JP6960394B2 - グロープラグ及びグロープラグの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、グロープラグ及びグロープラグの製造方法に関する。

グロープラグは、圧縮着火方式によるディーゼルエンジン等の内燃機関の補助熱源として用いられている。グロープラグは、通常、先端部が閉じ後端部が開いた有底筒状のシース管と、シース管内部に配置されて通電により発熱する発熱コイルとを有する。発熱コイルの先端部はシース管の先端部に接合され、発熱コイルの後端部は、シース管の後端側に延びる中軸に電気的に接続されている。この中軸を介して通電されることにより発熱コイルが発熱する。シース管の内部は酸化マグネシウム粉末等の絶縁粉末で満たされ、発熱コイルの外周面とシース管の内周面とが絶縁されている。

グロープラグにおけるシース管は、通常、耐熱性及び耐酸化性に優れる導電材料により形成される。また、近年、エミッションの低減や燃費向上のために、内燃機関の燃焼室内の更なる高温化が求められており、グロープラグについても更なる高温環境下での動作が求められている。動作時の温度が高くなる程、酸化反応が進行し易いので、シース管の材料には、酸化反応の進行をより遅延させるための耐酸化性が求められる。このため、特許文献１に開示されるように、シース管の材料として、Ｎｉを主成分とし、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙ、Ｓｉ等をそれぞれ所定量含有する合金を用いることが開示されている。

特開２０１７−８３１０３号公報

しかしながら、このような特定の材料でシース管を構成すると、シース管と発熱コイルとを接合した際に、シース管と発熱コイルとの接合箇所に形成される溶融部に引張応力がかかり、その溶融部に（具体的には、溶融部のシース管表面（外面、内面）からシース管内部にわたって）クラックが発生することがあった。これは、加熱により溶融部が形成された後、溶融部が冷え固まる際に、溶融部に接続するシース管の筒状の部分（シース本体部）を経路として放熱されることで、その部分の近くにある溶融部が先に冷え固まって収縮し、その結果、冷え固まる前の溶融部の中央付近に引張応力がかかり、クラックが発生するためである。そして、このようなクラックが発生すると、クラックの空隙部分に空気（酸素）が進入し、シース管の耐酸化性が低下してしまう虞がある。

本発明の目的は、特定の材料にてシース管が構成される際に、シース管の先端にあるシース溶融部にクラックが発生することが抑制され、シース管の耐酸化性が維持されるグロープラグ及びその製造方法を提供することである。

前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。即ち、
＜１＞ ニッケル（Ｎｉ）が５０質量％以上、クロム（Ｃｒ）が１８質量％以上３０質量％以下、アルミニウム（Ａｌ）が１質量％以下、イットリウム（Ｙ）及びジルコニウム（Ｚｒ）から選ばれた少なくとも一種の成分が０．０１質量％以上０．３質量％以下、シリコン（Ｓｉ）が０．５質量％以上含まれる合金から形成され、軸線に沿って延びるシース管と、前記シース管の内部に収容され、通電によって発熱する発熱コイルとを備え、前記シース管は、前記軸線に沿って延びる筒状のシース本体部と、前記発熱コイルの先端部と接続しつつ前記シース本体部の先端側を閉塞してなり、少なくとも前記合金の溶融物が凝固したシース溶融部とを有するグロープラグであって、前記軸線を含む前記シース溶融部の断面において、前記シース本体部の内側における前記シース溶融部との境界部を各々が通る一対の境界基準線であり、かつ前記軸線に対して平行に延びる一対の境界基準線によって挟まれた内側領域を、前記軸線の方向に沿って三等分した場合に、それらの中央に配される中央領域に、０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相を含まない凝固組成を備えていることを特徴とするグロープラグ。

＜２＞ 前記＜１＞に記載のグロープラグの製造方法であって、前記合金から形成された筒状のシース管基材の内部に、前記発熱コイルが収容された状態において、アーク溶接により、前記シース管基材の先端側の開口端が溶融されることで、前記シース管基材の先端側が、閉塞されつつ前記発熱コイルの前記先端部と接続される本溶接工程と、前記本溶接工程に続けて、前記本溶接工程よりも小さくかつ１．５Ａ以上であるアーク電流に下げて、閉塞した前記シース管基材の先端側に、アーク溶接を行うクレーター溶接工程とを備え、前記クレーター溶接工程において、アーク溶接時間は、前記本溶接工程におけるアーク溶接時間よりも、２倍以上の長さであるグロープラグの製造方法。

＜３＞ 前記クレーター溶接工程において、前記アーク電流は、前記本溶接工程におけるアーク電流に対して、１２％以下の大きさである前記＜２＞に記載のグロープラグの製造方法。

