CN110945727B - 火花塞电极以及用于制造这种火花塞电极的方法和具有火花塞电极的火花塞 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种火花塞电极（1），该火花塞电极具有由第一种材料构成的电极基体（2）和由第二种材料构成的点火元件（3），其中所述点火元件（3）被设立用于形成用于火花塞的点火面，其中所述电极基体（2）和所述点火元件（3）通过焊缝（4）材料锁合地相互连接，其中在所述焊缝（4）的邻接到点火元件（3）的半部中用于所述第一种材料或者用于所述第二种材料的拌匀度（D）小于15个重量百分点。此外，本发明涉及一种用于制造火花塞电极（1）的方法，所述火花塞电极（1）具有由第一种材料构成的电极基体（2）和由第二种材料构成的点火元件（3），所述方法具有以下步骤：‑提供所述电极基体（2）和所述点火元件（3）；‑执行焊接过程，以用于在形成焊缝（4）的情况下将所述电极基体（2）和所述点火元件（4）连接起来；‑其中通过反射器件（6）使焊接射束（5）对准电极基体（2）与点火元件（3）之间的连接部位并且产生焊缝（4）；‑通过所述反射器件（6）的倾斜将所述焊接射束（5）导引到所述点火电极（1）的表面（7）上，以用于产生所述焊缝（4）。
Description
技术领域
本发明涉及一种火花塞电极、一种具有这种火花塞电极的火花塞以及一种用于制造这种火花塞电极的方法。
背景技术
火花塞的使用寿命由于其组件的耐久性而受到限制。这些组件之一是火花塞电极或用来制造火花塞电极的材料。在其在内燃机中使用期间，火花塞电极及其材料持续地经受腐蚀和侵蚀过程。由于在内燃机运行时火花塞电极的材料的氧化和点火火花等离子体，火花塞电极之间的点火间隙随着时间的推移而扩大，由此火花塞失去其点火能力并且必须予以更换。
相应地，目前研究的目的是找到具有高的耐腐蚀性和耐侵蚀性的材料和材料组合。由目前所使用的镍合金构成的火花塞电极具有大约30 000km到60 000km的使用寿命。由贵金属合金构成的火花塞电极具有60 000km至90 000km的使用寿命并且由于材料成本而比由镍合金构成的火花塞电极明显更贵。
为了降低材料成本，通常将由镍合金构成的电极基体与由贵金属或贵金属合金构成的点火元件组合起来。电极基体和点火元件借助于焊接方法材料锁合地相互连接。常用的贵金属是铂和铱以及具有这些元素的合金。
然而，贵金属合金和镍合金具有不同的热膨胀系数，因而在焊缝中出现机械应力。在极端情况下，焊缝断裂并且基于贵金属的点火元件从电极基体上脱落，由此火花塞不能使用。
由于铱合金和镍合金之间的热膨胀系数相差2倍，所以这个问题对于基于铱的点火元件来说比基于铂的点火元件更加突出。
存在着不同的焊接方法，由此试图在点火元件与电极基体之间产生稳定的焊缝。激光焊接在将基于铱的点火元件与基于镍的基体连接起来的方面非常普遍。例如，从DE 10103 045 Al中已知一种激光焊接方法，其中cw激光束静态地对准点火元件和电极基体的连接区域并且火花塞电极围绕着其纵轴线旋转或者激光束围绕着火花塞电极旋转。由EP 0671 793 Al已知一种类似的方法，然而在此脉冲激发的激光束静态地对准连接区域。在DE2014 10 223 792 Al中用静态的激光束产生两道相对于彼此略微错开的焊缝。
对于现今可获得的火花塞来说，含贵金属的点火元件和电极基体通常已经借助于首次提到的两种方法之一焊接在一起并且具有上述问题。
发明内容
本发明的任务是，提供一种火花塞电极及一种用于其的制造方法，其中上面所提到的问题被最小化并且所述火花塞电极和所述火花塞具有尽可能长的使用寿命。
