JPS6357919B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関用のスパークプラグに関し特にスパー
クプラグの中心電極に貴金属系細化電極を接合す
る方法に関する。

近年、内燃機関用のプラグに関しプラグの長寿
命化（耐消耗性の向上）と高性能化（飛火性と着
火性の向上）がますます要求されている。このう
ち長寿命化は発化部に貴金属チツプを使用するこ
とによつて改善され、高性能化は細線電極を使用
することによつて改善されることが知られてい
る。更にこの長寿命化と高性能化との両者を備え
たものとして貴金属の細化電極を使用したプラグ
が従来提案されており、この場合に貴金属の細化
電極を中心電極に接合する手段としてコンデンサ
ー溶接、抵抗溶接、レーザ溶接等の溶接手段並び
に特開昭50−22942部公報に示されるような機械
的接合手段が提案されている。しかしながら溶接
手段についての従来からの提案は、特にレーザ溶
接を使用する上記接合技術に関し、貴金属の細線
を中心電極に接合するための具体的手段について
は何も示しておらず、単にレーザ溶接等が使用で
きるという単なる提案あるいは可能性を示すにと
どまつていた。実際、現時点において、貴金属の
チツプをレーザ溶接によつて中心電極に接合した
プラグはいまだ実用化されていない。

内燃機関用でのプラグは、繰返し急熱急冷及び
燃焼ガスによる酸化雰囲気等の過酷な環境で使用
される。上記貴金属の細化電極が、ニツケル系耐
熱合金製中心電極に接合されている上記改良プラ
グの場合、貴金属の線膨張係数はニツケル系耐熱
合金の線膨張係数と異なるため、上記過酷な使用
環境下では貴金属の細化電極と中心電極の接合部
には線膨張係数の違いによつて生ずる熱応力によ
りクラツク発生、クラツクの急速な進展及び接合
部の酸化等が生じて接合部は劣化しやすく、最悪
の場合には貴金属の細化電極は脱落する。このよ
うな欠陥発生はプラグ製造時の製造技術と密接に
関係している。

一方、レーザ溶接は、微小部分の溶接が可能で
あり且つ溶接の際の形状制約が他の溶接法（コン
デンサ溶接、抵抗溶接等）に比較して少ないとい
う長所を有する。しかしながらレーザ溶接はレー
ザ光を集光して被溶接部の表面にスポツトとして
当て、被溶接物の局所を溶融させることにより接
合をおこなうため、被溶接部の微小部分は急熱急
冷を受けクラツクが発生しやすく且つ被溶接物で
ある貴金属の細化電極と中心電極との間の空気の
存在によつてブローホール・空気の吹き出しの欠
陥が生じやすいという欠点を有する。第６ａ図は
レーザ溶接によつて生じるこのクラツク５の状態
を示し、第７ａ，７ｂ図はブローホール６、第８
ａ，８ｂ図は空気の吹き出し７をそれぞれ示す。
このような欠陥を有するプラグがエンジン内で使
用されるとプラグの接合部に上記劣化が生じやす
くなると共に増長加速されて、短時間で使用不可
能となる。

本発明の目的は、スパークプラグの中心電極に
貴金属系細化電極を接合する方法を得ることであ
る。

本発明の方法は、発火部側に円筒状に突出しか
つ外径が胴部に比べて径小の先端部を有し、該先
端部の軸線方向に該先端部の突出長さにわたつて
延在した穴を有し、該穴の円周方向内面と前記先
端部の外周面との間の肉厚ｂが0.1〜0.45mmであ
り、前記先端部の突出長さｃが0.7〜2.0mmであ
る、ニツケル基耐熱合金から成る中心電極と、 前記中心電極の穴に挿入され、その挿入深さｄ
がｃ＋0.05mm≦ｄ≦2.0mmとされた、貴金属ある
いは貴金属合金製の細化電極と、を設ける段階
と、 前記中心電極の穴に前記細化電極を挿入、配置
する段階と、 前記穴に挿入された前記細化電極と前記穴との
間の〓間ａを機械的手段により0.005mm以下とな
るようにする段階と、 前記中心電極の前記円筒状先端部の外周の略中
央位置に、該電極の軸線方向を横切る方向からレ
ーザを照射し、該照射により前記中心電極の前記
円筒状先端部の一部および前記細化電極の一部を
溶融且つ一体化させる段階と、 前記レーザ照射により前記溶融部分が前記細化
電極の軸線位置に達しない状態で前記レーザ照射
を停止して該溶融部分を凝固させ、それにより前
記中心電極の前記円筒状先端部および前記細化電
極を一体化し、かつ前記細化電極の軸線方向を横
切る方向において該細化電極の内部まで位置した
溶融・凝固部分を形成する段階と、 前記一体化した溶融・凝固部分を前記中心電極
の前記円筒状先端部の円周方向に少なくとも１個
設ける段階と、を有することを特徴とする。

