專利名稱：用于焊接火花塞中電極頭的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接火花塞電極頭的方法，更具體地，涉及一種焊接火花塞電極頭以便將火花塞的貴金屬電極頭附著到電極上的方法。
背景技術(shù)：
火花塞是發(fā)動機中產(chǎn)生火花來點燃燃料的零件。為了產(chǎn)生火花，火花塞的中心電 極和接地電極彼此分離預(yù)定間隙。為了改善發(fā)動機中的燃燒效率，電極頭與中心電極和接 地電極連接。一般地，中心電極和接地電極由鎳(Ni)制成。與電極連接的電極頭由鉬系貴金 屬，例如銥(Ir)或其合金制成。電極頭通過焊接固定于中心電極和接地電極。作為焊接方 法的實例，可以是激光焊、電子束焊接、電阻焊等。近來，激光焊作為連接電極頭和中心電極的方法得到了積極地發(fā)展。激光焊接方 法具有輸入熱量小、熱變形小以及能夠精確焊接的優(yōu)點，但是它也具有對焊接工藝參數(shù)敏 感的缺點。在激光焊接方法中，激光束的高密度能量集中于中心電極或接地電極和貴金屬 頭的連接部分。因此，作為電極主要元素的Ni及銥合金熔化，從而形成具有過渡線性膨脹 系數(shù)的過渡熔化層，進(jìn)而減小熱應(yīng)力。據(jù)研究，如果激光束的能量較低，焊接時的熔化溫度也較低。因此，只有鎳熔化，而 不能減小熱應(yīng)力。這是因為鎳的熔點(約1450°C )與銥的熔點(2450°C )相差很大。而且， 鎳的沸點(約2700°C)接近于銥的熔點。如果激光束的能量過高，熔化部分的溫度也變得 很高，從而鎳揮發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生缺陷。特別地，既然用于激光焊的激光束是高斯束(Gaussian beam)，它的中心部分產(chǎn)生過量的熱量輸入。因此，存在諸如因揮發(fā)而引起的元素不足的較 差的焊接質(zhì)量。為此，需要進(jìn)行很多研究以通過使用激光焊將電極頭安全地固定到接地電極或中 心電極。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供了一種能夠牢固地將電極頭附著于中心電極或接地電極的火花塞電 極頭的焊接方法。技術(shù)方案依據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種利用激光焊焊接火花塞電極頭以將火花塞的貴金 屬頭附著于電極的方法，其中，依據(jù)激光焊接的時間的激光束的功率波形是馬蹄形波形，其 中，其中心部分的功率小于兩端部分的功率。在本發(fā)明的上述方面中，激光束的功率波形是矩形波形，S卩，中心部分的功率小于 兩端部分的功率。另外，激光束的總輸入熱量值在70J/cm2至150J/cm2的范圍內(nèi)。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了 一種利用激光焊焊接火花塞電極頭以將火花塞貴 金屬頭附著于電極的焊接方法，其中，依據(jù)激光焊的時間的激光束的功率波形是梯形波形， 包括上升部分，其中激光束功率逐漸增加；功率保持部分，其中上升部分后激光束的功率保 持恒定；以及下降部分，其中功率保持部分后的激光束功率逐漸減小。在本發(fā)明的上述方面中，激光束的照射時間在上升部分、功率保持部分和下降部 分大致相等。另外，激光束的總輸入熱量值在60J/cm2至150J/cm2范圍內(nèi)。 另外，依據(jù)激光焊的時間的激光束的功率波形是三角形波形，包括上升部分，其中 激光束的功率逐漸增加；和下降部分，其中激光束的功率在上升部分后逐漸減小。另外，激光束的照射時間在上升部分和下降部分大致相等。另外，激光束的總輸入熱量值在60J/cm2至150J/cm2的范圍內(nèi)。有益效果根據(jù)本發(fā)明可獲得下述優(yōu)點，但本發(fā)明不必具有下述優(yōu)點的全部。首先，依據(jù)激光焊的時間，激光束的波形設(shè)定成馬蹄形、梯形或三角形，而不是矩 形，從而可能解決因熱量在中心部分的過量輸入而產(chǎn)生的揮發(fā)所引起的元素不足和咬邊， 以及因發(fā)生周圍部分的咬邊而產(chǎn)生的瘤凸(hump)(產(chǎn)生焊珠)。另外，可獲得依據(jù)這些波形的合適的激光束的總輸入熱量，從而可能將所述貴金 屬電極頭焊接到所述中心電極或接地電極上。


