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火花塞及其制造方法

阅读：1020发布：2020-07-15

专利汇可以提供火花塞及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种火花塞及其制造方法，在设于中心电极的前端的凹部中容纳作为贵金属端头的线条体而进行激光焊接得到的火花塞中，抑制了中心电极与贵金属端头的剥离，并提高了耐久性。在设于中心电极的前端的凹部中容纳贵金属端头的状态下焊接，形成中心电极的成分与贵金属端头的成分相混合的熔融部分时，中心电极的前端相比熔融部分的轴线上的前端位于轴线方向前端侧，且凹部的底面相比熔融部分的轴线上的后端位于轴线方向后端侧，在通过轴线的截面上，熔融部分沿径向连续，使熔融部分的轴线方向的厚度为0.1mm以上的部分A遍及径向上0.05mm以上的区域而形成。，下面是火花塞及其制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种火花塞，具备：
绝缘体，具有沿轴线方向延伸的轴孔；
中心电极，保持于所述轴孔；
主体配件，设于所述绝缘体的外周；
接地电极，一端部与所述主体配件接合而另一端部与所述中心电极相对；以及贵金属端头，配置于在所述中心电极的前端设置的凹部并在与所述接地电极相对的位置接合，
在所述贵金属端头的前端部与所述接地电极之间形成间隙，所述火花塞的特征在于，具备所述中心电极的成分和所述贵金属端头的成分相混合的熔融部分，并且所述中心电极的前端相比所述熔融部分的所述轴线上的前端位于所述轴线方向前端侧，且所述凹部的底面相比所述熔融部分的所述轴线上的后端位于所述轴线方向后端侧，
在通过所述轴线的截面上，所述熔融部分沿径向连续，
所述熔融部分的所述轴线方向的厚度为0.1mm以上的部分A遍及径向上0.05mm以上的区域而形成。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
设所述贵金属端头的直径为R，
设与所述轴线重叠的所述部分A的长度为L1，以在该轴线上处于L1/2的点O为原点，设其坐标(x，y)＝(0，0)，
设与通过x坐标为x＝3R/8的点且平行于所述轴线的直线M重叠的所述熔融部分的长度为L2，设处于L2/2的点的y坐标为y2，
设与通过x坐标为x＝-3R/8的点且平行于所述轴线的直线N重叠的所述熔融部分的长度为L3，设处于L3/2的点的y坐标为y3，
设O(0，0)、a(0，L1/2)、b(0，-L1/2)、c(3R/8，y2)、d(3R/8，y2+L2/4)、e(3R/8，y2-L2/4)、f(-3R/8，y3)、g(-3R/8，y3+L3/4)、h(-3R/8，y3-L3/4)这九点的形成所述贵金属端头的材料的主成分的比例X的最大值为XMAX、最小值为XMIN时，(XMAX-XMIN)≤30％。
3.根据权利要求2所述的火花塞，其特征在于，
所述(XMAX-XMIN)≤15％。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的火花塞，其特征在于，
从所述部分A与所述贵金属端头的边界至该贵金属端头的前端端面为止的所述轴线方向的长度的最小值为0.2mm以上。
5.一种火花塞的制造方法，该火花塞具备：
绝缘体，具有沿轴线方向延伸的轴孔；
中心电极，保持于所述轴孔；
主体配件，设于所述绝缘体的外周；以及
接地电极，一端部与所述主体配件接合而在另一端部上与所述中心电极之间形成有间隙，所述火花塞的制造方法的特征在于，
具备如下的焊接工序：在形成于所述中心电极的前端部的凹部中容纳贵金属端头而向所述凹部的侧面照射激光，将所述凹部和所述贵金属端头焊接，
并且在所述焊接工序中以如下方式焊接：残留所述凹部的所述轴线方向前端侧的一部分及所述贵金属端头的所述凹部侧的一部分，并在所述凹部与所述贵金属端头的接合部分形成沿所述贵金属端头的径向贯通的熔融部分，且通过所述贵金属端头的前端面的中心的轴线方向的截面上的所述熔融部分的所述轴线方向的厚度为0.1mm以上的部分遍及径向上0.05mm以上的区域而形成。