上記数値範囲で、細化電極と中心電極先端との
間の〓間ａが0.005mmを越えるとレーザ溶接の時
にブローホールの発生及び空気の吹き出しが生ず
る率が増大をする。中心電極先端部の穴の内周面
と中心電極先端部の外周面との間の肉厚即ち壁厚
ｂが0.1mmより小さくあるいは0.45mmより大きい
と正常なレーザ溶接が得られずクラツク等の発生
あるいは接合不可能が生ずる。中心電極先端部の
長さｃが0.7mmより小さいと安定した接合強度を
得ることができない。貴金属の細化電極の挿入深
さｄがｃ＋0.05mmより小さいと接合部にブローホ
ール及び空気の吹き出し等の欠陥が発生し、2.0
mmより大きいと未利用の貴金属の量が増加してコ
スト高となる。

以下本発明の実施例を添付図面を参照して詳細
に説明する。第１図は本発明の方法によるプラグ
を製造する際のレーザ照射による接合をおこなう
以前の中心電極先端部を拡大して示した断面部で
あり、１はインコネル600（商標名）相当材に対応
する、重量で15.5％Cr、１％以下のMn、７％以
下のFe、0.5％以下のSi、0.1％以下のＣ、及び残
部Niから成るNi−高Cr合金製中心電極でその外
径Ａは2.5mmである。２はPt−10％Ir合金から成
る貴金属の細化電極でその直径Ｂは0.7mmである。
中心電極１の先端部には軸線方向に延在する穴３
が設けられ、細化電極２は穴３に挿入深さｄで挿
入されている。細化電極と中心電極先端部とを接
合するため、長さｃの中心電極先端部１ａのほぼ
中心部にレーザが照射され、その結果第９ａ図
（第９ｂ図は写真の説明図）及び第１０ａ図（第
１０ｂ図は写真の説明図）に示す写真のように中
心電極先端部と細化電極との接合がおこなわれ
た。レーザの種類はYagレーザを使用し、レーザ
出力１１ジユール、焦点はずし距離はアンダーホ
ーカス側で４mmとし、当初６mm直径のレーザを中
心電極先端部外周面に照射する位置で直径0.5mm
まで絞つたレーザとした。このレーザを約８ミリ
秒照射するレーザ溶接により、第１０ａ図に示さ
れるようにレーザ照射された部分は中心電極先端
部及び貴金属系細化電極共に溶融して一体化して
その後の冷却によりほぼ円錐状の形状をした溶
融・凝固部分４が形成され、この溶融・凝固部分
４により細化電極と中心電極先端部とが接合され
た。なお第１０ｂ図では一体化した溶融・凝固部
分４以外の中心電極１と細化電極２との間には隙
間ａが示されていないが実際には第１図に拡大し
て示されている隙間ａと同じ距離の隙間が存在す
る。一体化した溶融・凝固部分４はその断面が第
１０ａ図に示されているようにNi−高Cr合金と
Pt−10％Ir合金とが渦状に混在して縞状の模様を
形成しており、白色の部分がPt−10％Irであり黒
色の部分がNi−高Cr合金であり、中心電極先端
部の円周方向に等間隔に３ヶ所設けられた。

レーザ溶接によりプラグを作る場合に良好な接
合を達成するためには、中心電極１と細化電極２
との間の隙間ａと、中心電極先端部の肉厚ｂと、
貴金属の細化電極の挿入深さｄと、中心電極先端
部の軸線方向長さｃとの数値範囲並びにｃとｄと
の相互関係が重要な因子であることが、上記実施
例に沿つて種々の実際のプラグを製作した結果判
明した。

