CZ308814B6

CZ308814B6 - Způsob vytváření koncové části vnější elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování

Info

Publication number: CZ308814B6
Application number: CZ2013291A
Authority: CZ
Inventors: MojmĂr ÄŚapka; Mojmír Ing. Čapka
Original assignee: BRISK Tábor a. s.
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2021-06-09
Also published as: CZ2013291A3

Abstract

Nejprve se tato protikorozní vrstva působením laserového paprsku první pulzem o intenzitě 2000 až 2500 W/mm2 po dobu do 0,3 s v oblasti budoucího nánosu přídavného materiálu vybraného ze skupiny zahrnující W, Pt a Ir odpaří. Pak se koncová část vnější elektrody ze slitiny Ni sníženou intenzitou laserového paprsku v oblasti 100 W/mm2 po dobu do 0,4 s předehřívá, načež následují dva po sobě jdoucí pulzy laserového paprsku o intenzitě 1500 až 2000 W/mm2. Ve druhém pulzu po dobu do 0,5 s se základní materiál koncové části vnější elektrody lokálně ohřeje nad teplotu jeho tání a jeho povrchová vrstva se natavuje do hloubky v oblasti 0,1 mm, načež se do laserového paprsku a vzniklé taveniny přivádí přídavný materiál ve formě prášku, který se natavuje na povrch koncové části vnější elektrody, s jejímž materiálem se difúzně mísí. Pak se po dobu do 0,4 s sníží intenzita laserového paprsku až do 100 W/mm2, čímž se teplota procesní oblasti koncové části vnější elektrody sníží až na v podstatě 300 °C. Ve třetím pulzu laserového paprsku, se v opakovaném cyklu dalšího tavení a tuhnutí vzniklé taveniny dalším přiváděním prášku přídavného materiálu postupně vytváří návar čistého přídavného materiálu do požadované výšky a v této fázi se následně plynule snižuje intenzita laserového paprsku, čímž se v koncové části vnější elektrody minimalizuje vznik tahových napětí a riziko vzniku trhlin a zamezuje vzniku tvrdé a křehké struktury, přičemž se koncová část vnější elektrody upraví do konečného tvaru.

Description

Způsob vytváření koncové části vnější elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování

Oblast techniky

Předmětem vynálezu je způsob vytváření koncové části vnější elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování.

Dosavadní stav techniky

Elektrody zapalovacích svíček jsou střídavě vystaveny cyklickému ohřevu a ochlazování ve spalovací komoře motoru, čímž opakovaně dochází ke vzniku tepelného namáhání na rozhraní mezi špičkou střední elektrody a čelním koncem vnější elektrody vzhledem k rozdílné tepelné roztažnosti mezi nimi. Toto tepelné namáhání se koncentruje na uvedeném rozhraní a způsobuje vznik trhlin a vad zapalovací svíčky. V dokumentu US 8348789 je popisováno vytváření zakončení střední elektrody zapalovací svíčky metodou laserového navařování, kdy se základní materiál elektrody zahřeje nad jeho teplotu tání a do laserového paprsku a vzniklé taveniny se přivádí přídavný materiál, např. W, Ir nebo Pt v podobě prášku. Tento prášek je laserovým paprskem natavován a dochází k difůznímu promísení obou materiálů a následně za stálého přívodu prášku postupnému vytvoření návaru W, Ir nebo Pt do požadované výšky. Cílem předloženého vynálezu je dosažení minimalizace tahových napětí v difúzním spoji a samotném návaru a následně minimalizace vzniku trhlin a vad. Cílem je rovněž zlepšení mechanických vlastností návaru, zvýšení jeho pevnosti Rm a meze kluzu Re.

