火花塞的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的是提供用來實現(xiàn)提高中間構件和電極構件之間的焊接強度的技術。在通過沿著穿過中間構件的質(zhì)心延伸且平行于接地電極的延伸部分和中心電極彼此面對所沿的面對方向延伸的平面切開火花塞所得到的截面上，火花塞滿足以下關系，其被表達為S1/(D1×H1)≥0.005，其中S1表示熔核的總面積，H1表示從相關電極的電極基體材料所在的表面到貴金屬尖端的端部表面的高度，以及D1表示貴金屬尖端的最大寬度。
【專利說明】火花塞
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種火花塞。
【背景技術】
[0002]通常，火花塞用來提供內(nèi)燃機，諸如汽油發(fā)動機中的點火。在火花塞中，火花放電間隙形成在中心電極和接地電極之間。順便提及，已知一種火花塞，其中貴金屬尖端經(jīng)由中間構件附連在接地電極的電極基體金屬上(參照例如專利文獻I)。中間構件用來減少出現(xiàn)可否則由直接附連到電極基體金屬上的貴金屬尖端引起的缺陷。例如，通過在之間使用中間構件，在貴金屬用量減少的同時，連結(jié)到電極基體金屬的面積可增加。根據(jù)專利文獻I中提到的技術，通過焊接，中間構件被連結(jié)到電極基體金屬，其中貴金屬尖端附連到中間構件。
[0003]現(xiàn)有技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:國際公開W002009/084565
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的問題
[0007]然而，由于傾向于更高的發(fā)動機輸出，火花塞的工作環(huán)境變得比以前嚴峻。因此，由于中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度不能承受工作環(huán)境，基于專利文獻I中公開的技術制造的火花塞潛在地遭受中間構件與電極基體金屬的分離。該問題不限于接地電極，而是在火花塞中共同存在，其中貴金屬尖端經(jīng)由中間構件附連到中心電極的電極基體金屬上。
`[0008]因此，本發(fā)明的目的是提供用來提高中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度的技術。
[0009]解決問題的方法
[0010][應用實例I]火花塞包括:在軸線方向上延伸的中心電極；陶瓷絕緣體，該陶瓷絕緣體具有在軸線方向上延伸的軸向孔并將中心電極固定在軸向孔中；金屬殼，該金屬殼設置在陶瓷絕緣體外周之外；以及接地電極，該接地電極具有在軸線方向上延伸的延伸部分，該接地電極一端附連到金屬殼，而另一端與中心電極配合形成間隙，該火花塞特征在于，中心電極和接地電極中的至少一個具有電極基體金屬、柱形貴金屬尖端、以及中間構件，柱形貴金屬尖端被設置為面對另一個電極，中間構件被設置在電極基體金屬和貴金屬尖端之間；中間構件具有與貴金屬尖端接觸的第一表面和與電極基體金屬接觸的第二表面，該第二表面與第一表面相對置地定位并且具有的面積大于通過與第一表面平行的平面切開的貴金屬尖端的橫截面的面積；熔核通過由在中間構件和電極基體金屬之間的至少一部分邊界上焊接而引起的熔融和凝固形成；以及在通過穿過中間構件的重心且平行于延伸部分和中心電極之間的面對方向的平面切開的火花塞截面中，關系表達式S1/(D1XH1) ^ 0.005被滿足，其中SI是熔核的總面積，Hl是從電極基體金屬的布置中間構件所在的布置表面到貴金屬尖端的端面的高度，以及Dl是貴金屬尖端的最大寬度。在本說明書中，采用指定參數(shù)方式，該參數(shù)取熔核的面積作為分子且取基于貴金屬尖端和中間構件的形狀計算的面積作為分母，參數(shù)值指定小數(shù)點后三位為有效數(shù)字，并且類似于本應用實例的情形四舍五入到小數(shù)點后三位。
[0011][應用實例2]根據(jù)應用實例I的火花塞，其中當貴金屬尖端和熔核垂直投影在平行于布置表面的平面上時，熔核包括位于所投影的貴金屬尖端的輪廓內(nèi)的部分。
[0012][應用實例3]根據(jù)應用實例I或2的火花塞，其中在截面中，熔核形成在穿過重心并垂直于端面的中心線的相對兩側(cè)上。 [0013][應用實例4]根據(jù)應用實例3的火花塞，其中在截面中，熔核還形成在中心線上的位置處。
[0014][應用實例5]根據(jù)應用實例I到4的任一個的火花塞，其中關系表達式SI/(DlXHl)≥ 0.029 被滿足。
[0015][應用實例6]根據(jù)應用實例2或從屬應用實例2的應用實例3到5的任一個的火花塞，其中在垂直投影中，熔核還包括位于所投影的貴金屬尖端的輪廓外的部分。
[0016][應用實例7]根據(jù)應用實例6的火花塞，其中中間構件具有附連部分，該附連部分在通過與第一表面平行的平面切開的橫截面的面積方面大于貴金屬尖端；附連部分的范圍從布置表面到0.2 X Hl的高度；以及在截面中，關系表達式S3/(H2 X D2) > 0.030被滿足，其中H2是從布置表面到附連部分的高度，D2是附連部分的最大寬度，以及S3是形成在附連部分和電極基體金屬之間以及關于附連部分的寬度方向位于貴金屬尖端的范圍外的熔核的那些部分的總面積。
[0017][應用實例8]根據(jù)應用實例I到7的任一個的火花塞，其中熔核被內(nèi)部形成，使得不暴露在中間構件的外表面處，以及在截面中，關系表達式LI >0.1Omm被滿足，其中LI是熔核與中間構件和貴金屬尖端的輪廓之間的最短距離。
[0018][應用實例9]根據(jù)應用實例I到7的任一個的火花塞，其中在截面中，熔核沿電極基體金屬和中間構件之間的整個邊界形成。
