BR0109425B1 - Processo para a união de um eletrodo de vela de ignição com um metal nobre e eletrodo de uma vela de ignição - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO

PARA A UNIÃO DE UM ELETRODO DE UMA VELA DE IGNIÇÃO COM UM METAL NOBRE E ELETRODO DE UMA VELA DE IGNIÇÃO".

Estado da Técnica A presente invenção refere-se a um processo para a união de um eletrodo de uma vela de ignição com um metal nobre, sendo que o metal nobre é unido localmente com o eletrodo por meio de uma aplicação de ca- lor produzida por um raio laser que trabalha continuamente, sendo que o metal nobre é unido com o eletrodo em uma região de união, e onde o raio laser é direcionado para a região de união.

Velas de ignição com um eletrodo, como por exemplo, um ele- trodo central, em que a extremidade dianteira do eletrodo central é provida com uma ponta de metal nobre ou nas quais um metal nobre é colocado circunferencialmente em uma região, já são há muito tempo conhecidas.

Assim, por exemplo, na patente europeia EP 0 637 113 B1 é descrita uma vela de ignição com um eletrodo central, o qual apresenta uma liga de níquel resistente a calor e a erosão, sendo que a extremidade dian- teira do eletrodo central é formada com uma ponta de metal nobre feita de irídio ou rutênio. A liga de níquel apresenta, neste caso, uma condutibilidade térmica de aproximadamente 30 Wm'1K'1 ou mais elevada. Nesta publicação é que a ponta de metal nobre apresenta uma forma de disco e é disposta concentricamente à extremidade dianteira do metal de eletrodo.

Por meio da utilização, por exemplo, de um laser de YAG, raios de laser são aplicados sobre uma superfície limítrofe da ponta de metal no- bre/extremidade dianteira do metal de eletrodo, sendo que a ponta de metal nobre é pressionada com uma força correspondente contra a extremidade dianteira do metal de eletrodo, após o que o metal nobre deve ser aplicado.

Da patente europeia EP 0 400 950 B1 é conhecido um processo para a produção de uma vela de ignição, onde uma peça em bruto prensada de pó de irídio é produzida, a qual forma a ponta de ignição do eletrodo cen- tral da vela de ignição. Esta peça em bruto prensada de pó de irídio é sinte- rizada em um vácuo ou em uma atmosfera não oxidante ou redutora, e a ponta de ignição é ligada metalurgicamente com a extremidade dianteira do eletrodo central. A união metalúrgica pode ser realizada, neste caso, por exemplo, mediante utilização da soldagem por jatos de elétrons ou da sol- dagem a laser.

Da mesma maneira, a patente norte-americana 5.811.915 e a patente alemã DE 196 41 856 A1 descrevem a provisão de plaquetas de metal nobre sobre um eletrodo de vela de ignição, tal como, por exemplo, um eletrodo de massa ou um eletrodo central. A aplicação das plaquetas de metal nobre se dá, de acordo com estes documentos, por meio de soldagem a laser, e, mais precisamente, com auxílio de um Laser de Nd:YAG.

Também a patente europeia EP 0 575 163 B1 descreve a apli- cação por soldagem de uma plaqueta de metal nobre sobre um eletrodo central de uma vela de ignição, onde o cordão de solda se encontra na cir- cunferência da superfície limítrofe entre a plaqueta de metal nobre e a su- perfície terminal do eletrodo central. Para a soldagem é utilizado aqui um laser de YAG.

Na patente norte-americana 4.963.112 é igualmente revelada a fixação de uma plaqueta de metal nobre sobre um eletrodo de uma vela de ignição, onde a fixação se dá novamente por meio de soldagem a laser.

Neste caso, é descrito que laser pulsado é preferencialmente utilizado.

Da mesma maneira, as patentes norte-americanas 5.461.210, europeias EP 0 588 495 B1 e EP 0 587 446 B1 descrevem a aplicação de plaquetas de metal nobre sobre eletrodos de vela de ignição. Também aqui é utilizado sempre um raio laser pulsado para a soldagem das plaquetas de metal nobre.

Adicionalmente no documento EP 0 691 174 A1 é descrito um processo no qual um arame de metal nobre é aplicado sobre o corpo base de um eletrodo por meio de um raio laser pulsado, sendo que o arame de metal nobre é fundido completamente. A todos estes processos, conhecidos do estado da técnica, para a aplicação de uma plaqueta de metal nobre ou de uma forma qualquer de um metal nobre sobre um eletrodo de vela de ignição é comum, contudo, o fato de que a aplicação se dá com auxílio de um laser pulsado.