本発明によれば、特定の材料にてシース管が構成される際に、シース管の先端にあるシース溶融部にクラックが発生することが抑制され、シース管の耐酸化性が維持されるグロープラグ及びその製造方法を提供することができる。

実施形態１のグロープラグを示す半断面図 シースヒータの詳細な構成を示す断面図 シース管の先端部付近の断面図 グロープラグの製造方法を示すフローチャート 本溶接工程前におけるシース管基材と発熱コイルとの相対的な位置関係を示す説明図 本溶接工程後のシース管基材の先端部付近の断面図 本溶接工程及びクレーター溶接工程におけるアーク溶接の電流及び時間の関係を示すグラフ 実施例２のシース溶融部の断面写真 電解エッチングが施された後の実施例２のシース溶融部の断面写真 比較例１のシース溶融部の断面写真 図１０中の領域Ｒで示される部分を拡大した断面写真 電解エッチングが施された後の比較例１のシース溶融部の断面写真

＜実施形態１＞
以下、本発明の実施形態１のグロープラグ１０を、図１〜図３を参照しつつ説明する。図１は、実施形態１のグロープラグ１０を示す半断面図である。グロープラグ１０は、ディーゼルエンジン等の内燃機関（不図示）の始動時における点火を補助する熱源として機能する。グロープラグ１０は、主として、シースヒータ８００、中軸２００、主体金具５００を備える。これらグロープラグ１０を構成する部材は、グロープラグ１０の軸線Ｏの方向（以下、軸線方向ＯＤとも言う）に沿って組み付けられている。図１では、軸線Ｏから紙面右側に外観構成を示し、軸線Ｏから紙面左側に断面構成を示した。なお、本明細書では、グロープラグ１０におけるシースヒータ８００側を「先端側」と称し、その反対側（係合部材１００側）を「後端側」と称する。

主体金具５００は、炭素鋼を筒状に成形した部材である。主体金具５００は、先端側の端部においてシースヒータ８００を保持する。また、主体金具５００は、後端側の端部において絶縁部材４１０及びＯリング４６０を介して中軸２００を保持する。絶縁部材４１０は、絶縁部材４１０の後端に接するリング３００が中軸２００に加締められることで、主体金具５００に固定される。更に、主体金具５００の軸孔５１０内には、絶縁部材４１０からシースヒータ８００に至る中軸２００が配置される。軸孔５１０は、軸線Ｏに沿って形成された貫通孔であり、中軸２００よりも大きな径を有する。軸孔５１０に中軸２００が位置決めされた状態で、軸孔５１０と中軸２００との間には、両者を電気的に絶縁する空隙が形成される。また、軸孔５１０の先端側には、シースヒータ８００が圧入されて接合されている。更に、主体金具５００は、工具係合部５２０と、雄ネジ部５４０とを備える。主体金具５００の工具係合部５２０は、グロープラグ１０の取り付け及び取り外しに用いられる工具（不図示）に係合する。雄ネジ部５４０は、内燃機関（不図示）に形成された雌ネジに嵌り合う。

中軸２００は、導電材料で円柱状（棒状）に形成された部材である。中軸２００は、主体金具５００の軸孔５１０に挿入された状態で軸線方向ＯＤに沿って組み付けられる。中軸２００は、先端側に形成された先端部２１０と、後端側に設けられた雄ネジ部２９０とを備える。先端部２１０は、シースヒータ８００の内部に挿入される。雄ネジ部２９０は、主体金具５００から後端側に突出している。雄ネジ部２９０には、係合部材１００が嵌り合う。

図２は、シースヒータ８００の詳細な構成を示す断面図である。シースヒータ８００は、シースヒータ８００の内部に中軸２００の先端部２１０が挿入された状態で、主体金具５００の軸孔５１０に圧入されている。シースヒータ８００は、主として、シース管８１０と、発熱コイル８２０と、後端コイル８３０と、絶縁体８７０とを備える。

シース管８１０は、軸線方向ＯＤに延び、先端が閉じられた筒状部材である。シース管８１０の内部に、発熱コイル８２０、後端コイル８３０及び絶縁体８７０が収容される。シース管８１０は、軸線方向ＯＤに延びる筒状のシース本体部８１１と、シース本体部８１１の先端側を閉塞するシース溶融部８１２とを備える。なお、シース管８１０の先端部は、シース溶融部８１２からなり、シース管８１０（シース本体部８１１）の後端部８１９は、開口した端部からなる。このようなシース管８１０の後端部８１９からシース管８１０の内部に中軸２００の先端部２１０が挿入されている。シース管８１０は、パッキン６００及び絶縁体８７０によって中軸２００と電気的に絶縁される。一方、シース管８１０は、主体金具５００と接触して電気的に接続されている。

