DE10103045A1

DE10103045A1 - Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode

Info

Publication number: DE10103045A1
Application number: DE10103045A
Authority: DE
Inventors: Thomas Juestel; Heinz Ulm; Konrad Funk; Martin Klassen; Jochen Fischer; Andreas Benz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2002-07-25
Also published as: CN1419724A; WO2002060025A1; US7192324B2; EP1356555B1; RU2003124073A; US20050176332A1; EP1356555B2; EP1356555A1; BR0109425B1; BR0109425A; JP2004517459A; RU2289875C2; CN100409518C

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verbinden einer Elektrode (1, 1') einer Zündkerze mit einem Edelmetall (2) beschrieben, bei dem das Edelmetall (2) mit einem mittels eines kontinuierlich arbeitenden Laserstrahls (3) erzeugten Wärmeeintrag lokal mit der Elektrode (1, 1') verbunden wird (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden einer Elektrode einer Zündkerze mit einem Edelmetall gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.

Zündkerzen mit einer Elektrode, wie z. B. einer Mittelelek trode, bei der das vordere Ende der Mittelelektrode mit ei ner Edelmetallspitze versehen ist oder bei denen umfänglich in einem Bereich ein Edelmetall angebracht ist, sind aus dem Stand der Technik schon seit längerer Zeit bekannt.

So wird beispielsweise in der EP 0 637 113 B1 eine Zündker ze mit einer Mittelelektrode beschrieben, die eine hitze- und erosionsbeständige Nickellegierung aufweist, wobei das vordere Ende der Mittelelektrode mit einer Edelmetallspitze aus Iridium oder Ruthenium gebildet ist. Die Nickellegierung weist dabei eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 30 Wm^-1K^-1 oder größer auf. In dieser Druckschrift wird ausgeführt, daß die Edelmetallspitze eine scheibenförmige Form aufweist und konzentrisch an dem vorderen Ende des Elektrodenmetalls angeordnet ist.

Durch die Verwendung beispielsweise eines YAG-Lasers werden Laserstrahlen auf eine Grenzfläche Edelmetallspit ze/vorderes Ende des Elektrodenmetalls aufgebracht, wobei die Edelmetallspitze mit einer entsprechenden Kraft gegen das vordere Ende des Elektrodenmetalls, worauf das Edelme tall aufgebracht werden soll, gedrückt wird.

Aus der EP 0 400 950 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze bekannt, wobei ein Iridium-Pulver-Preßling hergestellt wird, der die Zündspitze der Mittelelektrode der Zündkerze bildet. Dieser Iridium-Pulver-Preßling wird in einem Vakuum oder in einer nicht oxidierenden bzw. redu zierenden Atmosphäre gesintert, und die Zündspitze wird mit dem vorderen Ende der Mittelelektrode metallurgisch verbun den. Das metallurgische Verbinden kann dabei beispielsweise unter Verwendung des Elektronenstrahlschweißens oder Laser schweißens durchgeführt werden.

Ebenso beschreiben die US 5,811,915 und die DE 196 41 856 A1 das Vorsehen von Edelmetallplättchen auf einer Zündker zenelektrode, wie beispielsweise einer Masse- oder einer Mittelelektrode. Das Aufbringen der Edelmetallplättchen er folgt gemäß dieser Dokumente durch Laserschweißen, und zwar mit Hilfe eines Nd:YAG-Lasers.

Auch die EP 0 575 163 B1 beschreibt das Aufschweißen eines Edelmetallplättchens auf eine Mittelelektrode einer Zünd kerze, wobei sich die Schweißnaht am Umfang der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallblättchen und der Endfläche der Mit telelektrode befindet. Zum Aufschweißen wird hierbei ein YAG-Laser verwendet.

In der US 4,963,112 wird ebenso die Befestigung eines Edel metallblättchens auf einer Elektrode einer Zündkerze offen bart, wobei die Befestigung wieder mittels Laserschweißen erfolgt. Dabei wird beschrieben, daß gepulste Laser bevor zugt verwendet werden.

Ebenso beschreiben die US 5,461,210, die EP 0 588 495 B1 und die EP 0 587 446 B1 das Aufbringen von Edelmetallplätt chen auf Zündkerzenelektroden. Auch hierbei wird zum Auf schweißen der Edelmetallplättchen immer ein gepulster La serstrahl verwendet.

Allen diesen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Aufbringen eines Edelmetallplättchens oder einer son stigen Form eines Edelmetalls auf eine Elektrode einer Zündkerze ist jedoch gemeinsam, daß das Aufbringen mit Hil fe eines gepulsten Lasers erfolgt.

Bei derartigen Verbindungsverfahren mit Hilfe von gepulsten Laserstrahlquellen wird das aneinander zu befestigende Ma terial, d. h. die Elektrode und das Edelmetall, diskontinu ierlich aufgeschmolzen und wieder erstarrt. Dies bedeutet, es wird kein kontinuierliches Schmelzbad erzeugt.

