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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Elektrode für eine Zündkerze nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs aus. Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Zündkerze mit mindestens einer erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode sowie ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode.
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Heutige Zündkerzen weisen eine Mittelelektrode und mindestens eine Masseelektrode auf. Zwischen den Elektroden bildet sich bei bestimmungsgemäßen Betrieb der Zündkerze ein Zündfunken aus, der ein brennbares Gasgemisch entzündet. Typischerweise sind Mittelelektrode oder Masseelektrode aus einem Elektrodengrundkörper und einer daran angeordneten edelmetallhaltigen Verschleißfläche aufgebaut. Die Verschleißfläche weist in der Regel eine höhere Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und somit einen geringeren Verschleiß als das Material des Elektrodengrundkörpers auf. Die Verschleißfläche wird mit dem jeweiligen Elektrodengrundkörper durch eine Schweißung stoffschlüssig verbunden. Es gibt verschiedene Schweißtechniken, wie beispielsweise Widerstandsschweißen, Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißung, die bei der Zündkerzen-Herstellung Verwendung finden.
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Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften von Verschleißteil und Elektrodengrundkörper, insbesondere die wesentlich höheren Schmelztemperatur des Verschleißteilmaterials, ist die Herstellung einer zuverlässigen und langlebigen stoffschlüssigen Verbindung der beiden Komponenten eine Herausforderung.
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Zusätzlich kommt hinzu, dass einerseits die gewünschte Verschleißbeständigkeit des edelmetallhaltigen Verschleißteils sich in aufgeschmolzenen Bereichen des Verschleißteils reduziert. Um dennoch die gewünschten Standzeiten für die Elektrode und damit auch für die Zündkerze zu erreichen, wird ein gewisses Mindestvolumen des unveränderten edelmetallhaltigen Materials benötigt. Anderseits ist das für ein Verschleißteil benötigte Edelmetall relativ teuer ist, so dass man grundsätzlich das edelmetallhaltige Volumen gering halten möchte.
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Für Elektroden mit Verschleißteilen, die einen kleineren Radius im Vergleich zu ihrer Höhe aufweisen, gibt es Verbindungsverfahren, die einen akzeptablen Kompromiss aus Langlebigkeit der Schweißverbindung, des Verschleißteils und der Zündkerze sowie Herstellungskosten sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Für Elektroden, bei denen der Radius des Verschleißteils sich der Höhe des Verschleißteil annähert bzw. bei denen der Radius größer als die Höhe wird, liefern die bekannten Verbindungsverfahren mit zunehmenden Radius schlechtere Ergebnisse. Entweder wird keine ausreichende Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung erreicht oder es muss zu viel Volumen des edelmetallhaltigen Verschleißteils aufgeschmolzen werden, um eine ausreichende Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zu erreichen.
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode der eingangs genannten Art und ihr Herstellungsverfahren dahingehend zu verbessern, dass die vorstehenden Nachteile beseitigt bzw. minimiert werden.
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Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des unabhängigen Elektroden-Anspruchs bzw. durch den kennzeichnenden Teil des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine zuverlässige und langlebige stoffschlüssige Verbindung des Verschleißteils mit dem Elektrodengrundkörper ein Mindestvolumen des Verschleißteils aufschmelzen muss, damit genügend Material für eine Legierung mit dem Elektrodengrundkörpermaterial zur Verfügung steht.
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Um dies zu gewährleisten ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Verschleißteil eine Strecke AC einen Winkel α zu der Längsachse x-x des Verschleißteils aufweist und α größer oder gleich 45° ist, wobei die Punkte A und C in einer Schnittebene entlang der Längsachse x-x Übergänge zwischen mindestens einem ersten Bereich, der nicht aufgeschmolzen ist, und mindestens einem zweiten Bereich, der aufgeschmolzenen ist, im Verschleißteil markieren. Der Punkt A markiert einen ersten Übergang an der Mantelfläche des zylinderförmigen Verschleißteils. Der Punkt C markiert einen weiteren Übergang, der der Längsachse x-x am nächsten liegt.