[0019]本發(fā)明能以各種方式實施；例如，除了上述的火花塞外，制造火花塞的方法，裝配有火花塞的內(nèi)燃機以及裝配有火花塞的車輛。
[0020]發(fā)明的效果
[0021]根據(jù)應用實例I所述的火花塞，通過滿足關系表達式SI/(D1 XHl)≥0.005，中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度可提高。尤其，當參數(shù)值四舍五入到小數(shù)點后三位時，足夠滿足關系表達式SI/(D1 XHl) ^ 0.005ο
[0022]根據(jù)應用實例2所述的火花塞，借助于包括位于所投影的貴金屬尖端的輪廓內(nèi)的部分的熔核，與熔核僅位于貴金屬尖端的輪廓之外的情形比較，中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度可提高。
[0023]根據(jù)應用實例3所述的火花塞，與熔核僅形成在中心線的一側(cè)上的情形比較，中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度可提高。
[0024]根據(jù)應用實例4所述的火花塞，通過熔核在與中心線相交的位置處進一步的形成，中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度可進一步提高。[0025]根據(jù)應用實例5所述的火花塞，通過滿足關系表達式SI/(D1 XHl)≥0.029，中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度可更進一步提聞。
[0026]根據(jù)應用實例6所述的火花塞，借助于包括不僅位于所投影的貴金屬尖端的輪廓內(nèi)的部分還有位于所投影的貴金屬尖端的輪廓之外的部分的熔核，與熔核僅位于所投影的貴金屬尖端內(nèi)比較，中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度可提高。
[0027]根據(jù)應用實例7所述的火花塞，通過滿足關系表達式S3/(H2XD2)≥0.030，中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度可進一步提聞。
[0028]根據(jù)應用實例8所述的火花塞，通過熔核在中間構件內(nèi)部的形成并滿足關系式LI >0.10_，可抑制熔核的氧化。通過這樣，可抑制中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度惡化。
[0029]根據(jù)應用實例9所述的火花塞，與熔核不沿中間構件和電極基體金屬之間的整個邊界形成的情形比較，中間構件和電極基體金屬之間的焊接強度可提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的火花塞100的主要部分的剖視圖。
[0031]圖2解釋中心電極20和接地電極30的細節(jié)的一組視圖。
[0032]圖3沿圖2 (B)的線A-A截取的剖視圖。
[0033]圖4解釋用于第一試驗的樣品和第一試驗結(jié)果的視圖。
[0034]圖5解釋用于第一試驗的樣品的第一組視圖。
[0035]圖6解釋用于第一試驗的樣品的第二組視圖。
[0036]圖7解釋剩余百分比的視圖。
[0037]圖8解釋用于第二試驗的樣品和第二試驗結(jié)果的視圖。
[0038]圖9解釋用于第二試驗的樣品的一組視圖。
[0039]圖10解釋第二試驗的一組視圖。
[0040]圖11解釋第三試驗結(jié)果的一組視圖。
[0041]圖12解釋第一到第四變型實施例的一組視圖。
[0042]圖13解釋根據(jù)第五變型實施例的火花塞200的視圖。
【具體實施方式】
[0043]接著，本發(fā)明的實施按以下順序描述。A.實施例，以及B.變型實施例。
[0044]A.實施例:A-1.火花塞結(jié)構:圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的火花塞100的主要部分的剖視圖。為了便于解釋，圖1中的火花塞100的上側(cè)可稱為一端側(cè)(后側(cè))，而圖1中的下側(cè)可稱為另一端側(cè)(前側(cè))?；鸹ㄈ?00包括陶瓷絕緣體10、中心電極20、接地電極30、金屬端子40以及金屬殼50。棒狀中心電極20從陶瓷絕緣體10的另一端突出并且穿過陶瓷絕緣體10的內(nèi)部而電連接到設置在陶瓷絕緣體10 —端的金屬端子40。中心電極20通過陶瓷絕緣體10固定。陶瓷絕緣體10通過金屬殼50固定。接地電極30電連接到金屬殼50并與中心電極20的前端配合形成產(chǎn)生火花的火花間隙?；鸹ㄈ?00通過金屬殼50被安裝到設置在內(nèi)燃機的發(fā)動機頭部600中的安裝螺紋孔601。例如，當20000到30000伏的高電壓施加到金屬端子40時，火花產(chǎn)生，穿過形成在中心電極20和接地電極30之間的火花間隙。
[0045]陶瓷絕緣體10是由諸如氧化鋁的陶瓷材料通過燒制而形成的絕緣體。陶瓷絕緣體10是管狀構件，該管狀構件具有形成于中心處用來容納中心電極20和金屬端子40的軸向孔12。陶瓷絕緣體10具有中央主干部分19，該中央主干部分19關于火花塞100的軸線CL方向形成在其中心處并且該中央主干部分19具有大于其余部分的外徑的外徑。陶瓷絕緣體10具有后主干部分18，該后主干部分18形成在中央主干部分19朝向金屬端子40的一側(cè)(一端側(cè))上，用來將金屬端子40和金屬殼50彼此互相電絕緣。陶瓷絕緣體10具有前主干部分17，該前主干部分17形成在中央主干部分19朝向中心電極20的一側(cè)上并且該前主干部分17具有小于后主干部分18的外徑的外徑。絕緣體10還具有腿部13，該腿部13形成在前主干部分17的前側(cè)上并且該腿部13具有小于前主干部分17的外徑且沿朝向中心電極20 —側(cè)的方向(另一端側(cè))減小的外徑。