Podstata vynálezu

Předmětem tohoto vynálezu je způsob vytváření koncové části střední elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu, vybraného ze skupiny zahrnující W, Pt a Ir, metodou laserového navařování, kde vnější elektroda ze slitiny Ni je opatřena protikorozní vrstvou Zn resp. ZnNi. Podstata vynálezu spočívá v tom, že nejprve se tato protikorozní vrstva působením laserového paprsku prvním pulzem o intenzitě 2000 až 2500 W/mm² po dobu do 0,3 s v oblasti budoucího nánosu přídavného materiálu odpaří, pak se koncová část vnější elektrody sníženou intenzitou laserového paprsku v oblasti 100 W/mm² po dobu do 0,4 s předehřívá, načež následují dva po sobě jdoucí pulzy laserového paprsku o intenzitě 1500 až 2000 W/mm², to je druhý pulz atřetí pulz. Ve druhém pulzu po dobu do 0,5 s se základní materiál koncové části vnější elektrody lokálně ohřeje nad teplotu jeho tání ajeho povrchová vrstva se natavuje do hloubky v oblasti 0,1 mm, načež se do laserového paprsku a vzniklé taveniny přivádí přídavný materiál ve formě prášku, který se natavuje na povrch koncové části vnější elektrody, s jejímž materiálem se difuzně mísí. Pak se po dobu do 0,4 s sníží intenzita laserového paprsku až do 100 W/mm², čímž se teplota procesní oblasti koncové části vnější elektrody sníží až na v podstatě 300 °C. Ve třetím pulzu laserového paprsku, který má obdobný průběh jako předcházející druhý pulz, se v opakovaném cyklu dalšího tavení a tuhnutí vzniklé taveniny dalším přiváděním prášku přídavného materiálu postupně vytváří návar čistého přídavného materiálu do požadované výšky a v této fázi se následně plynule snižuje intenzita laserového paprsku, čímž se v koncové části vnější elektrody minimalizuje vznik tahových napětí a riziko vzniku trhlin a zamezuje vzniku tvrdé a křehké struktury, přičemž se koncová část vnější elektrody upraví do konečného tvaru.

Nárůst i pokles intenzity třetího pulzu laserového paprskuje méně strmý než druhého pulzu, při zachování jejich v podstatě stejné maximální intenzity v oblasti 1500 až 2000 W/mm².

Při druhém pulzu je vytvářena difůzní vrstva mezi elektrodou a práškem přídavného materiálu. Protože v této fázi není návar významně vystavován do výšky resp. požadované tlouštky, může

-1 CZ 308814 B6 být proces poněkud rychlejší. Při třetím pulzu dochází k výstavbě návaru do požadované tloušťky. V této fázi je zapotřebí více času pro stabilní vytváření požadovaného tvaru a také pro pozvolné tuhnutí, kdy se snižuje riziko vzniku trhlin v návaru. Z těchto důvodů je nárůst i pokles intenzity třetího pulzu laserového paprsku méně strmý než druhého pulzu, při zachování jejich v podstatě stejné maximální intenzity, třetí pulz je časově delší než druhý.

Horní povrch nánosu přídavného materiálu se broušením nebo frézováním upraví do roviny, načež se koncová část vnější elektrody zastřihne do klínovitého tvaru se zkosením v oblasti 10 až 30° o šířce vnějšího okraje ve vrcholu tohoto klínu 0,8 až 2 mm.

Objasnění výkresů

Na připojených výkresech je znázorněn příklad vytváření koncové části vnější elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování. Na obr. 1 a 2 je zobrazena v řezu a v půdorysu vnější elektroda zapalovací svíčky, upravená na požadovanou délku a se zarovnaným a začištěným čelem, jejíž koncová část je opatřena nánosem (návarem) W, resp. Ir nebo Pt, s difůzním spojem mezi základním materiálem elektrody z Ni slitiny. Zatímco na obr. 1 má návar po celé šířce vnější elektrody v podstatě tvar rovnoběžníku, na obr. 2 má elipsovitý tvar. Na obr. 3 je horní povrch nánosu z důvodu snížení přeskokového napětí obroben frézováním nebo broušením do roviny, na obr. 4 je v půdorysném pohledu znázorněno zastřižení konce vnější elektrody po ofrézování nánosu přídavného materiálu podle obr. 1 (nahoře, koncová část vnější elektrody je zastřihnuta do klínovitého tvaru) a obr. 2 (dole, koncová část vnější elektrody je zastřihnuta kolmo). Na obr. 5 je zobrazen časový průběh intenzity laserového paprsku v celém procesu vytváření zakončení vnější elektrody zapalovací svíčky metodou laserového navařování.