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Dadurch ergibt sich, dass der zweite Bereich mindestens eine gleich lange bzw. längere Ausdehnung in einer radiale Richtung zur der Längsachse wie bzw. als in einer parallelen Richtung zur Längsachse hat. Damit wird sichergestellt, dass nicht nur am Rand des Verschleißteils das für eine stabile stoffschlüssige Verbindung benötigte Materialvolumen aufgeschmolzen wird, sondern auch im Inneren des Verschleißteils. Die Elektrode hat eine tiefe und gleichzeitig schmale Verbindungsnaht, eine sogenannte Tiefschweißnaht, zwischen dem Verschleißteil und dem Elektrodengrundkörper. Insbesondere wird eine tiefe und schmale Verbindungsnaht zwischen Elektrodengrundkörper und Verschleißteil erzielt, wenn die Strecke AC vorzugsweise einen Winkel α von größer oder gleich 60° zur Längsachse x-x aufweist, insbesondere vorzugsweise ist α größer oder gleich 70° oder sogar größer oder gleich 80°.
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Die Längsachse x-x des Verschleißteils erstreckt sich von einer dem Elektrodengrundkörper zugewandten Seite des Verschleißteils bis zu der dieser Seite gegenüberliegenden Stirnseite des Verschleißteils. Die Längsachse x-x steht senkrecht auf der Stirnseite des Verschleißteils. Wenn das Verschleißteil eine zylindrische Form hat, dann entspricht die Längsachse x-x der Zylinderachse des Verschleißteils. Die Stirnseiten bzw. Stirnflächen des Verschleißteils können rund, elliptisch oder mehreckig sein. Die Anzahl der Ecken bei einer mehreckigen Stirnseite ist beispielsweise kleiner als 12, vorzugsweise liegt die Anzahl der Ecken bei drei, vier, fünf oder sechs.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Höhe H des Verschleißteils wird entlang der Längsachse x-x innerhalb des ersten Bereichs des Verschleißteils gemessen. Der Radius R des Verschleißteils entspricht dem Radius des Umkreises der Stirnseite des Verschleißteils. Wenn die Längsachse x-x des Verschleißteils durch den Mittelpunkt des Umkreises des Verschleißteils geht, dann entspricht der Radius R des Verschleißteils einem maximalen Abstand der Mantelfläche des Verschleißteils zur Längsachse x-x. Bei einer runden Stirnfläche des Verschleißteils ist der Radius R des Verschleißteils der Kreisradius. Vorteilhafterweise ist der Radius R des Verschleißteils größer oder gleich der Höhe H des Verschleißteils. Bei Weiterbildungen der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Radius R des Verschleißteils größer oder gleich der 1,5-fachen Höhe H des Verschleißteils oder größer oder gleich der doppelten Höhe H des Verschleißteils ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Abstand von Punkt A bis zu der Stirnseite des Verschleißteils nicht größer als 90% der Höhe H des Verschleißteils ist. Damit sichergestellt ist, dass genügend Volumen des Verschleißteils für eine stabile stoffschlüssige Verbindung aufgeschmolzen wurde. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Abstand vom Punkt A bis zu der Stirnseite des Verschleißteils nicht kleiner als 50% der Höhe H des Verschleißteils ist, damit es genügend nicht aufgeschmolzenes Volumen des Verschleißteils für ein ausreichende Verschleißbeständigkeit des Verschleißteils gibt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine kürzeste Strecke von der Mantelfläche des Verschleißteils bis zum Punkt C nicht kleiner als 50% des Radius R des Verschleißteils ist und/oder nicht größer als 100% des Radius des Verschleißteils ist. Dadurch wird gewährleistet, dass genügend Volumen im Inneren des Verschleißteils für eine stabile stoffschlüssige Verbindung aufgeschmolzen wurde und die Verbindungsnaht eine ausreichende Tiefe senkrecht zur der Längsachse x-x aufweist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Radius R des Verschleißteils nicht kleiner als 0,75 mm und/oder nicht größer als 2 mm ist, vorzugsweise liegt der Radius R des Verschleißteils im Bereich von 1 mm bis 1,5 mm.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Höhe H des Verschleißteils nicht kleiner als 0,4 mm und/oder nicht größer als 1 mm ist, vorzugsweise liegt die Höhe H des Verschleißteils im Bereich von 0,5 mm bis 0,8 mm.