专利名称：具有通过激光焊接连接的贵金属片的火花塞及其加工方法
技术领域：
本发明通常涉及一种车辆发动机使用的火花塞，尤其是涉及一种将贵金属片通过特殊的激光焊接技术和中心电极以及接地电极相连的火花塞及其加工方法，用以确保所述火花塞的寿命以及气态燃料的可燃性。
背景技术：
用于汽车发动机或燃气机的传统的火花塞具有一个中心电极以及一个接地电极。所述中心电极位于一个金属壳体中，并且具有一个暴露于所述金属壳体之外的端部。所述接地电极的一端与所述金属壳体相连且弯曲以使其另一端通过一个放电间隙与所述中心电极面对。
近来，为了改善所述火花塞的寿命以及燃料的可燃性，由铂或铱制成的贵金属片被采用，所述贵金属片激光焊接于彼此通过火花间隙而相对的中心电极以及接地电极的表面上。
日本专利第一次公开文本No.2001-135456教导了将贵金属片与所述中心电极以及接地电极相连的传统的激光焊接方法。所述激光焊接通过环绕所述贵金属片和所述中心及接地电极之交界面的整个圆周以不会对所述金属壳体产生光学干涉的方向发射的激光束而得以实现。
下面将参照附图27对上述的激光焊接技术予以详细描述。
一个贵金属片45焊接在一个接地电极40上。所述接地电极40的一端焊接在一个金属壳体(未示出)上。
通过环绕所述贵金属片45以及所述接地电即40之一侧面43之间的一交界面发射激光束LZ，一熔融部44(也称作焊接熔核)形成，所述贵金属片45得以焊接于所述接地电极40上。
在附图中，θL表示所述侧表面43以及所述每一激光束LZ发射方向之间的夹角(在下面也被称作一发射角)。在下面的描述中，LZ也表示所述激光束LZ得以发射的激光发射路径。
所述激光束LZ的发射在所述接地电极40被焊接于所述金属壳体之后但是未弯曲前实施。
如图所示，在所述金属片位于所述贵金属片45的左侧时，为了消除所述激光束LZ对所述金属壳体的影响，所述发射角θL需加大，以使得所述激光束LZ越过所述金属壳体而照射至所述侧表面43上。但是，加大的发射角θL将导致由所述激光束LZ沿所述贵金属片45之径向照射至所述接地电极40而熔融的所述贵金属片45之深度DW的减少，从而导致所述贵金属片45以及所述接地电极40之交界面上的未熔融区域所不期望的增大。
在现代的发动机中，为了增加动力输出并且减少燃料消耗及其尾气排放，可燃气氛的温度升高。在这种类型的发动机中，火花塞承受高温，因而所述中心电极以及接地电极的温度大幅度地增加。所述电极因此受到一热应力以及氧化作用，这将导致所述贵金属片由所述中心以及接地电极移动。特别地，由于所述接地电极将较述中心电极而言更加暴露于燃烧室中，所以所述接地电极的这一问题更加严重。
正如上述的公开文本中所披露的，所述火花塞之所述贵金属片45由所述侧表面43伸出部分的长度t相当地短。长度t的减少会导致所述熔融部分44达到一个火花放电面45a，从而使得所述熔融部分44较所述贵金属片45更快地磨损，在最坏的情况下，其将导致所述贵金属片45与所述接地电极40分离。
为了避免上述的问题，US-2001/01105254A1教导了一种激光焊接技术，该技术能够减少发射角θL，从而增大所述贵金属片45的熔融深度DW。准确地说，所述发射角θL的减少使得一熔融角被设置成小于60°。所述熔融角是通过所述熔融部44且沿其最大深度延伸之一直线与所述接地电极40之所述侧表面43之间的夹角。这将导致所述贵金属片45以及所述接地电极40之交界面上的未熔融部分尺寸的减少，从而确保所述贵金属片45以及所述接地电极40在一高温燃烧空气中连接的可靠性。
在后一文献中所教导的激光焊接技术具有如下的缺陷，所述金属壳体将构成对所述激光束传送的阻碍，从而导致在所述贵金属片45以及所述接地电极40之交界面的整个圆周上焊接的困难。因此所述火花塞在所述贵金属片45被焊接至所述接地电极40之所述侧表面43上的情形下被装配，随后所述接地电极40被焊接至所述金属壳体上。然而这种装配方式将导致所述火花塞产量的降低。准确地说，安装于所述接地电极40上的贵金属片45妨碍所述接地电极40往所述金属壳体上的焊接，其将导致所述火花塞生产成本的加大。在最坏的情况下，当所述接地电极40被卡紧时，所述贵金属片45有可能断裂。
发明内容
因此，本发明的一个最主要的目的是避免现有技术的缺陷。
本发明的另一目的是提供一种火花塞，该火花塞之结构的设计能够在不降低火花塞产量的情况下改善贵金属片与接地电极焊接的可靠性，本发明还提供了所述火花塞的生产方法。
为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种可供汽车发动机使用的具有较高寿命以及产率的火花塞。所述火花塞包括(a)一个金属壳体；(b)一个中心电极，所述中心电极位于所述金属壳体内，其一顶部由所述金属壳体伸出，一个贵金属片激光焊接至所述顶部；(c)一个接地电极，所述接地电极具有一个第一端部，一个第二端部以及一个位于所述第一端部以及所述第二端部之间的中间部分，所述第一端部与所述金属壳体焊接在一起，所述第二端部具有一个其上激光焊接有一个贵金属片的中心电极相对面，所述中间部分弯曲以使得所述贵金属片通过一个放电间隙与所述中心电极的所述贵金属片相对；以及(d)环绕所述贵金属片和所述接地电极之所述中心电极相对面之间的一交界面形成的熔融部。所述熔融部在所述贵金属片和所述接地电极之间产生焊缝，并且所述焊缝通过环绕所述贵金属片和所述接地电极之所述中心电极相对面之间的一交界面发射的激光束熔融的所述贵金属片以及所述接地电极而形成。
所述接地电极之所述贵金属片具有一给定的长度，并且沿纵向由所述中心电极相对面向所述中心电极伸出0.3毫米或更多。
如果通过所述每一熔融区域之横截面的中心向所述接地电极之所述贵金属片内延伸，即通过所述贵金属片和所述接地电极之所述中心电极相对面之间的所述交界面的一直线被定义为一熔融部分横截面中心线，同时由所述弯曲前的接地电极上的所述贵金属片沿与所述金属壳体之宽度方向相对的方向向所述金属壳体边缘延伸的两条直线、即在所述接地电极之所述中心电极相对面上的直线间的夹角被定义为θ1，则所述熔融部分横截面中心线位于所述角度θ1的范围之外。
如果垂直于所述接地电极之所述贵金属片之长度方向的最靠近所述熔融部分的所述接地电极之所述贵金属片的横截面面积被定义为A，同时沿所述贵金属片和所述接地电极之所述中心电极相对面之间的交界面的所述接地电极之所述贵金属片的未熔融部分的横截面面积被定义为B，则未熔融部分截面面积的百分比，即截面面积B占截面面积A的百分比为50％或更少。
所述角度θ1表示在所述接地电极安装于所述金属壳体之后且弯曲之前，所述金属壳体阻碍所述激光束传送的范围。所述激光束照射于所述角度θ1之外，不会对所述金属壳体产生任何光学干涉。这就使得所述每一激光束所在的方向和所述中心电极相对面之间的夹角最小化，而与所述金属壳体无关，从而使得所述贵金属片之所述熔融部分的预期深度得以确保。
通过实验已经发现，在所述贵金属片的长度为0.3毫米或更大的情况下，所述未熔融部分的截面面积百分比为50％或更少可以确保所述贵金属片以及所述接地电极之间所期望的可靠连接。
在本发明的最佳实施方式中，两个通过所述角度θ1彼此紧邻的熔融部分截面中心线之间的夹角θ2大于角度θ1。这意味着所有的熔融部分截面中心线位于所述角度θ1的范围之外。
如果通过所述接地电极之所述贵金属片的横向剖面的一中心O沿平行于所述接地电极之纵向中心线延伸的一直线被定义为x，则通过所述角度θ1彼此紧邻的两个熔融部分截面中心线与所述直线x的至少一个交叉点较所述横向剖面的所述中心O更接近所述接地电极的所述第一端部。准确地说，绕靠近所述金属壳体的所述贵金属片的周部形成许多熔融部。这就导致所述贵金属片之未熔融部分截面面积B减少，因此使得所述贵金属片以及所述接地电极之间连接的可靠性增强。
