実行される。加えて、任意の回数としたさらに別のラインスキャンを溶接継手において実行することができる。有利には、最低４回のラインスキャンを、混合度の決定のための基礎とする。各次のラインスキャンにおいて、第一の材料及び第二の材料について、各線における元素濃度の数値が得られる。例えば、合金においては、主成分の濃度のみを算出し、混合度Ｄの決定のための別の評価用とするだけで十分である。各線について決定された元素濃度から、各材料又は元素について、平均値及びこれに関する標準偏差が計算される。次に、標準偏差は、溶接継手における元素の分布及び各材料の尺度となる混合度Ｄである。混合度Ｄが小さくなればなるほど、溶接継手における元素の分布は均一になる。出願人の調査から、元素の分布が均一になればなるほど、点火要素と、溶接継手と、電極本体との熱膨張係数の差が小さくなり、これに応じて境界面における機械的応力も低下することが明らかになった。こうして、溶接継手における亀裂形成の可能性が低下し、スパークプラグの寿命が伸びる。こうして、混合度Ｄは、溶接継手及び溶接の品質を左右する特性ともなる。

４回のラインスキャン（ｎ＝４）を伴う例において、混合度は以下のように計算される。

ここで、平均値は以下のとおり。

第一の材料及び／又は第二の材料の元素濃度の基準値を決定するために、第一のラインスキャンＬ_１は、点火要素上の溶接継手の外部で実行される。

均一な分布とは、溶接継手において第一の材料が第二の材料と混合されて新規の合金を形成することを意味する必要はない。出願人の調査から、安定し寿命の長い溶接継手を得るために、略第一の材料から、及び／又は、略第二の材料から、及び／又は、略第一と第二の材料の混合物から構成された領域が溶接継手内に存在する場合にも、完全に有利となることが明らかになった。これらのさまざまな領域全体をラインスキャンする場合に、これらの領域にわたって材料濃度又は元素濃度が平均される。次いで、混合度Ｄは、これらの異なる領域が溶接継手内にどれほど均一に分布しているかを示す。

出願人の調査のこれ以外の結果は、先行技術のスパークプラグ電極において、点火要素が隣接する不都合な亀裂が、主に溶接継手の半分において形成されることである。こうして、溶接継手の品質決定には、点火要素の方に向けられた溶接継手の半分の混合度Ｄを算出すれば十分である。

もちろん、ラインスキャンの回数、溶接継手内の調査される領域の大きさ並びに／又は調査される元素及び材料の数も増やすことで、混合度Ｄの測定の不確実性を低くし、同時に、混合度Ｄの有効性を高めることが可能である。従属請求項は、上に列記された変更が一部実施されている本発明の有利な変更形態に関する。

出願人の調査から、混合度Ｄを１２重量％以下とした場合により有利となることが明らかになった。点火要素に隣接する溶接継手の半分において、第一の材料又は第二の材料について、混合度Ｄを１０重量％以下としたスパークプラグ電極では、特に納得のいく結果が得られた。

代替的に、第一及び第二の材料の混合度Ｄを１５重量％未満、特に１２重量％以下、特に好ましくは１０重量％以下としても、同じく有利となる。こうして、溶接継手において、二つの材料の可能な限り均一な分布が成立するようになる。

好ましくは、電極本体用の第一の材料は、ニッケル又はＮｉを主成分又は最大の単一成分としたニッケル合金である。混合度Ｄについての条件を満たすためには、第一の材料中のＮｉ部分が混合度Ｄの限界を守っていれば十分である。Ｎｉを原料とした第一の材料は、容易に加工でき材料費が少なくなるという利点を有する。

これに加えて又は代替的に、点火要素の第二の材料が貴金属又は貴金属合金であり、特に貴金属が、Ｉｒ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ａｕ，Ａｇの群のうち少なくとも一つの元素であり、合金中の主成分又は最大の単一成分であることは望ましい。混合度Ｄについての条件を満たすためには、第二の材料中の貴金属部分が混合度Ｄの限界を守っていれば十分である。貴金属を原料とした第二の材料は、これから構成される点火要素が、高い耐腐食性及び耐浸食性を有するという利点を有する。

本発明の別の側面は、少なくとも一つの本発明のスパークプラグ電極を有するスパークプラグに関する。好ましくは、このスパークプラグ電極は中心電極として形成される。

本発明の第三の側面は、スパークプラグ電極、特に本発明のスパークプラグ電極の製造方法に関する。製造方法は、以下のステップを含む。
・電極本体及び点火要素を準備し、
・溶接継手を形成して電極本体と点火要素とを結合する溶接工程を実行し、
・溶接ビームは、反射手段を介して、電極本体と点火要素との結合箇所に向けられ、溶接継手が生成され、
・反射手段を傾斜させることで、溶接ビームは、溶接継手を生成するためにスパーク電極の表面上を案内される。