圖1是例示火花塞的局部剖面圖。圖2是例示圖1的中心電極和接地電極的剖視圖。圖3是例示激光束強度隨距離用于激光焊的激光束中心的距離變化的曲線圖。圖4至7是例示本發(fā)明的實施方式中，激光束的功率與用于激光焊的激光束的照 射時間的關(guān)系曲線圖。圖8是例示根據(jù)本發(fā)明的實施方式進(jìn)行焊接的電極頭的側(cè)視圖。圖9是自圖8的VI箭頭觀察而得到的平面圖。圖10至15是具有不同輸入熱量值的馬蹄形波形束施加到中心電極和貴金屬頭之 后的截面的照片。圖16至20是具有不同輸入熱量值的梯形波形束施加到中心電極和貴金屬頭之后 的截面的照片。圖21至24是具有不同輸入熱量值的三角形波形束施加到中心電極和貴金屬頭之 后的截面的照片。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式作詳細(xì)描述。為了使本發(fā)明更清晰，將省 略公知的功能和構(gòu)造的詳細(xì)描述。圖1是例示火花塞的局部剖視圖。如圖1所示，火花塞包括中心電極3、設(shè)置在中心電極3外的絕緣體2、設(shè)置在絕緣體2的外部的金屬殼1、以及接地電極4，接地電極4的一端與金屬殼1連接，另一端部面對 中心電極3。電極頭31和32形成于中心電極3與接地電極4彼此面對的位置。
圖2是例示圖1的中心電極和接地電極的剖視圖。如圖2所示，中心電極的主體3a具有錐形的端部和平坦的端表面。電極頭31形 成為盤形。電極頭設(shè)置在平坦的端表面上?？稍诮佑|面的外表面使用激光焊技術(shù)、電子束 焊接技術(shù)、電阻焊技術(shù)或其他適當(dāng)?shù)暮附蛹夹g(shù)以便形成焊縫W。因此，電極頭31牢固地固定 在中心電極3的端表面上。相對的電極頭32設(shè)置在接地電極4上。類似地，在接觸表面的 外表面上形成焊縫W。因此，電極頭32牢固地固定在接地電極4上。在一些情況下，兩個相對電極31和32中的一個可以省略。在這種情況下，火花放 電間隙g形成在電極頭31和32中的一個與接地電極4(或中心電極3)之間。通常利用鉬系貴金屬，尤其是銥，形成電極頭31和32。利用通過混合必要的合金 元素并熔化混合物而得到的材料來形成電極頭31和32?；蛘?，電極頭可由致密合金粉末形 成?；蛘?，電極頭可由通過以特定比例混合基本金屬元素粉末，然后燒結(jié)致密合金粉末而得 到的燒結(jié)材料形成。如果電極頭31和32由熔化金屬形成，熔化金屬的生成材料經(jīng)受包括滾壓處理、回 火處理、延展處理、切削處理、剪切處理和去除處理中的至少一個處理，使得電極頭可具有 特定的形狀。下面，將描述利用激光焊將上述電極頭31和32固定到中心電極3或接地電極4 上的焊接工藝。圖3是激光束的強度隨距離用于激光焊的激光束中心的距離變化的曲線圖。如圖3所示，激光束符合高斯分布，其中激光束的強度在中心部分最高，在周圍部 分迅速地降低。如果激光束具有如圖4所示的矩形波形，在激光束照射的情況下，存在因熱 量在中心部分的過量輸入而產(chǎn)生的揮發(fā)所引起的元素不足和咬邊，以及因發(fā)生周圍部分的 咬邊而產(chǎn)生的瘤凸(產(chǎn)生焊珠)。因此，將描述能夠防止熱量過量輸入的激光束功率的各種 波形以及依據(jù)激光處理參數(shù)而產(chǎn)生的焊接結(jié)果。表1列出了焊接深度、瘤凸的平均尺寸和根據(jù)具有圖4所示矩形波形的激光束的 不同輸入熱量值而形成瘤凸的頻率。當(dāng)焊接深度增加時，連接部分的連接力增大。因此，焊 接深度可用于焊接質(zhì)量的度量。瘤凸是在焊接時焊縫表面上產(chǎn)生的凸凹不平的節(jié)瘤。瘤凸 是因過量輸入的熱量產(chǎn)生的咬邊所引起的焊接缺陷之一。在實驗中，金屬板是用鎳(用于 中心電極或接地電極)作為主元素而形成的，氬氣(Ar)用作保護(hù)氣體，激光束移動速度設(shè) 定為 500mm/sec。表1
表2列出了焊接深度、瘤凸的平均尺寸和根據(jù)具有圖5所示波形的激光束的不同 輸入熱量值而形成瘤凸的頻率。如圖5所示，在依據(jù)激光焊的時間的激光束功率波形中，中 心部分42的功率設(shè)定成小于端部部分41的功率。即，基于矩形波形，將中心部分42的功 率調(diào)整成小于端部部分的功率。在下文中，將圖5所示的波形稱為馬蹄形波形。輸入熱量 值和其他焊接條件設(shè)定成類似于矩形波形的情況。表2