这个任务由按本发明的火花塞电极-该火花塞电极具有由第一种材料构成的电极基体和形成火花塞的点火面的、由第二种材料构成的点火元件，它们通过焊缝材料锁合地彼此连接-通过以下方式来解决，即：在焊缝的与点火元件邻接的半部中用于所述第一种材料或所述第二种材料的拌匀度D小于15个重量百分点。
为了 获取所述拌匀度D，在焊缝中实施线扫描以用于获取沿着这些线条的元素浓度。用于扫描的线条典型地相对于彼此具有等距的间隔并且垂直于点火元件的纵轴线、也就是平行于焊缝的直径来伸展。
优选在点火元件处实施一次线扫描，以用于确定用于第一种材料和第二种材料的元素浓度的参考值。另一次线扫描则优选在点火元件和焊缝之间的界面上进行。此外，能够在焊缝中实施另外的任意多的线扫描。有利地采用至少4次线扫描作为用于确定拌匀度的基础。对于每次线扫描来说，为第一种材料和第二种材料产生用于相应的线条中的元素浓度的数值。对于合金来说，例如，仅仅获取主要组成部分的浓度就已足够并且将其用于进一步的测评以用于确定拌匀度D。对于每种材料或元素来说，从为每条线条确定的元素浓度中计算平均值和所属的标准偏差。所述标准偏差而后是拌匀度D，该拌匀度是用于焊缝中的元素的分布和相应的材料的尺度。所述拌匀度D越小，焊缝中的元素的分布就越均匀。本申请人的研究已经表明，元素的分布越均匀，点火元件、焊缝与电极基体之间的热膨胀系数的差别就越小，相应地也降低了界面上的机械应力。由此，降低了在焊缝中形成裂缝的可能性并且提高了火花塞的使用寿命。所述拌匀度D因此也是用于焊缝和焊接的质量特征。
对于具有4次线扫描（n＝4）的实施例来说，所述拌匀度计算如下：
D 拌匀度
n 线扫描的次数
Li 第i条线条中的元素浓度
在此，平均值为：
。
为了确定用于第一种材料和/或第二种材料的元素浓度的参考值，在点火元件上在焊缝的外部实施第一次线扫描L1。
均匀分布不一定意味着，在焊缝中第一种材料与第二种材料混合并且形成新合金。本申请人的研究已经表明，对于稳定的且耐久的焊缝来说也完全有利的是，在焊缝中存在以下区域，所述区域基本上由第一种材料构成并且/或者基本上由第二种材料构成并且/或者基本上由第一种和第二种材料的混合物构成。在对这些不同的区域上进行线扫描时，在这些区域上对材料浓度或元素浓度求平均。所述拌匀度D而后表明，这些不同的区域有多均匀地分布在焊缝中。
本申请人的研究的另一个结果是，对于按照现有技术的火花塞电极来说不受欢迎的裂纹主要形成于焊缝的与点火元件邻接的半部中。因此，为了确定焊缝的质量，获取用于所述焊缝的面向点火元件的半部的拌匀度D就已足够。
当然，能够增加线扫描的次数、焊缝中的所检查的区域的尺寸和/或所检查的元素和材料的数量并且因此减小拌匀度D的测量不确定性并且同时提高拌匀度D的效力。本发明的有利的拓展方案部分地实现了上面所列举的变型方案。
本申请人的研究已经表明，有利的是，所述拌匀度D小于或等于12个重量百分点。对于以下火花塞电极而言实现了特别好的结果，对于所述火花塞电极来说就所述焊缝的与点火元件邻接的半部中的第一种材料或第二种材料而言所述拌匀度D小于或等于10个重量百分点。
作为替代方案，也有利的是，用于第一种和第二种材料的拌匀度D小于15个重量百分点、尤其小于或等于12个重量百分点、特别优选甚至小于或等于10个重量百分点。由此确保，在焊缝中存在两种材料的尽可能均匀的分布。
用于电极基体的第一种材料优选是镍或具有镍作为主要成分或最大的单个成分的镍合金。为了满足拌匀度D的条件，第一种材料中的镍含量遵守用于拌匀度D的极限是足够的。基于镍的第一种材料具有加工容易、材料成本低的优点。