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Zündkerze, die mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode aufweist. Die mindestens eine Elektrode kann als Mittelelektrode und/oder Masseelektrode ausgebildet sein. Die Masseelektrode kann die Form einer Dachelektrode, Seitenelektrode und/oder Bügelelektrode aufweisen. Wenn die Zündkerze mehrere Masseelektrode aufweist, dann können die Masseelektroden die gleiche Form oder unterschiedliche Formen haben.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zu Herstellung einer Elektrode, bei dem ein Verschleißteil auf einen Elektrodengrundkörper angeordnet wird. Mittels Schweißen wird das Verschleißteil stoffschlüssig mit dem Elektrodengrundkörper verbunden, wobei das Verschleißteil vorzugsweise zylinderförmig ist. Mit einer seiner Stirnseite steht das Verschleißteil im direkten Kontakt mit dem Elektrodengrundkörper. Ein Schweißstrahl wird unter einem Winkel β bezogen auf die Längsachse x-x des Verschleißteils vorzugsweise in den Kontaktbereich von Verschleißteil und Elektrodengrundkörper eingestrahlt. Durch den Schweißstrahl wird die zur Erzeugung von mindestens einem aufgeschmolzenen Bereich im Verschleißteil benötigte Wärmeenergie in den Verschleißkörper eingebracht. Zusätzlich erzeugt die durch den Schweißstrahl im Elektrodengrundkörper deponierte Energie auch mindestens einen aufgeschmolzenen Bereich im Elektrodengrundkörper. Die aufgeschmolzenen Bereiche im Verschleißteil und im Elektrodengrundkörper grenzen mindestens bereichsweise aneinander. Im Grenzbereich der aufgeschmolzenen Bereiche im Elektrodengrundkörper und im Verschleißteil bildet sich mindestens bereichsweise ein Legierungsbereich aus, in dem die Materialien des Verschleißteils und des Elektrodengrundkörpers miteinander legieren und somit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verschleißteil und dem Elektrodengrundkörper entsteht.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Winkel β nicht kleiner als 75°, vorzugsweise nicht kleiner als 81° ist. Dadurch wird der technische Effekt erzielt, dass der zweite, aufgeschmolzene Bereich im Verschleißteil sich von der Mantelfläche weit in Richtung der Längsachse x-x erstreckt und insgesamt eine tiefe und gleichzeitig relativ schlanke Verbindungsnaht ergibt, eine sogenannte Tiefschweißnaht. Im Sinne dieser Anmeldung ist mit relativ schlank gemeint, dass die maximale Ausdehnung des zweiten Bereichs im Verschleißteil in einer radialen Richtung zur Längsache x-x größer ist als die maximale Ausdehnung in einer parallelen Richtung zur Längsachse x-x.
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Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft für die Erreichung dieses technischen Effekts herausgestellt, wenn der Schweißstrahl einen Fokusdurchmesser von nicht größer als 50 µm hat.
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Vorteilhafterweise wird der Fokuspunkt für den Schweißstrahl innerhalb des Kontaktbereichs von Verschleißteil und Elektrodengrundkörper gelegt. Beispielsweise hat der Fokuspunkt einen Abstand zur Mantelfläche des Verschleißteils in Richtung der Längsachse x-x von mindestens 50% des Verschleißteilradius.
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Vorzugsweise wird mindestens entlang eines Teils des Umfangs des Verschleißteils geschweißt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine kontinuierliche Schweißnaht entlang des gesamten Umfangs des Verschleißteils erzeugt wird. Alternativ kann auch die Schweißnaht in mehrere Teilabschnitt unterteilt sein, wobei die Teilabschnitt an der Mantelfläche des Verschleißteils beabstandet sind und/oder innerhalb des Kontaktbereichs und/oder des Verschleißteils und/oder des Elektrodengrundkörpers sich überlappen.
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Vorzugsweise sind die nicht aufgeschmolzenen Bereiche im Verschleißteil zusammenhängend, so dass es bevorzugt nur einen ersten Bereich im Verschleißteil gibt.