[0046]金屬殼50是圓筒形金屬構件并且圍繞和固定范圍從一部分后主干部分18到腿部13的一部分陶瓷絕緣體10。金屬殼50可由例如金屬制成，并且本實施例使用低碳鋼等。金屬殼50包括工具接合部分51、安裝螺紋部分52以及密封部分54。用來將火花塞100安裝到發(fā)動機頭部600的工具(未不出)被配合到金屬殼50的工具接合部分51上。金屬殼50的安裝螺紋部分52具有與發(fā)動機頭部600的安裝螺紋孔601螺紋配合的螺紋。金屬殼50的密封部分54形成在安裝螺紋部分52的根部處并且呈套環(huán)的形式。通過折疊板材而形成的環(huán)形墊片5被配合在密封部分54和發(fā)動機頭部600之間。金屬殼50的前端面57是環(huán)形的。
[0047]中心電極20是構造成使得芯金屬22嵌入底部封閉的管狀電極基體金屬21中的棒狀構件，芯金屬22在熱導率上好于電極基體金屬21。在本實施例中，電極基體金屬21由包含鎳作為主要成分的鎳合金制成。在本實施例中，芯金屬22由銅形成或由包含銅作為主要成分的合金制成。中心電極20被插入陶瓷絕緣體10的軸向孔12中，使得電極基體金屬21的前端從陶瓷絕緣體10的軸向孔12突出并且經(jīng)由陶瓷電阻3和密封構件4而電連接到金屬端子40。
[0048]圖2是解釋中心電極20和接地電極30的細節(jié)的一組視圖。圖2 (A)是示出中心電極20的前端部分、接地電極30及其附近的視圖。圖2 (B)是從中心電極20的視圖，示出與接地電極30 —起使用的貴金屬尖端38和中間構件36。
[0049]如圖2 (A)中所示，中心電極20還包括中間構件26和貴金屬尖端28。中間構件
26設置在電極基體金屬21的面對接地電極30的另一端部31b (將在稍后描述)的表面上(也稱為“在前端面上”或“在布置表面上”)。兩個構件21和26通過電阻焊接連結(jié)在一起。通過在電極基體金屬21和中間構件26之間通過兩個構件21和26的成分的熔融和凝固而進行的電阻焊接形成熔融區(qū)(也稱為“熔核(nugget)”)。貴金屬尖端28設置在中間構件26的面對另一端部31b (將在稍后描述)的表面上。兩個構件26和28通過激光焊接連結(jié)在一起。通過在電極基體金屬28和中間構件26之間通過兩個構件26和28的成分的熔融和混合而進行的激光焊接形成熔融區(qū)。在本實施例中，貴金屬尖端28被設置在中間構件26上，使得焊接之前的中間構件26的重心和焊接之前的貴金屬尖端28的重心位于與電極基體金屬21的布置中間構件26所在的表面(布置表面21f)垂直的同一條線上。布置表面21f與軸線CL方向互相垂直。[0050]可通過使用金屬構件形成中間構件26。本實施例使用包含鎳(Ni)為主要成分以及鋁(Al)和硅(Si)總量為1.5質(zhì)量百分比或以上的合金。中間構件26的材料不限于鎳合金；例如，中間構件26可由包含鉬(Pt)為主要成分的合金、包含鈀(Pd)為主要成分的合金或與電極基體金屬21相同的材料制成。優(yōu)選地，中間構件26具有沿軸線CL方向在電極基體金屬21和貴金屬尖端28的膨脹系數(shù)之間的線性膨脹系數(shù)。使用該線性膨脹系數(shù)可抑制在中間構件26和貴金屬尖端28之間以及在中間構件26和電極基體金屬21之間產(chǎn)生應力。因此，可抑制中間構件26和貴金屬尖端28之間以及中間構件26和電極基體金屬21之間的分離。
[0051]中間構件26具有沿軸線CL方向延伸的柱形形狀。在本實施例中，中間構件26包括直接連結(jié)到電極基體金屬21的圓柱形附連部分24，以及從附連部分24向另一端側(cè)(前偵D延伸的圓柱形柱體部分25。中間構件26的第一表面26fl與貴金屬尖端28接觸。中間構件26的與第一表面26fl相對置的第二表面26f2與電極基體金屬21接觸。第一和第二表面26fl和26f2彼此互相平行且與軸線CL方向垂直。第二表面26f2的面積大于第一表面26fl。而且,第二表面26f2的面積大于通過平行于第一表面26fl的平面切開的貴金屬尖端28的橫截面。中間構件26在圓形布置表面21f中心處連結(jié)到電極基體金屬21。同時，Hla是從布置表面21f到貴金屬尖端28的端面的高度，以及H2a是從布置表面21f到附連部分24的高度。在該情形下，關系表達式H2a = HlaX0.2成立。布置表面21f是平坦表面。
[0052]貴金屬尖端28連結(jié)到中間構件26以提高對火花引起的腐蝕的耐受性。本實施例的貴金屬尖端28由鉬(Pt)制成。貴金屬尖端28具有圓柱形形狀。而且，貴金屬尖端28在通過與第一表面26Π平行的平面切開的橫截面的面積方面和柱體部分25基本相同。貴金屬尖端28被連結(jié)到第一表面26Π，使得貴金屬尖端28的端面(遠端面)和接地電極30的貴金屬尖端的端面(遠端面)(將在稍后描述)彼此互相面對。貴金屬尖端28不僅可由鉬制成還可由銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)或這些金屬的合金制成。