シース管８１０は、５０質量％以上のニッケル（Ｎｉ）を含む、所謂Ｎｉベースの合金である。この合金は、添加物として、クロム（Ｃｒ）が１８質量％以上３０質量％以下、アルミニウム（Ａｌ）が１質量％以下、イットリウム（Ｙ）及びジルコニウム（Ｚｒ）から選ばれた少なくとも一種の成分が０．０１質量％以上０．３質量％以下、シリコン（Ｓｉ）が０．５質量％以上含まれる。このような合金を用いて、シース管８１０を形成することによって、グロープラグ１０は、高温環境下でシース管８１０の耐酸化性を確保できる。

絶縁体８７０は、電気絶縁性を有する絶縁材料の粉末により形成されている。絶縁体８７０としては、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉末が用いられる。絶縁体８７０は、シース管８１０が中軸２００、発熱コイル８２０、及び後端コイル８３０を収容することによって、シース管８１０内に形成された隙間に充填（配置）され、その隙間を電気的に絶縁する。

発熱コイル８２０は、螺旋状に形成された細線であり、シース管８１０の内側に軸線方向ＯＤに沿って配置され、通電によって発熱する。本実施形態の発熱コイル８２０は、鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）系合金を用いて形成されている。発熱コイル８２０の先端部８２１は、シース管８１０の先端部をなすシース溶融部８１２に、溶接によって接合されており、発熱コイル８２０とシース管８１０は、互いに電気的に接続されている。発熱コイル８２０の後端部８２９は、後述するように後端コイル８３０に電気的に接続されている。また、発熱コイル８２０の先端部８２１と後端部８２９の間には、螺旋部８２３が配されている。

後端コイル（制御コイル）８３０は、螺旋状に形成された細線であり、発熱コイル８２０の過昇温を生じ難くする機能を備える。本実施形態の後端コイル８３０は、発熱コイル８２０を形成する材料よりも電気比抵抗の温度係数が大きい導電材料（例えば、コバルトやニッケルを主成分とする合金）を用いて形成される。本明細書において、電気比抵抗の温度係数とは、常温（２０℃）と、昇温後の規定温度（昇温によって到達することが想定されている温度（例えば、１０００℃以上の温度））との間の電気比抵抗の差を、温度差で除した商である。

後端コイル８３０は、シース管８１０内において、発熱コイル８２０の後端側に配置されている。後端コイル８３０の先端部８３１は、発熱コイル８２０の後端部８２９に溶接又はロウ付けによって接合されており、それらは互いに電気的に接続されている。また、後端コイル８３０の後端部８３９は、シース管８１０内に挿入された中軸２００の先端部２１０に、巻き付けられた上で溶接によって接合されており、それらは互いに電気的に接続されている。

図３は、シース管８１０の先端部付近の断面図である。図３の断面は、軸線Ｏを通る位置でシースヒータ８００を切断した断面であり、軸線Ｏを通る位置において切断された発熱コイル８２０の螺旋部８２３、シース管８１０及び絶縁体８７０が示されている。発熱コイル８２０の先端部は、シース管８１０の先端部であるシース溶融部８１２に溶接されている。

シース管８１０は、上述したように、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、シリコン（Ｓｉ）等の添加物を所定の割合で含む合金からなる。シース溶融部８１２は、少なくとも前記合金の溶融物が凝固したものからなる。なお、シース溶融部８１２内には、溶接時に溶融した発熱コイルの一部も含まれている。

図３に示されるように、軸線Ｏを含むシース溶融部８１２の断面において、シース本体部８１１の内側におけるシース溶融部８１２との境界部Ｘ１，Ｘ２を一対の境界基準線Ｌ１，Ｌ２が通り、かつ一対の境界基準線Ｌ１，Ｌ２が軸線Ｏに対して平行に延びる形で示されている。図３において、軸線Ｏよりも左側に、シース本体部８１１の内側とシース溶融部８１２との境界部Ｘ１が示され、軸線Ｏよりも右側に、シース本体部８１１の内側とシース溶融部８１２との境界部Ｘ２が示されている。また、一方の境界基準線Ｌ１は、図３の左側に示される境界部Ｘ１を通り、他方の境界基準線Ｌ２は、図３の右側に示される境界部Ｘ２を通る。なお、一対の境界基準線Ｌ１，Ｌ２は互いに平行に配されている。