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Als Quelle für den Schweißstrahl kann ein Laser oder ein Elektrodenstrahl verwendet werden. Der Laser kann gepulst oder kontinuierlich (CW – continous wave) betrieben werden. Beispielsweise können Festkörperlaser, Faserlaser, Scheibenlaser und/oder Diodenlaser beim Schweißverfahren eingesetzt werden.
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Vorteilhafterweise können die Quelle des Schweißstrahls und damit auch der Schweißstrahl während des Schweißens um den Elektrodengrundkörper und das Verschleißteil rotieren. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Quelle des Schweißstrahls ortsfest ist und die Elektrode mit dem Elektrodengrundkörper und dem Verschleißteil sich um eine Achse dreht, insbesondere um die Längsachse x-x des Verschleißteils sich dreht.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Leistung des Schweißstrahls während des Schweißens variiert wird. Dadurch können Leistungsverluste beispielsweise durch Abschattungseffekte kompensiert werden und somit eine möglichst gleichmäßige Verbindungsnaht erzeugt werden.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in einer ersten Betriebsphase des Schweißverfahrens die Leistung des Schweißstrahls konstant ist. In einer auf die erste Betriebsphase folgende zweite Betriebsphase wird die Leistung kontinuierlich reduziert oder auf einen niedrigen Wert reduziert, der während der zweiten Betriebsphase konstant gehalten wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Betriebsphase durch eine dritte Betriebsphase unterbrochen wird. Die dritte Betriebsphase ist vorzugsweise zeitlich kürzer als die einzelnen zeitlichen Abschnitte der zweiten Betriebsphase. In der dritten Betriebsphase wird die Leistung des Schweißstrahls kurzzeitig wieder erhöht. Nach Ende der dritten Betriebsphase wird beispielsweise die Leistung des Schweißstrahls auf ihren letzten Wert in der zweiten Betriebsphase vor der Unterbrechung durch die dritte Betriebsphase wieder eingestellt.
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Abschattungseffekt der Leistung des Schweißstrahls treten auf, wenn während des Schweißens bei der Rotation der Elektrode oder der Schweißquelle beispielsweise ein Bein einer Masseelektrode in den Schweißstrahl gerät, und somit einen Teil des Schweißstrahls abschattet.
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Zeichnung
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1 zeigt ein Beispiel für eine Zündkerze
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2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Elektrode
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3 zeigt ein Beispiel für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Mittelelektrode
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4 zeigt ein Beispiel für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Masseelektrode
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5 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Schweißstrahlleistung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Zündkerze 1. Die Zündkerze 1 weist ein metallisches Gehäuse 2 mit einem Gewinde 3 für die Montage der Zündkerze 1 in einem Motorblock auf. Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein Isolator 4 angeordnet. Eine Mittelelektrode 5 und ein Anschlussbolzen 7 sind innerhalb des Isolators 4 angeordnet und über ein hier nicht gezeigtes Widerstandselement elektrisch verbunden. Die Mittelelektrode 5 ragt typischerweise am brennraumseitigen Ende der Zündkerze 1 aus dem Isolator 4 raus.
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Am brennraumseitigen Ende des Gehäuses 2 ist eine Masseelektrode 6 angeordnet. Die gemeinsam mit der Mittelelektrode 5 einen Zündspalt bildet. Die Masseelektrode 6 kann als Dachelektrode, Seitenelektrode oder Bügelelektrode ausgebildet sein. Die Bügelelektrode weist zwei Schenkel auf, die mit ihrem Bein 16 jeweils an das Gehäuse 2 angeschweißt sind. Die Schenkel weisen zueinander einen Winkel von 30° bis 180° auf. Die Bügelelektrode kann einstückig oder mehrteilig aufgebaut sein, wobei bei einem mehrteiligen Aufbau die einzelnen Teile durch eine stoffschlüssige Verbindung wie beispielsweise Schweißen miteinander verbunden sind.
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In 2 ist ein Schnitt einer erfindungsgemäßen Elektrode 5, 6 gezeigt. Die Elektrode 5, 6 hat einen Elektrodengrundkörper 8 und ein Verschleißteil 10, wobei das Verschleißteil 10 am Elektrodengrundkörper 8 so angeordnet ist, dass es zusammen mit der gegenüberliegenden Elektrode 6, 5 bzw. einem an der gegenüberliegenden Elektrode 6, 5 angeordneten zweiten Verschleißteil den Zündspalt ausbildet.
