JP4316060B2

JP4316060B2 - Spark plug manufacturing method and spark plug

Info

Publication number: JP4316060B2
Application number: JP23469299A
Authority: JP
Inventors: 浩史大野
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2019-08-20
Also published as: JP2001060488A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパークプラグの製造方法及びスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の点火用に使用されるスパークプラグにおいては、近年、耐火花消耗性向上のために、電極の先端にＰｔやＩｒ等を主体とする貴金属チップを溶接して貴金属発火部を形成したタイプのものが使用されている。例えば中心電極の先端面に貴金属チップを接合する場合、その製造方法として、円板状又は円柱状の貴金属チップを中心電極先端に重ね合わせ、中心電極を回転させながら重ね合せ面の外周に沿ってレーザー光を照射することにより、レーザー溶接部を形成する方法が提案されている（例えば、特開平６−４５０５０号、特開平１０−１１２３７４号の各公報）。
【０００３】
中心電極の先端面に貴金属チップを接合する場合、従来の製造方法の一例を図７に示す。Ｎｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金によって、中心部の芯体３１’を覆うように形成された電極母材３２’の先端面に、ＰｔやＩｒ等を主成分とする円板状又は円柱状の貴金属チップ３３’を重ね合わせる。そして、電極母材３２’と貴金属チップ３３’とを回転させながら貴金属チップ３３’と電極母材３２’との境界位置に向けてレーザー光源ＬからレーザービームＬＢを照射する。これにより、貴金属チップ３３’と電極母材３２’とが溶融・凝固し、この両者に跨ってレーザー溶接部Ｂ’が形成され、貴金属発火部３３ａ’を有する中心電極３’が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザービームＬＢの照射位置を、貴金属チップ３３’と電極母材３２’との境界位置付近（図５（ａ）のａ位置）に選ぶことによって、図５（ａ）に示すように、レーザー溶接部Ｂ’の貴金属チップ３３’との境界近傍における成分分布は電極母材成分が低く貴金属チップ成分が高くなる。また、電極母材３２’との境界近傍における成分分布は電極母材成分が高く貴金属チップ成分が低くなる。これは、貴金属チップ３３’と電極母材３２’とが短時間で溶融・凝固して、充分な拡散が行われずにレーザー溶接部Ｂ’が形成されるためであると考えられる。しかるに、レーザービームＬＢの照射位置が、例えば図５（ａ）のｂ位置やｃ位置のように、スパークプラグ個体間で電極軸線方向（溶接ビード幅方向）にばらついた（上下動した）とき、レーザー溶接部Ｂ’における成分分布は個体間で、貴金属チップ３３’又は電極母材３２’とレーザー溶接部Ｂ’との境界付近において、電極軸線方向（溶接ビード幅方向）に著しく変動する傾向がある。
【０００５】
一方、熱膨張率は一般に、貴金属チップ３３’＞レーザー溶接部Ｂ’＞電極母材３２’である。また、レーザー溶接部Ｂ’の合金層における熱膨張率は、上記成分分布及びその変動幅に比例していると考えられる。したがって、レーザー溶接部Ｂ’における貴金属チップ３３’との境界近傍及び電極母材３２’との境界近傍は、熱膨張率等の物理的特性ができうる限り近いことが望ましい。レーザービームＬＢの照射位置を、貴金属チップ３３’と電極母材３２’との境界位置付近（図５（ａ）のａ位置）に選ぶことによって、上述のような成分分布を示すため、レーザー溶接部Ｂ’における貴金属チップ３３’との境界近傍及び電極母材３２’との境界近傍の熱膨張率等の物理的特性が近くなる。これに対し、レーザービームＬＢの照射位置が個体間で上下動すると、レーザー溶接部Ｂ’における熱膨張率は、貴金属チップ３３’又は電極母材３２’とレーザー溶接部Ｂ’との境界付近において、電極軸線方向（溶接ビード幅方向）に急激に変化することになる。即ち、レーザービームＬＢの照射位置が、図５（ａ）のｂ位置に来たときには、電極軸線方向の下の方にまで貴金属チップ成分が多く存在するため、レーザー溶接部Ｂ’と電極母材３２’との境界付近において、貴金属チップ成分が多く存在する部分が有る。また、逆に図５（ａ）のｃ位置に来たときには、電極軸線方向の上の方にまで電極母材成分が多く存在するため、レーザー溶接部Ｂ’と貴金属チップ３３’との境界付近において、電極母材成分が多く存在する部分が有る。したがって、このような部分では熱膨張率等の物理的特性は大きく異なってくる。
【０００６】
このような状況下において、内燃機関のように冷熱サイクルに繰り返し晒されると、熱膨張率（熱収縮率）の違いにより貴金属チップ３３’又は電極母材３２’とレーザー溶接部Ｂ’との境界付近にクラックＫ’が発生する恐れがある。クラックＫ’が成長すると貴金属チップ３３’が電極母材３２’から脱落する場合もある。
【０００７】
例えば、レーザー溶接部Ｂ’が電極母材３２’の中心にまで達し、貴金属チップ３３’をすべて溶融して径方向中央部に未溶接領域を残さないときは、レーザー溶接部Ｂ’のビードの幅や深さが大きくなるので強固な溶着力が得られる。その反面、この構成では溶接熱源からの入熱が大きいため、貴金属チップ３３’に比べて熱変化を起こし易い電極母材３２’や芯体３１’は、過剰な熱吸収によりブローホールやクラックが発生し易くなる問題がある。そこで、溶接に要する熱量を抑えつつ、電極母材３２’や芯体３１’へ悪影響を及ぼさないよう配慮して、図７の如く電極母材３２’の少なくとも径方向中央部に未溶接領域を残し、貴金属チップ３３’は溶接接合後も一部が残存しているように溶接する場合がある。しかし、この場合は、未溶接領域では電極母材３２と貴金属チップ３３’とが未接合であるか、又は精々抵抗溶接による仮止めが行われている程度であるから、貴金属チップ３３’又は電極母材３２’とレーザー溶接部Ｂ’との境界に発生したクラックが未溶接領域に到達すると、チップの脱落等が非常に起こりやすくなる問題がある。
【０００８】
本発明の課題は、スパークプラグ個体間で、レーザービームの照射位置が電極軸線方向にずれて（ばらついて）も、レーザー溶接部の電極軸線方向（溶接ビード幅方向）における成分分布や熱膨張率が大きく変動することなく、クラックの発生・成長を抑制できるスパークプラグの製造方法、及びスパークプラグを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明のスパークプラグの製造方法は、
中心電極と、その中心電極の先端面に自身の側面が対向して火花放電ギャップを形成するように配置された接地電極とを備え、前記火花放電ギャップに対応する位置において前記中心電極は、その電極母材に、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｗ，Ｏｓ，Ｍｏ，Ａｕのうちの少なくとも１種を主成分とし、円板状又は円柱状の耐火花消耗性金属チップである耐消耗性チップをレーザー溶接によって接合することにより耐火花消耗性金属発火部が形成されたスパークプラグの製造方法であって、
前記電極母材の、少なくとも前記耐消耗性チップの被溶接部を耐熱合金にて構成し、
前記耐消耗性チップと前記被溶接部の先端面との間に、前記耐消耗性チップの主成分と前記被溶接部の主成分とを含むことにより両者の中間の熱膨張率をもち、かつ厚さｌ _２が０．１≦ｌ _２ ≦０．４［ｍｍ］で円板状又は円柱状の合金チップを積層状に重ね合わせて、
レーザービームを前記耐消耗性チップと合金チップとの境界位置に向けて照射し、前記耐消耗性チップ、前記合金チップ及び前記被溶接部に跨るレーザー溶接部を外周面に沿って形成することにより、前記耐消耗性チップを前記被溶接部に固着することを特徴とする。
【００１０】
また、上記課題を解決するために本発明のスパークプラグは、
中心電極と、その中心電極の先端面に自身の側面が対向して火花放電ギャップを形成するように配置された接地電極とを備え、前記火花放電ギャップに対応する位置において前記中心電極は、その電極母材に、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｗ，Ｏｓ，Ｍｏ，Ａｕのうちの少なくとも１種を主成分とし、円板状又は円柱状の耐火花消耗性金属チップである耐消耗性チップをレーザー溶接によって接合することにより耐火花消耗性金属発火部が形成されたスパークプラグであって、
前記電極母材の、少なくとも前記耐消耗性チップの被溶接部を耐熱合金にて構成し、
前記耐消耗性チップと前記被溶接部の先端面との間に、前記耐消耗性チップの主成分と前記被溶接部の主成分とを含むことにより両者の中間の熱膨張率をもち、かつ厚さｌ _２が０．１≦ｌ _２ ≦０．４［ｍｍ］で円板状又は円柱状の合金チップが積層状に重ね合わされ、