第２図は、中心電極先端部の穴３内に挿入され
且つ接合された貴金属の細化電極と該中心電極先
端部との間のクリアランス即ち隙間ａの値と溶
融・凝固部分４に生ずるブローホール及び空気の
吹き出しの発生率との相関関係を示した。この第
２図から、隙間ａが大きくなる程第７ａ図第７ｂ
図及び第８ａ図、第８ｂ図に示すブローホール６
及び空気の吹き出し７の発生率が高くなることが
判明した。従つてレーザ溶接時の隙間ａは0.005
mm以下でなければならない。

第３図は、隙間ａの値が0.005mmの時の中心電
極先端部の肉厚ｂと、レーザ溶接時のレーザのエ
ネルギ密度との関係を示したグラフであり、グラ
フ中で実線は接合の限界を示す。即ちこの実線
より下側のエネルギー密度のレーザでは中心電
極先端部と貴金属の細化電極との接合は不可能で
あり、接合をおこなうには実線より上側のエネ
ルギー密度を備えたレーザを使用する必要があつ
た。破線はレーザ溶接によつて生ずる溶融・凝
固部分にクラツク５が生じない限界を示す。即ち
破線の上側のエネルギー密度のレーザを使用す
ると第６ａ図、第６ｂ図に示すクラツクが溶融・
凝固部分４に生じた。従つてクラツクの発生を防
止するため破線以下のエネルギー密度のレーザ
を使用して接合しなければならない。この第３図
のグラフより中心電極先端部の肉厚ｂは0.1−
0.45mmの間になければならない。

第４図は、中心電極先端部の長さｃと貴金属の
細化電極の挿入深さｄとがレーザ溶接・接合に及
ぼす影響を示したグラフで、実線は溶融・凝固部
分にブローホール及び空気の吹き出しが発生する
限定を示し、垂直方向の破線は安定した接合強度
が得られる限界を示し、水平方向の破線は貴金属
の細化電極の実用上の長さの程度を示す。即ち第
４図で実線より下側の領域では溶融・凝固部にブ
ローホールあるいは空気の吹き出しが発生して不
可であり、垂直方向の破線より左側の領域では安
定した接合強度の確保が困難となるので不可であ
り、水平方向の破線より上側の領域では未利用の
貴金属部分が増大してコスト高となるので不可で
あつた。従つて中心電極先端部の長さｃは0.7mm
以上で且つ貴金属の細化電極の挿入深さｄは２≧
ｄ≧ｃ＋0.05mmを満足しなければならない。

上記結論は0.7mm直径の貴金属細化電極を使用
したプラグから得られたものであるが、この外に
２−３mmの範囲の直径を有する種々の中心電極と
0.5mm〜1.5mmまでの各種の直径を有する貴金属の
細化電極を有するプラグを作り調査した結果、上
記のａ，ｂ，ｃ，ｄの適切な値の範囲及びｃとｄ
との関係については、2.5mm直径の中心電極及び
0.7mm直径の細化電極の組合せ場合と同じ結果が
得られた。

又中心電極１の材質としてインコネル600相当
材の他にNi−低Cr合金であるNi−２％Cr系合金
（この他Mn，Siを含有する）のスパークプラグ用
材料について並びに貴金属の細化電極２の材質と
してPt，Pt−20％Ir、Pt−20％Ir−５％Ni，Pt
−20％Ni、50％Au−50％Pdについて実際のプラ
グを製作してａ，ｂ，ｃ，ｄの関係を調べた結
果、上記実施例の場合と同じａ，ｂ，ｃ，ｄの範
囲及びｃとｄとの関係が欠陥のないレーザ溶接に
よるプラグを作る場合に必要であることが判明し
た。

従つて本発明の方法によるプラグでは、中心電
極用材料としてはスパークプラグ用の従来のNi
−低Cr系合金でもよく、貴金属の細化電極用材
料としては貴金属、Pt−Ir合金あるいはAu−Pd
等の合金でもよい。更に貴金属及び貴金属の合金
に必要に応じてNi等の金属を添加した合金を細
化電極用材料として使用してもよい。