作为补充方案或替代方案，值得追求的是，用于点火元件的第二种材料是贵金属或贵金属合金，尤其其中所述贵金属是选自下组的至少一种元素：Ir、Pt、Pd、Rh、Ru、Re、Os、Au、Ag并且是主要成分或者是合金中的最大的单个成分。为了满足拌匀度D的条件，第二种材料中的贵金属含量遵守用于拌匀度D的极限是足够的。基于贵金属的第二种材料具有的优点是，由其构成的点火元件具有高的耐腐蚀性和耐侵蚀性。
本发明的另一个方面涉及一种火花塞，该火花塞具有至少一个按本发明的火花塞电极。优选这个火花塞电极构造为中心电极。
本发明的第三方面涉及一种用于火花塞电极、尤其是用于按本发明的火花塞电极的制造方法。该制造方法具有以下步骤：
-提供电极基体和点火元件，
-执行焊接过程，以用于在形成焊缝的情况下将电极基体和点火元件连接起来，
-其中通过反射器件使焊接射束对准电极基体与点火元件之间的连接部位并且产生所述焊缝，并且
-通过反射器件的倾斜将所述焊接射束导引到所述点火电极的表面上，以用于产生所述焊缝。
通过所述反射器件的倾斜、尤其是周期性的倾斜，在火花塞电极的表面上产生焊接射束的局部调制。
在连接部位上并且在从点火元件到电极基体的连接面上产生的熔池通过这种局部调制获得额外的动态，所述额外的动态引起额外的混合，以用于通过热力学来推动第一种材料与第二种材料的拌匀。用这种焊接方法，熔化的第一种材料或第二种材料获得显著更大的作用范围并且能够在从中产生焊缝的熔池的内部继续运动并且部分地与另一种材料混合。
所述反射器件例如是反射镜或所谓的扫描器。
优选规定，沿着所述点火电极的表面上的一条与点火元件的纵轴线X平行的线条来导引所述焊接射束。这条纵轴线有利地延伸穿过点火元件与电极基体之间的连接面，也就是说延伸穿过后来的焊缝。
已经证实有利的是，以至少1000 Hz的频率使所述反射器件倾斜。例如以1200Hz的频率使所述反射器件倾斜。由此产生这一点，即：所述焊接射束基本上实施平行于点火元件的纵轴线X的运动并且多次扫过相同的线条或者说相同的区域。
这比如也通过如下方式得到支持，即：在焊接过程中所述火花塞电极旋转并且所述火花塞电极的旋转频率小于用来使所述反射器件倾斜的频率。通过与火花塞电极的旋转相比相对快速地使反射器件倾斜这种方式，所述焊接射束在火花塞电极的表面上几乎执行扫描运动。
所述焊接射束例如能够是激光射束、尤其是cw激光器、例如盘式激光器或光纤激光器的激光射束。与作为反射器件的扫描器相组合，对于焊接过程来说就产生激光扫描器焊接方法。
通过按本发明的制造方法的上面所描述的不同的设计方案得出这一点，即：对于所述第一种材料和/或所述第二种材料来说在所述焊缝中出现小于15个重量百分点的拌匀度D。
由此也在这里出现上面关于按本发明的火花塞电极所描述的有利的效果。
附图说明
图1示出了一种用于按本发明的用于火花塞电极的制造方法的实施例，
图2a、图2b和图2c示出了在一个按本发明的火花塞电极和两个按照现有技术的火花塞电极上进行的EDX测量的图像，
图3a示出了一种用于获取拌匀度D的实施例，
图3b在与按本发明的试样的比较中示出了用于两个用已知的焊接方法制造的试样的各两个元素的拌匀度D。
具体实施方式
图1示意性地示出了一种用于按本发明的制造方法的实施例。在此示出了火花塞电极1，其具有电极基体2、点火元件3和焊缝4，所述焊缝将电极基体2和点火元件3材料锁合地相互连接起来。所述点火元件3具有纵轴线X，该纵轴线垂直于点火元件3与电极基体2之间的连接面或垂直于焊接过程之后的焊缝4来延伸。所述点火元件例如以销钉或销的形式构成。所述火花塞电极1具有表面7，该表面由点火元件2的表面和电极基体2的表面来构成。所述点火电极的表面的、围绕着电极基体2和点火元件3之间的连接面的区域也被称为连接部位。在连接面和连接部位上在焊接过程中首先产生熔池并且接着产生焊缝4。