レーザービームを前記耐消耗性チップと合金チップとの境界位置に向けて照射し、前記耐消耗性チップ、前記合金チップ及び前記被溶接部に跨るレーザー溶接部が外周面に沿って形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、耐消耗性チップと被溶接部との間に、耐消耗性チップと被溶接部との中間の熱膨張率をもつ合金チップを積層状に重ね合わせ、耐消耗性チップ、合金チップ及び被溶接部に跨るレーザー溶接部を外周面に沿って形成した。このことにより、スパークプラグ個体間で、レーザービームの照射位置が電極軸線方向にずれた（ばらついた）場合でも、レーザー溶接部の電極軸線方向（溶接ビード幅方向）における成分分布の変動幅が相対的に小さく抑えられる。これに伴い、レーザー溶接部と貴金属チップ又は電極母材との境界付近における熱膨張率の変化は相対的に小さくなり、クラックの発生・成長を抑制できる。
【００１２】
なお、電極母材は、少なくとも被溶接部となる部分をＦｅ又はＮｉを主体とする耐熱金属で構成できる。本明細書において「主成分」とは、最も重量含有率の高い成分を意味し、必ずしも「５０重量％以上を占める成分」を意味するものではない。
【００１３】
さらに本発明の合金チップは、溶接接合時に、被溶接部及び／又は耐消耗性チップに固定しておくとよい。レーザー溶接前に、合金チップを抵抗溶接等によって耐消耗性チップ及び／又は被溶接部に仮止めしたり、又はレーザー溶接時に、耐消耗性チップの先端面を押圧して、合金チップを耐消耗性チップ及び被溶接部に保持固定したりすることによって、レーザービームにより溶融した合金の凝固時に合金チップが位置ズレや偏心等を起こしにくくなり、電極が傾いたり（偏心）、レーザービームの照射位置にズレを生じにくくなる。これにより、レーザー溶接部と貴金属チップ又は電極母材との境界付近における熱膨張率の変化を極力抑えることができる。
【００１４】
さらに本発明の合金チップは、被溶接部の主成分を１０〜５０重量％含むものとすることができる。合金チップが、被溶接部すなわち電極母材の主成分を所定量含有することにより、電極母材とレーザー溶接部との境界付近において、レーザー溶接部と貴金属チップ又は電極母材との境界付近における熱膨張率の変化はさらに小さくなり、クラックの発生・成長を抑制できる。
【００１５】
さらに本発明の合金チップは、耐消耗性チップ及び被溶接部の主成分原料を配合・溶解して形成したものが使用できる。合金チップの均質性が保たれるので、レーザー溶接部における熱膨張率の変化が相対的に小さくなり、クラックの発生・成長の抑制に寄与する。
【００１６】
さらに本発明の合金チップは、耐消耗性チップ及び被溶接部の主成分を含有する金属粉末を焼結したものが使用できる。この方法によっても、合金チップの均質性が保たれるので、レーザー溶接部における熱膨張率の変化が相対的に小さくなり、クラックの発生・成長の抑制が図れる。
【００１７】
さらに本発明は、溶接接合後のレーザー溶接部に焼鈍処理を行うことができる。合金チップ、耐消耗性チップ及び被溶接部の相互間の境界付近は成分分布が不連続となり熱収縮率の違いによりクラックが発生する恐れが大きい。レーザー溶接部に焼鈍処理を行うことで、これらの境界付近に拡散層を生成させて、クラックの発生を抑制できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１に示す本発明の一例たるスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２１が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁体２、先端に形成された耐火花消耗性金属発火部としての貴金属発火部（以下、単に発火部ともいう）３３ａを突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及び主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の先端部と対向するように配置された接地電極４等を備えている。また、接地電極４には上記発火部３３ａに対向する、耐火花消耗性金属発火部としての貴金属発火部（以下、単に発火部ともいう）４３ａが形成されており、それら発火部３３ａと、対向する発火部４３ａとの間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。
【００１９】
絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込むための孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外周面には、プラグ１００を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部７が形成されている。
【００２０】
なお、発火部３３ａ及び対向する発火部４３ａのいずれか一方を省略する構成としてもよい。この場合には、発火部３３ａと、発火部を有さない接地電極４の側面との間、又は対向する発火部４３ａと、発火部を有さない中心電極３の先端面との間で火花放電ギャップｇが形成されることとなる。以下、中心電極３に本発明に係る発火部３３ａを設ける場合の実施形態について説明するが、接地電極４に本発明に係る発火部４３ａを設ける場合にも同様に実施できる。
【００２１】
中心電極３及び接地電極４のチップ被固着面形成部位として図２（ａ）では電極部材３２の小径部３２ｃ、この実施例では少なくともその表層部としての先端面３２ｄが、Ｎｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成されている。Ｎｉ又はＦｅ主成分とする耐熱合金としては、次のようなものが使用可能である。
▲１▼Ｎｉ基耐熱合金：本明細書では、Ｎｉを４０〜８５重量％含有し、残部の主体が、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ及びＦｅの１種又は２種以上からなる耐熱合金を総称する。具体的には、次のようなものが使用できる（いずれも商品名；なお、合金組成については、文献（改訂３版金属データブック（丸善）；ｐ１３８）に記載されているので、詳細な説明は行わない）：
ASTROLOY、CABOT 214、D-979、HASTELLOY C22、HASTELLOY C276、HASTELLOY G30、HASTELLOY S、HASTELLOY X、HAYNES 230、INCONEL 587、INCONEL 597、INCONEL 600、INCONEL 601、INCONEL 617、INCONEL 625、INCONEL 706、INCONEL 718、INCONEL X750、KSN、M-252、NIMONIC 75、NIMONIC 80A、NIMONIC 90、NIMONIC 105、NIMONIC 115、NIMONIC 263、NIMONIC 942、NIMONIC PE11、NIMONIC PE16、NIMONIC PK33、PYROMET 860、RENE 41、RENE 95、SSS 113MA、UDIMET 400、UDIMET 500、UDIMET 520、UDIMET 630、UDIMET 700、UDIMET 710、UDIMET 720、UNITEP AF2-1 DA6、WASPALOY。
【００２２】
▲２▼Ｆｅ基耐熱合金：本明細書では、Ｆｅを２０〜６０重量％含有し、残部の主体が、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ及びＮｉの１種又は２種以上からなる耐熱合金を総称する。具体的には、次のようなものが使用できる（いずれも商品名；なお、合金組成については、文献（改訂３版金属データブック（丸善）、ｐ１３８）に記載されているので、詳細な説明は行わない）；
A-286、ALLOY 901、DISCALOY、HAYNES 556、INCOLOY 800、INCOLOY 801、INCOLOY 802、INCOLOY 807、INCOLOY 825、INCOLOY 903、INCOLOY 907、INCOLOY 909、N-155、PYROMET CTX-1、PYROMET CTX-3、S-590、V-57、PYROMET CTX-1、16-25-6、17-14CuMo、19-9DL、20-Cb3。
【００２３】
一方、上記発火部３３ａ及び対向する発火部４３ａは、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｗ，Ｏｓ，Ｍｏ，Ａｕのうちの少なくとも１種を主成分とする耐火花消耗性金属、この実施例では、Ｉｒ又はＰｔのいずれかを主成分とする貴金属を主体に構成されている。これらの貴金属の使用により、中心電極の温度が上昇しやすい環境下においても、発火部の耐消耗性を良好なものとすることができる。また、上記のような耐熱合金に対する溶接性も良好である。例えばＰｔをベースにした貴金属を使用する場合には、Ｐｔ単体の他、Ｐｔ−Ｎｉ合金（例えばＰｔ−１〜３０重量％Ｎｉ合金）、Ｐｔ−Ｉｒ合金、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｎｉ合金等を好適に使用できる。また、Ｉｒを主成分とするものとしては、Ｉｒ−Ｐｔ合金、Ｉｒ−Ｒｈ合金等を使用できる。
【００２４】
なお、Ｉｒ系の貴金属材料を使用する場合には、元素周期律表の３Ａ族（いわゆる希土類元素）及び４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に属する金属元素の酸化物（複合酸化物を含む）を０．１〜１５重量％の範囲内で含有させることができる。これにより、Ｉｒ成分の酸化・揮発による消耗が効果的に抑制できる。上記酸化物としてはＹ_２Ｏ_３が好適に使用されるが、このほかにもＬａ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２、ＺｒＯ_２等を好ましく使用することができる。この場合、金属成分はＩｒ合金のほか、Ｉｒ単体を使用してもよい。