说明书全文

火花塞及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及火花塞，更详细地说，涉及具备设有贵金属端头的中心电极作为火花放电部件的火花塞。另外，本发明涉及所述火花塞的制造方法。

背景技术

[0002] 内燃机所使用的火花塞，一般而言，由经由绝缘体嵌入筒状的主体配件的中心电极、一端部与主体配件接合而另一端部与中心电极的前端部相对配置的接地电极构成。另外，还使用如下的火花塞，其为了提高点火性，在中心电极的前端部接合了由耐热性及耐热冲击性等优良的Pt、Pd、Ir等贵金属或以它们为主体的合金构成的贵金属端头。

[0003] 作为制造具有这种贵金属端头的中心电极的方法，提出了如下方案：如图4(A)示意性地示出，在中心电极50的前端设有沿轴线方向凹下的凹部51，向凹部51埋入圆柱状的贵金属端头60，相对于形成凹部51的壁面52从垂直于轴线C的方向照射激光，如图4(B)所示，使壁面52及贵金属端头60的一部分熔融而形成熔融部分70(例如参照专利文献1)。

[0004] 在中心电极具备贵金属端头的火花塞中，贵金属端头的安装位置对于与接地电极之间的放电有较大影响，因此贵金属端头的定位成为重要的条件。若在中心电极50的前端不形成凹部51，则必须在平坦的面上将贵金属端头60载置于规定的位置且利用保持夹具将贵金属端头60保持为不移动的状态下照射激光，在激光焊接时对贵金属端头60造成相当严格的位置限制。相对于此，如专利文献1所记载的，在凹部51埋入贵金属端头60而进行激光焊接的方式中，这种贵金属端头60的位置限制变得容易。凹部51可通过开孔加工而在中心电极50的前端形成，但此时的加工精度高，向以高精度形成的凹部51插入贵金属端头60即可，因此贵金属端头60的定位作业变得极为容易。

[0005] 【现有技术文献】

[0006] 【专利文献】

[0007] 【专利文献1】日本特开昭59-191281号公报

[0008] 在将贵金属端头焊接于中心电极的火花塞中，贵金属端头的被焊接的前端部温度变高，温度高则消耗快，因此期望使贵金属端头的热易于向中心电极侧传递(导热)。但是，熔融部分70是形成贵金属端头60的贵金属合金和形成中心电极50的电极材料的合金，因此与贵金属合金单独相比热传导性较低。因此，如图4(B)所示，无法使贵金属端头60的内部的轴线C的周边熔融而是残留下来(以下称为残留部75)，形成从贵金属端头60向中心电极50的热的通道。但是，由于残留部75是贵金属合金，因此不能避免伴随放电的热引起的氧化，有时氧化从残留部75发展而导致贵金属端头60剥离。

[0009] 另外，若以形成残留部75的方式进行焊接，则熔融部分70的合金组成中容易产生偏差。具体而言，存在越靠近贵金属端头60的外周，形成凹部51的电极材料的比例越多的倾向。并且，由于这种合金组成的偏差而在熔融部分70的内部产生应力差，在熔融部分70中也产生裂缝。

[0010] 而且，若为了改善导热而使残留部75变粗，则相对地熔融部分70变薄，不能通过较薄的熔融部分70吸收残留部75与熔融部分70之间的热膨张差，有时在残留部75与熔融部分70的界面上产生裂缝。

发明内容

[0011] 因此本发明的目的在于，在设于中心电极前端的凹部中容纳作为贵金属端头的线条体并进行激光焊接而得到的火花塞中，抑制中心电极与贵金属端头的剥离，从而提高耐久性。