ここで、シース溶融部８１２の断面において、一対の境界基準線Ｌ１，Ｌ２によって挟まれた領域を、内側領域Ｓとする。そして、その内側領域Ｓを、軸線Ｏの方向（軸線方向ＯＤ）に沿って三等分した場合に、それらの中央に配される領域を、中央領域ＳＣとする。図３において、中央領域ＳＣは、内側領域Ｓを三等分する２つの線（以下、三等分線）Ｔ１，Ｔ２の間に配されている。これらの三等分線Ｔ１，Ｔ２は、一対の境界基準線Ｌ１，Ｌ２の間を、三等分するように、それら境界基準線Ｌ１，Ｌ２の間に配されている。一方の三等分線Ｔ１は、図３の左側に示される一方の境界基準線Ｌ１と軸線Ｏとの間に配され、他方の三等分線Ｔ２は、図３の右側に示される他方の境界基準線Ｌ２と軸線との間に配されている。なお、これらの三等分線Ｔ１，Ｔ２は互いに平行に配されている。

シース溶融部８１２の断面において、中央領域ＳＣでは、０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相を含まない凝固組成となっている。本明細書において、「デンドライト相の大きさ」とは、デンドライト相の長手方向の大きさ（最大長さ）である。また、中央領域ＳＣの凝固組成において、「０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相を含まない」とは、０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相の全体を含まない場合のみならず、０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相の一部を含まない場合も含む。なお、中央領域ＳＣの凝固組成に、０．５ｍｍ以下の大きさのデンドライト相が含まれていても良い。

シース溶融部８１２は、製造時にシース管を構成する上記合金等が加熱により溶融され、その溶融物が冷え固まることで形成される。本実施形態のシース溶融部８１２は、後述するように、溶融物が冷え固まる際に、少なくとも中央部が、急激に温度低下しないように、外部から熱が与えられつつ形成されたものである。そのため、シース溶融部８１２の中央領域ＳＣは、溶融物が急冷することで形成される０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相が存在しない凝固組織となる。なお、ここで言う「シース溶融部８１２の中央部」とは、軸線Ｏを中心とし、かつ軸線Ｏと三等分線Ｔ１（又は三等分線Ｔ２）との間の距離（長さ）を半径とする柱状の部分である。上記中央領域ＳＣは、シース溶融部８１２の中央部の一断面に対応する。

なお、０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相は、例えば、上記合金の溶融物が冷え固まる際に、シース溶融部８１２がシース本体部８１１を経路として急激に放熱されることで形成される。このような場合のデンドライト相は、シース溶融部８１２の中心（軸線Ｏ）側から外側へ広がりつつ、シース本体部８１１に向かうように長手状に形成される。シース溶融部８１２がシース本体部８１１により急激に放熱されるほど、形成されるデンドライト相は、大きくなる（長くなる）傾向がある。仮に、０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相が、シース溶融部８１２における中央領域ＳＣの凝固組成に含まれていると、中心（軸線Ｏ）側からシース本体部８１１に向かって引張応力が放射状に加えられた状態となってしまう。

また、本実施形態では、シース管８１０に使用される合金中に、耐酸化性の向上等を目的として、シリコン（Ｓｉ）、イットリウム（Ｙ）が添加されている。特に、本実施形態では、シリコン（Ｓｉ）が０．５質量％以上添加されている。シリコン（Ｓｉ）やイットリウム（Ｙ）は、上記合金の溶融物が冷え固まる際に凝集し易いため、シース溶融部８１２の凝固組成中には、通常、シリコン（Ｓｉ）等の凝集物が含まれている。このように、シリコン（Ｓｉ）等の凝集物が凝固組成中に含まれた状態で、上記のように、軸線Ｏ側からシース本体部８１１に向かって引張応力が放射状に加えられていると、シース溶融部８１２の中心（軸線Ｏ）付近で、クラック（ワレ）等の破損が生じ易くなる。なお、このような引張応力の影響は、シース溶融部８１２の外表面側よりも、内表面側の方が受け易く、ワレ等が生じ易い傾向がある。

なお、シース溶融部８１２の断面における金属組成（デンドライト相等）の観察は、断面（切断面）をシュウ酸溶液中で電解エッチングする（ＪＩＳ Ｇ ５０７１ ２０１２年発行）等の公知の金属組成観察の手法を用いて行うことができる。

以上のように、シース溶融部８１２の断面の中央領域ＳＣに、０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相を含まない凝固組成を備えているグロープラグ１０では、シース管８１０の耐酸化性が維持されつつ、シース溶融部８１２にクラックが発生することが抑制される。

なお、シース溶融部８１２のサイズを大きくすることで、上記合金の溶融物が冷え固まる際に、少なくとも中央部が、急激に温度低下しないようにすることも可能である。しかしながら、シース溶融部８１２のサイズを過剰に大きくしてしまうとグロープラグ１０の急速昇温性が低下することがある。この点からしても、このようなグロープラグ１０は、シース溶融部８１２のサイズを過剰に大きく設定等する必要がないため、急速昇温性も確保し易い構成であると言える。