【００２５】
図２は、この発明に係るスパークプラグの中心電極側発火部の製造工程を示す。
図２（ａ）において、中心電極３は、Ｎｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成される円柱状の電極母材３２と、電極母材３２の中心部に埋め込まれ、Ｃｕ又はＡｇを主成分とする良熱伝導性金属にて構成される芯体３１とを含む。電極母材３２は、大径部３２ａから縮径部３２ｂを経て先端側の小径部３２ｃに至るまで連続的に設けられ、切削又は塑性加工により形成される。小径部３２ｃの先端面３２ｄに耐消耗性チップとしての貴金属チップ３３を載置し、小径部３２ｃに貴金属チップ３３をレーザー溶接により接合することにより、耐火花消耗性金属発火部としての貴金属発火部３３ａを形成する。
【００２６】
次に、貴金属発火部３３ａを形成するまでを説明する。図２（ｂ）において、先端面３２ｄと円板状又は円柱状の貴金属チップ３３（耐消耗性チップ）との間に、貴金属チップ３３の主成分と小径部３２ｃ（被溶接部）の主成分とを含み、円板状又は円柱状を呈する合金チップ３４を積層状に重ね合わせて重ね合せ組立体Ａを形成する。なお、この合金チップ３４は貴金属チップ３３及び小径部３２ｃの主成分を含むため、その熱膨張率は両者の中間の値を有している。また、貴金属チップ３３は、上記発火部３３ａを構成する合金組成からなる。さらに、小径部３２ｃと合金チップ３４（又は合金チップ３４と貴金属チップ３３）との重ね合わせの際、先端面３２ｄ（又は合金チップ３４の上面）に凹部を設けてこの凹部に合金チップ３４（又は貴金属チップ３３）の下面を載置しても良い。
【００２７】
図２（ｃ）に示すように、この重ね合せ組立体Ａに対し、レーザー光源Ｌから発射されるＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザービームＬＢを、貴金属チップ３３と合金チップ３４との境界位置に向けて略水平方向に間欠的に照射する。このとき、中心電極３を所定方向に回転させてその照射面が互いに重なる間隔で全周にわたって照射が行われる。これによって、重ね合せ組立体Ａを構成する貴金属チップ３３、合金チップ３４及び小径部３２ｃに跨る全周レーザー溶接部Ｂ（レーザー溶接部）が外周面に沿って形成され、貴金属チップ３３は先端面３２ｄに固着される。このとき全周レーザー溶接部Ｂでは、電極母材３２、貴金属チップ３３及び合金チップ３４の各成分が溶融・凝固した状態にある。
【００２８】
レーザービームＬＢに関して、照射方向は、電極母材３２、貴金属チップ３３及び合金チップ３４の形状等によっては、図２（ｃ）の斜め上方から斜め下方へ向かうように設定しても良い。中心電極３の代わりにレーザー光源Ｌを回転させたり、レーザー光源Ｌと中心電極３とを互いに逆方向に回転させたりすることも可能である。さらに、レーザー光源Ｌを複数設けても差し支えない。
【００２９】
貴金属チップ３３及び合金チップ３４は、それぞれ所定の組成となるように各合金成分を配合・溶解することにより得られる溶解合金を熱間圧延により板状に加工し、その板材を熱間打抜き加工により所定のチップ形状に打ち抜いて形成したものや、合金を熱間圧延又は熱間鍛造により線状あるいはロッド状の素材に加工した後、これを長さ方向に所定長に切断して形成したものを使用できる。また、貴金属チップ３３及び合金チップ３４は、それぞれ所定の組成となるように各金属粉末を配合して加熱し、粉末粒子を焼結させて、体積収縮を伴って緻密化した
材料を使用できる。
【００３０】
特に、合金チップ３４は、電極母材３２及び貴金属チップ３３の主成分原料を配合・溶解して形成したものを使用したり、また、電極母材３２及び貴金属チップ３３の主成分を含有する金属粉末を焼結したものを使用するとよい。合金チップの均質性が保たれるので、全周レーザー溶接部Ｂにおける熱膨張率の変化が相対的に小さくなり、クラックＫの発生・成長の抑制に寄与する。さらに合金チップ３４は、電極母材３２の主成分を１０〜５０重量％含んでいるため、全周レーザー溶接部Ｂと貴金属チップ３３又は電極母材３２との境界付近における熱膨張率の変化がさらに小さくなり、クラックＫの発生・成長を抑制できる。
【００３１】
また、合金チップ３４は、溶接接合時に、貴金属チップ３３及び／又は先端面３２ｄに固定されている。レーザービームＬＢにより溶融した合金の凝固時に合金チップ３４が位置ズレや偏心等を起こしやすく、電極が傾いたり（偏心）、レーザービームＬＢの照射位置にズレを生じて、全周レーザー溶接部Ｂの成分分布が変動する。そこで、レーザー溶接前に、合金チップ３４を抵抗溶接等によって貴金属チップ３３及び／又は先端面３２ｄに仮止めしたり、又はレーザー溶接時に、貴金属チップ３３の先端面を押圧して、合金チップ３４を貴金属チップ３３及び先端面３２ｄに保持固定したりすることによって、この成分分布の変動を極力抑えることができる。
【００３２】
さらに、溶接接合後の全周レーザー溶接部Ｂに焼鈍処理を行っている。合金チップ３４、貴金属チップ３３及び小径部３２ｃ（電極母材３２）の相互間の境界付近は成分分布が不連続となり熱収縮率の違いによりクラックが発生する恐れがある。全周レーザー溶接部Ｂに焼鈍処理を行うことで、この境界付近に拡散層を生成させて、クラックの発生を抑制している。なお、焼鈍処理条件としては、例えば溶接後、１０^−５Ｔｏｒｒ以下の真空中で、９５０±５０℃に２時間加熱したのち徐冷する方法がある。
【００３３】
図３は、中心電極側発火部の溶接接合前の正面図を示す。図において、各部の寸法は次の通りである。貴金属チップ３３の外径をｄ_１、合金チップ３４の外径をｄ_２、小径部３２ｃの外径をｄ_３、大径部３２ａの外径をＤとしたとき、
０．３≦ｄ_１≦１．８［ｍｍ］
ｄ_１≦ｄ_２≦ｄ_３≦ｄ_１＋０．３［ｍｍ］
１．５≦Ｄ≦３［ｍｍ］
である。
【００３４】
貴金属チップ３３の厚さをｌ_１、合金チップ３４の厚さをｌ_２、小径部３２ｃの厚さをｌ_３としたとき、
ｌ_１≦０．５［ｍｍ］
０．１≦ｌ_２≦０．４［ｍｍ］
０≦ｌ_３≦０．３［ｍｍ］
０．１≦（ｌ_２＋ｌ_３）≦０．４［ｍｍ］
である。また、縮径部３２ｂの開先角θは、
θ≦１１０゜
である。
【００３５】
図４は、中心電極側発火部の縦半断面図を示し、貴金属チップ３３と先端面３２ｄとの間に、この両者の主成分を含む合金チップ３４を積層状に重ね合わせ、これら三層に跨る全周レーザー溶接部Ｂが、外周面に沿って形成されている。その結果、スパークプラグ個体間で、レーザービームＬＢの照射位置が電極軸線方向にずれた（ばらついた）場合でも、全周レーザー溶接部Ｂの電極軸線方向（溶接ビード幅方向）における成分分布の変動幅が相対的に小さく抑えられる。これに伴い、全周レーザー溶接部Ｂと貴金属チップ３３又は電極母材３２との境界付近における熱膨張率の変化は相対的に小さくなり、クラックＫの発生・成長を抑制できる。
【００３６】
また、図３との対比から明らかなように、この実施例の重ね合せ組立体Ａには、少なくともその径方向中央部に未溶接領域が存在するとともに、貴金属チップ３３、合金チップ３４及び小径部３２ｃは溶接接合後もそれぞれ一部が残存している。仮に、全周レーザー溶接部Ｂが重ね合せ組立体Ａの中心にまで達し、合金チップ３４をすべて溶融して径方向中央部に未溶接領域を残さないときは、全周レーザー溶接部Ｂのビードの幅や深さが大きくなるので強固な溶着力が得られる。しかし一方で、レーザー光源Ｌには多量の熱量（エネルギー）を要し、また、貴金属チップ３３や合金チップ３４に比べて熱変化を起こし易い電極母材３２や芯体３１がこの熱を吸収し過ぎてブローホールやクラックが発生し易くなる。そこで、溶接に要する熱量を抑えつつ、電極母材３２や芯体３１へ悪影響を及ぼさないよう配慮して、重ね合せ組立体Ａの少なくとも径方向中央部に未溶接領域を残すようにしている。重ね合せ組立体Ａの未溶接領域においては、貴金属チップ３３、合金チップ３４及び小径部３２ｃ（電極母材３２）の残存部分は溶接による影響を全く受けていないか少なくともほとんど受けていないので、溶接接合前の成分分布をほぼそのままの状態で保っていると考えられる。
【００３７】
図５は、全周レーザー溶接部Ｂの成分分布を表し、図５（ａ）の従来例の場合にはレーザービームＬＢの照射位置ａが電極軸線方向のｂ又はｃに僅かにずれただけで、全周レーザー溶接部Ｂの成分分布は電極軸線方向に相対的に大きく変動する。しかし、図５（ｂ）の本実施例の場合にはレーザービームＬＢの照射位置ａが電極軸線方向のｂ又はｃに多少ずれても、全周レーザー溶接部Ｂの成分分布の変動幅は相対的に小さい。貴金属チップ３３は、電極母材３２（本実施例ではＮｉ又はＦｅを主成分とする）に比べて一般に融点が高く溶けにくいため、全周レーザー溶接部Ｂの合金層は溶融・凝固の際混ざりにくく成分分布に変動を生じ易い。ここでは、合金チップ３４を両者の間に挟み、かつ、貴金属チップ３３と合金チップ３４との境界位置にレーザービームＬＢを照射することで、合金チップ３４を媒介として貴金属チップ３３が溶け易くしかも電極母材３２と混ざり易くなって、全周レーザー溶接部Ｂの成分分布の変動幅は相対的に小さくなると考えられる。
【００３８】
そして、全周レーザー溶接部Ｂの成分分布の変動幅が相対的に小さくなるとクラックＫの発生・成長が抑制されることを冷熱サイクルの繰り返し耐久試験により確認した。図１のスパークプラグの中心電極側発火部３３ａを９５０±２０℃に二分間加熱し、その後一分間徐冷する。この冷熱サイクルを１，０００回繰り返し、クラックの進展率を測定した。なお、クラックの進展率は、図４において、全周レーザー溶接部Ｂの上端から貴金属チップ３３の下端までの軸線方向の距離をｔ、クラックＫの軸線方向の高さをｔ_０としたとき、ｔ_０／ｔで表される。