Příklady uskutečnění vynálezu

Principem metody je intenzivní lokální ohřev základního materiálu vnější elektrody 2 zapalovací svíčky (slitiny Ni) laserovým paprskem nad jeho teplotu tání, kdy se do laserového paprsku a vzniklé taveniny přivádí přídavný materiál (nános 4 W, Pt nebo Ir) v podobě prášku a tento prášek je laserovým paprskem také natavován. Vzniká promísení obou materiálů a vytvoření difuzního spoje 5 mezi nimi. Rychlým odvodem tepla z procesního místa do základního materiálu („samoochlazovací efekt“) dochází k rychlému tuhnutí vzniklé slitiny. Ve spojitém cyklu rychlého natavování a tuhnutí a za stálého přívodu prášku dochází k postupné výstavbě návaru (nánosu 4) do libovolné výšky. Laserový svazek je pomocí kolimační a fokusační optiky zaostřen na plochu vnější elektrody 2. Axiálně s paprskem je přiváděn přídavný prášek, jehož přiváděči kužel je také zaostřen na plochu vněj ší elektrody 2, připevněné k pouzdru 1 zapalovací svíčky a určené k návaru. Po sepnutí laseru je plocha vnější elektrody 2 intenzivně zahřívána až do stavu taveniny. Přídavný prášek je přiváděn do vytvořené taveniny, kde se působením laserového prášku také postupně natavuje a vytváří se difuzní spoj 5 mezi práškem W, Pt nebo Ir a základním materiálem (Ni slitinou) vnější elektrody 2. Dalším přiváděním přídavného prášku za působení laserového paprsku je postupně vystavován návar již čistého W, Pt nebo Ir.

Vnější elektroda 2 zapalovací svíčky ze slitiny Ni je připevněna k pouzdru 1 zapalovací svíčky, má šířku v rozmezí 1,3 až 3 mm a tloušťku v rozmezí od 2,1 až 5 mm. Proti korozi j e chráněna vrstvou Zn, resp. ZnNi. Tato vrstva musí být z důvodu dobré adheze laserového návaru odstraněna. Pro odstranění této antikorozní vrstvy je použit krátký laserový impulz s vysokou intenzitou, který předchází samotnému procesu navařování. Celkový čas procesuje 2,5 s.

V první fázi (viz obr. 5) procesu v čase až do 0,3 sekundy dochází prvním laserovým pulzem o vysoké intenzitě 2000 až 2500 W/mm² (rozsah intenzity je dán použitým materiálem následného nánosu 4 (W, Pt nebo Ir), z důvodu čistého spoje se základním materiálem k odstranění antikorozní vrstvy Zn resp. ZnNi (odpaření vrstvy), v následné fázi 0,3 až 0,7 sekundy procesu dochází ke

- 2 CZ 308814 B6 snížení intenzity za účelem lokálního předehřevu plochy vnější elektrody 2 a stabilizaci procesu (předehřev probíhá sníženou intenzitou laserového paprsku v oblasti 100 W/mm²). Samotný proces navařování probíhá v pulzním režimu, kdy samotný proces navařování probíhá ve dvou po sobě jdoucích cyklech (fáze II a fáze III) v délce trvání 0,75 až 1 sekund, resp. dvou po sobě jdoucích pulzech laserového paprsku o intenzitě 1500 až 2000 W/mm². Tento proces je zvolen z důvodu postupného odvádění tepla od procesního místa.