次いで、グロープラグ１０の製造方法について説明する。本実施形態のグロープラグ１０の製造方法は、主として、本溶接工程と、クレーター溶接工程とを備えている。グロープラグ１０の製造方法は、必要に応じて、それらの工程以外の他の工程を備えてもよい。図４は、グロープラグ１０の製造方法を示すフローチャートである。ここでは、図４等を参照しつつ、グロープラグ１０の製造方法の各工程について、説明する。

グロープラグ１０の製造では、先ず、発熱コイル８２０と後端コイル８３０と中軸２００とがそれぞれ溶接される（図４のステップＳ１０）。具体的には、発熱コイル８２０と後端コイル８３０とが溶接され、更に、後端コイル８３０の後端部８３９と、中軸２００の先端部２１０とが溶接される。

次いで、発熱コイル８２０の先端部８２１と、シース管基材８１０Ｂの先端側とを溶接する本溶接工程が行われる（図４のステップＳ２０）。図５は、本溶接工程前におけるシース管基材８１０Ｂと発熱コイル８２０との相対的な位置関係を示す説明図である。説明の便宜上、図５では、シース管基材８１０Ｂを断面構成で示し、発熱コイル８２０を外観構成で示した。シース管基材８１０Ｂは、シース管８１０を形成するための両端が開口した筒状部材であり、上述したニッケル（Ｎｉ）ベースの合金からなる。シース管基材８１０Ｂの先端には、開口端８１２Ｂが配されている。シース管基材８１０Ｂの先端側は、開口端８１２Ｂに向かって次第に縮径する形状に成形されている。このようなシース管基材８１０Ｂの内部に、中軸２００等が接合された発熱コイル８２０が先端側から挿入される形で収容されている。図５に示されるように、本溶接工程前の発熱コイル８２０の先端部８２１は、螺旋部８２３から真っ直ぐに延びた形をなし、かつシース管基材８１０Ｂの内部から開口端８１２Ｂの内側を通って外側へはみ出すように長く延びた状態となっている。なお、シース管基材８１０Ｂの内部において、発熱コイル８２０は、その中心が、シース管基材８１０Ｂの中心（軸線Ｏ）と一致するように収容されている。

このように発熱コイル８２０を収容したシース管基材８１０Ｂに対して、開口端８１２Ｂの外側から、本溶接工程が行われる。具体的には、アーク溶接により、シース管基材８１０Ｂの先端側の開口端８１２Ｂが溶融されることで、シース管基材８１０Ｂの先端側が、閉塞されつつ発熱コイル８２０の先端部８２１と接続される。

図６は、本溶接工程後のシース管基材８１０Ｂの先端部８１３Ｂ付近の断面図である。シース管基材８１０Ｂの先端部８１３Ｂは、シース管基材８１０Ｂの先端側を閉塞する部分であり、開口端８１２Ｂの溶融物と、発熱コイル８２０の先端部８２１の一部の溶融物とを含む。発熱コイル８２０の先端部８２１は、本溶接工程により、溶融されて見掛け上の長さが短くなる。なお、本溶接工程後において、先端部８１３Ｂの外表面側の中央には、通常、クレーター（窪み）８１４Ｂが形成される。

このような本溶接工程に続けて、閉塞したシース管基材８１０Ｂの先端側にアーク溶接を行うクレーター溶接工程が施される（図４のステップＳ３０）。クレーター溶接工程は、本溶接工程の後、連続的に行われる。このようなクレーター溶接工程は、アーク溶接による、シース管基材８１０Ｂの先端部８１３Ｂに形成されたクレーター８１４Ｂを小さくする等の処理を、下記に示される所定条件の下で行うものである。

クレーター溶接工程におけるアーク電流Ｉｂは、本溶接工程におけるアーク電流Ｉａよりも小さく、かつ１．５Ａ以上に大きさに設定される。つまり、クレーター溶接工程におけるアーク溶接は、本溶接工程のアーク電流Ｉａよりも小さく、かつ１．５Ａ以上であるアーク電流Ｉｂに下げて行われる。