本発明の方法によるプラグは第１図及び第１０
ｂ図等に示すように細化電極２が中心電極先端部
１ａの末端から外方へ突出した形状となつている
が、第５図に示すように貴金属の細化電極と中心
電極先端部との末端が同一平面内にある場合でも
適用可能であることが実験により判明した。

上記構成要件を有する本発明の方法によるプラ
グは、接合用の一体化した溶融・凝固部に上記欠
陥が生ぜず、５万Ｋ−10万Kmの自動車走行距離に
対応する作動条件に使用可能であることが実際に
たしかめられた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法によるプラグを製造する
時のレーザ溶接以前の中心電極先端部と貴金属の
細化電極との配置を示す拡大した断正面図、第２
図は、レーザ溶接時のクリアランス即ち隙間ａと
ブローホールあるいは空気の吹き出し等の欠陥発
生の発生率との関係を示すグラフ、第３図は、中
心電極先端部の肉厚ｂとレーザのエネルギー密度
とがレーザ溶接により接合に及ぼす影響を示した
グラフ、第４図は、レーザ溶接時の中心電極先端
部の長さｃと貴金属の細化電極の挿入深さｄとが
接合に及ぼす影響を示したグラフ、第５図は本発
明の方法によるプラグの他の実施例を示す断正面
図、第６ａ図及び第６ｂ図はそれぞれレーザ溶接
によつて溶融・凝固部に生じたクラツクを示す金
属組織写真とその説明図、第７ａ図及び第７ｂ図
はそれぞれレーザ溶接によつて溶融・凝固部に生
じたブローホールを示す金属組織写真とその説明
図、第８ａ図及び第８ｂ図はそれぞれレーザ溶接
によつて溶融・凝固部に生じた空気の吹き出しを
示す金属組織写真とその説明図、第９ａ図と第９
ｂ図とはそれぞれ本発明方法によつて製造された
プラグを示す金属組織写真とその説明図、第１０
ａ図と第１０ｂ図はそれぞれ本発明方法によつて
製造されたプラグの断面を示す金属組織写真とそ
の説明図であり、 １は中心電極先端部、２は貴金属の細化電極、
３は中心電極先端部に設けられた穴、４はレーザ
溶接によつて生じた溶融・凝固部分、５はクラツ
ク、６はブローホール、７は空気の吹き出しを示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発火部側に円筒状に突出しかつ外径が胴部に
   比べて径小の先端部を有し、該先端部の軸線方向
   に該先端部の突出長さにわたつて延在した穴を有
   し、該穴の円周方向内面と前記先端部の外周面と
   の間の肉厚ｂが0.1〜0.45mmであり、前記先端部
   の突出長さｃが0.7〜2.0mmである、ニツケル基耐
   熱合金から成る中心電極と、 前記中心電極の穴に挿入され、その挿入深さｄ
   がｃ＋0.05mm≦ｄ≦2.0mmとされた、貴金属ある
   いは貴金属合金製の細化電極と、を設ける段階
   と、 前記中心電極の前記穴に前記細化電極を挿入、
   配置する段階と、 前記穴に挿入された前記細化電極と前記穴との
   間の〓間ａを機械的手段により0.005mm以下とな
   るようにする段階と、 前記中心電極の前記円筒状先端部の外周の略中
   央位置に、該電極の軸線方向を横切る方向からレ
   ーザを照射し、該照射により前記中心電極の前記
   円筒状先端部の一部および前記細化電極の一部を
   溶融且つ一体化させる段階と、 前記レーザ照射による前記溶融部分が前記細化
   電極の軸線位置に達しない状態で前記レーザ照射
   を停止して該溶融部分を凝固させ、それにより前
   記中心電極の前記円筒状先端部および前記細化電
   極を一体化し、かつ前記細化電極の軸線方向を横
   切る方向において該細化電極の内部まで位置した
   溶融・凝固部分を形成する段階と、 前記一体化した溶融・凝固部分を前記中心電極
   の前記円筒状先端部の円周方向に少なくとも１個
   設ける段階と、を有することを特徴とする、スパ
   ークプラグの中心電極に貴金属系細化電極を接合
   する方法。