[0053]接地電極30具有電極基體金屬31、中間構件36和貴金屬尖端38。可通過使用金屬構件形成電極基體金屬31。在本實施例中，包含鎳為主要成分的合金INC0NEL (注冊商標)601用于形成電極基體金屬31。通過使用矩形棒形成電極基體金屬31，該矩形棒的與其縱向方向互相垂直的橫截面具有基本矩形形狀。電極基體金屬31沿軸線CL方向從金屬殼50向另一端面延伸且在其中間部分處彎曲以便面對貴金屬尖端28的遠端面。在本實施例中，電極基體金屬31具有類似于字母L的形狀。電極基體金屬31的近端部(也稱為“一端部”或“后端部”)31a直接連接到金屬殼50且沿軸線CL方向延伸。電極基體金屬31的另一端部(也稱為“遠端部”)31b面對貴金屬尖端28的遠端面，從而形成火花間隙。近端部31a通過電阻焊接連結(jié)到金屬殼50的前端面。近端部31a相當于出現(xiàn)在“解決問題的方法”章節(jié)中的“延伸部分”。
[0054]中間構件36和貴金屬尖端38在形狀上分別與中心電極20的中間構件26和貴金屬尖端28相同且與構件26和28形成垂直反向的關系。中間構件36的第一表面36fl與貴金屬尖端38接觸，以及與第一表面36fl相對置的第二表面36f2與電極基體金屬31接觸。中間構件36設置在另一端部31b的面對貴金屬尖端28的第一表面3Ibf (也稱為“布置表面31bf ”)上，并且兩個構件31和36通過電阻焊接連結(jié)在一起。通過在電極基體金屬31和中間構件36之間通過兩個構件31和36的成分的熔融和凝固而進行的電阻焊接形成熔融區(qū)(也稱為“熔核”)。貴金屬尖端38設置在中間構件36的面對電極基體金屬21的表面上，并且兩個構件36和38通過激光焊接連結(jié)在一起。通過在貴金屬尖端38和中間構件36之間通過兩個構件36和38的成分的熔融和混合而進行的激光焊接形成熔融區(qū)。布置表面31bf是平坦表面。
[0055]類似中心電極20的中間構件26，可通過使用金屬構件形成中間構件36。本實施例使用包含鎳(Ni)為主要成分以及鋁(Al)和硅(Si)總量為1.5質(zhì)量百分比或以上的合金。類似中心電極20的中間構件26，任何其它構件可用于形成中間構件36。
[0056]中間構件36具有沿垂直于布置表面31bf方向(在本實施例中，軸線CL方向)延伸的柱形形狀。在本實施例中，中間構件36包括直接連結(jié)到電極基體金屬31的圓柱形附連部分34，以及從附連部分34向中心電極20延伸的圓柱形柱體部分35。如圖2 (B)中所示，中間構件36以形成在中間構件36和布置表面31bf的外邊緣之間的預定間隙連結(jié)到布置表面31bf。如圖2 (A)和2 (B)中所示，附連部分34的直徑大于貴金屬尖端38。即，在平行于第一表面36fl的平面中，附連部分34的面積大于貴金屬尖端38。同時，Hlb是從電極基體金屬31的布置中間構件36所在的布置表面31bf到貴金屬尖端28的端面的高度，以及H2b是從布置表面31bf到附連部分34的高度。在該情形下，關系表達式H2b =Hlb X 0.2成立。在本實施例中，為了區(qū)分中心電極20的貴金屬尖端28和附連部分24的高度(Hla，H2a)和接地電極30的貴金屬尖端38和附連部分34的高度(Hlb，H2b)，使用不同符號。然而，高度Hl共同地表示從布置表面21f和31bf分別到貴金屬尖端28和38的端面的高度，以及高度H2共同地表示從布置表面21f和31bf分別到附連部分24和34的高度。
[0057]接地電極30的貴金屬尖端38連結(jié)到中間構件36以提高對火花引起的腐蝕的耐受性。類似貴金屬尖端28，本實施例的貴金屬尖端38由鉬(Pt)制成。貴金屬尖端38具有圓柱形形狀。而且，貴金屬尖端38在通過與第一表面36Π平行的平面切開的橫截面的面積方面和柱體部分35基本相同。貴金屬尖端38連結(jié)到柱體部分35的端面且面對接地電極30的貴金屬尖端28。貴金屬尖端38可由不僅鉬還有銥(Ir)、釕(Ru)、錯(Rh)或這些金屬的合金制成。在中心電極20的因此形成的貴金屬尖端28和接地電極30的貴金屬尖端38之間進行火花放電。
[0058]圖3是圖2 (B)中沿線A-A截取的剖視圖。A-A截面是通過以下平面切開的火花塞100的截面，即:所述平面穿過中間構件36的重心36t并與在一端部31a (圖2 Ca))和中心電極20之間的面對方向(在圖2 (A)和2 (B)中，左右方向)平行(該平面也稱為“平行平面”)。換言之，面對方向是垂直于面對中心電極20并沿軸線CL方向延伸的一端部31a的表面31af (圖2 (a))的方向。而且，在本實施例中，面對方向與另一端部31b的縱向方向平行。而且，本實施例中的平行平面與軸線CL方向平行并沿縱向方向?qū)㈦姌O基體金屬31分成兩半。在本實施例中，平行平面還穿過貴金屬尖端38的重心38t。
[0059]貴金屬尖端38具有寬度(直徑)D1。附連部分34具有最大寬度(最大直徑)D2。如圖3中所示，通過在貴金屬尖端38和中間構件36之間的激光焊接形成熔融區(qū)92。而且，在電極基體金屬31和中間構件36之間通過電阻焊接形成熔核94。同時，中心線ML是穿過中間構件36重心并垂直于貴金屬尖端38的端面(上端面)39的線。在本實施例中，中心線ML和軸線CL彼此互相重合。寬度Dl和D2分別是貴金屬尖端38和附連部分34焊接之前的寬度。
[0060]A-2.試驗結(jié)果:接著，將參照圖4到7描述本發(fā)明的第一試驗結(jié)果。圖4是解釋用于試驗的樣品和試驗結(jié)果的視圖。圖5是解釋用于試驗的樣品的第一組圖。圖6是解釋用于試驗的樣品的第二組圖。圖7是解釋剩余百分比P的視圖。圖5 (A)到5 (F)，圖6 (A)和6 (B)中的上圖以及圖7是對應于圖2 (B)的A-A截面的剖視圖。圖6 (A)和6 (B)中的下圖示出貴金屬尖端38和熔核94垂直地投影在平行于布置表面31b的平面Fal上并且用虛線示出貴金屬尖端38和附連部分34的輪廓。