Em processos de união deste tipo, com auxílio de fontes de raio laser pulsado, o material a ser fixado um no outro, isto é, o eletrodo e o me- tal nobre, é fundido descontinuamente e novamente solidificado. Isto signifi- ca que não é produzido um banho de fusão contínuo.

Por meio da fusão permanente e nova solidificação do material a ser unido, contudo, uma mistura íntima da região de fusão, isto é, uma distribuição de união uniforme, somente pode ser possibilitada com condi- ções. Aparece, por conseguinte, uma tendência relativamente elevada à formação de fissuras na região de união, razão pela qual o tempo de dura- ção de tais velas de ignição, as quais são utilizadas como as assim denomi- nadas "velas de vida longa" ("Longlife"), é por fim limitada por meio da dura- bilidade relativamente reduzida da união de metal nobre/liga de eletrodo.

Com fruqüência, uma liga de níquel é utilizada como material para o eletrodo. Por meio da união mediante um raio laser pulsado surgem regiões de união indesejadas, ricas em níquel e, com isto, menos resistentes à erosão e à corrosão.

Observando-se a superfície de um eletrodo soldado por meio de um raio laser pulsado, provido com um metal nobre, então este é muito irre- gular, pois não pode ser produzida uma região de áreas de fusão contínua, mas sim o material é sempre novamente fundido e solidificado. Por conse- guinte, pode ser necessário que a superfície seja posteriormente tratada após a soldagem.

Vantagens da Invenção O processo proposto para a união de um eletrodo de uma vela de ignição com um metal nobre, onde o metal nobre é unido localmente com o eletrodo por meio de uma aplicação de calor produzida por um raio laser que trabalha continuamente, e o metal nobre é unido com o eletrodo em uma região de união, onde o raio laser é direcionado para a região de união, e o metal nobre é fundido completamente apenas na região de união, tem, em contraste, a vantagem que as irregularidades da superfície são reduzi- das. Simultaneamente, no interior da região totalmente ou pelo menos par- cialmente fundida são evitados fissuras, poros, vazios e variações das res- pectivas frações de liga, os quais enfraquecem a união metal nobre/material de eletrodo. Com isto, com um processo de acordo com a invenção pode ser elevado o tempo de duração do componente na operação, pois tais pon- tos de enfraquecimento podem ser evitados ou pelo menos minimizados.

Pelo fato de que, por meio da fusão uniforme dos participantes de união na região de contato, as fissuras devido à solidificação, conhecidas por ocasião da utilização de raios laseres pulsados, são evitadas, é também evitado o ataque de corrosão ao longo destas fissuras e, com isto, é excluí- da uma falha prematura da união. Isto é importante especialmente por oca- sião do emprego de velas de ignição na região do motor.

Além disto, pelo fato de que é utilizado um laser que trabalha continuamente, a velocidade de aquecimento e de resfriamento da região de região de fusão é ajustada para os respectivos materiais e para o tipo da união desejada, com o que é alcançada uma determinada composição de fases na região de união.

Ainda, por meio de um laser que trabalha continuamente, é também possível uma variação mais ampla em composições de liga utilizá- veis para os materiais. A otimização do tempo de duração pode, por conse- guinte, se dar também através de composições otimizadas de liga para os materiais e não é determinada, como ocorreu até agora, por meio de uma boa ou limitada tendência à soldagem para um laser pulsado.

Como outra vantagem da invenção deve ser mencionado que o espectro em geometrias de regiões de fusão que podem ser obtidas com um raio laser contínuo é muito mais amplo do que este é o caso em um laser pulsado.

Além disto, podem ser atingidas velocidades de processo mais elevadas, o que leva também a uma economia de custos por ocasião da produção e a uma carga térmica reduzida do componente a ser produzido.

Resulta, por conseguinte, em suma, ao todo, uma região de fu- são melhorada entre metal nobre e eletrodo, a qual conduz a um tempo de duração mais elevado do eletrodo e, consequentemente, a um melhor fun- cionamento do produto da vela de ignição.

De acordo com uma forma de realização preferida da invenção, o inserto de metal nobre é aplicado circunferencialmente por uma certa lar- gura, no tipo de cinta, sobre o eletrodo. Eletrodos produzidos deste tipo são utilizados, por exemplo, nas assim denominadas velas de centelhas desli- zantes ou velas de centelhas deslizantes no ar.