[0012] 本发明人发现，在设于中心电极前端的凹部中容纳作为贵金属端头的线条体而进行激光焊接时，通过以使熔融部分贯通贵金属端头的径向而不留有残留部的方式进行焊接，可抑制上述的残留部引起的氧化或裂缝的发生。本发明就是基于这种技术思想而作出。

[0013] 即，本发明提供以下所示的火花塞及其制造方法。

[0014] (1)一种火花塞，具备：绝缘体，具有沿轴线方向延伸的轴孔；中心电极，保持于所述轴孔；主体配件，设于所述绝缘体的外周；接地电极，一端部与所述主体配件接合而另一端部与所述中心电极相对；以及贵金属端头，配置于在所述中心电极的前端设置的凹部并在与所述接地电极相对的位置接合，在所述贵金属端头的前端部与所述接地电极之间形成间隙，所述火花塞的特征在于，具备所述中心电极的成分和所述贵金属端头的成分相混合的熔融部分，并且所述中心电极的前端相比所述熔融部分的所述轴线上的前端位于所述轴线方向前端侧，且所述凹部的底面相比所述熔融部分的所述轴线上的后端位于所述轴线方向后端侧，在通过所述轴线的截面上，所述熔融部分沿径向连续，所述熔融部分的所述轴线方向的厚度为0.1mm以上的部分A遍及径向上0.05mm以上的区域而形成。

[0015] (2)根据上述(1)记载的火花塞，其特征在于，设所述贵金属端头的直径为R，设与所述轴线重叠的所述部分A的长度为L1，在该轴线上以处于L1/2的点O为原点，设其坐标(x，y)＝(0，0)，设与通过x坐标为x＝3R/8的点且平行于所述轴线的直线M重叠的所述熔融部分的长度为L2，设处于L2/2的点的y坐标为y2，设与通过x坐标为x＝-3R/8的点且平行于所述轴线的直线N重叠的所述熔融部分的长度为L3，设处于L3/2的点的y坐标为y3，设O(0，0)、a(0，L1/2)、b(0，-L1/2)、c(3R/8，y2)、d(3R/8，y2+L2/4)、e(3R/8，y2-L2/4)、f(-3R/8，y3)、g(-3R/8，y3+L3/4)、h(-3R/8，y3-L3/4)这九点的形成所述贵金属端头的材料的主成分的比例X的最大值为XMAX、最小值为XMIN时，(XMAX-XMIN)≤30％。

[0016] (3)根据上述(2)记载的火花塞，其特征在于，所述(XMAX-XMIN)≤15％。

[0017] (4)根据上述(1)～(3)中任一项记载的火花塞，其特征在于，从所述部分A与所述贵金属端头的边界至该贵金属端头的前端端面为止的所述轴线方向的长度的最小值为0.2mm以上。

[0018] (5)一种火花塞的制造方法，该火花塞具备：绝缘体，具有沿轴线方向延伸的轴孔；中心电极，保持于所述轴孔；主体配件，设于所述绝缘体的外周；以及接地电极，一端部与所述主体配件接合而在另一端部上与所述中心电极之间形成有间隙，所述火花塞的制造方法的特征在于，具备如下的焊接工序：在形成于所述中心电极的前端部的凹部中容纳贵金属端头而向所述凹部的侧面照射激光，将所述凹部和所述贵金属端头焊接，并且在所述焊接工序中，以如下方式焊接：残留所述凹部的所述轴线方向前端侧的一部分及所述贵金属端头的所述凹部侧的一部分，并在所述凹部与所述贵金属端头的接合部分形成沿所述贵金属端头的径向贯通的熔融部分，且通过所述贵金属端头的前端面的中心的轴线方向的截面上的所述熔融部分的所述轴线方向的厚度为0.1mm以上的部分遍及径向上0.05mm以上的区域而形成。