[0061]如圖4中所示，樣品N0.1到N0.18被準備好，并且樣品經(jīng)受超聲波變幅桿試驗(horn test)。樣品N0.1到N0.18在有或無熔核94、熔核94的位置和大小、寬度Dl和高度Hl上不同。在相同條件下通過激光焊接形成樣品N0.1到N0.18的熔融區(qū)92。在樣品N0.1到N0.9中，中間構件36和貴金屬尖端38分別具有相同外形，并且在樣品N0.10到N0.18中，中間構件36和貴金屬尖端38分別具有相同外形。在詳細描述評估方法和超聲波變幅桿試驗之前，將詳細描述樣品N0.1到N0.18。
[0062]如圖4中所示，樣品具有以下五種類型的熔核位置和范圍。類型I對應于例如圖5
(B)中所示的樣品剖視圖。類型2對應于例如圖5 (C)中所示的樣品剖視圖。類型3對應于例如圖5 (D)中所示的樣品剖視圖。類型4對應于例如圖5 (E)中所示的樣品剖視圖。類型5對應于例如圖5 (F)中所示的樣品剖視圖。在樣品N0.1到N0.9中的“熔核有或無”列中的“無”是指圖5 (A)中所示的狀態(tài)以及表示其中中間構件36在沒有進行電阻焊接的情況下被設置在電極基體金屬31上的樣品。
[0063].類型1:一側(cè)、在尖端范圍外
[0064].類型2:—側(cè)、在尖端范圍內(nèi)
[0065].類型3:兩側(cè)，在尖端范圍外
[0066].類型4:兩側(cè)，在尖端范圍內(nèi)
[0067].類型5:在中心線上
[0068]熔核位置“一側(cè)”表不:如圖5 (B)和5 (C)中所不,在樣品A-A截面中，熔核形成在中心線ML的任一側(cè)上。熔核位置“兩側(cè)”表不:如圖5 (D)和5 (E)中所不,在樣品A-A截面中，熔核形成在中心線ML的兩側(cè)上。熔核位置/范圍“在中心線上”表示:如圖5 (F)中所示，在樣品A-A截面中，熔核形成在與中心線ML相交的位置。而且，位于“在中心線上”的熔核94形成“在尖端范圍內(nèi)”。概念“在中心線上”包含熔核位置“兩側(cè)”。
[0069]熔核范圍“在尖端范圍夕卜”表示:如圖5 (B)和5 (D)中所示,在樣品A-A截面中，熔核94形成在貴金屬尖端38關于貴金屬尖端38的寬度方向(在圖5中，左右方向)所處位置的范圍之外。換言之，熔核范圍“在尖端范圍外”表示:如圖6 (A)的下圖中所示，當貴金屬尖端38和熔核94垂直地投影在平行平面Fal上時，所投影的熔核94形成在所投影的貴金屬尖端38的輪廓38P之外。熔核范圍“在尖端范圍內(nèi)”表示:如圖5 (C)和5 (E)中所示，在樣品A-A截面中，熔核94形成在貴金屬尖端38關于貴金屬尖端38的寬度方向(在圖5中，左右方向)所處位置的范圍之內(nèi)。換言之，熔核范圍“在尖端范圍內(nèi)”表示:如圖6 (B)的下圖中所示，當貴金屬尖端38和熔核94垂直地投影在平行平面Fal上時，所投影的熔核94形成在所投影的貴金屬尖端38的輪廓38P之內(nèi)。[0070]如下形成熔核94:將構造成使得中間構件36設置在電極基體金屬31上的構件固定在兩個電極之間，并且電流施加在電極之間用來電阻焊接。在本實施例中，將構造成使得貴金屬尖端38和中間構件36通過激光焊接連結(jié)在一起的構件(也稱為“連結(jié)尖端的中間構件”)設置在電極基體金屬31上，隨后通過電阻焊接以形成熔核94。兩個電極中的一個與中間構件接觸，并且另一個電極與電極基體金屬31接觸。更具體地，在本實施例中，在兩個電極按以下方式設置的同時，進行電阻焊接:一個電極被設置成周向圍繞中間構件36的柱體部分35和貴金屬尖端38且與附連部分34接觸。另一個電極與電極基體金屬31的與布置中間構件36所在的布置表面相對置的表面接觸。同時，通過調(diào)整電流施加位置、電流值以及兩個電極施加到電極基體金屬31和中間構件36的負載而形成樣品N0.2到N0.9以及N0.11到N0.18。通過在兩個電極之間的電流施加位置調(diào)整熔核94的位置。通過電流值和負載調(diào)整熔核94的大小。當負載降低時以及當電流值增加時，增加熔核94的大小。基于在不同條件下已進行電阻焊接的樣品的各個A-A截面中得到的熔核94的位置和范圍計算圖4中的熔核面積SI。通過以下表達式(I)計算圖4中的熔核比St。圖4中的熔核比St是通過將計算值四舍五入到小數(shù)點后三位得到的值。
[0071]熔核比St = S1/(D1XH1) (I)
[0072]通過施加27.3kHz的超聲波到樣品直到中間構件36斷裂為止來實施超聲波變幅桿試驗。通過使用在該電阻焊接條件下準備的樣品來實施超聲波變幅桿試驗，以獲得樣品N0.1到N0.18的熔核面積SI和熔核位置。
[0073]從試驗之后的中間構件36的剩余百分比P (%)評估熔核94的強度。如圖7中所示，在超聲波變幅桿試驗之后觀察樣品N0.1到N0.18的A-A截面，以及通過以下表達式(2)計算剩余百分比P (%)。“〇”表示剩余百分比P (%)具有50%或以上的良好值，以及“X”表示剩余百分比P (%)具有小于50%的較差值。
[0074]剩余百分比P = (N2/N1) XlOO (2)
[0075]其中NI是在A-A截面中與電極基體金屬31接觸的中間構件36表面在超聲波變幅桿試驗之前的長度，以及N2是在A-A截面中與電極基體金屬31接觸的中間構件36表面在超聲波變幅桿試驗之后的長度。
[0076]如圖4中所示，具有0.005或以上的熔核比的樣品呈現(xiàn)50%或以上的剩余百分比P，表示在電極基體金屬31和中間構件36之間提高的良好焊接強度。而且，具有0.029或以上的熔核比的樣品呈現(xiàn)80%或以上的剩余百分比P，表示在電極基體金屬31和中間構件36之間進一步提聞的良好焊接強度。
[0077]比較僅在熔核94范圍上不同的樣品(例如，樣品N0.3和樣品N0.4、樣品N0.5和樣品N0.6、樣品N0.12和樣品N0.13以及樣品N0.14和樣品N0.15)，具有熔核94范圍“在尖端范圍內(nèi)”的樣品在剩余百分比P上更高，表示焊接強度進一步提高了。即，在該條件下比較，如圖6中所示，貴金屬尖端38和熔核94垂直地投影在平行平面Fal上，其中所投影的熔核94位于所投影的貴金屬尖端38的輪廓38p內(nèi)的樣品在剩余百分比P上比其中所投影的熔核94位于所投影的貴金屬尖端38的輪廓38p之外的樣品高。