特に、クレーター溶接工程において、アーク電流Ｉｂは、本溶接工程におけるアーク電流Ｉａに対して、１２％以下の大きさであることが好ましい。

また、クレーター溶接工程におけるアーク溶接時間Ｔｂは、本溶接工程におけるアーク溶接時間Ｔａよりも２倍以上の長さに設定される。

図７は、本溶接工程及びクレーター溶接工程におけるアーク溶接の電流及び時間の関係を示すグラフである。図７の横軸は、時間を表し、縦軸は、電流を表す。図７に示されるように、初期電流として、アークを発生させるためのホット電流Ｉｈが供給された後、直ちにホット電流Ｉｈよりも小さいアーク電流Ｉａが供給される。そして、そのアーク電流Ｉａの条件で、所定時間（アーク溶接時間Ｔａ）の間、本溶接工程におけるアーク溶接が行われる。その後、電流を下げて、アーク電流Ｉｂの条件で、所定時間（アーク溶接時間Ｔｂ）の間、クレーター溶接工程におけるアーク溶接が行われる。本溶接工程とクレーター溶接工程との間の時間は、可能な限り短いことが好ましい。

クレーター溶接工程におけるアーク電流Ｉｂ及びアーク溶接時間Ｔｂが、上記条件を満たすと、最終的に得られるグロープラグ１０のシース溶融部８１２が、その断面において、図３に示されるように、中央領域ＳＣに、０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相を含まない凝固組成を備えるものとなる。

要するに、クレーター溶接工程により、本溶接工程後のシース管基材８１０Ｂの先端部８１３Ｂが、上述した所定条件の下でアーク溶接されることにより、本溶接工程後も先端部８１３Ｂに対して熱が長時間にわたって加えられるため、先端部８１３Ｂの温度が急激に低下することが抑制され、先端部８１３Ｂが凝固して得られるシース溶融部８１２において、クラック等の破損が生じるような引張応力の発生が抑制される。

クレーター溶接工程が完了すると、次に、シース管８１０内に絶縁体８７０が充填される（図４のステップＳ４０）。絶縁体８７０が、発熱コイル８２０、後端コイル８３０及び中軸２００を収容した状態のシース管８１０内に形成された空隙に充填されて、シースヒータ８００の組み立てが完了する。

シースヒータ８００が組み立てられると、シースヒータ８００に対し、スウェージング加工が施される（図４のステップＳ５０）。スウェージング加工とは、シースヒータ８００に対して打撃力を加えてシースヒータ８００を縮径させ、シース管８１０内に充填した絶縁体８７０を緻密化させる加工である。スウェージングに伴ってシースヒータ８００に打撃力が加えられると、打撃力がシースヒータ８００内部に伝えられることにより、絶縁体８７０が緻密化される。

シースヒータ８００にスウェージング加工が施されると、シースヒータ８００と主体金具５００とが組み付けられて、グロープラグ１０が組み立てられ（図４のステップＳ６０）、グロープラグ１０が完成する。具体的には、中軸２００が一体化されたシースヒータ８００を主体金具５００の軸孔５１０に圧入して固定すると共に、主体金具５００の後端部分において、Ｏリング１１０や絶縁部材１２０を中軸２００に嵌め込み、係合部材１００を、主体金具５００の後端に設けられた中軸２００の雄ネジ部２９０に締め付ける。以上のような、グロープラグ１０の製造方法により、グロープラグ１０を製造することができる。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。

〔実施例１〕
上述したグロープラグ１０と同様の構造を有する実施例１のグロープラグを、下記条件の本溶接工程及びクレーター溶接工程を経て作製した。
＜本溶接工程＞
アーク電流Ｉａ：５０Ａ、アーク溶接時間Ｔａ：２８０ｍｓ
＜クレーター溶接工程＞
アーク電流Ｉｂ：５Ａ、アーク溶接時間Ｔｂ：７００ｍｓ

なお、実施例１のその他の条件は、以下の通りである。
・発熱コイルとして、鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）合金材（線径：０．３８ｍｍ）を使用した。
・後端コイルとして、ニッケル（Ｎｉ）材（線径：０．３５ｍｍ）を使用した。
・シース管（シース管基材）を構成する材料として、ニッケル（Ｎｉ）を主成分（５０質量％以上含有）とし、クロム（Ｃｒ）を２３質量％、アルミニウム（Ａｌ）を０．５質量％、イットリウム（Ｙ）を０．１４質量％、シリコン（Ｓｉ）を０．９質量％、鉄（Ｆｅ）を０．１０質量％、及びその他不可避不純物を含むＮｉ基合金を使用した。
・スウェージング加工後のシース管の外径（最大値）は、約３．２ｍｍ、スウェージング加工後のシース管の本体部の厚みは、約０．５ｍｍである。

〔実施例２〜８及び比較例１〜６〕
本溶接工程及びクレーター溶接工程の各条件（アーク電流Ｉａ、アーク溶接時間Ｔａ、アーク電流Ｉｂ、アーク溶接時間Ｔｂ）を、表１に示される値に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、実施例２〜８及び比較例１〜６のグロープラグを作製した。