[0019] 【发明效果】

[0020] 本发明的火花塞，由于在接地电极中具有贵金属端头所以点火性优良，并且在设于中心电极的前端的凹部中容纳贵金属端头而进行激光焊接时，不残留残留部而进行焊接，由此抑制了残留部引起的氧化或裂缝的发生，耐久性优良。附图说明

[0021] 图1是本发明的火花塞的剖视图。

[0022] 图2是用于说明按照本发明对中心电极和贵金属端头进行激光焊接的方法的沿轴线的剖视图。

[0023] 图3是用于说明熔融部分的合金组成的分布的图。

[0024] 图4是用于说明对现有的中心电极和贵金属端头进行激光焊接的方法的图。

具体实施方式

[0025] 以下，参照附图对本发明的火花塞的优选实施方式进行说明。

[0026] 图1是本发明的火花塞的剖视图，火花塞100主要包括：筒状的主体配件11；嵌入该主体配件11而自身的前端部12a从该主体配件11的前端部11a露出的筒状的绝缘体12；以自身的前端部13a从该绝缘体12的前端部12a露出的方式配置于该绝缘体12内的中心电极13；一端部与主体配件11的前端部11a接合且另一端部与中心电极13的前端部
13a相对配置的接地电极14等。

[0027] 主体配件11由碳钢等形成，在主体配件11的外周面上，例如沿周向形成有用于安装于内燃机的汽缸头的安装用螺纹部15。并且，由氧化铝等的陶瓷烧成体构成的绝缘体12中，端子配件17以其前端部17a露出的状态插入/固定于沿轴向形成的贯通孔16的后方侧(图中上方)的端部，中心电极13以其前端部13a露出的状态插入/固定于前方侧(图中下方)的端部。

[0028] 另外，在贯通孔16内在端子配件17与中心电极13之间的中间部配置有电阻体18，并且在该电阻体18的轴向两端部配置有导电性玻璃密封层19、20。即，中心电极13和端子配件17经由该电阻体18及导电性玻璃密封层19、20而电连接。这些导电性玻璃密封层19、20及电阻体18形成导电性接合层。此外，也可以省略电阻体18，通过单一的导电性玻璃密封层使端子配件17和中心电极13接合。

[0029] 接地电极14上，在接地电极主体部14A的与中心电极13相对的位置，经由台座23设有贵金属端头22。接地电极主体部14A是由耐热性及耐腐蚀性优良的Ni合金构成的棱柱部件，基部14a通过焊接固定于主体配件11，在接地电极14的中间部具有曲部14c而大致以L字型弯曲，以使前端部14b与中心电极13相对。

[0030] 台座23由例如以Ni为主成分并含有Fe、Cr等的合金形成。Cr具有在表面形成Cr2O3保护膜以抑制氧化的作用。

[0031] 对贵金属端头22使用如以Ir为主成分并含有Pt、Rh、Ru、Ni、Y2O3等添加物中的至少一种的合金、或以Pt为主成分并含有Ir、Rh、Ru、Pd、Ni等添加物中的至少一种的合金那样耐氧化性高且耐火花消耗性优良的材料。其中，优选Pt合金。

[0032] 另外，照射激光而将台座23和贵金属端头22焊接。

[0033] 中心电极13通过耐热性及耐腐蚀性优良的Ni合金而形成为圆柱状，对该中心电极13的前端部13a从相对于火花消耗的耐性优良的角度出发，使用例如以Ir为主成分并含有Pt、Rh、Ru、Ni、Y2O3等添加物中的至少一种的合金、或以Pt为主成分并含有Ir、Rh、Ru、Pd、Ni等添加物中的至少一种的合金那样耐氧化性高且耐火花消耗性优良的材料。其中，优选Ir合金。

[0034] 并且，本发明中，如图2所示照射激光而将中心电极13和贵金属端头21焊接。

[0035] 图2是沿轴线C表示中心电极13的凹部30的附近的剖视图，首先，如图2(A)所示，在中心电极13的前端设置沿轴线C凹陷的凹部30，在凹部30中容纳贵金属端头21，从垂直于轴线C的方向向形成凹部30的壁面31照射激光。