De acordo com uma outra forma de realização preferida da in- venção, o inserto de metal nobre é aplicado sobre um lado frontal do eletro- do central. Quando da aplicação do inserto de metal nobre no lado frontal do eletrodo central, contudo, de preferência, a parte de metal nobre não deve se fundir completamente, mas sim apenas em sua região de união. Assim, é provido um eletrodo de célula de ignição com uma ponta feita de metal no- bre resistente a desgaste.

Realizando-se a aplicação do metal nobre, de acordo com a in- venção, por meio de um raio laser que trabalha continuamente, pode ser utilizado, além de um laser de Nd:YAG- ou de C02, também um laser de diodos.

De acordo com a presente invenção, o metal nobre pode ser a- plicado sobre um eletrodo, de tal maneira, que ele ou se funde completa- mente e, com isto, é integrado com liga no eletrodo ou, contudo, que o metal nobre não é completamente fundido, mas sim é unido apenas na região de borda e, neste caso, é unido nesta região de borda com o eletrodo.

Outras vantagens e desenvolvimentos vantajosos do objeto de acordo com a invenção resultam da descrição, do desenho anexo e das rei- vindicações.

Desenho Dois exemplos de realização de um processo para a união de um eletrodo de vela de ignição com um inserto de metal nobre estão repre- sentadas esquematicamente, de modo simplificado, no desenho, e serão explicadas mais detalhadamente a seguir com base na descrição. As figuras mostram: figura 1 uma representação esquemática de um processo de u- nião, em que um metal nobre é aduzido a um eletrodo na qualidade de ma- terial de arame, e figura 2A e figura 2B, respectivamente, uma representação es- quemática de uma etapa de processo de um outro processo para a união de um eletrodo com um inserto de metal nobre de acordo com o tipo de um ele- trodo de topo Descrição dos Exemplos de Realização Na figura 1 está representado, a título de exemplo, um processo de revestimento de um eletrodo, de um estágio, isto é, um processo para a união de um eletrodo de vela de ignição 1 com um metal nobre 2. Mediante metal nobre 2, de acordo com a presente invenção, pode ser entendido um metal nobre puro ou também qualquer uma liga de metal nobre, a qual é apropriada para o respectivo emprego. A figura 1 mostra especialmente um corte através do eletrodo de vela de ignição 1, o qual representa aqui um eletrodo central, o qual, na re- gião de uma ranhura 6 previamente produzida, é enchido com um metal no- bre fundido 2 e é empregado, por exemplo, em uma vela de ignição de folga de superfície ou vela de ignição de folga de ar de superfície. O corte através do eletrodo central 1 de acordo com a figura ele- trodo de vela de ignição 1 é, neste caso, realizado ao longo da ranhura 6.

Para a fusão é utilizado, de acordo com a invenção, um laser contínuo 3, sendo que, por exemplo, pode ser utilizado um laser de Nd:YAG- ou um de C02 ou de diodos. É especialmente apropriado um laser de dio- dos, pois este é hoje em dia claramente mais vantajoso do que um laser de Nd:YAG ou de C02 com relação a custos de investimento e de operação. O metal nobre 2, o qual pode ser aqui, por exemplo, platina, é aduzido como material de arame, de acordo com a forma de realização pre- ferida, mostrada, é fundido com o raio laser contínuo 3 na região da ranhura previamente produzida 6 sobre o eletrodo central 1, e preenchido na ranhura 6 como massa em fusão 5, de modo que o metal nobre 2 é igualmente enro- lado sobre o eletrodo 1.

Simultaneamente é fundido também o material de base do ele- trodo central 1, e se forma uma liga feita de uma pequena fração do material de base fundido do eletrodo central 1 e do material do arame de metal nobre 2. A partir deste processo de produção da soldagem do metal no- bre 2, que decorre continuamente, se dá uma mistura íntima homogênea da região de fusão e, com isto, uma distribuição de liga uniforme, a qual conduz a tempos de duração elevados e a uma superfície lisa do eletrodo central 1.

Ainda, podem ser obtidas velocidades de processo mais eleva- das, do que resulta novamente um processamento favorável em termos de custos e uma carga térmica reduzida do componente, a saber, do eletrodo central 1.