[0078]比較僅在熔核94位置上不同的樣品(例如，樣品N0.3和樣品N0.5、樣品N0.4和樣品N0.6、樣品N0.12和樣品N0.14以及樣品N0.13和樣品N0.15)，具有熔核94在兩側(cè)的樣品在剩余百分比P上更聞，表不焊接強度進一步提聞了。[0079]比較具有熔核94在兩側(cè)且僅在熔核94是否與中心線ML相交上不同的樣品(例如，樣品N0.6和樣品N0.8、樣品N0.7和樣品N0.9、樣品N0.15和樣品N0.17以及樣品N0.16和樣品N0.18)，具有熔核94與中心線ML相交的樣品在剩余百分比P上更高，表示焊接強度進一步提聞了。
[0080]接著，將參照圖8到10描述本發(fā)明的第二試驗結(jié)果。圖8是解釋用于第二試驗的樣品和第二試驗結(jié)果的視圖。圖9是解釋用于第二試驗的樣品的一組視圖。圖10是解釋第二試驗的一組視圖。圖9和10是對應于圖2 (B)的A-A截面的剖視圖。
[0081]如圖8中所示，準備好樣品N0.1A到N0.10A,并且對樣品進行超聲波變幅桿試驗。樣品N0.1A到N0.5A在貴金屬尖端38和電極基體金屬31的外形上類似于第一試驗使用的樣品N0.1到N0.9，以及樣品N0.6A到N0.1OA在貴金屬尖端38和電極基體金屬31的外形上類似于第一試驗使用的樣品N0.10到N0.18。如圖9 (A)到9 (D)中所示，樣品N0.1A到N0.1OA具有位于尖端范圍內(nèi)和在中心線ML相對兩側(cè)上的熔核94。而且，樣品N0.1A到N0.1OA在有或無熔核94、熔核94在尖端范圍外的位置和大小、寬度D2和高度H2上不同。在相同條件下通過激光焊接形成樣品N0.1A到N0.1OA的熔融區(qū)92。樣品N0.1A到N0.4A的熔核94在相同條件下形成在各個尖端范圍內(nèi)，以及樣品N0.6A到N0.9A的熔核94在相同條件下形成在各個尖端范圍內(nèi)。樣品N0.1A到N0.1OA具有0.005或以上的熔核比。在詳細描述彎曲斷裂試驗和描述評估方法之前，將詳細描述樣品N0.1A到N0.1OA0
[0082]如圖8中所示，樣品具有以下四種類型熔核位置。類型IA對應于例如圖9 (A)中所示的樣品剖視圖。類型2A對應于例如圖9 (B)中所示的樣品剖視圖。類型3A對應于例如圖9 (C)中所示的樣品剖視圖。類型4A對應于例如圖9 (D)中所示的樣品剖視圖。類型4A的“熔核在整個熔融表面上”表示:在A-A截面中，沿附連部分34的寬度方向(在圖9中，左右方向)上的整個范圍形成熔核94。換言之，類型4A的“熔核在整個熔融表面上”表示在電極基體金屬31和中間構件36之間的整個接觸面上形成熔核94。
[0083].類型IA:熔核在尖端范圍外，無
[0084].類型2A:熔核在尖端范圍外，一側(cè)
[0085].類型3A:熔核在尖端范圍外，兩側(cè)
[0086].類型4A:熔核在整個熔融表面上
[0087]在計算圖8中的外熔核面積S3中，沿A-A截面切開在不同條件下已進行電阻焊接的樣品，并且在各個A-A截面中得到存在于尖端范圍外的熔核94的位置。通過以下表達式
(3)計算外熔核比Stv。圖8中的外熔核比Stv是通過將計算值四舍五入到小數(shù)點后三位得到的值。
[0088]外熔核比Stv = S3/(D2XH2) (3)
[0089]在彎曲斷裂試驗中，如圖10 (A)中所示，外力從一側(cè)向另一側(cè)施加到貴金屬尖端38和中間構件36之間的邊界部分直到貴金屬尖端38和中間構件36之間的邊界部分斷裂為止。已進行彎曲斷裂試驗的樣品進入例如圖10 (B)中所示狀態(tài)。通過使用在這種電阻焊接條件下準備的樣品來實施彎曲斷裂試驗，以得到樣品N0.1A到N0.1OA的外熔核面積S3和熔核位置。
[0090]從試驗之后的中間構件36的分離百分比W評估熔核94的強度。如圖10 (B)中所示，在彎曲斷裂試驗之后觀察樣品N0.1A到N0.1OA的A-A截面，以及通過以下表達式(4)計算分離百分比W (%)。
[0091]分離百分比W(%) = (N3/N1) XlOO (4)
[0092]其中NI是在A-A截面中與電極基體金屬31接觸的中間構件36表面在彎曲斷裂試驗之前的長度，以及N3是在彎曲斷裂試驗之后、在A-A截面中與電極基體金屬31分離的中間構件36表面的長度。
[0093]如圖8中所示，在比較中間構件36和貴金屬尖端38分別具有相同外形的樣品N0.1A到N0.5A中，以及在比較中間構件36和貴金屬尖端38分別具有相同外形的樣品N0.6A到N0.1OA中，具有形成在尖端范圍外的熔核94的樣品在分離百分比W上比在尖端范圍外未形成熔核94的樣品低。即，除了具有形成在尖端范圍內(nèi)的熔核94外還具有形成在尖端范圍外的熔核94的樣品與具有僅形成在尖端范圍內(nèi)的熔核94的樣品比較，呈現(xiàn)出中間構件36和電極基體金屬31之間的提高的焊接強度。 [0094]而且，具有0.030或以上的外熔核比Stv的樣品呈現(xiàn)出15%或以下的分離百分比W，表示分離百分比W比在具有外熔核比小于0.030的樣品情形下可減少更多。即，具有0.030或以上的外熔核比Stv的樣品可呈現(xiàn)出中間構件36和電極基體金屬31之間的進一步提高的焊接強度。而且，在比較具有相同外熔核比Stv的樣品(例如，樣品N0.4A和樣品N0.5A)，具有形成在整個熔融表面上的熔核94的樣品可減少更多分離百分比W，從而中間構件36和電極基體金屬31之間的焊接強度可進一步提聞。