通过反射器件6、例如反射镜使焊接射束5、例如激光射束转向到电极基体2和点火元件3之间的连接部位上并且在那里产生焊缝4。这种焊接方法例如是激光扫描器焊接方法，其中通过扫描器使激光束对准有待焊接的物体并且产生焊缝。通过所述扫描器的运动来将激光束导引到目标处的期望位置。典型地将cw激光器、像比如光纤激光器或盘式激光器用于产生激光束。
用于焊缝4的熔池典型地在火花塞电极1中至少一直延伸至点火元件3的纵轴线X，从而在点火电极1围绕着纵轴线X旋转之后在焊接过程中电极基体2和点火元件3之间的连接面完全熔化，也就是说焊缝4在点火元件3的整个直径上延伸。
在焊接射束5入射到点火电极1的表面7上的期间，使反射器件6周期性地倾斜，使得焊接射束5以周期性的运动沿着表面7实施。优选所述运动平行于点火元件3的纵轴线X。通过这种对焊接射束5的入射进行的局部调制，在点火元件3与电极基体2之间的连接面上的溶池中实现焊缝4中的第一种材料和第二种材料的明显更高的动态性和更好的混合。
典型地以至少1000 Hz的频率、在这里例如1200Hz的频率使所述反射器件5倾斜。点火电极1围绕着点火元件3的纵轴线X的旋转具有明显更低的频率。
在图2 a）-c）中示出了用不同的焊接方法制造的三个点火电极1的磨片的EDX图像。对于图2a）中的试样1（P1）来说，通过静态地入射到连接部位上的cw激光束来产生焊缝，其中所述火花塞电极1围绕着其纵轴线旋转。所述点火元件由铱构成。所述电极基体由镍合金构成。图2b）中的试样2（P2）是具有基于镍的电极基体2和由铱合金构成的点火元件3的火花塞电极1。对于试样2来说，借助于脉冲激光来产生焊缝。图2c）中的试样3示出了按本发明的火花塞电极1，其借助于按本发明的制造方法来制成。通过扫描器6将cw激光束5导引到火花塞电极表面7上。所述点火元件3由铱合金构成并且所述电极基体由镍合金构成。
磨片的显微图像中的灰阶反映了不同的元素浓度。试样1的焊缝看起来具有相当统一的灰色阴影。而试样2的焊缝则显示出不同灰度级的强烈的涡漩。对于试样3来说，焊缝则显示出具有不同灰度级的、相对于彼此比较清晰地被界定的更大的和更小的区域。
为了确定焊缝的质量，要获取用于每个试样的拌匀度D。为了确定拌匀度D，首先要确定焊缝的、沿着点火元件3的纵轴线X的延长线的宽度y。沿着4条垂直于点火元件3的纵轴线X的线条来确定电极基体2和点火元件3的两种主要元素、在这里是镍和铱的元素浓度。在从焊缝的与点火元件邻接的边缘（上边缘）测量的情况下，在y/2处在焊缝的中心测量线条（L4）。在焊缝的上边缘处测量第二线条（L2）。沿着线条4与线条3之间的一半间距来测量第三线条。作为点火元件3中的参考来测量最后一条线条（L1），其中所述线条1至4全部相对于彼此具有相同的间距。在直径不恒定时，这些线条覆盖所述焊缝的直径的90%或者焊缝在上边缘处的直径的90%。这些线条的中点处于点火元件3的纵轴线X的延伸线上。沿着线条的元素浓度借助于EDX分析（能量色散X射线光谱法）来获取并且相应地是在具有可能不同浓度的区域上的平均，像比如在试样2和试样3中可见的那样。在图3a）中在按本发明的试样P3的实施例上示出了线条L1、L2、L3和L4的布置。
表格1