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Der Elektrodengrundkörper 8 besteht aus einer Nickel-Legierung, die niedrig- oder hochlegiert ist. Beispielsweise ist die Nickel-Legierung niedriglegiert mit Yttrium oder hochlegiert mit Chrom. Der Chrom-Anteil in der Nickel-Legierung beträgt beispielsweise mindestens 20 Gew.%, vorzugsweise sogar mindestens 25 Gew.%.
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Das Verschleißteil 10 ist zylinderförmig mit runden, elliptischen oder mehreckigen Stirnflächen und weißt eine Zylinderachse bzw. Längsachse x-x auf. Die Längsachse x-x erstreckt von der Stirnfläche 13 des Verschleißteils bis zu der gegenüberliegenden, dem Elektrodengrundkörper 8 zugewandte Seite 14 des Verschleißteils. Entlang der Längsachse x-x wird die Höhe H des Verschleißteils 10 gemessen. Der Radius R des Verschleißteils 10 entspricht dem maximalen Abstand der Mantelfläche 15 des Verschleißteils 10 zu der Längsachse x-x, wobei der Abstand senkrecht zu der Längsachse x-x gemessen wird, beispielsweise an eine Stirnfläche 13 des Verschleißteils. In diesem Ausführungsbeispiel hat das Verschleißteil 10 eine Rondenform, d.h. der Radius R des Verschleißteils 10 ist größer oder gleich der Höhe H des Verschleißteils 10. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Radius R des Verschleißteils 10 größer oder gleich 1,5-fache Höhe H des Verschleißteils 10 oder sogar der Radius R des Verschleißteils 10 größer oder gleich 2-fache die Höhe H des Verschleißteils 10 ist. Der Radius R des Verschleißteils 10 ist nicht kleiner als 0,75 mm und/oder nicht größer als 2 mm. Vorzugsweise ist der Radius R des Verschleißteils 10 nicht kleiner als 1 mm und/oder nicht größer als 1,5 mm. Die Höhe H des Verschleißteil 10 ist nicht kleiner als 0,4 mm und/oder nicht größer als 1 mm. Vorzugsweise ist die Höhe H des Verschleißteils 10 nicht kleiner als 0,6 mm und/oder nicht größer als 0,8 mm. In diesem Ausführungsbeispiel ist beispielsweise der Radius R des Verschleißteils 10 1,2 mm und die Höhe H des Verschleißteils 10 0,6 mm.
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Das Verschleißteil 10 besteht aus einem Edelmetall oder einer Edelmetall-Legierung, wie beispielsweise Iridium, Platin, Rhodium, Ruthenium und/oder Rhenium oder Legierungen mit mindestens einem dieser Edelmetalle.
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In diesem Ausführungsbeispiel steht die dem Elektrodengrundkörper 8 zugewandte Seite 14 des Verschleißteils 10 im direkten Kontakt mit dem Elektrodengrundkörper 8. Mittels Schweißen wird das Verschleißteil 10 mit dem Elektrodengrundkörper 8 stoffschlüssig verbunden, dadurch bilden sich im Verschleißkörper 10 und im Elektrodengrundkörper 8 Bereiche 12, 18 aus, die während des Verbindungsprozess aufgeschmolzen werden.
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Zusätzlich gibt es noch einen Bereich im Kontaktbereich zwischen Elektrodengrundkörper 8 und Verschleißteil 10, in dem das Material des Elektrodengrundkörpers 8 mit dem Material des Verschleißteils 10 miteinander legieren. Dieser Legierungsbereich kann kleiner oder gleich der Summe der aufgeschmolzenen Bereiche 18, 12 im Elektrodengrundkörper 8 und im Verschleißteil 10 sein. Während die Grenzen zwischen Legierungsbereich und aufgeschmolzenen Bereichen 18, 12 fließend sein können, kann man im Schnitt die Grenzen zwischen aufgeschmolzenen Bereich 12 und nicht aufgeschmolzenen Bereich 11 im Verschleißteil 10 bzw. im Elektrodengrundkörper 8 in der Regel deutlich erkennen. Wie in 2 gezeigt kann das Verschleißteil 10 in erste Bereiche 11, die beim Verbindungsprozess nicht aufgeschmolzen wurden, und in zweite Bereiche 12, die beim Verbindungsprozess aufgeschmolzen wurden, unterteilt werden.