[0095]圖11是解釋第三試驗結(jié)果的一組視圖。圖11 (A)是解釋用于試驗的樣品和試驗結(jié)果的視圖。圖11 (B)是解釋用于試驗的樣品的視圖。圖11 (B)是對應于圖2 (B)A-A截面的剖視圖。
[0096]如圖11 (A)中所示，準備好樣品N0.1B到N0.3B并且對樣品進行燃燒器加熱和冷卻試驗并且接著進行彎曲斷裂試驗。在樣品N0.1B到N0.3B中，熔核94在內(nèi)部形成，使得不會暴露于中間構件36的外表面處。樣品N0.1B到N0.3B成形為使得熔核94的大小不同。即，樣品N0.1B到N0.3B成形為使得在A-A截面中，熔核94與中間構件36和貴金屬尖端38的輪廓之間的最短距離LI不同(圖11 (B))。通過調(diào)整在電阻焊接中的電流值和負載來調(diào)整樣品N0.1B到N0.3B的熔核94大小。樣品N0.1B到N0.3B的中間構件36、貴金屬尖端38和電極基體金屬31分別具有相同外形。樣品N0.1B到N0.3B具有0.005或以上的熔核比St。
[0097]在燃燒器加熱和冷卻試驗中，樣品經(jīng)受1000個加熱和冷卻循環(huán)，每個循環(huán)包括通過燃燒器加熱樣品兩分鐘以便將樣品溫度增加到1050°C以及隨后在室溫下冷卻I分鐘。彎曲斷裂試驗實施如下:如圖10 (A)中所示，從一側(cè)向另一側(cè)施加外力到貴金屬尖端38和中間構件36之間的邊界部分直到中間構件36 (更具體地，貴金屬尖端38和中間構件36之間的邊界部分)斷裂為止。在中間構件36斷裂時施加的外力稱為“斷裂載荷Nt (N)”。
[0098]對彎曲斷裂試驗評估如下:呈現(xiàn)斷裂載荷Nt小于150N的樣品評估為“Λ”，而呈現(xiàn)150N或以上的斷裂載荷Nt的樣品評估為“〇”。如圖11 (A)中所示，具有0.1Omm或以上的最短距離LI的樣品評估為“〇”。即，在具有0.1Omm或以上的最短距離LI的樣品中，可抑制熔核94的氧化，從而可抑制由熔核94提供的焊接強度惡化。因此，有0.1Omm或以上的最短距尚LI的樣品可延長火花塞100的使用壽命。
[0099]B.變型實施例:本發(fā)明的各種實施例已在上文描述。然而，本發(fā)明不限于各實施例且可不偏離本發(fā)明的精神以各種其它方式實施。例如，以下變型是可能的。
[0100]B-1.第一到第四變型實施例:圖12是解釋第一到第四變型實施例的一組視圖。圖12 (A)是解釋第一變型實施例的視圖。圖12 (B)是解釋第二變型實施例的視圖。圖12
(C)是解釋第三變型實施例的視圖。圖12 (D)是解釋第四變型實施例的視圖。圖12 (A)到12 (D)示出附連到電極基體金屬31的中間構件36和貴金屬尖端38及其附近。在圖12(A)到12 (D)中，下圖分別是上圖的俯視圖。
[0101]在上述實施例中，設置在電極基體金屬31上的中間構件36包括圓柱形附連部分34和直徑上大于附連部分34的圓柱形柱體部分35 ;然而，中間構件36的形狀不限于此，而是中間構件36可具有站立在電極基體金屬31上的形狀(例如，柱形)。例如，如圖12 (A)中所示，中間構件36可具有截頭圓錐體的形狀。為了便于理解，中間構件36的柱體部分35和附連部分34之間的邊界由破折線表示。而且，例如，如圖12 (B)中所示，中間構件36可具有方形柱組合體的形狀。而且，例如，如圖12 (C)中所示，中間構件36可具有三角形柱組合體的形狀。而且，例如，如圖12 (D)中所示，中間構件36可具有多邊形柱組合體的形狀，每個柱體具有復雜形狀的底面和復雜形狀的頂面。
[0102]在上述實施例中，設置在中間構件36上的貴金屬尖端38具有圓柱形形狀；然而，形狀不作特別限制。例如，貴金屬尖端38可具有如圖12 (A)到12 (D)中所示的柱形形狀。而且，中心電極20的中間構件26和貴金屬尖端28形狀上不限于這些實施例，而是可具有類似于以上提到的這些變型實施例的各種形狀。
[0103]B-2.第五變型實施例:圖13是解釋根據(jù)第五實施例的火花塞的視圖。圖13示出火花塞200的中心電極20和接地電極130及其附近。第五變型實施例在接地電極130的電極基體金屬131的形狀以及中間構件36和貴金屬尖端38的設置位置上與以上實施例不同。其它結(jié)構特征類似于火花塞100 ;因此，其描述省略。
[0104]在上述實施例中，中心電極20的貴金屬尖端28的端面與接地電極30的貴金屬尖端38的端面是互相面對關系(圖2 (A));然而，只要火花放電間隙形成在中心電極20的前端部和接地電極30的遠端部之間，就不對它們的關系作特別限制。例如，如圖13中所示，接地電極130的貴金屬尖端38的端面(遠端面)可面對中心電極20的貴金屬尖端28的側(cè)面。在該情形下，接地電極130的電極基體金屬131在其中間位置彎曲，使得其端面(遠端面)面對中心電極20的中間構件26和貴金屬尖端28的側(cè)面。而且，類似于上述實施例的情形，沿軸線CL方向延伸的近端部(也稱為“一端部”)131a連接到金屬殼50。而且在圖13中，一端部131a和中心電極20之間的面對方向與左右方向重合。同時,一端部131a對應于出現(xiàn)在“解決問題的方法”章節(jié)中的“延伸部分”。
[0105]B-3.第六變型實施例:在上述實施例中，中心電極20和接地電極30分別包括中間構件26和36以及貴金屬尖端28和38 ;然而中間構件26、36和貴金屬尖端28、38可被去除。具體地，電極20和30的任一個可構造成使得貴金屬尖端28、38直接設置在電極基體金屬21、31上。而且，電極20和30的任一個可構造成使得中間構件和貴金屬尖端被去除。即使在這些情形下，具有中間構件26、36的電極20、30滿足關系表達式熔核比St ^ 0.005是足夠的。通過該應用，至少具有中間構件26、36的電極20、30可呈現(xiàn)出中間構件26、36和電極基體金屬21、31之間的提高的焊接強度。而且，在中心電極20和接地電極30分別具有中間構件26和36的情形下， 電極20、30的任一個滿足關系表達式熔核比St ^ 0.005是足夠的。即使在該情形下，滿足關系表達式熔核比St ^ 0.005的電極可呈現(xiàn)出中間構件26和電極基體金屬之間的提高的焊接強度。