在表格1中分别为元素镍和铱记载了用于三个试样和相应4根线条的元素浓度。对于所述试样来说，所述基体主要由镍构成并且所述点火元件主要由铱构成。一些试样的剩余百分比由铑和在焊缝分析中未得到考虑的其他元素所构成。
对于每个试样来说，为每个元素在4条线条上形成平均值。拌匀度D相当于偏离每个元素的平均值的标准偏差。拌匀度D越小，标准偏差也越小。这又平均地相应于焊缝中的相对均匀的元素分布。
对于这种具有4线扫描（n＝4）的实施例来说，拌匀度计算如下：
D 拌匀度
n 线扫描的次数
Li 第i条线条中的元素浓度
在此，平均值为：
。
为了确定用于第一种材料（镍）和第二种材料（铱）的元素浓度的参考值，在点火元件上在焊缝的外部执行第一线扫描L1。
在图3b）中，用图形为每个试样示出了用于镍和铱的两个拌匀度D。两个按照现有技术的试样1和2对于两种元素来说具有至少15个重量百分点的拌匀度。本申请人的研究已经表明，拌匀度越小，焊缝就特别稳定。对于按照本发明的试样3来说，对于所述元素而言产生小于10个重量百分点的拌匀度。
在本申请人的研究的范围内也实施了以下试验，在所述试验中在焊缝的整个宽度y上实施了等距分布的EDX 线扫描并且根据上面所描述的处理方式从中确定用于所述元素的平均值和标准偏差或者说拌匀度D。用于在整个宽度上所获取的拌匀度D的结果与在一半宽度上所获取的拌匀度D的结果没有显著差别。此外，所述研究已经表明，对于按照现有技术的点火电极来说，在焊缝的上半部中、也就是在焊缝的面对点火元件的半部中产生焊缝中的裂缝和断裂处。因此，恰恰对于焊缝的上半部来说，焊缝的质量控制或改进对于火花塞-使用寿命的改进来说是重要的。为了提高质量分析和质量控制的效率，将拌匀度的确定集中到焊缝的上半部上。
Claims (14)
1.火花塞电极（1），具有
-由第一种材料构成的电极基体（2）和
-由第二种材料构成的点火元件（3），其中所述点火元件（3）被设立用于形成用于火花塞的点火面，
其中所述电极基体（2）和所述点火元件（3）通过焊缝（4）材料锁合地相互连接，
其特征在于，
所述点火元件（3）具有纵轴线（X），该纵轴线垂直于所述点火元件（3）与所述电极基体（2）之间的连接面或垂直于所述焊缝（4）来延伸，
其中，所述点火元件（3）以销的形式构成，
其中，所述火花塞电极（1）具有表面（7），该表面由所述点火元件（3）的表面和所述电极基体（2）的表面来构成，其中，所述火花塞电极（1）的表面的、围绕着电极基体（2）和点火元件（3）之间的连接面的区域是连接部位，
其中，在连接面和连接部位上在焊接过程中产生熔池和所述焊缝（4），
其中，用于所述焊缝（4）的熔池在所述火花塞电极（1）中至少一直延伸至所述点火元件（3）的纵轴线（X），从而在所述火花塞电极（1）围绕着纵轴线（X）旋转之后在焊接过程中所述电极基体（2）和所述点火元件（3）之间的连接面完全熔化，使得所述焊缝（4）在所述点火元件（3）的整个直径上延伸，
并且其中，在所述焊缝（4）的邻接到点火元件（3）的半部中用于所述第一种材料或者用于所述第二种材料的拌匀度（D）小于15个重量百分点。
2.根据权利要求1所述的火花塞电极（1），其特征在于，所述拌匀度（D）小于或等于12个重量百分点。
3.根据权利要求1所述的火花塞电极（1），其特征在于，用于所述第一种材料和所述第二种材料的拌匀度（D）小于15个重量百分点。
4.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞电极（1），其特征在于，所述第一种材料是镍或者具有镍作为主要成分的镍合金，并且/或者所述第二种材料是贵金属或贵金属合金，其中所述贵金属是选自下组的至少一种元素：Ir、Pt、Pd、Rh、Ru、Re、Ag、Au或Os。