【００３９】
図６において、合金チップ３４を用いないとき１００％近い値を示したクラック進展率は、合金チップ３４を貴金属チップ３３と小径部３２ｃとの間に挟み、かつ、貴金属チップ３３と合金チップ３４との境界位置にレーザービームＬＢを照射することで、半分以下に減少した。全周レーザー溶接部Ｂの成分分布の変動幅が相対的に小さくなって、クラックＫの発生・成長が抑制されたと考えられる。クラック進展率は、溶接接合後の全周レーザー溶接部Ｂに焼鈍処理を行うことでさらに低下した。焼鈍処理により、合金チップ３４、貴金属チップ３３及び小径部３２ｃ（電極母材３２）の相互間の境界付近に拡散層が生成され、クラックＫの発生・成長がさらに抑制されると考えられる。
【００４０】
以上の実施例において、合金チップ３４は１個（１層）のみ用いたが、複数個（複層）としても良い。その際、合金チップ３４各層の成分組成に段階的な差を設けておけば、全周レーザー溶接部Ｂの成分分布の変動幅が一層小さくなることが期待できる。また、本発明は中心電極３と共に、または、中心電極３に代えて、接地電極４にも適用できる。なお、貴金属チップ３３の被溶接部は、小径部３２ｃに限定されない。小径部３２ｃを設けないとき、貴金属チップ３３の被溶接部は縮径部３２ｂとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグの一実施例を示す縦断面図及びその要部拡大図。
【図２】図１のスパークプラグの中心電極側発火部の製造工程説明図。
【図３】中心電極側発火部の溶接接合前の正面図。
【図４】中心電極側発火部の縦半断面図。
【図５】全周レーザー溶接部の成分分布を表す概念説明図。
【図６】クラック進展率の変化を表す説明図。
【図７】中心電極側発火部の従来の製造工程を示す説明図。
【符号の説明】
３中心電極
３１芯体
３２電極母材
３２ａ大径部
３２ｂ縮径部
３２ｃ小径部（被溶接部）
３２ｄ先端面
３３貴金属チップ（耐火花消耗性金属チップ；耐消耗性チップ）
３３ａ貴金属発火部（耐火花消耗性金属発火部；発火部）
３４合金チップ
４接地電極
Ａ重ね合せ組立体
Ｂ全周レーザー溶接部（レーザー溶接部）
Ｌレーザー光源
ＬＢレーザービーム
ｇ火花放電ギャップ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spark plug manufacturing method and a spark plug.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a spark plug used for ignition of an internal combustion engine is a type in which a noble metal ignition part is formed by welding a noble metal tip mainly composed of Pt, Ir or the like to the tip of an electrode in order to improve spark wear resistance. Things are used. For example, when joining a noble metal tip to the tip surface of the center electrode, as a manufacturing method thereof, a disc-shaped or columnar noble metal tip is placed on the tip of the center electrode, and the center electrode is rotated along the outer periphery of the overlapping surface. There have been proposed methods for forming a laser welded portion by irradiating laser light (for example, JP-A-6-45050 and JP-A-10-112374).
[0003]
FIG. 7 shows an example of a conventional manufacturing method when a noble metal tip is bonded to the tip surface of the center electrode. A disc-shaped or circular shape mainly composed of Pt, Ir or the like is formed on the tip surface of the electrode base material 32 ′ formed so as to cover the core 31 ′ at the center by a heat-resistant alloy mainly composed of Ni or Fe. Columnar noble metal tips 33 ′ are overlaid. The laser light source L irradiates the laser beam LB toward the boundary position between the noble metal tip 33 ′ and the electrode base material 32 ′ while rotating the electrode base material 32 ′ and the noble metal tip 33 ′. As a result, the noble metal tip 33 ′ and the electrode base material 32 ′ are melted and solidified, and the laser weld B ′ is formed across both of them, and the center electrode 3 ′ having the noble metal ignition part 33a ′ is obtained.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, by selecting the irradiation position of the laser beam LB near the boundary position between the noble metal tip 33 ′ and the electrode base material 32 ′ (position a in FIG. 5A), as shown in FIG. The component distribution in the vicinity of the boundary between the laser weld B ′ and the noble metal tip 33 ′ is such that the electrode base material component is low and the noble metal tip component is high. Further, the component distribution in the vicinity of the boundary with the electrode base material 32 ′ is high in the electrode base material component and low in the noble metal tip component. This is presumably because the noble metal tip 33 ′ and the electrode base material 32 ′ are melted and solidified in a short time, and the laser weld B ′ is formed without sufficient diffusion. However, when the irradiation position of the laser beam LB fluctuates (moves up and down) in the electrode axial direction (weld bead width direction) between the spark plugs, for example, the b position and the c position in FIG. The component distribution in the laser welded portion B ′ tends to vary significantly between individuals, in the vicinity of the boundary between the noble metal tip 33 ′ or the electrode base material 32 ′ and the laser welded portion B ′ in the electrode axis direction (weld bead width direction). is there.