[0106]附圖標記的描述
[0107]3:陶瓷電阻
[0108]4:密封構件
[0109]5:墊片
[0110]10:陶瓷絕緣體
[0111]12:軸向孔
[0112]13:腿部
[0113]17:前主干部分
[0114]18:后主干部分
[0115]19:中央主干部分
[0116]20:中心電極
[0117]21:電極基體金屬
[0118]22:芯金屬
[0119]24:附連部分
[0120]25:柱體部分
[0121]26:中間構件
[0122]26Π:第一表面
[0123]26f2:第二表面
[0124]28:貴金屬尖端
[0125]30:接地電極
[0126]31:電極基體金屬
[0127]31a:近端部(一個端部、延伸部分)
[0128]31b:另一端部
[0129]31bf:布置表面
[0130]34:附連部分
[0131]35:柱體部分
[0132]36:中間構件
[0133]36t:重心
[0134]36fl:第一表面
[0135]36f2:第二表面
[0136]38:貴金屬尖端
[0137]38p:輪廓
[0138]38t:重心
[0139]39:端面
[0140]40:金屬端子
[0141]50:金屬殼
[0142] 51:工具接合部分[0143]52:安裝螺紋部分
[0144]54:密封部分
[0145]57:前端面
[0146]92:熔融區(qū)
[0147]94:熔核
[0148]100:火花塞
[0149]130:接地電極
[0150]131:電極基體金屬
[0151]131a:近端部(一個端部、延伸部分)
[0152]131b:遠端部
[0153]131bf:布置表面
[0154]200:火花塞
[0155]600:發(fā)動機頭部
[0156]601:安裝螺紋孔
[0157]CL:軸線
[0158]ML:中心線
【權利要求】
1.一種火花塞,包括: 在軸線方向上延伸的中心電極； 陶瓷絕緣體，所述陶瓷絕緣體具有在所述軸線方向上延伸的軸向孔并將所述中心電極保持在所述軸向孔中； 金屬殼，所述金屬殼設置在所述陶瓷絕緣體的外周之外；以及接地電極，所述接地電極具有在所述軸線方向上延伸的延伸部分，所述接地電極一端附連到所述金屬殼而另一端與所述中心電極配合地形成間隙， 所述火花塞特征在于， 所述中心電極和所述接地電極中的至少一個具有電極基體金屬、柱形貴金屬尖端、以及中間構件，所述柱形貴金屬尖端被設置成面對另一個電極，所述中間構件被設置在所述電極基體金屬和所述貴金屬尖端之間； 所述中間構件具有與所述貴金屬尖端接觸的第一表面和與所述電極基體金屬接觸的第二表面，所述第二表面與所述第一表面相對置地定位并且具有的面積大于通過與所述第一表面平行的平面切開的所述貴金屬尖端的橫截面的面積； 熔核通過由在所述中間構件和所述電極基體金屬之間的至少一部分邊界上焊接而引起的熔融和凝固形成；以及 在通過穿過所述中間構件的重心并平行于所述延伸部分和所述中心電極之間的面對方向的平面切開的所述火花塞的截面中，關系表達式SI/(D1 XHI) ^ 0.005被滿足，其中SI是所述熔核的總面積， Hl是從所 述電極基體金屬的布置所述中間構件所在的布置表面到所述貴金屬尖端的端面的高度，以及 Dl是所述貴金屬尖端的最大寬度。
2.如權利要求1所述的火花塞，其中 當所述貴金屬尖端和所述熔核垂直投影在平行于所述布置表面的平面上時，所述熔核包括位于所投影的貴金屬尖端的輪廓內(nèi)的部分。
3.如權利要求1或2所述的火花塞，其中 在所述截面中， 所述熔核形成在穿過重心并垂直于所述端面的中心線的相對兩側(cè)上。
4.如權利要求3所述的火花塞，其中 在所述截面中， 所述熔核還形成在位于所述中心線上的位置處。
5.如權利要求1到4任一項所述的火花塞,其中 關系表達式SI/(D1 XHl) > 0.029被滿足。
6.如權利要求2或從屬權利要求2的權利要求3到5中的任一項所述的火花塞，其中 在垂直投影中，所述熔核還包括位于所投影的貴金屬尖端的輪廓外的部分。
7.如權利要求6所述的火花塞，其中 所述中間構件具有附連部分，所述附連部分在通過與所述第一表面平行的平面切開的橫截面的面積方面大于所述貴金屬尖端； 所述附連部分的范圍從所述布置表面到0.2XH1的高度；以及在所述截面中， 關系表達式S3/(D2XH2) > 0.030被滿足，其中 H2是從所述布置表面到所述附連部分的高度， D2是所述附連部分的最大寬度，以及 S3是形成在所述附連部分和所述電極基體金屬之間以及關于所述附連部分的寬度方向位于所述貴金屬尖端的范圍外的所述熔核的那些部分的總面積。
8.如權利要求1到7任一項所述的火花塞，其中 所述熔核被內(nèi)部形成，使得不暴露在所述中間構件的外表面處，以及 在所述截面中， 關系表達式LI≥0.1Omm被滿足，其中 LI是所述熔核與所述中間構件和所述貴金屬尖端的輪廓之間的最短距離。
9.如權利要求1到7任一項所述的火花塞，其中 在所述截面中， 所述熔核沿所述電極基 體金屬和所述中間構件之間的整個邊界形成。
【文檔編號】H01T13/20GK103620896SQ201280031696
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月15日 優(yōu)先權日:2011年8月3日
【發(fā)明者】粕谷侑司, 片岡良一 申請人:日本特殊陶業(yè)株式會社