Jak bylo výše uvedeno, pro stabilizaci procesu po odpaření antikorozní povrchové vrstvy dochází ke snížení intenzity laserového paprsku a vnější elektroda 2 se předehřívá, aby nedošlo k předčasnému natavení procesního místa této vnější elektrody 2. Tento předehřev (fáze I) zásadně pozitivně ovlivňuje následný teplotní cyklus ve fázi chladnutí (pomalejší chladnutí má pozitivní vliv na vznikající strukturu), následnou strukturu difúzního spoje 5 a návaru (nánosu 4, difúzi vodíku (difúze vodíku do svárového spoje je negativní jev, předehřev tento proces eliminuje) a úroveň a rozložení zbytkových napětí (předehřev má pozitivní vliv na minimalizaci tahových napětí v difúzním spoji 5 a samotném návaru (nánosu 4), minimalizace tahových napětí má za následek minimalizaci vzniku trhlin a vad). Zlepšují se mechanické vlastnosti difúzního spoje 5 / návaru (nánosu 4) - předehřev pozitivně ovlivňuje mechanické vlastnosti návaru, zvyšuje pevnosti R_m a mez kluzu Re.

Následuje další fáze uvedeného procesu (fáze II), kterou je vznik difúzní vazby resp. spoje 5 a první cyklus výstavby návaru (nánosu 4) přídavného materiálu. Nárůst intenzity laserového paprsku ve druhém pulzu způsobí zahřátí plochy vnější elektrody nad teplotu tání, dochází k natavení povrchové vrstvy vnější elektrody 2 v hloubce cca 0,1 mm. Přiváděný prášek (W, resp. Pt nebo Ir) k procesnímu místu do vzniklé taveniny je laserovým paprskem také natavován a vytváří se metalurgická vazba mezi práškem a vnější elektrodou 2. Odvod tepla z procesního místa do těla vnější elektrody 2 způsobuje tuhnutí taveniny. Aby nedocházelo k přehřátí a utavení vnější elektrody 2, je výstavba návaru (nánosu 4 přídavného materiálu) provedena ve dvou cyklech. V této mezifázi dochází ke snížení intenzity záření a vychladnutí procesního místa na optimální teplotu kolem 300 °C. Po vychladnutí na požadovanou teplotu následuje další fáze III, která má obdobný průběh jako předchozí fáze II.

V této fázi III výstavby návaru (nánosu 4 přídavného materiálu) způsobí nárůst intenzity laserového paprsku ve třetím pulzu zahřátí plochy vnější elektrody 2 nad teplotu tání a dochází k natavení povrchové vrstvy návaru z prvního cyklu (fáze I) v hloubce cca 0,1 mm. Odvod tepla z procesního místa do těla vnější elektrody 2 způsobuje tuhnutí taveniny a v opakovaném cyklu tavení a tuhnutí je vystavěn návar (nános 4 přídavného materiálu) do požadované výšky. Tvar a výška nánosu 4 jsou znázorněny na obr. 1 a 2, délka nánosu 4 je v rozmezí od 1 až do 6 mm. Následuje obrobení (frézování nebo broušení) nanesené vrstvy do konečného tvaru (obr. 3), to je začištění nanesené vrstvy 4 do konečného tvaru z důvodu vytvoření rovné funkční plochy pro rovnoměrný přeskok jiskry. Výška vrstvy po obrobení (frézování nebo broušení) se pohybuje v rozmezí 0,2 až 1,2 mm. Po ofrézování nanesené vrstvy 4 dojde k zástřihu tvaru konce vnější elektrody 2. Tvar a rozměry zástřihu jsou znázorněny na obr. 4. Jestliže má nanesená vrstva 4 z důvodu šetření jejího materiálu tvar elipsy (v půdorysném pohledu), koncová část vnější elektrody se zastřihne do klínovitého tvaru se zkosením v oblasti 10 až 30° o šířce vnějšího okraje ve vrcholu tohoto klínu 0,8 až 2 mm.

Návar wolframu W (přídavného materiálu) na vnější elektrodu 2 je prováděn metodou laserového navařování (Laser Cladding, LMD - laser metal deposition, LDMD - laser direct metal deposition, 3D LMD - 3D laser metal deposition). Bylo použito vysokovýkonného pevnolátkového laseru s kontinuálním (CW) zářením o vlnové délce 800 až 1100 nm a minimální intenzitou záření 500 W/mm² . Laserový paprsek je z laserového zdroje sveden skrze optické vlákno do procesní hlavice uzpůsobené pro vytváření povlaků a vrstev metodou laserového navařování. Navařovaný prášek je nesen z diskového podavače do procesní hlavice tlakovým inertním plynem Ar, prášek je nesen k procesnímu místu axiálně s laserovým paprskem. Celý proces probíhá v ochranné atmosféře Ar. Tento inertní plyn je také k procesnímu místu přiváděn skrze procesní hlavici axiálně