如果所述接地电极之所述贵金属片在与通过角度θ1彼此紧邻的两个熔融部分截面中心线垂直方向上的一个较大的宽度被定义为D1，则通过角度θ1彼此紧邻的两个熔融部分截面中心线中较所述横向剖面的所述中心O更接近所述接地电极之所述第一端部的一条中心线与通过所述横向剖面之所述中心O且平行于所述两个熔融部分截面中心线之一的一条直线之间的间隔L1是所述宽度D1的0.5倍或更小。这就避免了由于激光束造成的燃烧所带来的熔融部之所不期望凹痕的形成。我们已经发现，当所述间隔L1是所述宽度D1的0.5倍或更大时，所述激光束照射至体积上较小的所述贵金属片的周边部，从而使其很容易熔融并消失，并因此形成凹痕。
所述中心电极的所述贵金属片由在重量上包含50％或更多的铱的铱合金制成。所述接地电极的所述贵金属片由在重量上包含50％铂的铂合金制成。所述接地电极的所述贵金属片通常承受更大的造成磨损的氧化/挥发作用。所述铂合金有较大的抗氧化以及挥发作用的性能，并且适于用作所述贵金属片45。这将导致所述火花塞之使用期限大幅度的增加。
如果沿与所述中心电极之所述贵金属片之长度方向垂直的横向剖面的面积被定义为A1，沿与所述接地电极之所述贵金属片之长度方向垂直的横向剖面的面积被定义为A2，则所述每一横向剖面的面积A1及A2在0.1-1.15平方毫米之间。当所述横向剖面的面积A1及A2小于0.1平方毫米时，其将导致热传递大幅的降低，进而导致所述贵金属片的温度急剧上升。这将造成所述贵金属片过度的磨损或燃料的预燃。相反，当所述横向剖面的面积A1及A2大于1.15平方毫米时，其将导致燃料的可燃性降低。这是由于所述贵金属片使得火焰中心在发展期间受到冷却，从而减缓了所述火焰中心的扩大。
所述中心电极以及所述接地电极之所述每一贵金属片可以由铱，铂，铑，镍，钨，钯，钌，锇，铝，钇以及三氧化二钇中的一种作为一添加物的一材料制成。
所述未熔融部截面面积的百分比最好为30％或更少。
按照本发明的另一方面，其提供了一种生产火花塞的方法，其中所述火花塞包括(a)一个金属壳体，以及(b)一个中心电极，所述中心电极位于所述金属壳体内，其一顶部由所述金属壳体伸出，一个贵金属片激光焊接至所述顶部；(c)一个接地电极，所述接地电极具有一个第一端部，一个第二端部以及一个位于所述第一端部以及所述第二端部之间的中间部分，所述第一端部与所述金属壳体焊接在一起，所述第二端部具有一个其上激光焊接有一个贵金属片的中心电极相对面，所述中间部分弯曲以使得所述贵金属片通过一个放电间隙与所述中心电极的所述贵金属片相对。所述方法包括将其上具有所述贵金属片的所述接地电极与所述金属壳体焊接在一起；将激光束发射至所述贵金属片和所述接地电极之所述中心电极相对面之间的一交界面上，从而形成熔融部，所述熔融部在所述贵金属片和所述接地电极之间产生焊缝并且由所述贵金属片以及所述接地电极之材料的共同熔融而形成；以及使所述接地电极弯曲，以使得所述贵金属片通过一放电间隙与所述中心电极之所述贵金属片面对。
如果由所述弯曲前的接地电极上的所述贵金属片沿与所述金属壳体之宽度方向相对的方向向所述金属壳体边缘延伸的两条直线、即在所述接地电极之所述中心电极相对面上确定的两条直线间的夹角被定义为θ1，则所述激光束发射的激光发射路径位于所述角度θ1的范围之外。
如上所述，所述角度θ1表示在所述接地电极安装于所述金属壳体之后且弯曲之前，所述金属壳体阻碍所述激光束传播的范围。所述激光束在所述角度θ1之外发射，不会对所述金属壳体产生任何光学干涉。这就使得所述每一激光束所在的方向和所述中心电极相对面之间的夹角最小化，而无需考虑所述金属壳体，从而使得所述贵金属片之所述熔融部分的预期深度得以确保。
在本发明的最佳实施方式中，如果所述每一激光发射路径在弯曲前的所述接地电极之所述中心电极相对面上的投影线被定义为一激光路径投影线，并且通过所述角度θ1彼此紧邻的两条激光路径投影线之间的夹角被定义为θ3，则角度θ3大于角度θ1。
如果所述每一激光发射路径在弯曲前的所述接地电极之所述中心电极相对面上的投影线被定义为一激光路径投影线，并且通过所述接地电极之所述贵金属片的一横向剖面的一个中心O沿与所述接地电极之一纵向中心线平行的方向延伸的一直线被定义为x，则通过角度θ1彼此紧邻的两条激光路径投影线与所述直线x的至少一个交叉点较所述横向剖面的所述中心O更接近所述接地电极的所述第一端部。
如果所述接地电极之所述贵金属片在与通过角度θ1彼此紧邻的两条激光路径投影线垂直方向上的一个较大的宽度被定义为D2，则通过角度θ1彼此紧邻的两条激光通道投影线中较所述横向剖面的所述中心O更接近所述接地电极之所述第一端部的一条投影线与通过所述横向剖面之所述中心O平行于所述两条激光通道投影线之一而延伸的一直线之间的间隔L2是所述宽度D1的0.5倍或更小。
所述中心电极的所述贵金属片由在重量上包含50％或更多的铱的铱合金制成。所述接地电极的所述贵金属片由在重量上包含50％铂的铂合金制成。如果沿与所述中心电极之所述贵金属片之长度方向垂直的横向剖面的面积被定义为A1，沿与所述接地电极之所述贵金属片之长度方向垂直的横向剖面的面积被定义为A2，则所述每一横向剖面的面积A1及A2在0.1-1.15平方毫米之间。
所述中心电极以及所述接地电极之所述每一贵金属片可以由铱，铂，铑，镍，钨，钯，钌，锇，铝，钇以及三氧化二钇中的一种作为一添加物的一种材料制成。
通过下面更详细的描述以及本发明最佳实施例的附图，可以对本发明有更为全面的理解，但是下面的最佳实施例不应看作是对本发明的一个限制，而只是起到解释以及理解的目的。
在附图中附图1是按照本发明第一实施例之一火花塞的局部剖视图；附图2是附图1所述火花塞之一接地以及中心电极的一端部的放大视图；附图3(a)是将被焊接至一接地电极上的一贵金属片的侧视图；附图3(b)是附图3(a)的平面视图；附图4(a)是将通过传统的激光焊接方法焊接至一接地电极上的一贵金属片的侧视图；附图4(b)是附图4(a)的平面视图；附图5(a)是沿附图5(b)线B′-B′的垂直剖视图，其示出了一贵金属片以及一接地电极之间的焊接；附图5(b)是沿附图5(a)线A′-A′的横截面视图；附图6(a)是沿附图6(b)线D-D的垂直剖视图，其示出了当熔融部到达所述接地电极之火花放电面时的一贵金属片以及一接地电极之间的焊接；附图6(b)是沿附图6(a)线C-C的横向剖面图；附图7示出了在所述贵金属片以及所述接地电极之间的一焊缝处的所述接地电极上的一贵金属片的长度与一未熔融区域面积之百分比之间的关系的图表；附图8是在一贵金属片以及一接地电极之间形成的激光熔融部尺寸的放大视图；附图9示出了一贵金属片以及一接地电极之间的一交界面的分离百分比以及一未熔融截面面积百分比之间的关系的图表；附图10示出了照射至一贵金属片上的激光束的方向的顶视图；
附图11(a)是沿附图11(b)线F-F的纵向剖视图，其示出了在本发明的第二实施例中一个将被焊接至一接地电极上的贵金属片；附图11(b)是沿附图11(a)线E-E的横向剖面图；附图12是表示一激光通道投影线间隔以及一金属片宽度之间关系的图表；附图13(a)是在一贵金属片以及一接地电极之间的一焊缝处形成的一凹痕的局部剖视图；附图13(b)是在一贵金属片以及一接地电极之间的一焊缝的局部剖视图，在其间未形成凹痕；附图14(a)示出了按照第二实施例之第一变形将通过激光焊接方法焊接至一接地电极上的一个贵金属片的侧视图；附图14(b)是附图14(a)的平面视图；附图14(c)是已焊接至所述接地电极上的附图14(a)之贵金属片的侧视图；附图14(d)是附图14(c)的平面视图；附图15(a)示出了按照第二实施例之第二变形将通过激光焊接方法焊接至一接地电极上的一个贵金属片的侧视图；附图15(b)是附图15(a)的平面视图；附图15(c)是已焊接至所述接地电极上的附图15(a)之贵金属片的侧视图；附图15(d)是附图15(c)的平面视图；附图16(a)示出了按照第二实施例之一改进的结构将通过激光焊接方法焊接至一接地电极上的一个贵金属片的侧视图；附图16(b)是附图16(a)的平面视图；附图16(c)是已焊接至所述接地电极上的附图16(a)之贵金属片的侧视图；附图16(d)是附图16(c)的平面视图；