從表2可以看出，與矩形波形的情況相比，馬蹄形波形情況下的焊接深度略微增 力口。特別地，沒有出現(xiàn)任何瘤凸。根據(jù)上述結(jié)果，應(yīng)當(dāng)理解的是，使用馬蹄形波形功率的焊 接比使用矩形波形功率的焊接提供了更優(yōu)良的焊接性能。表3列出了焊接深度、瘤凸的平均尺寸和根據(jù)具有圖6所示波形的激光束的不同 輸入熱量值而形成瘤凸的頻率。如圖6所示，依據(jù)激光焊的時間的激光束功率波形是梯形 波形。即，該波形包括上升部分43、功率保持部分44和下降部分45，其中，激光束功率在上 升部分43逐漸上升，上升部分43后的激光束功率在功率保持部分44保持恒定，功率保持 部分44后的激光束功率在下降部分45逐漸減小。這里，上升部分43、功率保持部分44和 下降部分45中的激光束的照射時間設(shè)定成大致彼此相等，但本發(fā)明并不限于此。輸入熱量 值和其他焊接條件設(shè)定成類似于矩形波形的情況。
表3
從表3可以看出，與矩形波形的情況相比，梯形波形情況下的焊接深度略微增加。 特別地，在輸入熱量值相同時，瘤凸的個數(shù)和大小均比矩形波形情況下的小。根據(jù)上述結(jié) 果，應(yīng)當(dāng)理解的是，使用梯形波形功率的焊接比使用矩形波形功率的焊接提供了更優(yōu)良的 焊接性能。表4列出了焊接深度、瘤凸的平均尺寸和根據(jù)具有圖7所示波形的激光束的不同 輸入熱量值而形成瘤凸的頻率。如圖7所示，依據(jù)激光焊的時間的激光束功率波形是三角 形波形。即，該波形包括上升部分46和下降部分47，其中，激光束功率在上升部分46逐漸 上升，上升部分46后的激光束功率在下降部分47逐漸減小。這里，上升部分46和下降部 分47中的激光束的照射時間設(shè)定成大致彼此相等，但本發(fā)明并不限于此。輸入熱量值和其 他焊接條件設(shè)定成類似于矩形波形的情況。表4
從表4可以看出，與矩形波形的情況相比，三角形波形情況下的焊接深度略微增 力口。然而，在輸入熱量值相同時，瘤凸的大小比矩形波形情況下的小。根據(jù)上述結(jié)果，應(yīng)當(dāng)理解的是，使用三角形波形的焊接比使用矩形波形的焊接提供了更優(yōu)良的焊接性能。具有圖5至7所示波形的激光束比矩形波形的激光束提供了更優(yōu)良的效果。在下 文中，將描述貴金屬頭依據(jù)具有圖5至7所示波形的激光束的不同輸入熱量值，在接地電極 或中心電極上的焊接狀態(tài)。如圖8和9所示，通過以成45°角的方式在中心電極3和電極頭31之間用激光束 照射四個位置Wl來執(zhí)行焊接。電極頭31是直徑為0.6mm的銥頭。激光束具有600um的光 束直徑。激光束的照射時間設(shè)定為150ms。圖10至15是具有不同輸入熱量值的馬蹄形波形光束施加到中心電極和貴金屬頭 上之后的剖面照片。焊接條件列于下面的表5中。表5
根據(jù)上述結(jié)果，應(yīng)當(dāng)理解的是，在圖16中，由于激光束輸入熱量值不夠大，只有每 個合金的接觸面略微熔化。應(yīng)當(dāng)理解的是，在圖11至14中，電極頭與中心電極之間的界面完全熔化以便形成 焊接部分。應(yīng)當(dāng)理解的是，在圖15中，由于激光束的過量熱量輸入而在熔化的表面上產(chǎn)生 了較大的微孔，這種焊接狀態(tài)是不合適的。因此，更優(yōu)選地，具有馬蹄形波形的激光束的總 輸入熱量值在70J/cm2至150J/cm2范圍內(nèi)。圖16至20是具有不同輸入熱量值的梯形波形光束施加到中心電極和貴金屬頭上 之后的剖面照片。焊接條件列于下面的表6中。表6
根據(jù)上述結(jié)果，應(yīng)當(dāng)理解的是，在圖16中，由于激光束輸入熱量值不足夠大，電極 頭沒有熔化。應(yīng)當(dāng)理解的是，在圖17至19中，電極頭與中心電極之間的界面完全熔化以便形成 焊接部分。應(yīng)當(dāng)理解的是，在圖20中，由于激光束的過量熱量輸入而在熔化的表面上產(chǎn)生 了相當(dāng)大的微孔，這種焊接狀態(tài)是不合適的。因此，更優(yōu)選地，具有梯形波形的激光束的總 輸入熱量值在60J/cm2至150J/cm2范圍內(nèi)。圖21至24是具有不同輸入熱量值的三角形波形光束施加到中心電極和貴金屬頭 上之后的剖面照片。焊接條件列于下面的表7中。表7