Durch das permanente Aufschmelzen und wieder Erstarren des zu verbindenden Materials kann jedoch eine Durchmischung der Schmelzzone, d. h. eine gleichmäßige Legierungsvertei lung, nur bedingt ermöglicht werden. Es entsteht daher eine relativ hohe Neigung zur Rißbildung in der Verbindungszone, weshalb die Standzeit derartiger Zündkerzen, die als soge nannte "Longlife-Kerzen" Verwendung finden, letztlich durch die relativ geringe Dauerhaltbarkeit der Verbindung Edelme tall/Elektrodenlegierung begrenzt ist.

Häufig wird als Werkstoff für die Elektrode eine Nickelle gierung verwendet. Durch das Verbinden mittels eines gepul sten Laserstrahls entstehen unerwünschte, nickelreiche und damit weniger gegen Erosion und Korrosion widerstandsfähige Legierungsbereiche.

Betrachtet man die Oberfläche einer mittels eines gepulsten Laserstrahls geschweißten, mit einem Edelmetall versehenen Elektrode, so ist diese sehr unregelmäßig, da kein kontinu ierlicher Schmelzzonenbereich erzeugt werden kann, sondern das Material immer wieder aufgeschmolzen wird und erstarrt. Es kann daher notwendig sein, daß die Oberfläche nach dam Verschweißen nachbehandelt wird.

Vorteile der Erfindung

Das vorgeschlagene Verfahren zum Verbinden einer Elektrode einer Zündkerze mit einem Edelmetall mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem ein Edelme tall mit einem kontinuierlich arbeitenden Laserstrahl lokal auf eine Elektrode aufgeschmolzen wird, hat demgegenüber den Vorteil, daß die Ungleichmäßigkeiten der Oberfläche verringert werden. Gleichzeitig werden innerhalb der voll ständig oder zumindest teilweise aufgeschmolzenen Zone Ris se, Poren, Lunker und Schwankungen der jeweiligen Legie rungsanteile, die alle die Verbindung Edelmetall/Elektro denmaterial schwächen, vermieden. Somit kann mit einem er findungsgemäßen Verfahren die Standzeit des Bauteils beim Betrieb erhöht werden, da solche Schwachstellen vermieden oder zumindest minimiert werden können.

Dadurch, daß durch die gleichmäßige Aufschmelzung der Ver bindungspartner in der Kontaktzone die bei der Verwendung von gepulsten Laserstrahlen bekannten Erstarrungsrisse ver mieden werden, wird auch der Korrosionsangriff entlang die ser Risse vermieden und damit ein vorzeitiger Ausfall der Verbindung unterbunden. Dies ist insbesondere bei dem Ein satz der Zündkerzen im Motorenbereich wichtig.

Weiterhin kann dadurch, daß ein kontinuierlich arbeitender Laser verwendet wird, die Aufheiz- und Abkühlgeschwindig keit des Schmelzzonenbereichs auf die jeweiligen Werkstoffe und die Art der erwünschten Verbindung eingestellt werden, wodurch auch eine bestimmte Phasenzusammensetzung im Ver bindungsbereich erreicht wird.

Ferner ist durch einen kontinuierlich arbeitenden Laser auch eine breitere Variation an verwendbaren Legierungszu sammensetzungen für die Werkstoffe möglich. Die Standzei toptimierung kann daher auch über optimierte Legierungszu sammensetzungen für die Werkstoffe erfolgen und ist nicht, wie bisher, durch eine gute oder eingeschränkte Schweißeig nung für einen gepulsten Laser bestimmt.

Als weiterer Vorteil der Erfindung ist anzuführen, daß das Spektrum an mit einem kontinuierlichen Laserstrahl erziel baren Schmelzzonengeometrien viel breiter ist als dies bei einem gepulsten Laser der Fall ist.

Weiterhin sind höhere Prozeßgeschwindigkeiten erreichbar, was auch zu einer Kosteneinsparung bei der Herstellung und zu einer verringerten Wärmebelastung des herzustellenden Bauteiles führt.

Es ergibt sich also zusammenfassend insgesamt eine verbes serte Schmelzzone zwischen Edelmetall und Elektrode, die zu einer höheren Standzeit der Elektrode und damit zu einer besseren Funktion des Produktes der Zündkerze, führt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Edelmetalleinlage umfänglich über eine gewisse Breite bandartig auf die Elektrode aufgebracht. Derartig herge stellte Elektroden kommen beispielsweise bei sogenannten Gleitfunkenkerzen oder Luftgleitfunkenkerzen zum Einsatz.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung wird die Edelmetalleinlage auf eine Stirnseite der Mittelelektrode aufgebracht. Beim Aufbringen der Edelme talleinlage auf die Stirnseite der Mittelelektrode sollte aber vorzugsweise das Edelmetallteil nicht vollständig auf geschmolzen werden, sondern nur in ihrem Verbindungsbereich. So wird eine Zündkerzenelektrode mit einer Spitze aus verschleißfestem Edelmetall geschaffen.