附图17(a)示出了按照第一实施例之一改进结构将通过激光焊接方法焊接至一接地电极上的一个贵金属片的侧视图；附图17(b)是附图17(a)的平面视图；附图17(c)是已焊接至所述接地电极上的附图17(a)之贵金属片的侧视图；附图17(d)是附图17(c)的平面视图；附图18(a)示出了按照第一实施例之一改进结构将通过激光焊接方法焊接至一接地电极上的一个贵金属片的侧视图；附图18(b)是附图18(a)的平面视图；附图18(c)是已焊接至所述接地电极上的附图18(a)之贵金属片的侧视图；附图18(d)是附图18(c)的平面视图；附图19(a)示出了按照第一实施例之一改进结构将通过激光焊接方法焊接至一接地电极上的一个贵金属片的侧视图；附图19(b)是附图19(a)的平面视图；附图19(c)是已焊接至所述接地电极上的附图19(a)之贵金属片的侧视图；附图19(d)是附图19(c)的平面视图；附图20(a)示出了按照第一实施例之一改进结构将通过激光焊接方法焊接至一接地电极上的一个贵金属片的侧视图；附图20(b)是附图20(a)的平面视图；附图20(c)是已焊接至所述接地电极上的附图20(a)之贵金属片的侧视图；附图20(d)是附图20(c)的平面视图；附图21是激光焊接之一改进结构的顶视图；附图22(a)是第一实施例之一火花塞一改进结构的顶视图；附图22(b)是第一实施例之一火花塞另一改进结构的顶视图；
附图23是一接地电极内部结构的一种变形的局部剖视图附图24是一接地电极内部结构之另一种变形的局部剖视图；附图25是一接地电极另一种变形的局部剖视图；附图26(a)示出了具有辅助接地电极的一火花塞的一种变形的局部侧视图；附图26(b)是沿附图26(a)箭头G看的一个局部侧视图；以及附图27是按照传统的激光焊接方法在一个贵金属片以及一个接地电极之间产生的一焊缝的局部纵向剖视图。
具体实施例方式
参见附图，其中相同附图标记表示相同的部件，在附图1中，其示出了可用于车辆内燃机的一个火花塞100。
所述火花塞100包括一个中空的圆柱形金属壳体10，一个陶瓷绝缘子20，一个中心电极30以及一个接地电极40。所述金属壳体10由诸如一低碳钢的导电钢制造而成，并且形成有一螺纹11，用以将所述火花塞100安装至构成内燃机之燃烧腔的气缸头的一个火花塞孔中。由一种氧化铝陶瓷制成的所述陶瓷绝缘子20位于所述金属壳体10中，并且具有一个外露于所述金属壳体10的端部21。
所述中心电极30安装于所述陶瓷绝缘子20之一中心腔22内，并且与所述金属壳体10电绝缘。所述中心电极30具有一个由所述陶瓷绝缘子20之所述端部伸出的一个端部31。所述中心电极30由一圆柱形部件形成，所述圆柱形部件由一中心部以及一外部构成，所述中心部由诸如铜的具有较高热导率的金属材料制成，所述外部由诸如镍基合金的具有较高热阻及耐腐蚀性的金属材料制成。
所述接地电极40由主要成份为镍的一种镍合金制成的棱状电极构成，并且其一基部42直接焊接于所述金属壳体10的一端。正如附图2所清楚示出的，所述接地电极40弯曲成一L形，从而使得一端部41通过一个火花间隙50在其一内侧面43面对所述中心电极30的所述端部31。
所述贵金属片35和45分别激光焊接至所述中心电极30之所述端部31的一个端面以及所述接地电极40之内侧面43。所述激光焊接导致熔融部34以及44的形成。所述每一熔融部34通过所述中心电极30以及所述贵金属片35之材料的共同熔融而形成。类似的，所述每一熔融部44通过所述接地电极40以及所述贵金属片45之材料的共同熔融而形成。
所述每一贵金属片35以及45由一圆柱形部件构成，并且其一端激光焊接至相应的中心电极30或接地电极40上。所述贵金属片35以及45与所述火花塞100之纵向中心线C成一直线。所述火花间隙50由所述贵金属片35及45之间的间隔确定，例如为1毫米。
所述每一贵金属片35以及45由诸如铂，铂合金，铱或铱合金的贵金属制成。例如，包括铱，铂，铑，镍，钨，钯，钌，锇，铝，钇以及三氧化二钇至少一种添加物的合金可以被采用。
本实施例所用的所述中心电极30之所述贵金属片35最好由重量上包括50％铱的铱合金制成，并且沿与所述纵向中心线C(即所述贵金属片35之长度方向)垂直的一个横向剖面的面积A1为0.1-1.15平方毫米。
本实施例所用的所述接地电极40之所述贵金属片45最好由重量上包括50％铂的铂合金制成，并且沿与所述纵向中心线C(即所述贵金属片34之长度方向)垂直的一个横向剖面的面积A2为0.1-1.15平方毫米。
如附图2所示，由所述接地电极40之所述内侧面43向所述中心电极30伸出的所述贵金属片45的伸出量或纵向长度t为0.3毫米或更大。
贵金属片的连接如上所述，所述火花塞100包括中心电极30以及接地电极40，所述中心电极位于所述金属壳体10中，其所述端部31外露于所述金属壳体10并且具有通过激光焊接方法焊接至所述端部31的圆柱形贵金属片35，所述接地电极40的所述基部42焊接于所述金属壳体10上，其中部弯曲以使得所述端部41通过所述火花间隙50与所述中心电极30面对，并且具有通过激光焊接方法焊接至所述端部41的圆柱形贵金属片45。
所述火花塞100可以采用一公知的方式生产，但是在本实施例中，所述贵金属片45与所述接地电极40之所述端部41的连接采用下面将要予以详述的一种独特的激光焊接技术得以实现。
所述贵金属片35首先通过激光焊接至所述中心电极30的所述端部31。所述中心电极30插入所述陶瓷绝缘子20之所述中心腔22中，并且使用例如熔融玻璃与其相连，从而使得所述中心电极30与所述陶瓷绝缘子20得以连接。接着，所述接地电极40之所述基部42焊接至所述金属壳体10的端部，随后所述中心电极30以及所述陶瓷绝缘子20的组装件被插入所述金属壳体10中。所述金属壳体10呈弯曲状以与所述陶瓷绝缘子20结合。
当所述接地电极40被焊接至所述金属壳体10上时，其如附图1及附图2所示在所述基部42以及所述端部41之间保持垂直延伸而未弯曲。在所述陶瓷绝缘子20被安装于所述金属壳体10上之后，但是在所述接地电极40弯曲之前，所述贵金属片45被放置并通过下面将要描述的激光焊接技术焊接至所述接地电极40之所述内侧面43。然后，所述接地电极40弯曲直至所述火花间隙50达到一预期值，从而完成所述火花塞100的装配。
附图3(a)及附图3(b)示出了在本实施例中如何通过激光焊接连接所述贵金属片45及所述接地电极40。附图4(a)及附图4(b)作为一相比较的实例，示出了一个用于连接所述贵金属片45与所述接地电极40的传统的激光焊接技术。附图3(b)以及附图4(b)分别是附图3(a)以及附图4(a)的顶视图。
在附图3(a)、附图3(b)以及附图4(a)、附图4(b)所示的任何一种情形中，在所述接地电极40被焊接于所述金属壳体10上之后，所述贵金属片45的一端被放置于垂直延伸的所述接地电极40之所述内侧面43上。随后，所述激光束LZ照射至所述贵金属片45以及所述内侧面43之间的一个交界面上以熔融所述贵金属片45以及所述内侧面43的接触部分。如附图2所示，这将导致由所述贵金属片45以及所述内侧面43材料的共同熔融而构成的所述熔融部44(也称作焊接熔核)的形成。
在附图3(a)以及附图4(a)中，θL表示所述每一激光束LZ传播的路径(下面也称作激光照射路径)与所述接地电极40之所述内侧面43之间的夹角。所述角度θL在下面也将被称作一个照射角。在下面的描述中，符号“LZ”将用于表示激光束本身以及所述激光照射路径。
在附图3(b)中，由所述贵金属片45以及所述内侧面43之间的所述交界面向所述金属壳体10之所述侧边缘延伸的两条虚线在所述接地电极40之所述内侧面43上的投影线之间的夹角被定义为θ1。
正如附图3(b)所清楚示出的，所述照射路径LZ位于所述角度θ1的范围之外。准确地说，所述激光束LZ由所述角度θ1之外照射至所述贵金属片45与所述接地电极40之所述交界面。在本实施例中，这是将所述贵金属片45与所述接地电极40相连的一个基本的特征。