[0036] 通过该激光照射，如图2(B)所示，中心电极13的成分和贵金属端头21的成分熔融混合而形成的熔融部分40形成为沿径向贯通贵金属端头21。另外，作为凹部30的壁面31的轴线方向前端的上端面31a和从上端面31a到凹部30的底面侧的一部分残留下来。
而且，贵金属端头21的凹部30的底面侧的一部分残留下来。

[0037] 熔融部分40形成为越朝向轴线C则轴线方向的厚度越薄，但如上所述，通过残留凹部30的壁面31的上端面侧的一部分而熔融，壁面31的上端面31a相比熔融部分40的轴线上上端40a位于轴线方向前端侧(图中上方)。另外，通过残留贵金属端头21的凹部30的底面侧的一部分而熔融，凹部30的底面31b相比熔融部分40的轴线上后端40b位于轴线方向后端侧(图中下方)。

[0038] 另外，如图2(B)所示，熔融部分40在轴线上的厚度(T)为0.1mm以上的部分41(以下称为“贯通部”)遍及径向上宽度(W)为0.05mm以上的区域而形成。激光照射贯通凹部30的壁面31而进行，壁面31的激光照射部分溶入熔融部分40。因此，若不以使贵金属端头21沿径向贯通的方式形成熔融部分40，则在熔融部分40中壁面31的主成分即Ni量相对于熔融的贵金属端头21的贵金属量过大，由于未熔融的贵金属端头21与熔融部分40之间的热膨张的差异，有可能产生贵金属端头21的剥离。因此，需要使熔融部分40的最薄的部分(即贯通部41)厚度为0.1mm以上，且径向的宽度为0.05mm以上。

[0039] 而且，在熔融部分40的各部分之间合金组成的差越小，则机械强度的偏差越小，越能抑制裂缝的发生等。具体而言，如图3所示，设贵金属端头21的直径为R，贯通部41的与轴线C重叠的部分的长度为L1，以在轴线C上处于L1/2的点O为原点，设其坐标(x，y)＝(0，0)，并且设与通过x坐标为x＝3R/8的点且平行于轴线C的直线M重叠的熔融部分40的长度为L2，设处于L2/2的点的y坐标为y2，设与通过x坐标为x＝-3R/8的点且平行于轴线C的直线N重叠的熔融部分40的长度为L3，设处于L3/2的点的y坐标为y3时，优选形成下述九点上的贵金属端头41的材料的主成分(例如Pt)的比例X的最大值XMAX与最小值XMIN之差为30％以下，更优选为15％以下。

[0040] O点(0，0)：原点

[0041] a点(0，L1/2)：在轴线C上且相比原点O以L1/2的量靠向贵金属端头侧的点[0042] b点(0，-L1/2)：在轴线C上且相比原点O以L1/2的量靠向中心电极侧的点[0043] c点(3R/8，y2)：在直线M上且位于y2的点

[0044] d点(3R/8，y2+L2/4)：在直线M上且相比y2以L2/4的量靠向贵金属端头侧的点[0045] e点(3R/8，y2-L2/4)：在直线M上且相比y2以L2/4的量靠向中心电极侧的点[0046] f点(-3R/8，y3)在直线N上且位于y3的点

[0047] g点(-3R/8，y3+L3/4)：在直线N上且相比y3以L3/4的量靠向贵金属端头侧的点[0048] h点(-3R/8，y3-L3/4)：在直线N上且相比y3以L2/4的量靠向中心电极侧的点[0049] 在照射激光时，调整照射位置及照射强度以形成上述的熔融部分40及贯通部41。