[0005]
On the other hand, the coefficient of thermal expansion is generally noble metal tip 33 ′> laser weld B ′> electrode base material 32 ′. Moreover, it is thought that the thermal expansion coefficient in the alloy layer of laser welding part B 'is proportional to the said component distribution and its fluctuation range. Therefore, it is desirable that the vicinity of the boundary with the noble metal tip 33 ′ and the vicinity of the boundary with the electrode base material 32 ′ in the laser weld B ′ are as close as possible to physical characteristics such as a coefficient of thermal expansion. By selecting the irradiation position of the laser beam LB in the vicinity of the boundary position between the noble metal tip 33 ′ and the electrode base material 32 ′ (position a in FIG. 5A), the above-described component distribution is shown. The physical characteristics such as the coefficient of thermal expansion in the vicinity of the boundary with the noble metal tip 33 ′ and the boundary with the electrode base material 32 ′ in the part B ′ become close. On the other hand, when the irradiation position of the laser beam LB moves up and down between individuals, the thermal expansion coefficient in the laser welded portion B ′ is near the boundary between the noble metal tip 33 ′ or the electrode base material 32 ′ and the laser welded portion B ′. , It changes rapidly in the electrode axis direction (weld bead width direction). That is, when the irradiation position of the laser beam LB comes to the position b in FIG. 5A, there are many noble metal tip components in the lower part of the electrode axial direction, so the laser weld B ′ and the electrode base material In the vicinity of the boundary with 32 ', there is a portion where a lot of noble metal tip components exist. On the other hand, when the position “c” in FIG. 5A is reached, since there are many electrode base material components up to the upper side in the electrode axis direction, the vicinity of the boundary between the laser weld B ′ and the noble metal tip 33 ′. , There are portions where many electrode base material components exist. Therefore, in such a part, physical characteristics such as a coefficient of thermal expansion greatly differ.
[0006]
Under such circumstances, when repeatedly exposed to a cooling cycle as in an internal combustion engine, the boundary between the noble metal tip 33 ′ or the electrode base material 32 ′ and the laser weld B ′ due to the difference in thermal expansion coefficient (thermal contraction rate). There is a risk that a crack K ′ may occur in the vicinity. When the crack K ′ grows, the noble metal tip 33 ′ may fall off from the electrode base material 32 ′.
[0007]
For example, when the laser weld B ′ reaches the center of the electrode base material 32 ′ and all the noble metal tips 33 ′ are melted to leave no unwelded area in the radial center, the bead of the laser weld B ′ Since the width and depth increase, a strong welding force can be obtained. On the other hand, since heat input from the welding heat source is large in this configuration, the electrode base material 32 ′ and the core body 31 ′, which are likely to undergo a heat change as compared with the noble metal tip 33 ′, have blowholes and cracks due to excessive heat absorption. There is a problem that is likely to occur. Accordingly, in consideration of suppressing the amount of heat required for welding and not adversely affecting the electrode base material 32 ′ and the core 31 ′, an unwelded region is provided at least in the central portion in the radial direction of the electrode base material 32 ′ as shown in FIG. In some cases, the noble metal tip 33 ′ may be welded so that a part of the noble metal tip 33 ′ remains after welding. However, in this case, since the electrode base material 32 and the noble metal tip 33 ′ are not joined in the unwelded region, or are temporarily fixed by resistance welding, the noble metal tip 33 ′ or the electrode When the crack generated at the boundary between the base material 32 ′ and the laser welded portion B ′ reaches the unwelded area, there is a problem that the chip is very easily dropped.
[0008]
The problem of the present invention is that the distribution of components and the thermal expansion coefficient in the electrode axial direction (weld bead width direction) of the laser welded portion even when the irradiation position of the laser beam is shifted (varied) between the individual spark plugs. It is an object of the present invention to provide a spark plug manufacturing method and a spark plug capable of suppressing the generation and growth of cracks without greatly changing.
[0009]
[Means for solving the problems and actions / effects]
In order to solve the above problems, a method for manufacturing a spark plug of the present invention includes:
A center electrode, and side surfaces opposite own front end surface of the center electrode and an arranged ground electrode to form a spark discharge gap, the center electrode at a position corresponding to the spark discharge gap, the the electrode base material, Ir, Rh, Pt, Pd , Ru, Re, W, Os, Mo, as a main component at least one of Au, a disc-shaped or cylindrical spark erosion resistant metal tip A method of manufacturing a spark plug in which a spark-resistant consumable metal ignition part is formed by joining a certain consumable chip by laser welding,
The electrode base material, at least the welded portion of the wear-resistant tip is composed of a heat-resistant alloy,
Between the wear-resistant tip and the tip end surface of the welded portion , the main component of the wear-resistant tip and the principal component of the welded portion are included so as to have a thermal expansion coefficient between them , and The thickness l ₂ is 0.1 ≦ l ₂ ≦ 0.4 [mm], and disk-shaped or column-shaped alloy chips are stacked in a stack,
By irradiating a laser beam toward a boundary position between the wear-resistant tip and the alloy tip, and forming a laser weld portion straddling the wear-resistant tip, the alloy tip, and the welded portion along an outer peripheral surface. The wear-resistant tip is fixed to the welded portion.
[0010]
Further, in order to solve the above problems, the spark plug of the present invention is
A center electrode, and side surfaces opposite own front end surface of the center electrode and an arranged ground electrode to form a spark discharge gap, the center electrode at a position corresponding to the spark discharge gap, the The electrode base material is a spark consumable metal chip having a disk shape or a columnar shape mainly containing at least one of Ir, Rh, Pt, Pd, Ru, Re, W, Os, Mo, and Au. It is a spark plug in which a spark-resistant consumable metal ignition part is formed by joining a wear-resistant tip by laser welding,
The electrode base material, at least the welded portion of the wear-resistant tip is composed of a heat-resistant alloy,
Between the wear-resistant tip and the tip end surface of the welded portion , the main component of the wear-resistant tip and the principal component of the welded portion are included so as to have a thermal expansion coefficient between them , and The thickness l ₂ is 0.1 ≦ l ₂ ≦ 0.4 [mm], and the disk-shaped or columnar alloy chips are stacked in a stacked manner,
A laser beam is irradiated toward a boundary position between the wear-resistant tip and the alloy tip, and a laser welded portion straddling the wear-resistant tip, the alloy tip, and the welded portion is formed along the outer peripheral surface. It is characterized by that.
[0011]
In the present invention, an alloy chip having an intermediate coefficient of thermal expansion between the wear-resistant tip and the welded portion is laminated in a stacked manner between the wear-resistant tip and the welded portion, and the wear-resistant tip and the alloy tip are stacked. And the laser welding part straddling the to-be-welded part was formed along the outer peripheral surface. As a result, even when the laser beam irradiation position deviates (scatters) between the individual spark plugs in the electrode axis direction, the fluctuation width of the component distribution in the electrode axis direction (weld bead width direction) of the laser weld is relative. Can be kept small. Accordingly, the change in the coefficient of thermal expansion near the boundary between the laser weld and the noble metal tip or the electrode base material becomes relatively small, and the generation and growth of cracks can be suppressed.
[0012]
In the electrode base material, at least a portion to be welded can be made of a heat-resistant metal mainly composed of Fe or Ni. In the present specification, the “main component” means a component having the highest weight content, and does not necessarily mean “a component occupying 50% by weight or more”.
[0013]
Furthermore, the alloy tip of the present invention is preferably fixed to the welded part and / or the wear-resistant tip at the time of welding joining. Before laser welding, the alloy tip is temporarily attached to the wear-resistant tip and / or welded part by resistance welding or the like, or the tip of the wear-resistant tip is pressed during laser welding to wear the alloy tip By holding and fixing to the weldable tip and the welded part, the alloy tip is less likely to be displaced or decentered when the alloy melted by the laser beam is solidified, the electrode is tilted (eccentric), and the laser beam irradiation position It becomes difficult to produce a gap. Thereby, the change of the thermal expansion coefficient in the vicinity of the boundary between the laser weld and the noble metal tip or the electrode base material can be suppressed as much as possible.
[0014]
Furthermore, the alloy chip of the present invention may contain 10 to 50% by weight of the main component of the welded part. The alloy tip contains a predetermined amount of the main component of the welded part, that is, the electrode base material, so that the vicinity of the boundary between the electrode base material and the laser welded part is near the boundary between the laser welded part and the noble metal tip or the electrode base material. The change in the thermal expansion coefficient is further reduced, and crack generation / growth can be suppressed.
[0015]
Furthermore, the alloy tip of the present invention can be formed by blending and melting the wear-resistant tip and the main component material of the welded portion. Since the homogeneity of the alloy tip is maintained, the change in the coefficient of thermal expansion in the laser welded portion becomes relatively small, contributing to the suppression of crack generation and growth.
[0016]
Furthermore, as the alloy tip of the present invention, a sintered metal powder containing a wear-resistant tip and the main component of the welded portion can be used. Also by this method, the homogeneity of the alloy tip is maintained, so that the change in the coefficient of thermal expansion in the laser welded portion becomes relatively small, and crack generation / growth can be suppressed.