根據(jù)上述結(jié)果，應(yīng)當(dāng)理解的是，在圖21中，由于激光束輸入熱量值不夠大，電極頭 沒有熔化。應(yīng)當(dāng)理解的是，在圖22至24中，電極頭與中心電極之間的界面完全熔化以便形成 焊接部分。在激光束的總輸入熱量值為180J/cm2的情況下，激光束的功率峰值太高以致電 極頭被隔開。因此，可以認(rèn)為這種工況是不適于大量生產(chǎn)的。因此，更優(yōu)選地，具有三角形波形的激光束的總輸入熱量值在60J/cm2至150J/cm2 范圍內(nèi)。盡管本發(fā)明已經(jīng)參照典型實施方式進(jìn)行了特別地顯示和描述，但可以理解，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員在沒有脫離本發(fā)明所附權(quán)利要求所公開的范圍和精神的情況下進(jìn)行多處修 改，補充和替代是可能的。
權(quán)利要求
一種火花塞電極頭焊接方法，通過使用激光焊接將火花塞的貴金屬頭附著到電極上，其中，在依據(jù)激光焊接時間的激光束的功率波形中，所述功率波形的中心部分的功率小于其兩端部分的功率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述激光束的功率波形是矩形波形，其中心部分的功率小于其兩端部分的功率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述激光束的總輸入熱量值在70J/cm2至 150J/cm2的范圍內(nèi)。
4.一種火花塞電極頭焊接方法，通過使用激光焊接將火花塞的貴金屬頭附著到電極 上，其中，依據(jù)激光焊接時間的激光束的功率波形是梯形波形，其包括上升部分，其中所述激光束的功率逐漸增加；功率保持部分，其中所述上升部分后的激光束功率保持恒定；以及下降部分，其中所述功率保持部分后的激光束功率逐漸減小。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述激光束的照射時間在所述上升部分、功率保持 部分和下降部分大致彼此相等。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其中，所述激光束的總輸入熱量值在60J/cm2至 150J/cm2的范圍內(nèi)。
7.一種火花塞電極頭焊接方法，通過使用激光焊將火花塞的貴金屬頭附著到電極上， 其中，依據(jù)激光焊接時間的激光束的功率波形是三角形波形，其包括上升部分，其中所述激光束的功率逐漸增加；以及下降部分，其中所述上升部分后的激光束功率逐漸減小。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述激光束的照射時間在所述上升部分和下降部 分大致彼此相等。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，所述激光束的總輸入熱量值在60J/cm2至 150J/cm2的范圍內(nèi)。
全文摘要
提供了一種將火花塞的貴金屬頭焊接到電極上的方法。在所述焊接方法中，在依據(jù)激光焊接時間的激光束的功率波形中，所述激光束的功率波形的中心部分的功率小于其兩端部分的功率。另外，依據(jù)激光焊接時間的激光束的功率波形是梯形波形，包括上升部分，其中激光束的功率逐漸增加；功率保持部分，其中所述上升部分后的激光束功率保持恒定；以及下降部分，其中所述功率保持部分后的激光束功率逐漸減小。另外，依據(jù)激光焊接時間的激光束的功率波形是三角形波形，包括上升部分，其中激光束的功率逐漸增加；以及下降部分，其中所述上升部分后的激光束功率逐漸減小。因此，能將電極頭牢固地附著到中心電極或接地電極上。
文檔編號B23K26/20GK101848786SQ200880114999
公開日2010年9月29日 申請日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月6日
發(fā)明者嚴(yán)大烈, 宋錫基, 柳榮泰, 辛柄憲, 金鉉中 申請人:株式會社裕羅Tech