[0050] 另外，贯通贵金属端头21而形成有熔融部分40的熔融部分比贵金属端头更容易消耗，因此为了确保火花塞的耐久性，需要在前端部分确保一定以上贵金属端头的未熔融部分。具体而言，如图2(B)所示，优选使从贯通部41的轴线上上端40a直到贵金属端头21的上端面21a的距离(H)为0.2mm以上。

[0051] 【实施例】

[0052] 以下列举试验例进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。

[0053] (试验-1)

[0054] 在选定作为中心电极的Ni合金制的基台的上表面中央形成凹部，容纳作为贵金属端头的Pt合金制的直径0.6mm、长度0.8mm的柱状体，以与凹部的壁面垂直的方式照射激光而将基台和贵金属端头焊接。改变激光的照射条件而进行焊接，如表1所示控制贯通部的厚度(T)及宽度(W)。

[0055] 并且，将焊接了贵金属端头的基台安装于冷热试验机，将在1000℃下加热2分钟后逐渐冷却1分钟的热循环反复进行3000次，结束后沿贵金属端头的轴线切断而观察熔融部分。试验分别进行10次，将发现端头直径的1/4以上的裂缝或贵金属端头与熔融部分之间的一个间隙的情况作为不允许的情况而在表1中标注“×”，除此以外作为允许的情况而在表1中标注“○”。

[0056] 【表1】

[0057] 表1

[0058]

[0059] 如表1所示，可知通过以贯通部的厚度(T)为0.1mm以上、宽度(W)为0.05mm以上的方式形成熔融部分，则不会产生裂缝或间隙，贵金属端头和中心电极之间的焊接强度得以提高。

[0060] (试验-2)

[0061] 使用与试验-1相同的基台及柱状体，控制成贯通部的厚度(T)为0.1mm以上、宽度为0.05mm以上而照射激光并焊接。

[0062] 并且，与试验-1同样进行冷热试验，结束后沿贵金属端头的轴线切断而对熔融部分进行采样而进行组成分析。采样是对图3所示的9点进行采样而在各测定点进行组成分析，求出贵金属端头的主成分即Pt含量。此外，采样的各点处的点径为10μm。另外，进行10次试验，设组成为其平均值。

[0063] 然后，算出9点处的Pt含量的最大值(XMAX)与最小值(XMIN)之差(XMAX-XMIN)。然后，求出该(XMAX-XMIN)与冷热试验结果的关系。表2中示出结果。此外，表2中的“×”表示产生了五个以上的裂缝、或产生了柱状体的直径的1/4以上的长度的裂缝的情况，“○”表示产生了四个以下的裂缝且裂缝长度不足柱状体的直径的1/4的情况，“◎”表示产生了一个以下的裂缝且裂缝长度不足柱状体的直径的1/4的情况。

[0064] 【表2】

[0065] 表2

[0066]

[0067] 如表2所示，可以说，(XMAX-XMIN)越小，熔融部分中的贵金属端头和中心电极越均质地熔融，裂缝或间隙的发生越少，优选为30％以下，更优选为15％以下。

[0068] (试验-3)

[0069] 通过机上火花耐久试验，验证从贯通部的上端直至贵金属端头的上端面的距离(H)(参照图2(B))与间隙增加量之间的关系。即，通过模拟求出以贵金属端头为直径0.6mm的Pt合金、凹部材料为Ni合金、且贯通部的厚度(T)为0.1mm以上、宽度为0.05mm以上、距离(H)为表3所示的值的方式焊接时的间隙增加量。试验条件设为0.4MPa、250小时、100Hz。

[0070] 由于熔融部为贵金属端头的Pt合金和基台的Ni合金的混合物，因此比贵金属端头消耗快。因此，可以说间隙增加量越增加则耐久性越差。考虑到实用性，判定基准设为以不足0.3mm为合格。表3中示出结果。

[0071] 【表3】

[0072] 表3

[0073]

[0074] 如表3所示，可知，通过设定距离(H)为0.2mm以上，能够维持贵金属端头的耐久性。

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