换言之，所述角度θ1是一个阻碍范围，在该范围内，当所述垂直延伸的接地电极40被焊接至所述金属壳体10上时，所述金属壳体10阻碍所述激光束LZ的传播。因此，将所述发射路程LZ设置于所述角度θ1的范围之外可使得所述激光束LZ在不与所述金属壳体10产生任何光学干涉的情况下照射至所述贵金属片45上。这就使得所照述射路径LZ与所述接地电极40之所述内侧面43之间的照射角θL最小化，而无需考虑所述金属壳体10。这也使得由于激光束沿所述贵金属片45之半径方向照射至所述接地电极40上而熔融的所述贵金属片部分的深度(即一焊接熔核)最大化。
正如附图4(a)及附图4(b)所示，在传统的激光焊接中，所述激光束LZ以规定的间隔环绕所述贵金属片45的圆周照射。在附图4(b)所示的情形中，八条激光束LZ以45°的间隔发射，因此所述一条激光束LZ位于角度θ1的范围之内。这就要求所述照射角θL增大以使得在所述角度θ1范围内的所述激光束LZ可以越过所述金属壳体10而照射至所述贵金属片45上。
准确地说，如附图4(a)所示，如果由所述金属壳体10之外边缘向所述接地电极40之所述内侧面43与所述贵金属片45之间的所述交界面延伸的一直线与所述内侧面43的夹角被定义为θ，则传统的激光焊接技术将照射角θL设置成大于所述角度θ(即θL＞θ)，因此使得所述激光束LZ越过所述金属壳体10而照射至所述接地电极40之所述内侧面43上。另一方面，正如附图3(a)所能看见的，本实施例所采用的激光焊接技术允许所述照射角θL小于所述角度θ，因此使得由所述每一激光束LZ沿所述贵金属片45之半径方向照射至所述接地电极40上而熔融的所述贵金属片部分45的一预期深度(即一焊接熔核)得以确保。
下面将对本实施例所采用的激光焊接技术予以描述。
如果所述激光照射路径LZ在未弯曲的所述接地电极40之所述内侧面43之沿展面上的投影线被定义为一激光路径投影线LZ，则如附图3(b)所示最接近所述金属壳体10的两条相邻的激光路径投影线LZa及LZb之间的夹角θ3被设定成大于所述角度θ1。这就允许所述激光束LZ以小于所述角度θ的例如20°的所述照射角θL照射于所述贵金属片45上，因此正如已经描述的，其可以使得由所述每一激光束LZ沿所述贵金属片45之半径方向照射至所述接地电极40上而熔融的所述贵金属片部分的深度(即一焊接熔核)最大。这将导致在所述贵金属片45以及所述接地电极40之所述内侧面43之间的所述交界面上的所述未熔融区域的面积减少，进而增强了所述贵金属片45以及所述接地电极40之间连接的可靠性。
附图3(a)以及附图3(b)是本实施例之所述激光焊接的一个实例。正如下面所述，将被使用的所述激光束LZ的数量以及所述激光束LZ照射的方式可根据需求而变化。
所述激光束LZ可以按顺序由相同的方向发射至所述贵金属片45上，同时所述组装在一起的所述接地电极40以及所述金属壳体10在一平面上绕所述贵金属片45之一纵向中心线旋转。另外，所述激光束LZ可以由不同的方向照射至固定放置的所述贵金属片45上。
正如由上面的描述可明显看出的，本实施例之激光焊接方法可以使得所述贵金属片45被焊接至已经与所述金属壳体10相连的所述接地电极40上，而不会影响所述贵金属片45与所述接地电极40焊接的可靠性。这就消除了在所述接地电极40与所述金属壳体10连接之前需将所述贵金属片45焊接至所述接地电极40上的需求。
接地电极金属片之焊接结构下面将参照附图5(a)及附图5(b)对由上述激光焊接技术形成的所述贵金属片45之焊接结构予以描述。
附图5(a)是沿附图5(b)线B′-B′的垂直剖视图。附图5(b)是沿附图5(a)线A′-A′的横截面视图。
附图5(b)示出了沿所述贵金属片45与所述接地电极40之所述内侧面43之间的所述交界面延伸的横截面。虚线表示通过激光焊接熔融前的所述贵金属片45以及所述接地电极40之所述内侧面43部分的轮廓。
在下面的描述中，附图5(b)中沿所述贵金属片45以及所述接地电极40之所述内侧面43的熔融交界面的、通过所述熔融部分44之横截面中心并且向所述贵金属片45之内部定向的每一点划线被称作一焊接熔核中心线。在附图5(b)的实例中，所述每一熔融部44的横截面为一椭圆形。因此所述每一焊接熔核中心线与所述椭圆之一纵轴线共线。
如附图3(b)所示，所述每一焊接熔核中心线沿一相应的激光路径投影线LZ延伸。所述焊接熔核中心线与所述激光路径投影线LZ的方位实际上是相同的。换言之，附图3(b)中的所述激光路径投影线LZ与附图5(b)中的所述焊接熔核中心线在布局上是一样的。
如上所述，所述激光路径投影线LZ位于附图3(b)中在所述接地电极40之所述基部42一侧形成的所述角度θ1的范围以外。因此所述焊接熔核中心线也位于所述角度θ1的范围以外。
如附图3(b)所示的最接近所述金属壳体10的两条相邻的激光路径投影线LZa及LZb之间的夹角θ3如上所述被设定成大于角度θ1。因而，如附图5(b)所示的最接近所述金属壳体10的两条相邻的焊接熔核中心线46a及46b之间的夹角θ2大于角度θ1。在附图5(b)所示的实例中，所述角度θ2实际上与所述角度θ3相等。
准确地说，通过角度θ1且彼此紧邻的两条焊接熔核中心线之间没有焊接熔核中心线。在附图5(b)的实例中，所述七条焊接熔核中心线位于所述角度θ1的范围之外。
因此，如上所述，所述发射路径LZ在所述角度θ1范围以外的设置使得所述激光束LZ在不对所述金属壳体10产生任何光学干涉的情况下照射至所述贵金属片45上。
由所述接地电极40之所述内侧面43伸出的所述接地电极贵金属片45之所述纵向长度t为0.3毫米或更大。
在下面的描述中，正如附图5(a)所示，最接近所述熔融部44的所述贵金属片45之一横向剖面的面积被定义为A(下面将称作最接近熔融部的横截面面积)。在所述贵金属片45以及所述接地电极40之所述内侧面43之间的交界面(即沿线A′-A′的横截面)上产生一个未熔融部，正如附图5(b)所清楚示出的，其是所述贵金属片45未与所述接地电极40之所述内侧面43熔融的一部分。所述未熔融部的一个横截面的面积被定义为B。
在本实施例中，所述未熔融部之横截面的面积B在如附图5(b)虚线所示的所述贵金属片45之最接近熔融部的横截面面积A的范围内的百分比C(下面也被称作未熔融横截面面积百分比)为50％或更少，最好为30％(即，C＝100B/A％≤50％)。
通过实验已经发现，导致一未熔融横截面面积百分比为50％或更少的所述熔融部44的尺寸确保所述接地电极40以及具有0.3毫米或更大之纵向长度t的所述贵金属片45之间连接的可靠性。其根据将在下面参照附图7予以描述。
所述纵向长度t的一个期望值可以在所述贵金属片45未焊接至所述接地电极40之前通过对其长度的选择而得到。所述未熔融横截面面积百分比C可通过选择所述激光束LZ的发射条件而得到。
实际上，所述贵金属片45与所述接地电极40的连接是在接地电极40焊接到金属壳体使之后，通过将所述贵金属片45点焊至所述内侧面43并且在下面的三个条件下围绕所述贵金属片45以及所述内侧面43之间的所述交界面发射所述激光束LZ而得以实现。
第一个条件是所述激光照射路径LZ位于所述角度θ1的范围之外，其中所述角度θ1是如附图3(b)所示的由所述贵金属片45以及所述内侧面43之间的所述交界面向所述金属壳体10之所述侧边缘延伸的两条虚线在所述接地电极40之所述内侧面43上的投影线之间的夹角。
第二个条件是由所述接地电极40之所述内侧面43伸出的所述贵金属片45之所述纵向长度t为0.3毫米或更大。所使用的贵金属片的初始长度为3毫米或更大可使这一条件得以满足。
第三个条件是所述未熔融部分横截面面积B在所述贵金属片45之最接近熔融部的横截面面积A的范围内所占的百分比C为50％或更少。
下面将参照附图6(a)以及附图6(b)对由所述接地电极40之所述内侧面43伸出的所述贵金属片45之所述纵向长度t为0.3毫米或更大的原因予以描述。