反射手段を傾斜させる、特に周期的に傾斜させることで、スパークプラグ電極の表面上で溶接ビームの場所ごとの変調が得られる。点火要素と電極本体との結合箇所及び結合面上に発生する溶接プールは、こうした場所ごとの変調によってさらなる活力を得て、この活力が熱力学によって促される形で第一の材料を第二の材料と混合するために、さらなる混合を引き起こす。こうした溶接法を用いれば、溶融した第一の材料又は第二の材料が大幅に長くなった到達距離を得て、溶接継手が発生する起点となる溶融浴内をさらに移動して一部別の材料と混合することができる。

反射手段は、例えば、ミラー又はいわゆるスキャナである。

好ましくは、溶接ビームは、スパーク電極の表面上を、点火要素の長手軸Ｘと平行である一本の線に沿って案内されるようにする。有利には、この長手軸は、点火要素と電極本体との結合面を通って、即ち後の溶接継手も通って延在する。

反射手段が、少なくとも１０００Ｈｚの周波数で傾斜する場合に有利であることが明らかになった。例えば、反射手段は、１２００Ｈｚの周波数で傾斜する。こうして、溶接ビームが、点火要素の長手軸Ｘと略平行な移動を実行し、複数回同一の線又は同一の領域の上を滑るように移動する。

これは、例えば、スパークプラグ電極が溶接法中に回転し、スパークプラグ電極の回転周波数が、反射手段が傾斜する際の周波数より小さくなるという条件にも後押しされる。スパークプラグ電極が回転するのに比較して、反射手段が比較的迅速に傾斜することで、溶接ビームは、スパークプラグ電極の表面上でスキャナ動作のような動作を実行する。

例えば、溶接ビームは、特に、例えばディスクレーザ又はファイバレーザといったＣＷレーザから発せられるレーザ線とすることができる。反射手段としてのスキャナと組み合わせれば、溶接工程用に、レーザスキャナ溶接法が得られる。

本発明の製造方法の上に説明されたさまざまな実施形態によって、溶接継手において、第一の材料及び／又は第二の材料用に１５重量％未満の混合度Ｄがもたらされるという結果が得られる。こうして、ここで、以上において本発明のスパークプラグ電極の場合で説明された有利な効果がもたらされる。

本発明のスパークプラグ電極の製造方法の例を示す図。 本発明のスパークプラグ電極と先行技術の二つのスパークプラグ電極におけるＥＤＸ測定の図。 本発明のスパークプラグ電極と先行技術の二つのスパークプラグ電極におけるＥＤＸ測定の図。 本発明のスパークプラグ電極と先行技術の二つのスパークプラグ電極におけるＥＤＸ測定の図。 混合度Ｄの算出の例を示す図。 本発明のサンプルとの比較での、公知の溶接法で作製された、二つのサンプルのそれぞれ二つの元素の混合度Ｄを示す図。

図１は、本発明の製造方法の例を模式的に示す。図示されているのは、電極本体２と、点火要素３と、電極本体２と点火要素３とを材料結合によって互いに結合する溶接継手４とを備えるスパークプラグ電極１である。点火要素３は、電極本体２と点火要素３との間の結合面、又は、溶接工程後は、溶接継手４に垂直に延在する長手軸Ｘを有する。例えば、点火要素は、ロッド又はピンの形状に形成される。スパークプラグ電極１は、点火要素２の表面と電極本体２の表面とによって形成される表面７を有する。電極本体２と点火要素３との結合面の周囲のスパーク電極の表面の領域は、結合箇所と呼ばれる。結合面と結合箇所には、溶接工程において初めに溶融浴次いで溶接継手４が発生する。

反射手段６、例えばミラーを介して、溶接ビーム５例えばレーザ線が、電極本体２と点火要素３との結合箇所に導かれ、ここで溶接継手４を生成する。それゆえ、溶接法は、例えば、レーザ線がスキャナを介して溶接される物体に向けられ、溶接継手を生成するレーザスキャナ溶接法である。スキャナを移動することで、レーザ線は、物体における所望の位置に案内される。通常は、レーザ線を生成するために、例えばファイバレーザ又はディスクレーザといったＣＷレーザが利用される。