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Im Schnitt sind die Übergänge zwischen den nicht aufgeschmolzen Bereichen 11 des Verschleißteils 10 und den aufgeschmolzenen Bereichen 12 des Verschleißteils 10 gut zu erkennen. Der Übergang an der Mantelfläche 15 zwischen dem ersten Bereich 11 des Verschleißteils 10 und dem zweiten Bereich 12 des Verschleißteils 10 wird als Punkt A bezeichnet. Der Übergang zwischen dem ersten Bereich 11 des Verschleißteils 10 und dem zweiten Bereich 12 des Verschleißteils 10, der der Längsachse x-x am nächsten liegt, wird als Punkt C bezeichnet. Die Strecke AC hat einen Winkel α zu der Längsachse x-x bzw. zu einer durch den Punkt C gehenden Parallelen x‘-x‘ der Längsachse x-x. Für die Festlegung der Strecke AC werden typischerweise die Punkte A und C am gleichen zweiten Bereich 12 des Verschleißteils 10 betrachtet. Der Winkel α ist größer oder gleich 45°. Vorzugsweise ist der Winkel α sogar größer oder gleich 60°.
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Vorteilhafterweise weist die Stirnseite 13 des Verschleißteils 10 keinen zweiten Bereich 12 des Verschleißteils 10 auf, d.h. die Stirnseite 13 des Verschleißteils 10 ist vollständig nicht aufgeschmolzen und gehört zu dem ersten Bereich 11 des Verschleißteils 10. Idealerweise ist ein Abstand von Punkt A zu der Stirnseite 13 des Verschleißteils 10 nicht kleiner als 50% der Höhe H des Verschleißteils 10. Des Weiteren ist der Abstand nicht größer als 90% der Höhe H des Verschleißteils 10, damit genügend Material vom Verschleißteil 10 für eine feste stoffschlüssige Verbindung aufgeschmolzen wurde.
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Eine kürzeste Strecke von der Mantelfläche 15 des Verschleißteils 10 bis zum Punkt C ist nicht kleiner als 50% des Radius R des Verschleißteils 10 bzw. der Stirnfläche 13 und/oder nicht größer als 100% des Radius R des Verschleißteils 10. Diese kürzeste Strecke entspricht einer Tiefe t des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10 entlang einer radialen Richtung zu der Längsachse x-x. Dadurch dass vorgesehen ist, dass der zweite Bereich 12 des Verschleißteils 10 eine Tiefe t von mindestens dem halben Radius R des Verschleißteils 10 aufweist wird sichergestellt, dass genügend Material des Verschleißteils 10 auf eine feste stoffschlüssige Verbindung des Verschleißteils 10 mit dem Elektrodengrundkörpers 8 aufgeschmolzen wurde.
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In der Tabelle 1 sind beispielhaft für drei Fälle, R = H, R = 1,5H und R = 2H, der sich ergebene Winkel α für die Grenzwerte der Randbedingungen aufgeführt. Die Randbedingungen ergeben sich aus der minimalen und maximalen Höhe b sowie der minimalen und maximalen Tiefe t des zweiten Bereichs
12 im Verschleißteil. Die Höhe b des zweiten Bereichs
12 des Verschleißteils
10 wird entlang der Mantelfläche
15 gemessen. Die Höhe b des zweiten Bereichs
12 des Verschleißteils
10 sollte mindestens 10% und maximal 50% der Höhe H des Verschleißteils
10 entsprechen. Die Tiefe t des zweiten Bereichs
12 des Verschleißteils
10 entspricht dem Abstand des Punkt C zur Mantelfläche
15 in einer Ebene senkrecht zur Längsachse x-x. Die Tiefe t des zweiten Bereichs
12 des Verschleißteils
10 sollte mindestens 50% und maximal 100% des Radius R des Verschleißteils
10 entsprechen. Für die oben aufgeführten Fälle ergeben sich somit jeweils
4 mögliche Kombinationen bei den Randbedingungen für die sich jeweils ein Winkel α ergibt. Tabelle 1
R/H | b | t | α [°] |
1 | 10% H | 50% R | 78,5 |