附图6(a)是沿附图6(b)线D-D的纵向剖视图，其示出了所述贵金属片45以及所述接地电极40之连接的内部结构，此时所述熔融部44延伸至与所述中心电极30之所述贵金属片35面对的所述贵金属片45之一个火花放电面45a(即一上端面)。附图6(b)是沿附图6(a)线C-C的横向剖视图，其示出了所述贵金属片45以及所述接地电极40之所述内侧面43之间的所述交界面。在附图6(a)以及附图6(b)中，虚线表示所述贵金属片45以及所述接地电极40之所述内侧面43焊接在一起之前的外廓。
所述火花放电面45a具有一个未熔融区45b，所述未熔融区位于所述熔融部44之外，即未受到激光焊接。通常，所述熔融部44较所述贵金属片45之一未焊接部对火花更敏感，因此这将造成抗磨损性的降低。因而，如果所述熔融部占据了所述火花放电面45a的至少一部分，其将导致所述熔融部44较所述贵金属片45之所述未焊接部的磨损程度更大，在最坏的情况下，其将造成所述贵金属片45的移动。因此，所述未熔融区45b占据整个所述火花放电面45a是比较合理的。换言之，在所述贵金属片45被激光焊接至所述接地电极40之前，所述未熔融区45b在所述所述火花放电面45a范围内所占面积的百分比[(即所述未熔融区45b的面积/激光焊接前所述火花放电面45a的面积)*100]最好为100％。所述面积百分比在下面也被称作一个未熔融面积百分比。
附图7是以下面的方式实验测得的所述贵金属片45之纵向长度t以及所述未熔融面积百分比之间的关系的图表。
我们准备了两种类型的火花塞样本。第一种类型的火花塞样本在本实施例的情况下承受激光焊接，因此所述角度θL小于所述角度θ1。所述样本在图表中由黑点表示。第二种类型的火花塞样本承受传统的激光焊接，因此所述角度θL大于所述角度θ1。所述样本在图表中由白点表示。
附图7之图表示出了对于第一以及第二种类型样本中的任何一个而言，所述未熔融区域(面积)百分比随着所述贵金属片45之纵向长度t的增大而增大，因此导致所述贵金属片45抗磨损性能的增强，并且当所述纵向长度为0.6毫米或更大时，所述承受传统激光焊接的第二种类型火花塞样本具有一个100％的未熔融面积百分比，而当所述纵向长度为0.3毫米或更大时，所述承受本实施例之激光焊接的第一种类型火花塞样本具有一个100％的未熔融面积百分比。
当所述未熔融面积百分比为100％时，即当所述熔融部44未占据所述火花放电面45a时，所述贵金属片45具有一最大的抗磨损性。因此，从抗磨损性的角度而言，所述承受传统激光焊接的第二种类型火花塞样本之所述纵向长度最好为0.6毫米或更大，而所述承受本实施例之激光焊接的第一种类型火花塞样本之所述纵向长度最好为0.3毫米或更大。
我们已经发现，如果所述纵向长度t较短，则本实施例之火花塞的抗磨损性高于所述传统火花塞的抗磨损性。所述纵向长度t的增大将导致所述火花塞100之制造成本的增大。因此从抗磨损性以及制造成本的角度考虑，本实施例之激光焊接技术是最佳的。
基于上述的原因，所述火花塞100之所述贵金属片45的纵向长度为0.3毫米或更大。
下面将对所述未熔融区域面积百分比C被设置成小于或等于50％的理由予以描述。
我们准备了所述贵金属片45以及所述接地电极40之间的焊接尺寸不同的几个火花塞样本，并且使用一6缸排量为2000毫升的发动机进行了寿命试验。
所述每一火花塞样本安装于所述发动机上。所述发动机怠速1分钟，随后以6000转/分种的全速转动1分钟。这一循环重复100小时。在寿命试验之后，我们根据所述贵金属片45以及所述每一熔融部44之间的一个交界面分离部分百分比(下面也称作一贵金属片熔融部分分离百分比)以及所述每一熔融部分44以及所述接地电极40之间的一个交界面分离部分百分比(下面也称作一熔融部分-电极分离百分比)评估所述火花塞样本的寿命。
所述贵金属片熔融部分分离百分比用{(b1+b2)/(a1+a2)}*100(％)表示。所述熔融部分-电极分离百分比用{(d1+d2)/(c1+c2)}*100(％)表示。如附图8所示，a1以及a2表示所述熔融部分44以及所述贵金属片45之间的所述交界面的长度。c1以及c2表示所述熔融部分44以及所述接地电极40之所述内侧面43之间的所述交界面的长度。b1、b2、d1及d2表示所述相应的交界面之分离部分的长度。所述分离部分的长度及其形状可以通过一金相显微镜而观察。所述贵金属片熔融部分分离百分比以及所述熔融部分—电极分离百分比中较大的一个百分比被选作用于评估所述每一火花塞之接地电极40以及所述贵金属片45之间的焊接强度或寿命。
附图9表示所述未熔融区域面积百分比以及所述分离百分比对所述贵金属片45以及所述接地电极40之间的焊接的机械强度的影响。所述每一火花塞样本使用的贵金属片45由一直径为0.7毫米(在附图5(a)中所述熔融部分最接近横截面区域的面积A＝0.38毫米)、长度为0.8毫米的铂合金圆柱件制成。所述接地电极40采用诸如商标名为Inconel的镍基合金制造而成，其宽度为2.8毫米、厚度为1.6毫米。如附图3(a)所示的激光照射角θL为20°。
在附图9所示的图表中，纵座标轴表示分离百分比(％)。横座标轴表示未熔融区域面积百分比C。对于所述每一未熔融区域面积百分比C，我们采用四个火花塞样本。
由所述附图可见，所述未熔融区域面积百分比越小，所述分离百分比越小，当所述未熔融区域面积百分比为50％或更小时，所述分离百分比为30％或更小，并且所述分离百分比的变化很小。因此，很显然，当所述火花塞之所述未熔融区域面积百分比为50％或更小时，所述贵金属片45以及所述接地电极40之间的连接可靠性最佳。
由所述附图同时可见，当所述未熔融区域面积百分比超过50％时，所述分离百分比突然增大，并且所述分离百分比的变化也很大，这将导致所述贵金属片45以及所述接地电极40之连接可靠性大幅度地减小。这是由于当所述贵金属片45之所述未熔融部分的横截面的面积加大时，其作为一个热应力吸收器破坏所述熔融部44的活动。
本实施例之独特的特征可归纳如下所述火花塞100具有激光焊接至所述中心电极30以及所述接地电极40之所述相对面31以及43上的贵金属片35及45。由所述接地电极40之所述表面43伸出的所述贵金属片45的长度为0.3毫米或更大。所述贵金属片45以及所述接地电极40之间的连接通过所述激光束照射至所述贵金属片45以及所述接地电极40之所述内侧面43并形成熔融部44(即焊接熔核)而得以实现。所述焊接熔核中心线46位于所述角度θ1以外，所述角度θ1是如附图3(b)所示的由所述贵金属片45以及所述内侧面43之间的所述交界面向所述金属壳体10之所述侧边缘延伸的两条虚线在所述接地电极40之所述内侧面43上的投影线之间的夹角。所述未熔融区域面积百分比C为50％或更小。如附图5(b)所示的最接近所述金属壳体10的两条紧邻的焊接熔核中心线46a及46b之间的夹角θ2大于所述角度θ1。
准确地说，所述贵金属片45以及所述接地电极40之间的连接通过将所述贵金属片45点焊至所述内侧面43并且在所述接地电极40成直角弯曲而在所述贵金属片35以及45之间形成火花间隙50之前围绕所述贵金属片45以及所述内侧面43之间的所述交界面发射所述激光束LZ而得以实现。使得所述激光束得以传送的激光照射路径LZ位于所述角度θ1的范围之外。如附图3(b)所示的最接近所述金属壳体10的两条紧邻的投影线LZa及LZb之间的夹角θ3大于所述角度θ1。以这种方式所进行的激光焊接使得所述激光束在不对所述金属壳体10产生任何光学干涉的情况下照射并且使得由所述激光束照射至所述接地电极40而熔融的所述贵金属片45部分达到一所期望的深度。
如上所述，由所述接地电极40之所述内侧面43伸出的所述贵金属片45的纵向长度t2为0.3毫米或更大。所述未熔融区域面积百分比C为50％或更少。这使得所述贵金属片45以及所述接地电极40之间连接的可靠性得以确保。