通常は、スパークプラグ電極１において、溶接継手４用の溶融浴は、少なくとも点火要素３の長手軸Ｘまで延在するので、溶接工程において長手軸Ｘ周りをスパーク電極１が回転した後に、電極本体２と点火要素３との結合面は完全に溶融し、即ち、溶接継手４が点火要素３の直径全体に延在する。

スパーク電極１の表面７に溶接ビーム５が入射する間に、反射手段６は周期的に傾斜するので、溶接ビーム５は、表面７に沿って周期的な移動で実行する。好ましくは、移動は点火要素３の長手軸Ｘに平行である。溶接ビーム５の入射をこのように場所的に変調させることで、点火要素３と電極本体２との結合面における溶融浴において、大幅に高い活力及び溶接継手４での第一の材料と第二の材料とのより納得のいく混合が達成される。

通常は、反射手段５は最小１０００Ｈｚ、ここでは１２００Ｈｚの周波数で傾斜する。点火要素３の長手軸Ｘ周りのスパーク電極１の回転は、これより大幅に低い周波数を有する。

図２ａ）〜図２ｃ）において、異なる溶接法で作製された三つのスパーク電極１のカット面のＥＤＸ図が示される。図２ａ）のサンプル１（Ｐ１）において、溶接継手は、静的に結合箇所に入射するＣＷレーザ線によって生成され、スパークプラグ電極１は、その長手軸周りを回転していた。点火要素はイリジウムから構成される。電極本体は、Ｎｉ合金から構成される。図２ｂ）のサンプル２（Ｐ２）は、Ｎｉを原料とした電極本体２とＩｒ合金製の点火要素３を備えるスパークプラグ電極１である。サンプル２において、溶接継手は、パルスレーザを用いて生成される。図２ｃ）のサンプル３は、本発明の製造方法を用いて製造された本発明のスパークプラグ電極１を示す。スキャナ６を介して、ＣＷレーザ線５がスパークプラグ電極表面７に案内される。点火要素３は、Ｉｒ合金から構成され、電極本体は、Ｎｉ合金製である。

カット面におけるグレーのグラデーションは、異なる元素濃度を再現している。サンプル１の溶接継手は、全く統一的なグレーの色合いを有するように見える。これに反して、サンプル２の溶接継手は、異なるグレースケールを有する強く巻かれた渦をなしている。サンプル３において、溶接継手は、互いに比較的明確に際立った異なるグレースケールを有する大小の領域を示す。

溶接継手の品質を決定するために、各サンプル用の混合度Ｄが算出される。混合度Ｄを決定するために、点火要素３の長手軸Ｘの延長に沿った溶接継手の幅ｙがまず決定される。点火要素３の長手軸Ｘに垂直な４本の線に沿って、電極本体２と点火要素３の二つの主要元素、ここではＮｉ，Ｉｒの元素濃度が決定される。一本の線（Ｌ４）は、溶接継手の中心において、点火要素に隣接する溶接継手の縁部（上縁部）から測定してｙ／２の位置で測定される。第二の線（Ｌ２）は、溶接継手の上縁部で測定される。第三の線（Ｌ３）は、線４と線３との間隔の半分に沿って測定される。最後の線（Ｌ１）は、点火要素３において基準として測定され、線１〜４はすべて、互いに対して同じ間隔を有する。線は、溶接継手の径、又は、この径が一定でない場合には、上縁部の溶接継手の径の９０％を覆う。線の中点は、点火要素３の長手軸Ｘの延長上に位置する。線に沿った元素濃度は、ＥＤＸ分析（エネルギー分散Ｘ線分光分析）を用いて測定され、これに応じて、例えばサンプル２及びサンプル３の場合のように、場合によって異なる濃度となる領域全体を平均したものが見て取れる。図３ａ）において、本発明のサンプルＰ３を例に、線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４の配置を示す。

表１において、それぞれ元素Ｎｉ及びＩｒについて、３つのサンプル及びそれぞれ４本の線について、元素濃度が記録された。サンプルにおいて、本体は主としてＮｉから、点火要素は主としてＩｒから構成される。若干のサンプルにおける割合の残部はＲｈ及びその他の元素から構成されるが、これらは溶接継手の分析においては考慮されなかった。

各サンプルにおいて、４本の線全体の各元素についての平均値が形成された。混合度Ｄは、各元素についての平均値の標準偏差に対応する。混合度Ｄが小さくなればなるほど、標準偏差も小さくなる。これは平均すると、溶接継手における比較的均一な元素分布に対応する。