Erfolgt das Aufbringen des Edelmetalls erfindungsgemäß mit tels eines kontinuierlich arbeitenden Laserstrahls, kann neben einem Nd:YAG- oder CO₂- auch ein Diodenlaser einge setzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Edelmetall auf eine Elektrode entweder derart aufgebracht werden, daß es vollständig aufgeschmolzen und damit in die Elektrode ein legiert wird oder aber daß das Edelmetall nicht vollständig aufgeschmolzen wird, sondern nur am Randbereich aufge schmolzen wird und dabei in diesem Randbereich mit der Elektrode verbunden wird.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge genstandes nach der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung, der anhängenden Zeichnung und den Patentansprü chen.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zum Verbinden einer Zündkerzenelektrode mit einer Edelmetalleinlage sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden nachfolgend in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verbindungs verfahrens, bei dem ein Edelmetall auf eine Elektrode als Drahtwerkstoff zugeführt wird, und

Fig. 2A und Fig. 2B jeweils eine schematische Darstel lung eines Verfahrensschrittes eines weiteren Verfahrens zum Verbinden einer Elektrode mit einer Edelmetalleinlage nach Art einer Dachelektrode.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist beispielhaft ein einstufiger Beschichtungs prozeß einer Elektrode, d. h. ein Verfahren zum Verbinden einer Zündkerzenelektrode 1 mit einem Edelmetall 2, darge stellt. Unter Edelmetall 2 gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein reines Edelmetall oder auch eine jegliche Edelme tallegierung verstanden werden, die für den jeweiligen Ein satz geeignet ist.

Die Fig. 1 zeigt insbesondere einen Schnitt durch die Zündkerzenelektrode 1, welche hier eine Mittelelektrode darstellt, die im Bereich einer vorgefertigten Nut. 6 mit einem aufgeschmolzenen Edelmetall 2 aufgefüllt wird und beispielsweise Anwendung in einer Gleitfunkenkerze oder Luftgleitfunkenkerze findet. Der Schnitt durch die Mittele lektrode 1 gemäß Fig. 1 ist dabei entlang der Nut. 6 durch geführt.

Zum Aufschmelzen wird erfindungsgemäß ein kontinuierlicher Laser 3 verwendet, wobei beispielsweise ein Nd:YAG- oder ein CO₂- oder Diodenlaser eingesetzt werden kann. Besonders eignet sich ein Diodenlaser, da dieser heutzutage bezüglich der Investitions- und Betriebskosten deutlich vorteilhafter als ein Nd:YAG- oder CO₂-Laser ist.

Das Edelmetall 2, das hier beispielsweise Platin sein kann, wird gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform als Drahtwerkstoff permanent zugeführt und mit dem kontinuier lichen Laserstrahl 3 im Bereich der vorgefertigten Nut 6 auf die Mittelelektrode 1 aufgeschmolzen und als Schmelze 5 in die Nut 6 eingefüllt, so daß das Edelmetall 2 auf die Elektrode 1 gleichsam aufgewickelt wird.

Gleichzeitig wird auch der Grundwerkstoff der Mittelelek trode 1 angeschmolzen, und es bildet sich eine Legierung aus einem geringen Anteil des aufgeschmolzenen Grundwerk stoffs der Mittelelektrode 1 und des Werkstoffs des Edelme talldrahtes 2.

Aus diesem kontinuierlich ablaufenden Herstellungsprozeß des Aufschweißens des Edelmetalles 2 erfolgt eine homogene Durchmischung der Schmelzzone und damit eine gleichmäßige Legierungsverteilung, die zu erhöhten Standzeiten und einer glatten Oberfläche der Mittelelektrode 1 führt.

Ferner sind höhere Prozeßgeschwindigkeiten erzielbar, wo raus wiederum eine kostengünstige Bearbeitung und eine ver ringerte Wärmebelastung des Bauteils, sprich der Mittele lektrode 1, resultiert.

Durch den gleichmäßigen Temperatureintrag über dem Schmelz zonenbereich kommt es zu geringeren Wärmespannungen als bei aus dem Stand der Technik bekannten gepulsten Laserverfah ren und damit wiederum zu einer erhöhten Standzeit der Mit telelektrode 1.

Die Optimierung der Oberflächengüte ist dabei am Erzeugnis klar optisch erkennbar. Auch Schliffbilder zeigen deutlich die insbesondere im Bezug auf die Durchmischung verbesserte Schweißzone.