1 | 10% H | 100% R | 84 |
1 | 50% H | 50% R | 45 |
1 | 50% H | 100% R | 63 |
1,5 | 10% H | 50% R | 82,5 |
1,5 | 10% H | 100% R | 86 |
1,5 | 50% H | 50% R | 56,5 |
1,5 | 50% H | 100% R | 71,5 |
2 | 10% H | 50% R | 64 |
2 | 10% H | 100% R | 87 |
2 | 50% H | 50% R | 63 |
2 | 50% H | 100% R | 76 |
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In den oben aufgeführten Beispielen ergibt sich für den Winkel α Werte im Bereich von 45° bis 84°. Wobei sich kleine Winkel für α (45°–63°) insbesondere dann ergeben, wenn der zweite Bereiche 12 des Verschleißteils 10 eine große Höhe b, sprich 50% der Höhe H des Verschleißteils 10 entspricht, und gleichzeitig eine kleine Tiefe t, d.h. nur 50% des Radius R des Verschleißteils 10 entspricht, aufweist. Für die Fälle mit kleiner Höhe b (10% H) und kleiner Tiefe t (50% R) des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10, bzw. mit großer Höhe b (50% H) und großer Tiefe t (100% R) des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10 liegen die Werte für den Winkel α im Bereich von 63°–83°. Für die Grenzfälle mit kleiner Höhe b und großer Tiefe t des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10, entspricht einer schmalen und tiefen Verbindungsnaht, liegen die Werte für den Winkel α im Bereich von 84°–87°. Daraus lässt sich ableiteten, dass bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Winkel α vorzugsweise größer oder gleich 80° ist.
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Die stoffschlüssige Verbindung des Verschleißteils 10 mit dem Elektrodengrundkörper 8 erfolgt vorzugsweise durch ein Schweißverfahren, wie beispielsweise Laserstrahlschweißen oder Elektrodenstrahlschweißen. Bei den Laserstrahlschweißen kann ein gepulster Laserstrahl oder ein kontinuierlicher Laserstrahl, d.h. continous wave (CW) Laser, verwendet werden. Bei der Erzeugung der Laserstrahlung können Festkörperlaser, Scheibenlaser, Diodenlaser und/oder Faserlaser verwendet werden.
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Der Schweißstrahl 20 wird unter einen Winkel β bezogen auf die Längsachse x-x auf den Kontaktbereich zwischen Verschleißteil 10 und Elektrodengrundkörper 8 gerichtet, wie in 2 schematisch dargestellt. Um eine möglichst große Tiefe t und gleichzeitig geringe Höhe b des zweiten Bereichs 12 im Verschleißteil 10 zu erzielen wird der Schweißstrahl 20 unter einem Winkel β nicht kleiner als 75°, vorzugsweise nicht kleiner als 81°, in den Kontaktbereich eingestrahlt.
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Der Fokuspunkt für den Schweißstrahl 20 liegt beispielsweise innerhalb des Kontaktbereichs, d.h. vorzugsweise auf der Strecke zwischen dem Punkt C und der Mantelfläche 15. Vorteilhafterweise hat der Schweißstrahl 20 im Fokuspunkt einen Durchmesser von nicht größer als 50 µm. Dadurch wird eine möglichst tiefe und gleichzeitig nicht zu hohe Schweißnaht bzw. Verbindungsnaht erzeugt. Die Form der Schweißnaht korreliert mit der Geometrie der aufgeschmolzenen Bereiche 12, 18 im Verschleißteil 10 und im Elektrodengrundkörper 8.
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Grundsätzlich gilt, dass wenn das Verhältnis von Radius R zu Höhe H des Verschleißteils 10 zunimmt, muss sich auch der Einfallswinkel β des Schweißstrahls 20 vergrößern um eine ausreichende Tiefe t des zweiten Bereichs 12 des Verschleißteils 10 und damit auch eine zuverlässige feste Verbindung zwischen Elektrodengrundkörper 8 und Verschleißteil 10 zu erzeugen, ohne dass zu viel in der Höhe an der Mantelfläche 15 aufgeschmolzen werden muss.