４回のラインスキャン（ｎ＝４）を伴う例において、混合度は以下のように計算される。

ここで、平均値は以下のとおり。

第一の材料（ニッケル）及び第二の材料（イリジウム）の元素濃度の基準値を決定するために、第一のラインスキャンＬ_１は、点火要素上の溶接継手の外部で実行される。

図３ｂ）において、各サンプルにおけるＮｉ及びＩｒについて、二つの混合度Ｄをグラフで示す。先行技術の二つのサンプル１及び２は、二つの元素について、最小１５重量％の混合度を有する。出願人の調査から、混合度が小さくなればなるほど、溶接継手が特に安定することが明らかになった。本発明のサンプル３については、これらの元素について、混合度は１０重量％より小さい。

出願人の調査との関連で、溶接継手の幅ｙ全体にわたって等間隔に分布したＥＤＸラインスキャンが実施され、上に説明された挙動に対応して、ここから、元素についての平均値及び標準偏差又は混合度Ｄが決定されるという調査も実行された。幅全体にわたって算出された混合度Ｄについての結果は、幅の半分にわたって算出された混合度Ｄと大きく相違しなかった。さらに、調査から、先行技術のスパーク電極の場合、溶接継手の上半分、即ち、点火要素に向けられた溶接継手の半分において、溶接継手の亀裂及び破断箇所が発生することが明らかになった。したがって、まさに溶接継手の上半分について品質管理又は改良を行なうことで、スパークプラグの耐久性の改善に本質的に寄与する。品質分析及び品質管理の効率を向上させるために、混合度を決定する上で、溶接継手の上半分に集中する。

１ スパークプラグ電極
２ 電極本体
３ 点火要素
４ 溶接継手
５ 溶接ビーム
６ 反射手段
７ 表面
Ｄ 混合度
Ｘ 長手軸

Claims (11)

1. ・第一の材料製の電極本体（２）と、
   ・第二の材料製の点火要素（３）とを備え、該点火要素（３）は、スパークプラグの点火面を形成するように構成され、前記電極本体（２）及び前記点火要素（３）は、溶接継手（４）を介して材料結合によって互いに結合されている、スパークプラグ電極（１）において、前記第一の材料はニッケル合金であり、前記第二の材料はイリジウム合金であり、前記溶接継手（４）における、前記点火要素（３）側の半分の領域において、前記第一の材料及び前記第二の材料の混合度（Ｄ）が１５重量％未満となることを特徴とするスパークプラグ電極。
2. 前記混合度（Ｄ）が１２重量％以下となることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ電極（１）。
3. 前記混合度（Ｄ）が１０重量％以下となることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ電極（１）。
4. 前記スパークプラグ電極（１）は中心電極である、請求項１から３までのいずれか１項記載の少なくとも一つのスパークプラグ電極（１）を備えるスパークプラグ。
5. 第一の材料製の電極本体（２）と第二の材料製の点火要素（３）とを備える請求項１から３までのいずれか１項記載のスパークプラグ電極（１）の製造方法において、
   ・前記電極本体（２）及び前記点火要素（３）を準備し、
   ・溶接継手（４）を形成して前記電極本体（２）と前記点火要素（３）とを結合する溶接工程を実行し、
   ・溶接ビーム（５）は、反射手段（６）を介して、前記電極本体（２）と前記点火要素（３）との結合箇所に向けられ、前記溶接継手（４）が生成され、
   ・前記反射手段（６）を傾斜させることで、前記溶接ビーム（５）は、前記溶接継手（４）を生成するために前記スパークプラグ電極（１）の表面（７）上を案内されるステップを含む方法。
6. 前記溶接ビーム（５）は、前記表面（７）上を、前記点火要素（３）の長手軸（Ｘ）と平行である一本の線に沿って案内されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記反射手段（６）は、少なくとも１０００Ｈｚの周波数で傾斜することを特徴とする請求項５又は６記載の方法。
8. 前記スパークプラグ電極（１）は溶接法中に回転し、前記スパークプラグ電極（１）の回転周波数は、前記反射手段（６）が傾斜する際の周波数より小さいことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記溶接継手（４）における、前記点火要素（３）側の半分の領域において、前記第一の材料及び前記第二の材料について、混合度（Ｄ）が１５重量％未満であることを特徴とする請求項５から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記溶接ビーム（５）は、レーザ線であることを特徴とする請求項５から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 溶接工程はレーザスキャナ溶接法であり、前記反射手段（６）はスキャナであることを特徴とする請求項５から１０までのいずれか１項記載の方法。

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