[0017]
Furthermore, this invention can perform an annealing process to the laser welding part after welding joining. In the vicinity of the boundary between the alloy tip, the wear-resistant tip and the welded portion, the component distribution becomes discontinuous, and there is a high risk of cracks due to the difference in thermal shrinkage rate. By performing annealing treatment on the laser welded portion, it is possible to generate a diffusion layer in the vicinity of these boundaries and suppress the occurrence of cracks.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
A spark plug 100 as an example of the present invention shown in FIG. 1 includes a cylindrical metal shell 1, an insulator 2 fitted inside the metal shell 1 so that the tip 21 protrudes, and a refractory spark formed at the tip. One end of the noble metal ignition part (hereinafter also referred to simply as the ignition part) 33a as a consumable metal ignition part is coupled to the center electrode 3 provided inside the insulator 2 and the metal shell 1 by welding or the like. The other end side is bent back to the side, and a ground electrode 4 or the like is provided so that the side surface thereof faces the tip of the center electrode 3. Further, the ground electrode 4 is formed with a noble metal ignition part (hereinafter also simply referred to as an ignition part) 43a as a spark-resistant consumable metal ignition part facing the ignition part 33a, and opposed to the ignition part 33a. A gap between the ignition part 43a and the ignition part 43a is a spark discharge gap g.
[0019]
The insulator 2 is made of a ceramic sintered body such as alumina or aluminum nitride, for example, and has a hole 6 for fitting the center electrode 3 along its own axial direction. The metal shell 1 is formed in a cylindrical shape from a metal such as low carbon steel, and constitutes a housing of the spark plug 100, and a screw for attaching the plug 100 to an engine block (not shown) on its outer peripheral surface. Part 7 is formed.
[0020]
In addition, it is good also as a structure which abbreviate | omits any one of the ignition part 33a and the opposing ignition part 43a. In this case, a spark is generated between the ignition part 33a and the side surface of the ground electrode 4 that does not have the ignition part, or between the opposing ignition part 43a and the tip surface of the center electrode 3 that does not have the ignition part. A discharge gap g is formed. Hereinafter, although the embodiment in the case of providing the ignition part 33a according to the present invention in the center electrode 3 will be described, the same can be applied to the case in which the ignition part 43a according to the present invention is provided in the ground electrode 4.
[0021]
In FIG. 2A, the small-diameter portion 32c of the electrode member 32, and in this embodiment, at least the front end surface 32d as the surface layer portion of the center electrode 3 and the ground electrode 4 are formed of Ni or Fe as a main component. It is comprised with the heat-resistant alloy. As the heat-resistant alloy containing Ni or Fe as a main component, the following can be used.
(1) Ni-base heat-resistant alloy: In this specification, Ni is contained in an amount of 40 to 85% by weight, and the main component of the balance is one or more of Cr, Co, Mo, W, Nb, Al, Ti and Fe. The heat-resistant alloy consisting of Specifically, the following can be used (all are trade names; the alloy composition is described in the literature (Revised 3rd edition Metal Data Book (Maruzen); p138)). Do not do):
ASTROLOY, CABOT 214, D-979, HASTELLOY C22, HASTELLOY C276, HASTELLOY G30, HASTELLOY S, HASTELLOY X, HAYNES 230, INCONEL 587, INCONEL 597, INCONEL 600, INCONEL 601, INCONEL 617, INCONEL 706, INCONEL 706, INCONEL 706 , INCONEL X750, KSN, M-252, NIMONIC 75, NIMONIC 80A, NIMONIC 90, NIMONIC 105, NIMONIC 115, NIMONIC 263, NIMONIC 942, NIMONIC PE11, NIMONIC PE16, NIMONIC PK33, PYROMET 860, RENE 41, RENE 95, SSS 113MA, UDIMET 400, UDIMET 500, UDIMET 520, UDIMET 630, UDIMET 700, UDIMET 710, UDIMET 720, UNITEP AF2-1 DA6, WASPALOY.
[0022]
(2) Fe-based heat-resistant alloy: In the present specification, Fe is contained in an amount of 20 to 60% by weight, and the balance is mainly one or more of Cr, Co, Mo, W, Nb, Al, Ti and Ni. The heat-resistant alloy consisting of Specifically, the following can be used (all are trade names; the alloy composition is described in the literature (Revised 3rd edition Metal Data Book (Maruzen), p138)). Do not do);
A-286, ALLOY 901, DISCALOY, HAYNES 556, INCOLOY 800, INCOLOY 801, INCOLOY 802, INCOLOY 807, INCOLOY 825, INCOLOY 903, INCOLOY 907, INCOLOY 909, N-155, PYROMET CTX-1, PYROMET CTX-3, S-590, V-57, PYROMET CTX-1, 16-25-6, 17-14CuMo, 19-9DL, 20-Cb3.
[0023]
On the other hand, the ignition part 33a and the opposing ignition part 43a are a fire-resistant consumable metal mainly composed of at least one of Ir, Rh, Pt, Pd, Ru, Re, W, Os, Mo, Au, In this embodiment, the main constituent is a noble metal containing either Ir or Pt as a main component. Use of these noble metals can improve the wear resistance of the ignition part even in an environment where the temperature of the center electrode is likely to rise. Moreover, the weldability with respect to the above heat-resistant alloys is also favorable. For example, when using a noble metal based on Pt, a Pt—Ni alloy (for example, Pt-1 to 30 wt% Ni alloy), a Pt—Ir alloy, a Pt—Ir—Ni alloy, etc. are preferable in addition to Pt alone. Can be used for Moreover, as what has Ir as a main component, an Ir-Pt alloy, an Ir-Rh alloy, etc. can be used.
[0024]
In the case where an Ir-based noble metal material is used, oxides (including complex oxides) of metal elements belonging to Group 3A (so-called rare earth elements) and Group 4A (Ti, Zr, Hf) of the periodic table of elements are used. In the range of 0.1 to 15% by weight. Thereby, consumption by oxidation and volatilization of the Ir component can be effectively suppressed. As the oxide, Y ₂ O ₃ is preferably used, but La ₂ O ₃ , ThO ₂ , ZrO _{2 and the} like can also be preferably used. In this case, the metal component may be Ir alone or Ir.
[0025]
FIG. 2 shows a manufacturing process of the center electrode side ignition part of the spark plug according to the present invention.
In FIG. 2A, the center electrode 3 is embedded in a cylindrical electrode base material 32 made of a heat-resistant alloy containing Ni or Fe as a main component, and the center part of the electrode base material 32, and Cu or Ag. And a core body 31 made of a highly heat conductive metal containing as a main component. The electrode base material 32 is continuously provided from the large diameter portion 32a through the reduced diameter portion 32b to the small diameter portion 32c on the distal end side, and is formed by cutting or plastic working. A noble metal tip 33 as a wear-resistant tip is placed on the tip surface 32d of the small-diameter portion 32c, and the noble metal tip 33 is joined to the small-diameter portion 32c by laser welding, so that a noble metal ignition portion as a spark-resistant consumable metal ignition portion. 33a is formed.
[0026]
Next, the process until the noble metal ignition part 33a is formed will be described. In FIG. 2B, the main component of the noble metal tip 33 and the main component of the small diameter portion 32c (the welded portion) are provided between the tip surface 32d and the disc-shaped or columnar noble metal tip 33 (consumable chip). And an alloy chip 34 having a disk shape or a columnar shape is laminated in a laminated shape to form a laminated assembly A. Since the alloy tip 34 includes the main components of the noble metal tip 33 and the small diameter portion 32c, the coefficient of thermal expansion has an intermediate value between the two. Further, the noble metal tip 33 is made of an alloy composition that constitutes the ignition portion 33a. Further, when the small-diameter portion 32c and the alloy tip 34 (or the alloy tip 34 and the noble metal tip 33) are superposed, a recess is provided on the tip end surface 32d (or the upper surface of the alloy tip 34), and the alloy tip 34 (or The lower surface of the noble metal tip 33) may be placed.
[0027]
As shown in FIG. 2 (c), a YAG (yttrium, aluminum, garnet) laser beam LB emitted from the laser light source L is applied to the overlap assembly A to the boundary position between the noble metal tip 33 and the alloy tip 34. Irradiated intermittently in the substantially horizontal direction. At this time, the center electrode 3 is rotated in a predetermined direction, and irradiation is performed over the entire circumference at intervals where the irradiation surfaces overlap each other. As a result, a noble metal tip 33, an alloy tip 34, and an all-around laser welded portion B (laser welded portion) straddling the small-diameter portion 32c forming the overlap assembly A are formed along the outer peripheral surface. It is fixed to 32d. At this time, in the all-around laser welded portion B, the components of the electrode base material 32, the noble metal tip 33, and the alloy tip 34 are in a melted and solidified state.