Die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit kann dabei einge stellt werden, wodurch die Rißbildung in der Schmelzzone und dem Elektrodengrundmaterial weiter unterbunden bzw. mi nimiert wird. Es ist durch die Variation der Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit auch eine breite Variation an Legie rungszusammensetzungen möglich.

In den Fig. 2A und 2B ist nun ein Herstellungsprozeß für eine weitere Elektrodenart, nämlich eine sogenannte Dache lektrode dargestellt. Hierbei wird zum Schweißen der Ver bindung zwischen dem Edelmetall 2 und der Nickellegierung der Elektrode 1' ein kontinuierlich arbeitender Laserstrahl (Continous wave bzw. CW-Laser), vorzugsweise ein Nd:YAG- Laser, eingesetzt.

Wie in der Fig. 2A zu sehen ist, wird ein Teil aus Edelme tall 2, vorzugsweise in einer zylindrischen Form, auf eine Stirnseite der Elektrode 1', die hier eine Mittel- oder Masseelektrode einer Zündkerze darstellt, aufgesetzt bzw. in eine Vertiefung 6 derselben eingesteckt.

Dabei ist die Vertiefung 6 in der Stirnseite der Elektrode 1' vorzugsweise derart ausgeformt, daß beim Einstecken des Edelmetallteiles 2 dieses fest mit der Elektrode 1' verbun den ist.

Wie in der Fig. 2B ersichtlich ist, rotieren in einem an schließenden Verfahrensschnitt die derart kontaktierten Verbindungspartner, nämlich Edelmetall 2 und Zündkerzene lektrode 1' mit einer an die Energiemenge eines CW-Lasers angepaßten Drehzahl in Richtung des Pfeils 7. Der Laser strahl 3 wird auf die rotierende, zu verschweißende Zone fokussiert und entsprechend einer auf die Verbindungspart ner bezüglich des Schmelzpunktes, der Wärmekapazität usw. abgestimmten Energierampe ein- und wieder ausgeschaltet.

Im Ergebnis liegt dann eine Zündkerzenelektrode 1' vor, de ren Spitze aus einem Edelmetall 2 beziehungsweise einer Edelmetallegierung besteht, die über eine gleichmäßige Schmelzzone mit der Nickellegierung der Elektrode 1' dauer haft verbunden ist. Dabei sollte bei einer derartigen mit einem Edelmetall 2 versehenen Elektrode 1', einer sogenann ten Dachelektrode, das Edelmetall 2 nicht vollständig, son dern nur in seinem Verbindungsbereich aufgeschmolzen wer den.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden einer Elektrode (1, 1') einer Zündkerze mit einem Edelmetall (2), dadurch gekenn zeichnet, daß das Edelmetall (2) mit einem mittels ei nes kontinuierlich arbeitenden Laserstrahls (3) erzeug ten Wärmeeintrag lokal mit der Elektrode (1, 22) ver bunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeeintrag mittels des kontinuierlich arbeitenden Laserstrahls (3) derart erfolgt, daß zumindest in einem Grenzbereich zwischen Edelmetall (2) und Elektrode (1, 1') ein Aufschmelzen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Edelmetall (2) beim Wärmeeintrag vollstän dig aufgeschmolzen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Edelmetall (2) umfänglich auf die Elektrode (1) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall (2) auf einer Stirnseite der Elektrode (1') aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (3) von einen Nd:YAG-, CO₂ oder Diodenlaser gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ein als Draht ausgebildetes Edelmetall (2) einer in der Elektrode (1) vorgefertig ten Nut (6) zugeführt wird und dabei mit dem Laser strahl (3) auf die Elektrode (1) aufgeschmolzen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß eine als Zylinder ausgebildetes Edel metall (2) auf die Stirnseite einer Elektrode (1') auf gesetzt wird und dann mit dem Laserstrahl (3) in einem Bereich Grenzfläche zwischen Edelmetall (2) und Elek trode (1') aufgeschmolzen wird.

9. Elektrode (1, 1') einer Zündkerze, dadurch gekennzeich net, daß sie nach einem Verfahren nach einem der vor hergehenden Ansprüche hergestellt ist.

10. Elektrode (1, 1') einer Zündkerze nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet, daß sie eine Mittelelektrode ist.

11. Elektrode (1, 1') einer Zündkerze nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet, daß sie eine Masseelektrode ist.

12. Elektrode (1, 1') einer Zündkerze nach einem der An sprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen Nickel aufweist.

13. Elektrode (1') einer Zündkerze nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Dache lektrode für eine Gleitfunkenkerze oder Luftgleitfun kenkerze ist.

14. Elektrode (1) einer Zündkerzenelektrode nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetalleinlage (2) vollständig in die Elektrode (1) einlegiert ist.