本实施例之激光焊接在所述接地电极40与所述金属壳体10连接之后、但是未弯曲之前实施，因此使得所述火花塞100的生产率易于提高，所述贵金属片45以及所述接地电极40之连接的可靠性易于增强。
如上所述，所述中心电极30之所述贵金属片35由重量上含有50％铱的铱合金制造而成。所述接地电极40之所述贵金属片45由重量上含有50％铂的铂合金制造而成。所述贵金属片35沿与附图1中纵向中心线C垂直之方向的横向剖面的面积A1最好为0.1-1.15平方毫米。类似的，所述贵金属片45沿与附图1中纵向中心线C垂直之方向的横向剖面的面积A2最好为0.1-1.15平方毫米。其原因将在下面予以描述。
所述中心电极30之所述贵金属片35常常承受在所述火花间隙50内产生的火花所引起的较大的磨损。所述铱合金的熔点较高，因此用作所述贵金属片35所用的材料。所述接地电极40之所述贵金属片45常常承受引起磨损的氧化/挥发作用。所述铂合金具有一较高的抗氧化/挥发特性，因此用作所述贵金属片45所用的材料。这将导致所述火花塞100寿命大幅度地增加。
当所述贵金属片35以及45之横向剖面的面积A1以及A2小于0.1平方毫米时，其将导致热传递大幅度地减小，从而导致所述贵金属片35以及45止温度急剧上升。这将造成所述贵金属片35以及45过度磨损以及所述燃油预燃。相反，当所述贵金属片35以及45之横向剖面的面积A1以及A2大于1.15平方毫米时，其将导致燃油的可燃性降低。这是由于所述贵金属片35以及45使得火焰中心在发展其间受到冷却，从而减缓所述火焰中心的增大。
如上所述，所述每一贵金属片35以及45最好包括铱，铂，铑，镍，钨，钯，钌，锇，铝，钇以及三氧化二钇中的至少一种作为添加物。所述这种添加物的使用可以加强所述贵金属片35及45的抗磨损性及结构强度，从而降低了由于暴露于高温中所造成的破损程度。
下面将对本发明的第二实施例予以描述，该实施例对所述贵金属片45以及所述接地电极40之连接的可靠性作了进一步的改善。与所述第一实施例相同的附图标记表示相同的部件，并且其详细的描述在此也将省略。
附图10是一顶视图，其示出了位于弯曲前的所述接地电极40之所述内侧面43上并且承受第二实施例之激光焊接的贵金属片45。
在附图中，“LZ”与所述第一实施例相同，表示所述激光束得以传送的激光照射路径以及其在弯曲前的所述接地电极40之所述内侧面43投影的激光路径投影线。“O”表示所述接地电极40之所述贵金属片45的一横向剖面的中心。“x”表示经过所述中心O沿与所述接地电极40之纵向中心线平行的方向在所述基部42以及所述端部41之间延伸的一直线。“y”表示经过所述中心O且与所述直线x垂直的一直线。
本发明的特征在于位于所述角度θ1范围以外且紧邻的两条激光路径投影线(即Lza及LZb)与所述直线x在所述贵金属片45之纵向中心线的横断面上的至少一个交叉点较所述中心O更靠近所述接地电极40之所述基部42。
在附图10所示的实例中，所述激光路径投影线LZb与所述直线x的交叉点较所述中心O更靠近所述金属壳体10(即所述接地电极40之所述基部42)。
本实施例之激光焊接通过下面的方式完成。首先，所述接地电极40与所述贵金属片45以及所述金属壳体10组装在一起并且绕所述贵金属片45之所述纵向中心线转动。接着，所述激光束按顺序沿着与除激光路径投影线LZb外的七条激光路径投影线相对应的激光照射路径LZ照射至所述中心O。最后，所述组装件沿与所述最后一条激光照射路径LZ垂直的方向移动，从而在所述贵金属片45之所述横向剖面上形成向所述中心O定向的所述激光路径投影线LZb。所述激光束沿与所述激光路径投影线LZb相一致的所述激光照射路径LZ发射。
附图11(a)以及附图11(b)示出了通过上述的激光焊接技术形成的所述熔融部44(即，焊接熔核)。附图11(a)是沿附图11(b)线F-F的垂直剖视图。附图11(b)是沿附图11(a)线E-E的横向剖视图。
正如由附图中所能看见的，通过所述角度θ1的相邻的两条焊接熔核中心线46，即焊接熔核中心线46a及46b与所述直线x在垂直于所述接地电极40之所述内侧面43而延伸的所述贵金属片45之纵向中心线的横断面上的至少一个交叉点较所述中心O更靠近所述接地电极40之所述基部42。
准确地说，如附图11(b)所示，所述焊接熔核中心线46a以及46b中较低的一条，即所述焊接熔核中心线46b与所述直线x的所述交叉点K1较所述中心O更接近所述金属壳体10。换言之，所述交叉点K1较所述中心O更接近所述接地电极40之所述基部42。
与第一实施例相比，本实施例之激光焊接技术绕接近所述接地电极40之所述基部42的所述贵金属片45之圆周部形成许多熔融部44。这将导致所述贵金属片45之所述未熔融部的横截面面积B减小，从而增强了所述贵金属片45以及所述接地电极40之间连接的可靠性。
如附图10所示，所述贵金属片45沿与所述激光路径投影线LZa及LZb垂直之方向上的较大的宽度被定义为D2。所述激光路径投影线LZa及LZb中靠近所述接地电极40之所述基部42的一条(即附图10中的线LZb)与通过所述中心O平行于所述激光路径投影线LZb的一直线之间的间隔被定义为L2。为了进一步改善所述贵金属片45以及所述接地电极40之间连接的可靠性，所述间隔L2最好小于或等于所述宽度D2的0.5倍。这可通过调节所述接地电极40以及所述金属壳体10的装配件沿直线x移动的距离即可很容易地实现。
下面将参照附图11(a)以及附图11(b)对采用满足上述尺寸需求的激光焊接技术将所述贵金属片45焊接至所述接地电极40予以描述。
在附图11(b)中，所述贵金属片45在与通过所述角度θ1且彼此相邻的所述焊接熔核中心线46a以及46b相垂直方向上的较大的宽度被定义为D1。在所述火花塞片使用之前，所述贵金属片之所述火花放电面45a还未受到磨损。因此所述宽度D1与所述宽度D2相等。
所述焊接熔核中心线46a及46b中靠近所述接地电极40之所述基部42的一条(即附图11(b)中的线46b)与通过所述中心O平行于所述焊接熔核中心线46b而延伸的一直线之间的间隔被定义为L1。所述焊接熔核中心线46与所述激光照射路径LZ在二维空间共线。因此所述间隔L1与所述间隔L2相等并且小于或等于所述宽度D1的0.5倍。
本实施例之激光焊接技术使得沿与所述激光路径投影线LZb共线的所述焊接熔核中心线44在所述熔融部44上形成的凹槽或焊接凹痕最小化，在所述激光焊接技术中，一激光束照射并形成所述熔融部44，所述熔融部44沿更接近于所述接地电极40之所述基部42的所述激光路径投影线LZa及LZb中的一条在所述贵金属片45之一横断面上延伸。这是由于当所述间隔L1(L2)大于所述宽度D1(D2)的0.5倍时，其导致所述激光束LZ照射至体积上较小的所述贵金属片45之圆周部，因此该圆周部很容易熔融且消失。
我们通过研究发现上述的尺寸需求所带来的如下所述的有益效果，其中所述间隔L1(L2)小于或等于所述宽度D1(D2)的0.5。
我们研究了所述贵金属片45之宽度D2与靠近所述接地电极40之所述基部42的所述激光路径投影线LZa及LZb之一与通过所述中心O平行于所述激光路径投影线LZa及LZb延伸的一直线之间的间隔L2之间的关系，如附图12所示。每一“o”表示在所述熔融部44未产生上述焊接凹痕的一火花塞样本，因此所述贵金属片45以及所述接地电极40之间形成了所期望的焊接。每一“x”表示在所述熔融部44产生焊接凹痕的一火花塞样本。所述实线表示所述间隔L2为所述宽度W2的0.5倍。
附图13(a)的44a处示出了一个焊痕的实例。附图13(b)示出了无焊痕的所述熔融部44。所述焊痕44a的形成导致所述贵金属片45以及所述接地电极40之连接强度的减小及其外观质量的降低。
附图12的图表示出了当所述间隔L2大于所述贵金属片45之所述宽度D2的0.5倍时，所述焊痕44a在所述熔融部44形成的可能性增大。因此我们发现，当所述间隔L2小于或等于所述贵金属片45之所述宽度D2的0.5倍(即，L2≤0.5D2)时，其将避免所述焊痕44a的形成，从而使得所述贵金属片45以及所述接地电极40之连接的可靠性及其外观质量得以确保。