Por meio da aplicação de temperatura uniforme sobre a região de região de fusão somente ocorrem tensões térmicas mais reduzidas do que nos processos a laseres pulsados, conhecidos do estado da técnica, e, com isto, novamente, a um tempo de duração elevado do eletrodo central 1. A otimização da qualidade superficial pode ser claramente reco- nhecida oticamente, neste caso, no produto. Também imagens de esmeri- Ihamento mostram claramente a região de soldagem melhorada especial- mente com relação à região de soldagem melhorada na mistura íntima. A velocidade de aquecimento e resfriamento pode, neste caso, ser ajustada, com o que a formação de fissuras na região de fusão e no ma- terial de base de eletrodo é ulteriormente suprimida ou é minimizada, res- pectivamente. Por meio da variação da velocidade de aquecimento e de res- friamento é também possível uma ampla variação em composições de liga.

Nas figuras 2A e 2B está representado agora um processo de produção para um outro tipo de eletrodo, nomeadamente um assim denomi- nado eletrodo de topo. Aqui, para a soldagem da união entre o metal nobre 2 e a liga de níquel do eletrodo 1' é utilizado um raio laser que trabalha con- tinuamente (Laser de onda contínua ou laser CW), de preferência um laser de Nd:YAG.

Como se pode observar na figura 2A, uma parte de metal nobre 2, de preferência em uma forma cilíndrica, é colocada ou é encaixada em uma depressão 6 do mesmo, sobre um lado frontal do eletrodo 1', o qual representa aqui um eletrodo central ou de massa.

Neste caso, a depressão 6 é conformada no lado frontal do ele- trodo 1', de preferência de tal maneira, que por ocasião do encaixe da parte de metal nobre 2, esta é ligada firmemente com o eletrodo 1'.

Como é visível na figura 2B, em uma etapa de processo subse- quente, os participantes da união contatados deste tipo, nomeadamente o metal nobre 2 e o eletrodo de vela de ignição 1', giram com um número de rotações adaptado à quantidade de energia de um laser CW, na direção da seta 7. O raio laser 3 é focalizado sobre a região em rotação a ser soldada, e, correspondentemente, unido e novamente desunido uma rampa de ener- gia sincronizada aos participantes de união com relação ao ponto de fusão, à capacidade térmica, etc.

No resultado, está pressente, então, um eletrodo de vela de ig- nição f, cuja ponta consiste de um metal nobre 2, respectivamente, de uma liga de metal nobre, a qual é ligada duradouramente através de uma região de fusão uniforme com a liga de níquel do eletrodo 1'. Neste caso, quando de um eletrodo 1' deste tipo, provido com um metal nobre 2, um assim de- nominado eletrodo de topo, o metal nobre 2 não deve ser completamente fundido, mas sim apenas em uma região de união.

Claims (10)

1. Processo para a união de um eletrodo (1, 1') de uma vela de ignição com um metal nobre (2), sendo que o metal nobre (2) é unido localmente com o eletrodo (1, 1') por meio de uma aplicação de calor produzida por um raio laser (3) que trabalha continuamente, sendo que o metal nobre (2) é unido com o eletrodo (1, 1') em uma região de união, e onde o raio laser (3) é direcionado para a região de união, caracterizado pelo fato de que o metal nobre (2) é fundido completamente apenas na região de união.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o metal nobre (2) é aplicado circunferencialmente sobre o ele- trodo (1).

3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o metal nobre (2) é aplicado sobre um lado frontal do eletrodo (1').

4. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, carac- terizado pelo fato de que o raio laser (3) é formado de um laser de Nd:YAG-, C02 ou de diodos.

5. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, carac- terizado pelo fato de que um metal nobre (2) configurado como cilindro é aplicado sobre o lado frontal de um eletrodo (1') e então é fundido com o raio laser (3) em uma região de superfície limítrofe entre metal nobre (2) e eletrodo (1').

6. Eletrodo (1, V) de uma vela de ignição, caracterizado pelo fa- to de que ele é produzido consoante um processo como definido em uma das reivindicações 1 a 5.

7. Eletrodo (1, 1') de uma vela de ignição, de acordo com a rei- vindicação 6, caracterizado pelo fato de que ele é um eletrodo central.

8. Eletrodo (1, T) de uma vela de ignição, de acordo com a rei- vindicação 6, caracterizado pelo fato de que ele é um eletrodo de massa.

9. Eletrodo (1, 1') de uma vela de ignição, de acordo com qual- quer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que ele apre- senta substancialmente níquel.

10. Eletrodo (Γ) de uma vela de ignição, de acordo com qual- quer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de que ele é um eletrodo de topo para uma vela de ignição de folga de superfície ou vela de ignição de folga de ar de superfície.