[0028]
Regarding the laser beam LB, the irradiation direction may be set so as to go from diagonally upward to diagonally downward in FIG. 2C depending on the shapes of the electrode base material 32, the noble metal tip 33, and the alloy tip. It is also possible to rotate the laser light source L instead of the center electrode 3 or rotate the laser light source L and the center electrode 3 in opposite directions. Further, a plurality of laser light sources L may be provided.
[0029]
The noble metal tip 33 and the alloy tip 34 are processed into a plate shape by hot rolling a molten alloy obtained by blending and melting each alloy component so as to have a predetermined composition, and the plate material is hot punched. What was formed by punching into a predetermined chip shape, or what was formed by processing an alloy into a linear or rod-shaped material by hot rolling or hot forging and then cutting it into a predetermined length in the length direction Can be used. In addition, the noble metal tip 33 and the alloy tip 34 can be made of a material that is compacted with volume shrinkage by blending and heating each metal powder so as to have a predetermined composition and sintering the powder particles.
[0030]
In particular, the alloy tip 34 is formed by mixing and melting the main component materials of the electrode base material 32 and the noble metal tip 33, or a metal containing the main components of the electrode base material 32 and the noble metal tip 33. It is good to use what sintered powder. Since the homogeneity of the alloy tip is maintained, the change in the coefficient of thermal expansion in the all-around laser weld B is relatively small, contributing to the suppression of the generation and growth of cracks K. Furthermore, since the alloy tip 34 contains 10 to 50% by weight of the main component of the electrode base material 32, the thermal expansion coefficient changes near the boundary between the all-around laser weld B and the noble metal tip 33 or the electrode base material 32. Further, the generation and growth of cracks K can be suppressed.
[0031]
The alloy tip 34 is fixed to the noble metal tip 33 and / or the tip surface 32d at the time of welding joining. When the alloy melted by the laser beam LB is solidified, the alloy tip 34 is liable to be displaced or decentered, the electrode is inclined (eccentric), or the irradiation position of the laser beam LB is displaced, and the laser beam LB is displaced. Component distribution fluctuates. Therefore, before laser welding, the alloy tip 34 is temporarily fixed to the noble metal tip 33 and / or the tip surface 32d by resistance welding or the like, or the tip surface of the noble metal tip 33 is pressed during laser welding, so that the alloy tip 34 is attached. The fluctuation of the component distribution can be suppressed as much as possible by holding and fixing the noble metal tip 33 and the tip surface 32d.
[0032]
Furthermore, the all-around laser welded part B after welding joining is annealed. In the vicinity of the boundary between the alloy tip 34, the noble metal tip 33, and the small diameter portion 32c (electrode base material 32), the component distribution becomes discontinuous, and there is a risk of cracking due to the difference in thermal contraction rate. By performing an annealing process on the entire circumference of the laser welded portion B, a diffusion layer is generated in the vicinity of the boundary to suppress the generation of cracks. In addition, as annealing treatment conditions, for example, after welding, there is a method of heating at 950 ± 50 ° C. for 2 hours in a vacuum of 10 ⁻⁵ Torr or less and then gradually cooling.
[0033]
FIG. 3 shows a front view of the central electrode side ignition part before welding joining. In the figure, the dimensions of each part are as follows. When the outer diameter of the noble metal tip 33 is d ₁ , the outer diameter of the alloy tip 34 is d ₂ , the outer diameter of the small diameter portion 32c is d ₃ , and the outer diameter of the large diameter portion 32a is D,
0.3 ≦ d ₁ ≦ 1.8 [mm]
d ₁ ≦ d ₂ ≦ d ₃ ≦ d ₁ +0.3 [mm]
1.5 ≦ D ≦ 3 [mm]
It is.
[0034]
When the thickness of the noble metal tip 33 is l ₁ , the thickness of the alloy tip 34 is l ₂ , and the thickness of the small diameter portion 32c is l ₃ ,
l ₁ ≦ 0.5 [mm]
0.1 ≦ l ₂ ≦ 0.4 [mm]
0 ≦ l ₃ ≦ 0.3 [mm]
0.1 ≦ (l ₂ + l ₃ ) ≦ 0.4 [mm]
It is. The groove angle θ of the reduced diameter portion 32b is
θ ≦ 110 °.
[0035]
FIG. 4 shows a longitudinal half cross-sectional view of the center electrode side ignition portion. Between the noble metal tip 33 and the tip surface 32d, an alloy tip 34 containing the main components of both is laminated in a laminated manner, and these three layers are stacked. An all-around laser welded portion B is formed along the outer peripheral surface. As a result, even when the irradiation position of the laser beam LB is deviated (varied) between the individual spark plugs in the electrode axis direction, the component distribution varies in the electrode axis direction (weld bead width direction) of the all-around laser weld B. The width is relatively small. Accordingly, the change in the coefficient of thermal expansion near the boundary between the all-around laser weld B and the noble metal tip 33 or the electrode base material 32 becomes relatively small, and the generation and growth of cracks K can be suppressed.
[0036]
As is clear from comparison with FIG. 3, the overlap assembly A of this embodiment has an unwelded region at least in the radial center portion, and the noble metal tip 33, the alloy tip 34, and the small diameter portion. Part of 32c remains even after welding. If the all-around laser weld B reaches the center of the overlap assembly A and all the alloy chips 34 are melted to leave no unwelded area at the radial center, the bead of the all-around laser weld B Since the width and depth of the steel become large, a strong welding force can be obtained. On the other hand, however, the laser light source L requires a large amount of heat (energy), and the electrode base material 32 and the core 31 that easily undergo thermal changes as compared with the noble metal tip 33 and the alloy tip 34 absorb this heat. After that, blow holes and cracks are likely to occur. Therefore, in consideration of not adversely affecting the electrode base material 32 and the core body 31 while suppressing the amount of heat required for welding, an unwelded region is left at least in the central portion in the radial direction of the overlap assembly A. In the unwelded region of the overlap assembly A, the remaining portions of the noble metal tip 33, the alloy tip 34, and the small diameter portion 32c (electrode base material 32) are not affected at all or at least hardly affected by welding. It is considered that the component distribution before joining is maintained almost as it is.
[0037]
FIG. 5 shows the component distribution of the all-around laser weld B. In the case of the conventional example of FIG. 5A, the irradiation position a of the laser beam LB is slightly shifted to b or c in the electrode axis direction. The component distribution of the all-around laser weld B varies relatively greatly in the electrode axis direction. However, in the case of the present embodiment shown in FIG. 5B, even if the irradiation position a of the laser beam LB slightly deviates to b or c in the electrode axis direction, the fluctuation width of the component distribution of the all-around laser weld B is relative. Small. Since the noble metal tip 33 generally has a high melting point and is difficult to melt as compared with the electrode base material 32 (mainly Ni or Fe in this embodiment), the alloy layer of the all-around laser weld B is mixed during melting and solidification. It is difficult to change the component distribution. Here, the alloy tip 34 is sandwiched between the two, and the laser beam LB is irradiated to the boundary position between the noble metal tip 33 and the alloy tip 34, so that the noble metal tip 33 is easily melted through the alloy tip 34 as an electrode. It becomes easy to mix with the base material 32, and it is considered that the fluctuation range of the component distribution of the all-around laser weld B is relatively small.
[0038]
Then, it was confirmed by repeated endurance tests of the thermal cycle that the generation and growth of cracks K were suppressed when the fluctuation range of the component distribution of the entire circumference laser weld B became relatively small. 1 is heated to 950 ± 20 ° C. for 2 minutes and then gradually cooled for 1 minute. This cooling cycle was repeated 1,000 times, and the progress rate of cracks was measured. The crack growth rate in FIG. 4 is t when the distance in the axial direction from the upper end of the all-around laser weld B to the lower end of the noble metal tip 33 is t, and the height in the axial direction of the crack K is t ₀ . It is represented by t ₀ / t.