需注意的是，所述激光照射路径LZ实际上与所述焊接熔核中心线46共线，因此，如附图11(b)所示靠近所述接地电极40之所述基部42的所述焊接熔核中心线46a及46b之一与通过所述中心O平行于所述焊接熔核中心线46a及46b而延伸的一直线之间的间隔L1与所述贵金属片45之宽度D1之间的关系与所述间隔L2及所述宽度D2之间的关系相同。
由上面的描述可明显看出，所述第二实施例的特征在于，通过所述角度θ1彼此相邻的所述激光路径投影线LZa及LZb中的至少一条投影线的方位由所述贵金属片45之所述中心O向所述接地电极40之所述基部42移动。
在所述第二实施例中，所述中心电极30之所述贵金属片35最好由重量上含有50％铱的铱合金制造而成，所述接地电极40之所述贵金属片45最好由重量上含有50％铂的铂合金制造而成，所述贵金属片35之横向剖面的面积A1最好为0.1-1.15平方毫米，所述贵金属片45之横向剖面的面积A2最好为0.1-1.15平方毫米同时，所述每一贵金属片35以及45最好包括铱，铂，铑，镍，钨，钯，钌，锇，铝，钇以及三氧化二钇中的至少一种作为添加物。
附图14(a)-附图14(d)示出了所述第二实施例之第一种变形。附图15(a)-附图15(d)示出了所述第二实施例之第二种变形。
在所述第一以及第二变形中，正如附图14(b)以及附图15(b)所能看见的，通过所述角度θ1且彼此相邻的所述激光路径投影线LZa及LZb与通过所述中心O沿与所述接地电极40之纵向中心线平行的方向在所述基部42以及所述端部41之间延伸的所述直线x之间的交叉点被规定成较所述中心O更靠近所述基部42。这就使得通过所述角度θ1且彼此相邻的所述焊接熔核中心线46a及46b与所述直线x之间的两个交叉点如附图14(d)以及附图15(d)所能看见的较所述中心O更靠近所述接地电极40之所述基部42。
在如图所示的所述第一以及第二变形中，所述激光路径投影线LZa及LZb(所述焊接熔核中心线46a及46b)与所述直线x均在点K1处相交，但是它们也可与所述直线x在不同的位置处相交。
在如附图15(a)至附图15(d)所示的第二种变形中，通过所述角度θ1且彼此相邻的所述激光路径投影线LZa及LZb之间的夹角θ3以及通过所述角度θ1且彼此相邻的所述焊接熔核中心线46a及46b之间的夹角θ2为180°，但是所述角度也可使其它的任意值。
下面将参照附图16(a)至附图20(d)对所述第一以及第二实施例两者中的任何一个的变形予以描述。
附图16(a)至附图16(d)示出了所述第二实施例的变形。
所述激光路径投影线LZ之间的角间隔是不相同的。在如图所示的实施例中，通过所述角度θ3且彼此相邻的所述激光路径投影线LZa及LZb中的每一条投影线与相邻的一条激光路径投影线LZ之间的角间隔为30°。其它的角间隔为45°。所述焊接熔核中心线46的布置如附图16(d)所示。
附图17(a)至附图17(d)示出了所述第一实施例的变形。
所述接地电极40之所述内侧面43上形成有一个用于放置所述贵金属片45的环形凹槽43a。在所述贵金属片45被安装至所述环形凹槽43a之后，所述激光束LZ被发射以使得所述贵金属片45与所述接地电极40焊接在一起。
正如上面的是实施例所提到的，所述贵金属片45由半径保持不变的圆柱形部件制造而成，但是其半径也可变化或者如附图18(a)至附图18(d)所示由具有一个或多个台肩的不同的直径部分制造而成。
在附图18(a)至附图18(d)中，所述贵金属片45呈一铆钉状。准确地说，所述贵金属片45具有一大径的底部(即一凸缘)，所述底部抵靠所述接地电极40之所述内侧面43，所述激光束LZ围绕所述大径底部与所述内侧面43的一个交界面照射。
如附图19(a)至附图19(d)所示，所述接地电极40可以在所述内侧面43上形成，所述贵金属片45放置于一个环形凸起部43b上。
由上述的描述可明显地看出，所述贵金属片45的横截面为圆形，但是所述横截面也可以是其它形状，如方形，三角形，或椭圆形。附图20(a)至附图20(d)示出了一个方形的贵金属片45。
用于连接所述贵金属片45及所述接地电极40的所述激光束LZ的数量、所述激光束LZ以及所述贵金属片45之所述内侧面43之间的夹角以及发射至所述贵金属片45的所述激光束LZ的方位可以根据所述贵金属片45的尺寸以及/或形状而变化。
在上面所提到的激光焊接技术中，如附图3(a)所示的所述激光束LZ的传送路径与所述接地电极40之所述内侧面43之间的照射角θL是一致的，但是所述夹角也可彼此不同。例如，所述照射角夹角θL可以随着所照射的激光束LZ方位的变化而变化。
在上述的实施例中，在其上连接有中心电极30的所述陶瓷绝缘子20被安装于其上焊接有所述接地电极40之所述金属壳体10之后，所述贵金属片45被激光焊接于所述接地电极40上，但是所述贵金属片45与所述接地电极40的连接也可如附图21所示在所述金属壳体10以及所述陶瓷绝缘子20装配之前进行。准确地说，所述接地电极40被焊接至所述金属壳体10，之后，所述贵金属片45被焊接至所述接地电极40上。随后，其上已安装有所述中心电极30的所述陶瓷绝缘子20被装配至所述金属壳体10中。
附图22(a)以及附图22(b)示出了所述接地电极40之变形结构，所述接地电极40的形状用以减少在所述贵金属片45以及所述接地电极40之交界面上的热应力。
在附图22(a)所示的结构中，所述接地电极40向所述端部41逐渐变细。换言之，所述接地电极40的宽度向所述端部41逐渐减小。在附图22(b)所示的结构中，所述接地电极40具有一个台肩73，从而在所述贵金属片45被焊接处形成一较小宽度的顶部75。上述形状可以使得作用于所述接地电极40上的热应力减小，进而使得对所述贵金属片45以及所述接地电极40之焊接的破坏最小化。
附图23以及附图24示出了所述接地电极40的变形结构，其中所述接地电极40具有一个适于减小在所述贵金属片45以及所述接地电极40之间的所述交界面上的热应力的内部结构。准确地说，在所述附图23以及附图24中的所述接地电极40具有一个中心部件70，所述中心部件70的导热性大于所述接地电极40之基质材料(即镍合金)的导热性，从而增进了所述贵金属片45以及所述接地电极40之间的所述交界面的温度的降低。
附图23中的中心部件70由铜制成的单一层构成。附图24中的中心部件70由一铜层以及一镍层复合层(即包层镍)构成。
附图25示出了所述接地电极40的变形结构，其中所述接地电极40向所述火花塞100之纵向中心线C弯曲倾斜(参见附图1)。这种布置可以使得所述接地电极40的长度缩短，从而使其温度上升减小，进而降低了在所述贵金属片45以及所述接地电极40之间的所述交界面上的热应力。
附图26(a)以及附图26(b)示出了所述火花塞100的一个变形结构，其中所述火花塞还包括一个焊接在所述金属壳体10上的一个附加的子电极60。由附图26(b)可清楚看出，所述子电极60通过所述陶瓷绝缘子20的所述端部21沿半径方向彼此相对，并且用于使得由于所述火花塞100的燃烧而粘附于所述陶瓷绝缘子20上的碳燃烧完。因此，所述子电极60的使用导致抗所述火花塞100燃烧的性能得以改善。
为了便于更好的理解本发明，上面已通过实施例对本发明予以了描述，应当清楚，在不脱离本发明原理的基础上，本发明可以采用各种方式实施。因此，本发明应当包括所有可能的实施例及其实施例中所示的变形，它们在不脱离权利要求所示的本发明之原理的基础上均可实施。
权利要求