5.根据权利要求1所述的火花塞电极（1），其特征在于，所述拌匀度（D）小于或等于10个重量百分点。
6.根据权利要求1所述的火花塞电极（1），其特征在于，用于所述第一种材料和所述第二种材料的拌匀度（D）小于或等于12个重量百分点。
7.火花塞，具有至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的火花塞电极（1），其中所述火花塞电极（1）中心电极。
8.用于制造根据权利要求1至6中任一项所述的火花塞电极（1）的方法，所述火花塞电极具有由第一种材料构成的电极基体（2）和由第二种材料构成的点火元件（3），所述方法具有以下步骤：
-提供所述电极基体（2）和所述点火元件（3）
-执行焊接过程，以用于在形成焊缝（4）的情况下将所述电极基体（2）与所述点火元件（3）连接起来，
-其中通过反射器件（6）将焊接射束（5）对准电极基体（2）与点火元件（3）之间的连接部位并且产生所述焊缝（4），
-通过所述反射器件（6）的倾斜将所述焊接射束（5）导引到所述火花塞电极（1）的表面（7）上，以用于产生所述焊缝（4），
其中，所述点火元件（3）具有纵轴线（X），该纵轴线垂直于所述点火元件（3）与所述电极基体（2）之间的连接面或垂直于所述焊缝（4）来延伸，
其中，所述点火元件（3）以销的形式构成，
其中，所述火花塞电极（1）具有表面（7），该表面由所述点火元件（3）的表面和所述电极基体（2）的表面来构成，其中，所述火花塞电极（1）的表面的、围绕着电极基体（2）和点火元件（3）之间的连接面的区域是连接部位，
其中，在连接面和连接部位上在焊接过程中产生熔池和所述焊缝（4），
其中，用于所述焊缝（4）的熔池在所述火花塞电极（1）中至少一直延伸至所述点火元件（3）的纵轴线（X），从而在所述火花塞电极（1）围绕着纵轴线（X）旋转之后在焊接过程中所述电极基体（2）和所述点火元件（3）之间的连接面完全熔化，使得所述焊缝（4）在所述点火元件（3）的整个直径上延伸。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，沿着所述表面（7）上的、与点火元件（3）的纵轴线（X）平行的线条来导引所述焊接射束（5）。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，以至少1000 Hz的频率使所述反射器件（6）倾斜。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述焊接过程的期间使所述火花塞电极（1）旋转，并且所述火花塞电极（1）的旋转频率小于用来使所述反射器件（6）倾斜的频率。
12.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述焊缝（4）的邻接到点火元件（3）上的半部中所述拌匀度（D）对于所述第一种材料和/或第二种材料来说小于15个重量百分点。
13.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述焊接射束（5）是激光束。
14.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述焊接过程是激光扫描器焊接方法，其中所述反射器件（6）是扫描器。
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