[0039]
In FIG. 6, when the alloy tip 34 is not used, the crack growth rate, which shows a value close to 100%, sandwiches the alloy tip 34 between the noble metal tip 33 and the small diameter portion 32c, and the noble metal tip 33 and the alloy tip 34 By irradiating the laser beam LB to the boundary position, the number was reduced to less than half. It is considered that the fluctuation range of the component distribution of the entire circumference laser weld B is relatively small, and the generation / growth of cracks K is suppressed. The crack growth rate was further reduced by performing annealing treatment on the entire circumference laser welded portion B after welding joining. It is considered that a diffusion layer is generated near the boundary between the alloy tip 34, the noble metal tip 33, and the small diameter portion 32c (electrode base material 32) by the annealing treatment, and the generation and growth of cracks K are further suppressed.
[0040]
In the above embodiment, only one alloy chip 34 (one layer) is used, but a plurality (multiple layers) may be used. At that time, if a stepwise difference is provided in the component composition of each layer of the alloy tip 34, it can be expected that the fluctuation range of the component distribution of the all-around laser welded portion B is further reduced. The present invention can also be applied to the ground electrode 4 together with the center electrode 3 or instead of the center electrode 3. The welded part of the noble metal tip 33 is not limited to the small diameter part 32c. When the small diameter portion 32c is not provided, the welded portion of the noble metal tip 33 becomes the reduced diameter portion 32b.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a spark plug of the present invention and an enlarged view of a main part thereof.
2 is a manufacturing process explanatory diagram of a center electrode side ignition portion of the spark plug of FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a front view of a central electrode side ignition portion before welding joining.
FIG. 4 is a longitudinal half sectional view of a central electrode side ignition part.
FIG. 5 is a conceptual explanatory diagram showing a component distribution of an all-around laser weld.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a change in crack progress rate.
FIG. 7 is an explanatory view showing a conventional manufacturing process of a central electrode side ignition portion.
[Explanation of symbols]
3 Center electrode 31 Core body 32 Electrode base material 32a Large diameter part 32b Reduced diameter part 32c Small diameter part (welded part)
32d tip surface 33 noble metal tip (spark-resistant metal tip; wear-resistant tip)
33a Precious metal ignition part (spark wear-resistant metal ignition part; ignition part)
34 Alloy tip 4 Ground electrode A Superposition assembly B All-around laser weld (laser weld)
L Laser light source LB Laser beam g Spark discharge gap

Claims

中心電極と、その中心電極の先端面に自身の側面が対向して火花放電ギャップを形成するように配置された接地電極とを備え、前記火花放電ギャップに対応する位置において前記中心電極は、その電極母材に、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｗ，Ｏｓ，Ｍｏ，Ａｕのうちの少なくとも１種を主成分とし、円板状又は円柱状の耐火花消耗性金属チップである耐消耗性チップをレーザー溶接によって接合することにより耐火花消耗性金属発火部が形成されたスパークプラグの製造方法であって、
前記電極母材の、少なくとも前記耐消耗性チップの被溶接部を耐熱合金にて構成し、
前記耐消耗性チップと前記被溶接部の先端面との間に、前記耐消耗性チップの主成分と前記被溶接部の主成分とを含むことにより両者の中間の熱膨張率をもち、かつ厚さｌ _２が０．１≦ｌ _２ ≦０．４［ｍｍ］で円板状又は円柱状の合金チップを積層状に重ね合わせて、
レーザービームを前記耐消耗性チップと合金チップとの境界位置に向けて照射し、前記耐消耗性チップ、前記合金チップ及び前記被溶接部に跨るレーザー溶接部を外周面に沿って形成することにより、前記耐消耗性チップを前記被溶接部に固着することを特徴とするスパークプラグの製造方法。A center electrode, and side surfaces opposite own front end surface of the center electrode and an arranged ground electrode to form a spark discharge gap, the center electrode at a position corresponding to the spark discharge gap, the the electrode base material, Ir, Rh, Pt, Pd , Ru, Re, W, Os, Mo, as a main component at least one of Au, a disc-shaped or cylindrical spark erosion resistant metal tip A method of manufacturing a spark plug in which a spark-resistant consumable metal ignition part is formed by joining a certain consumable chip by laser welding,
The electrode base material, at least the welded portion of the wear-resistant tip is composed of a heat-resistant alloy,
Between the wear-resistant tip and the tip end surface of the welded portion , the main component of the wear-resistant tip and the principal component of the welded portion are included so as to have a thermal expansion coefficient between them , and The thickness l ₂ is 0.1 ≦ l ₂ ≦ 0.4 [mm], and disk-shaped or column-shaped alloy chips are stacked in a stack,
By irradiating a laser beam toward a boundary position between the wear-resistant tip and the alloy tip, and forming a laser weld portion straddling the wear-resistant tip, the alloy tip, and the welded portion along an outer peripheral surface. The method of manufacturing a spark plug, wherein the wear-resistant tip is fixed to the welded portion.

前記合金チップは、溶接接合時に、前記被溶接部及び／又は前記耐消耗性チップに固定されている請求項１記載のスパークプラグの製造方法。The spark plug manufacturing method according to claim 1, wherein the alloy tip is fixed to the welded portion and / or the wear-resistant tip during welding joining.

前記合金チップは、前記被溶接部の主成分を１０〜５０重量％含む請求項１又は２に記載のスパークプラグの製造方法。The spark plug manufacturing method according to claim 1, wherein the alloy tip includes 10 to 50% by weight of a main component of the welded portion.

前記合金チップは、前記耐消耗性チップ及び前記被溶接部の主成分原料を配合・溶解して形成したものが使用される請求項１ないし３のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法。The spark plug manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the alloy tip is formed by mixing and melting the wear-resistant tip and a main component material of the welded portion.

前記合金チップは、前記耐消耗性チップ及び前記被溶接部の主成分を含有する金属粉末を焼結したものが使用される請求項１ないし３のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法。The spark plug manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the alloy tip is obtained by sintering a metal powder containing the wear-resistant tip and a main component of the welded portion.

溶接接合後の前記レーザー溶接部に焼鈍処理が行われる請求項１ないし５のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法。The method for manufacturing a spark plug according to any one of claims 1 to 5, wherein an annealing treatment is performed on the laser welded portion after the welding joint.

中心電極と、その中心電極の先端面に自身の側面が対向して火花放電ギャップを形成するように配置された接地電極とを備え、前記火花放電ギャップに対応する位置において前記中心電極は、その電極母材に、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｗ，Ｏｓ，Ｍｏ，Ａｕのうちの少なくとも１種を主成分とし、円板状又は円柱状の耐火花消耗性金属チップである耐消耗性チップをレーザー溶接によって接合することにより耐火花消耗性金属発火部が形成されたスパークプラグであって、
前記電極母材の、少なくとも前記耐消耗性チップの被溶接部を耐熱合金にて構成し、
前記耐消耗性チップと前記被溶接部の先端面との間に、前記耐消耗性チップの主成分と前記被溶接部の主成分とを含むことにより両者の中間の熱膨張率をもち、かつ厚さｌ _２が０．１≦ｌ _２ ≦０．４［ｍｍ］で円板状又は円柱状の合金チップが積層状に重ね合わされ、
レーザービームを前記耐消耗性チップと合金チップとの境界位置に向けて照射し、前記耐消耗性チップ、前記合金チップ及び前記被溶接部に跨るレーザー溶接部が外周面に沿って形成されていることを特徴とするスパークプラグ。A center electrode, and side surfaces opposite own front end surface of the center electrode and an arranged ground electrode to form a spark discharge gap, the center electrode at a position corresponding to the spark discharge gap, the The electrode base material is a spark consumable metal chip having a disk shape or a columnar shape mainly containing at least one of Ir, Rh, Pt, Pd, Ru, Re, W, Os, Mo, and Au. It is a spark plug in which a spark-resistant consumable metal ignition part is formed by joining a wear-resistant tip by laser welding,
The electrode base material, at least the welded portion of the wear-resistant tip is composed of a heat-resistant alloy,
Between the wear-resistant tip and the tip end surface of the welded portion , the main component of the wear-resistant tip and the principal component of the welded portion are included so as to have a thermal expansion coefficient between them , and The thickness l ₂ is 0.1 ≦ l ₂ ≦ 0.4 [mm], and the disk-shaped or columnar alloy chips are stacked in a stacked manner,
A laser beam is irradiated toward a boundary position between the wear-resistant tip and the alloy tip, and a laser welded portion straddling the wear-resistant tip, the alloy tip, and the welded portion is formed along the outer peripheral surface. A spark plug characterized by that.