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Vorzugsweise wird mindestens entlang eines Teils des Umfangs des Verschleißteils 10 geschweißt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine kontinuierliche Schweißnaht entlang des gesamten Umfangs des Verschleißteils 10 erzeugt wird. Alternativ kann auch die Schweißnaht in mehrere Teilabschnitt unterteilt sein, wobei die Teilabschnitt an der Mantelfläche 15 des Verschleißteils 10 beabstandet sind und/oder innerhalb des Kontaktbereichs und/oder innerhalb des Verschleißkörpers 10 und/oder innerhalb des Elektrodengrundkörpers 8 sich überlappen. Vorzugsweise sind die nicht aufgeschmolzenen Bereiche 11 im Verschleißteil 10 zusammenhängend, so dass es bevorzugt nur einen ersten Bereich 11 im Verschleißteil 10 gibt.
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3 zeigt zwei mögliche Realisierung für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode als Mittelelektrode 5. In der ersten Realisierung, 3a, ist die Schweißstrahlquelle 21 ortsfest und die Elektrode 5 mit dem Elektrodengrundkörper 8 und dem Verschleißteil 10 dreht sich um eine Achse, in diesem Beispiel die Längsachse x-x des Verschleißteils 10. In der zweiten Realisierung, 3b, rotiert die Schweißstrahlquelle 21 um die Elektrode 5.
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4 zeigt zwei mögliche Realisierung für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode als Masseelektrode 6. In der ersten Realisierung, 4a, ist die Schweißstrahlquelle 21 ortsfest und die Elektrode 6 mit dem Elektrodengrundkörper 8 und dem Verschleißteil 10 dreht sich um eine Achse, in diesem Beispiel die Längsachse x-x des Verschleißteils 10. In der zweiten Realisierung, 4b, rotiert die Schweißstrahlquelle 21 um die Elektrode 6.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Leistung des Schweißstrahls 21 während des Schweißens der Masseelektrode 6 variiert wird. Dadurch können Leistungsverluste während des Schweißens, wenn beispielsweise bei der Rotation der Elektrode 6 oder der Schweißquelle 21 ein Bein 16 einer Masseelektrode 6 in den Schweißstrahl 20 gerät, und somit einen Teil des Schweißstrahls 20 abschattet, kompensiert werden.
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5 zeigt ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf T der Leistung P des Schweißstrahls 20 während des Schweißens einer Bügel-Masseelektrode 6. In einer ersten Betriebsphase wird die Leistung P auf einen konstanten Wert gehalten. In dieser Phase werden die aufzuschmelzenden Bereiche 12, 18 im Verschleißteil 10 und im Elektrodengrundkörper 8 erhitzt und dadurch die für die Tiefschweißung benötigten Schmelzbäder im Elektrodengrundkörper 8 und im Verschleißteil 10 erzeugt. In der zweiten Betriebsphase wird die Leistung P auf 80% bis 90% der Anfangsleistung reduziert. Diese reduzierte Leistung P reicht aus, damit die Schmelzbäder zusammen mit dem Schweißstrahl 20 sich gemäß der Rotationsgeschwindigkeit der Elektrode 6 bzw. der Schweißstrahlquelle 21 entlang des Umfangs des Verschleißteils 10 bewegt und dadurch die Verbindungsnaht erzeugt wird. Die zweite Betriebsphase in diesem Ausführungsbeispiel wird zweimal durch eine dritte Betriebsphase unterbrochen, in der die Leistung P wieder auf den Anfangswert erhöht wird um die durch die zeitweise im Schweißstrahl 20 befindlichen Beine 16 der Masseelektrode 6 erzeugten Abschattungseffekte bei der in die Elektrode 6 deponierte Leistung P zu kompensieren. Nach mindestens einer vollen Umdrehung wird die Leistung P in einer vierten Betriebsphase bis auf 0% reduziert und das Schweißverfahren beendet.
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Vorteilhafterweise wird die Anfangsposition des Schweißens und/oder die Rotationsrichtung während des Schweißens so gewählt, dass die Abschattungseffekte verursachende Bauteile der Zündkerze 1 möglichst spät innerhalb eines Rotationsumlauf in den Schweißstrahl 20 geraten.