〔シース溶融部における異常の有無の確認〕
各実施例及び各比較例のグロープラグについて、以下に示される方法で、シース溶融部の異常の有無を確認した。先ず、グロープラグのシース管の先端側（シース溶融部）を、軸線Ｏを含む面が露出するように切断及び研磨した。そして、その露出したシース溶融部の断面を顕微鏡等を利用して観察して、シース溶融部の異常（例えば、クラック、溶接不良、変形等）の有無を確認した。結果は、表１に示した。表１において、異常がない場合を「無」と表し、異常がある場合を「有」と表した。また、異常があった場合、その内容を併記した。

〔中央領域ＳＣにおけるデンドライト相の最大長さの測定〕
各実施例及び各比較例のグロープラグについて、以下に示される方法で、中央領域ＳＣにおけるデンドライト相の最大長さを測定した。上記のようにシース溶融部の断面を露出させたグロープラグを用意し、その露出した断面に対して、ＪＩＳ Ｇ ５０７１に準拠しつつ、シュウ酸溶液中で電解エッチングを施した。そして、電解エッチングが施されたシース溶融部の前記断面を顕微鏡等を利用して観察して、中央領域ＳＣにおけるデンドライト相の最大長さを測定した。結果は、表１に示した。

実施例１〜８のシース溶融部は、所定条件の本溶接工程及びクレーター溶接工程を経て、十分に熱が与えられつつ、徐々に冷え固まったものである。表１に示されるように、実施例１〜８のグロープラグでは、シース管の材料として、クラックが発生し易い特定の合金を使用しているものの、シース溶融部にクラック等の異常は見られなかった。このような実施例１〜８におけるシース溶融部の中央領域ＳＣのデンドライト相の最大長さは、０．５ｍｍ以下であった。

なお、表１に示されるように、実施例１〜８では、クレーター溶接工程におけるアーク電流Ｉｂは、本溶接工程におけるアーク電流Ｉａよりも小さくかつ１．５Ａ以上に設定された。また、実施例１〜８では、クレーター溶接工程において、アーク溶接時間Ｔｂは、本溶接工程におけるアーク溶接時間Ｔａよりも、２倍以上の長さに設定された。

また、実施例１〜８において、アーク電流Ｉａに対するアーク電流Ｉｂの割合（Ｉｂ／Ｉａ）は、何れも０．１２以下（１２％以下）に設定された。

ここで、各実施例を代表して、実施例２の結果について、図８及び図９を参照しつつ詳細に説明する。図８は、実施例２のシース溶融部８１２の断面写真である。図８に示されるように、シース溶融部８１２は、シース管８１０のシース本体部８１１の先端側を閉塞しつつ、発熱コイル８２０の先端部と接続されている。このようなシース溶融部８１２には、図８に示されるように、クラックの発生は見られなかった。

図９は、電解エッチングが施された後の実施例２のシース溶融部８１２の断面写真である。図９には、シース溶融部８１２の断面において、一対の境界基準線Ｌ１，Ｌ２が、シース管８１０のシース本体部８１１の内側におけるシース溶融部８１２との境界部Ｘ１，Ｘ２を通り、かつそれらが軸線Ｏに対して平行に延びる形で示されている。そして、一対の境界基準線Ｌ１，Ｌ２の間に、内側領域Ｓが設定されている。更に、その内側領域Ｓを、軸線Ｏの方向に沿って三等分線Ｔ１，Ｔ２で三等分した場合に、それらの中央に配される領域が、中央領域ＳＣとして設定される。なお、２つの境界基準線Ｌ１，Ｌ２の間の距離は、１．９ｍｍであり、軸線Ｏ上のシース溶融部８１２の長さ（厚み）は、１．４ｍｍである。図９に示されるように、実施例２のシース溶融部８１２には、中央領域ＳＣにおいて、０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相は見られなかった。

比較例１〜３は、クレーター溶接工程におけるアーク溶接時間Ｔｂが短く、クレーター溶接工程において、シース溶融部に対して熱が十分に与えられなかった場合である。このような比較例１〜３のグロープラグでは、シース溶融部にクラックが発生する結果となった。また、比較例１〜３では、中央領域ＳＣのデンドライト相の最大長さは、共に、０．６ｍｍであった。

ここで、比較例１の結果について、図１０〜図１２を参照しつつ詳細に説明する。図１０は、比較例１のシース溶融部８１２Ｃの断面写真であり、図１１は、図１０中の領域Ｒで示される部分を拡大した断面写真である。なお、図１０〜図１２において、実施例と区別するために比較例１のシース溶融部の符号を「８１２Ｃ」とした。図１１及び図１０に示されるように、比較例１のシース溶融部８１２Ｃのうち、内表面側の中央付近にクラックＫが見られた。図１１において、分かり易くするために、クラックＫの位置を実線で示した。