-3CZ 308814 B6 ve směru laserového paprsku. Kontinuální přívod inertního plynu (nosného i ochranného) je zajištěn redukčními ventily s možností regulace průtoku i tlaku. U diskových podavačů je možné regulovat dávkování přídavného materiálu v rozsahu 0,1 až 100 g/min. Intenzitu záření laserového paprsku lze regulovat v rozsahu 50 až 6000 W/mm², s možností časové modulace pulzu od 0,01 s 5 do plně kontinuálního režimu. Procesní hlavice (koaxiální hubice s chladicími kanály) pro navařování disponuje modulárně měnitelnou kolimační a fokusační optikou pro změnu geometrie laserového paprsku v procesním místě navařování.

Chladnutí vnější elektrody 2 s řízeným ohřevem v konečné fázi procesu zamezuje vzniku tvrdé a ίο křehké struktury, minimalizuje vznik tahových napětí v návaru a riziko vzniku trhlin a jak již bylo uvedeno, zlepšuje mechanické vlastnosti návaru, zvyšuje pevnost Rm a mez kluzu Re.

Průmyslová využitelnost

Předložený vynález je určen pro vytváření koncové části vnější elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu metodou laserového navařování.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob vytváření koncové části vnější elektrody zapalovací svíčky s nánosem přídavného materiálu, vybraného ze skupiny zahrnující W, Pt a Ir, metodou laserového navařování, kde vnější elektroda ze slitiny Ni je opatřena protikorozní vrstvou Zn, resp. ZnNi, vyznačující se tím, že nejprve se tato protikorozní vrstva působením laserového paprsku prvním pulzem o intenzitě 2000 až 2500 W/mm² po dobu do 0,3 s v oblasti budoucího nánosu přídavného materiálu odpaří, pak se koncová část vnější elektrody sníženou intenzitou laserového paprsku v oblasti 100 W/mm² po dobu do 0,4 s předehřívá, načež následují dva po sobě jdoucí pulzy, druhý a třetí pulz, laserového paprsku o intenzitě 1500 až 2000 W/mm², kdy v druhém pulzu po dobu do 0,5 s se základní materiál koncové části vnější elektrody lokálně ohřeje nad teplotu jeho tání a jeho povrchová vrstva se natavuje do hloubky v oblasti 0,1 mm, načež se do laserového paprsku a vzniklé taveniny přivádí přídavný materiál ve formě prášku, který se natavuje na povrch koncové části vnější elektrody, s jejímž materiálem se difuzně mísí, pak se po dobu do 0,4 s sníží intenzita laserového paprsku až do 100 W/mm², čímž se teplota procesní oblasti koncové části vnější elektrody sníží až na v podstatě 300 °C, načež ve třetím pulzu laserového paprsku, který má obdobný průběh jako předcházející druhý pulz, se v opakovaném cyklu dalšího tavení a tuhnutí vzniklé taveniny dalším přiváděním prášku přídavného materiálu postupně vytváří návar čistého přídavného materiálu do požadované výšky a v této fázi se následně plynule snižuje intenzita laserového paprsku, čímž se v koncové části vnější elektrody minimalizuje vznik tahových napětí a riziko vzniku trhlin a zamezuje vzniku tvrdé a křehké struktury, přičemž se koncová část vnější elektrody upraví do konečného tvaru.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že nárůst i pokles intenzity třetího pulzu laserového paprskuje méně strmý a časově delší než druhého pulzu, při zachování jejich v podstatě stejné maximální intenzity v oblasti 1500 až 2000 W/mm².
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že horní povrch nánosu přídavného materiálu se broušením nebo frézováním upraví do roviny, načež se koncová část vnější elektrody zastřihne do klínovitého tvaru se zkosením v oblasti 10 až 30° o šířce vnějšího okraje ve vrcholu tohoto klínu 0,8 až 2 mm.