1.一种火花塞，包括一个金属壳体；一个中心电极，所述中心电极位于所述金属壳体内，具有通过激光焊接技术焊接至其顶部的一个贵金属片，所述顶部由所述贵金属壳体伸出；一个接地电极，所述接地电极具有一个第一端部、一个第二端部以及一个位于所述第一端部以及所述第二端部之间的中间部分，所述第一端部与所述金属壳体焊接在一起，所述第二端部具有一个其上激光焊接有一个贵金属片的中心电极相对面，所述中间部分弯曲以使得所述贵金属片通过一个放电间隙与所述中心电极的所述贵金属片面对；以及环绕所述贵金属片和所述接地电极之所述中心电极相对面之间的一交界面形成的熔融部，所述熔融部在所述贵金属片和所述接地电极之间产生焊缝，并且所述焊缝通过环绕所述贵金属片和所述接地电极之所述中心电极相对面之间的一交界面发射的激光束所熔融的所述贵金属片以及所述接地电极部分而形成，其中所述接地电极之所述贵金属片具有一给定的长度，并且沿纵向由所述中心电极相对面向所述中心电极伸出0.3毫米或更多，如果通过所述每一熔融区域之横截面的中心向所述接地电极之所述贵金属片内延伸，即通过所述贵金属片和所述接地电极之所述中心电极相对面之间的所述交界面的一直线被定义为一熔融部分横截面中心线，同时由所述弯曲前的接地电极上的所述贵金属片沿与所述金属壳体之宽度方向相对的方向向所述金属壳体边缘延伸的两条直线、即在所述接地电极之所述中心电极相对面上的直线间的夹角被定义为θ1，则所述熔融部分横截面中心线位于所述角度θ1的范围之外，如果垂直于所述接地电极之所述贵金属片之长度方向的最靠近所述熔融部分的所述接地电极之所述贵金属片的横截面面积被定义为A，同时沿所述贵金属片和所述接地电极之所述中心电极相对面之间的交界面的所述接地电极之所述贵金属片的未熔融部分的横截面面积被定义为B，则未熔融部分截面面积的百分比，即截面面积B占截面面积A的百分比为50％或更少。
2.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于通过所述角度θ1且彼此紧邻的两条熔融部分横截面中心线之间的夹角θ2大于所述角度θ1。
3.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于如果通过所述接地电极之所述贵金属片的横向剖面的一中心O沿平行于所述接地电极之纵向中心线延伸的一直线被定义为x，则通过所述角度θ1彼此紧邻的两个熔融部分截面中心线与所述直线x的至少一个交叉点较所述横向剖面的所述中心O更接近所述接地电极的所述第一端部。
4.如权利要求3所述的火花塞，其特征在于如果所述接地电极之所述贵金属片在与通过角度θ1彼此紧邻的两个熔融部分截面中心线垂直方向上的一个较大的宽度被定义为D1，则通过角度θ1彼此紧邻的两个熔融部分截面中心线中较所述横向剖面的所述中心O更接近所述接地电极之所述第一端部的一条中心线与通过所述横向剖面之所述中心O且平行于所述两个熔融部分截面中心线之一的一条直线之间的间隔L1是所述宽度D1的0.5倍或更小。
5.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于所述中心电极的所述贵金属片由在重量上包含50％或更多的铱的铱合金制成，所述接地电极的所述贵金属片由在重量上包含50％铂的铂合金制成，并且如果沿与所述中心电极之所述贵金属片之长度方向垂直的横向剖面的面积被定义为A1，沿与所述接地电极之所述贵金属片之长度方向垂直的横向剖面的面积被定义为A2，则所述每一横向剖面的面积A1及A2在0.1-1.15平方毫米之间。
6.如权利要求5所述的火花塞，其特征在于所述中心电极以及所述接地电极之所述每一贵金属片可以由铱，铂，铑，镍，钨，钯，钌，锇，铝，钇以及三氧化二钇中的一种作为一添加物的一种材料制成。
7.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于所述未熔融部截面面积的百分比为30％或更少。
8.一种制造一火花塞的方法，所述火花塞包括(a)一个金属壳体，以及(b)一个中心电极，所述中心电极位于所述金属壳体内，其一顶部由所述金属壳体伸出，所述中心电极具有一通过激光焊接技术焊接至所述顶部的一个贵金属片，(c)一个接地电极，所述接地电极具有一个第一端部，一个第二端部以及一个位于所述第一端部以及所述第二端部之间的中间部分，所述第一端部与所述金属壳体焊接在一起，所述第二端部具有一个其上激光焊接有一个贵金属片的中心电极相对面，所述中间部分弯曲以使得所述贵金属片通过一个放电间隙与所述中心电极的所述贵金属片相对，所述方法包括将所述接地电极焊接到所述金属壳体；将所述贵金属片置于所述接地电极之所述中心电极相对面上；将激光束发射至所述贵金属片和所述接地电极之所述中心电极相对面之间的一交界面上，从而形成一熔融部，所述熔融部在所述贵金属片和所述接地电极之间产生焊缝并且由所述贵金属片以及所述接地电极之材料的共同熔融而形成，以及使所述接地电极弯曲，以使得所述贵金属片通过一放电间隙面对所述中心电极之所述贵金属片，其中如果由所述弯曲前的接地电极上的所述贵金属片沿与所述金属壳体之宽度方向相对的方向向所述金属壳体边缘延伸的两条直线、即在所述接地电极之所述中心电极相对面上确定的两条直线间的夹角被定义为θ1，则所述激光束发射的激光照射路径位于所述角度θ1的范围之外。
9.如权利要求8所述的生产所述火花塞的方法，其特征在于如果所述每一激光照射路径在弯曲前的所述接地电极之所述中心电极相对面上的投影线被定义为一激光路径投影线，并且通过所述角度θ1彼此紧邻的两条激光路径投影线之间的夹角被定义为θ3，则角度θ3大于角度θ1。
10.如权利要求8所述的生产所述火花塞的方法，其特征在于如果所述每一激光照射路径在弯曲前的所述接地电极之所述中心电极相对面上的投影线被定义为一激光路径投影线，并且通过所述接地电极之所述贵金属片的一横向剖面的一个中心O沿与所述接地电极之一纵向中心线平行的方向延伸的一直线被定义为x，则通过角度θ1彼此紧邻的两条激光路径投影线与所述直线x的至少一个交叉点较所述横向剖面的所述中心O更接近所述接地电极的所述第一端部。
11.如权利要求10所述的生产所述火花塞的方法，其特征在于如果所述接地电极之所述贵金属片在与通过角度θ1彼此紧邻的两条激光路径投影线垂直方向上的一个较大的宽度被定义为D2，则通过角度θ1彼此紧邻的两条激光通道投影线中较所述横向剖面的所述中心O更接近所述接地电极之所述第一端部的一条投影线与通过所述横向剖面之所述中心O平行于所述两条激光通道投影线之一而延伸的一直线之间的间隔L2是所述宽度D1的0.5倍或更小。
12.如权利要求8所述的生产所述火花塞的方法，其特征在于所述中心电极的所述贵金属片由在重量上包含50％或更多的铱的铱合金制成，所述接地电极的所述贵金属片由在重量上包含50％铂的铂合金制成，如果沿与所述中心电极之所述贵金属片之长度方向垂直的横向剖面的面积被定义为A1，沿与所述接地电极之所述贵金属片之长度方向垂直的横向剖面的面积被定义为A2，则所述每一横向剖面的面积A1及A2在0.1-1.15平方毫米之间。
13.如权利要求12所述的生产所述火花塞的方法，其特征在于所述中心电极以及所述接地电极之所述每一贵金属片可以由铱，铂，铑，镍，钨，钯，钌，锇，铝，钇以及三氧化二钇中的一种作为一添加物的一种材料制成。
全文摘要
本发明提供了一种火花塞及其制造方法，所述火花塞可以确保贵金属片以及接地电极之间连接的可靠性以及较高的寿命和燃油的可燃性。所述接地电极与所述金属壳体相连，随后所述贵金属片被激光焊接至所述接地电极。通过所述激光束在一给定的角度范围之外环绕所述贵金属片以及所述接地电极之间的一个交界面的发射，所述激光焊接得以实施，其中在所述角度范围之内，所述金属壳体将阻碍所述激光束的传送。准确地说，所述激光束在不对所述金属壳体产生任何光学干涉的情况下发射。这就允许所述每一激光束与所述接地电极之所述表面之间的夹角最小化，而与所述金属壳体无关，从而确保所述贵金属片之所述熔融部达到一所期望的深度。
文档编号C22C5/04GK1585220SQ20041005880
公开日2005年2月23日 申请日期2004年7月30日 优先权日2003年7月30日
发明者堀恒圆 申请人:株式会社电装