図１２は、電解エッチングが施された後の比較例１のシース溶融部８１２Ｃの断面写真である。図１２に示されるように、一部が中央領域ＳＣに入り込む形で、大きなデンドライト相Ｄ１，Ｄ２がシース溶融部８１２Ｃに形成されている。図１２において、軸線Ｏよりも左側に示されるデンドライト相Ｄ１の最大長さは、１．０ｍｍであった。また、軸線Ｏよりも右側に示されるデンドライト相Ｄ２の最大長さは、１．２ｍｍであった。

比較例１の場合、クレーター溶接工程において、シース溶融部８１２Ｃに対して熱が十分に与えられなかったため、シース溶融部８１２Ｃの温度が各実施例よりも早く低下したため、０．５ｍｍを超える大きなデンドライト相が形成されたものと推測される。このような大きなデンドライト相が中央領域ＳＣに入り込む形で、シース溶融部８１２Ｃに形成される状況では、シース溶融部８１２Ｃには、大きな引張応力が加えられているため、上述したように、シース溶融部８１２Ｃにクラックが発生したものと推測される。

比較例４は、クレーター溶接工程におけるアーク電流Ｉｂが小さ過ぎる場合である。比較例４のクレーター溶接工程では、アーク溶接時のアークが不安定となり、シース溶融部に対して、実質的に、溶接を行うことができなかった。つまり、比較例４では、シース溶融部の先端に形成された、クレーターを処理することができず、結果的に、比較例４のシース管の先端部（シース溶融部）は、溶接不良となった。そのため、比較例４については、シース溶融部の断面の確認作業は行わなかった。

比較例５，６は、クレーター溶接工程におけるアーク電流Ｉｂが大き過ぎる場合である。比較例５，６では、シース溶融部に対して熱が過剰に加えられ、シース溶融部が溶融して変形してしまった。なお、比較例５，６のシース溶融部は、変形して機能的に問題があるものの、その断面における中央領域ＳＣのデンドライト相の大きさは、０．５ｍｍであった。

１０…グロープラグ、８００…シースヒータ、８１０…シース管、８１１…シース本体部、８１２…シース溶融部、８２０…発熱コイル、Ｌ１，Ｌ２…境界基準線、Ｏ…軸線、Ｓ…内側領域、ＳＣ…中央領域、Ｔ１，Ｔ２…三等分線、Ｘ１，Ｘ２…境界部

Claims (3)

1. ニッケル（Ｎｉ）が５０質量％以上、クロム（Ｃｒ）が１８質量％以上３０質量％以下、アルミニウム（Ａｌ）が１質量％以下、イットリウム（Ｙ）及びジルコニウム（Ｚｒ）から選ばれた少なくとも一種の成分が０．０１質量％以上０．３質量％以下、シリコン（Ｓｉ）が０．５質量％以上含まれる合金から形成され、軸線に沿って延びるシース管と、
   前記シース管の内部に収容され、通電によって発熱する発熱コイルとを備え、
   前記シース管は、前記軸線に沿って延びる筒状のシース本体部と、前記発熱コイルの先端部と接続しつつ前記シース本体部の先端側を閉塞してなり、少なくとも前記合金の溶融物が凝固したシース溶融部とを有するグロープラグであって、
   前記軸線を含む前記シース溶融部の断面において、前記シース本体部の内側における前記シース溶融部との境界部を各々が通る一対の境界基準線であり、かつ前記軸線に対して平行に延びる一対の境界基準線によって挟まれた内側領域を、前記軸線の方向に沿って三等分した場合に、それらの中央に配される中央領域に、０．５ｍｍを超える大きさのデンドライト相を含まない凝固組成を備えていることを特徴とするグロープラグ。
2. 請求項１に記載のグロープラグの製造方法であって、
   前記合金から形成された筒状のシース管基材の内部に、前記発熱コイルが収容された状態において、アーク溶接により、前記シース管基材の先端側の開口端が溶融されることで、前記シース管基材の先端側が、閉塞されつつ前記発熱コイルの前記先端部と接続される本溶接工程と、
   前記本溶接工程に続けて、前記本溶接工程よりも小さくかつ１．５Ａ以上であるアーク電流に下げて、閉塞した前記シース管基材の先端側に、アーク溶接を行うクレーター溶接工程とを備え、
   前記クレーター溶接工程において、アーク溶接時間は、前記本溶接工程におけるアーク溶接時間よりも、２倍以上の長さであるグロープラグの製造方法。
3. 前記クレーター溶接工程において、前記アーク電流は、前記本溶接工程におけるアーク電流に対して、１２％以下の大きさである請求項２に記載のグロープラグの製造方法。

Images