火花塞的制作方法
【专利摘要】本发明的目的是提供用来实现提高中间构件和电极构件之间的焊接强度的技术。在通过沿着穿过中间构件的质心延伸且平行于接地电极的延伸部分和中心电极彼此面对所沿的面对方向延伸的平面切开火花塞所得到的截面上，火花塞满足以下关系，其被表达为S1/(D1×H1)≥0.005，其中S1表示熔核的总面积，H1表示从相关电极的电极基体材料所在的表面到贵金属尖端的端部表面的高度，以及D1表示贵金属尖端的最大宽度。
【专利说明】火花塞
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种火花塞。
【背景技术】
[0002]通常，火花塞用来提供内燃机，诸如汽油发动机中的点火。在火花塞中，火花放电间隙形成在中心电极和接地电极之间。顺便提及，已知一种火花塞，其中贵金属尖端经由中间构件附连在接地电极的电极基体金属上(参照例如专利文献I)。中间构件用来减少出现可否则由直接附连到电极基体金属上的贵金属尖端引起的缺陷。例如，通过在之间使用中间构件，在贵金属用量减少的同时，连结到电极基体金属的面积可增加。根据专利文献I中提到的技术，通过焊接，中间构件被连结到电极基体金属，其中贵金属尖端附连到中间构件。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:国际公开W002009/084565
【发明内容】
[0006]本发明要解决的问题
[0007]然而，由于倾向于更高的发动机输出，火花塞的工作环境变得比以前严峻。因此，由于中间构件和电极基体金属之间的焊接强度不能承受工作环境，基于专利文献I中公开的技术制造的火花塞潜在地遭受中间构件与电极基体金属的分离。该问题不限于接地电极，而是在火花塞中共同存在，其中贵金属尖端经由中间构件附连到中心电极的电极基体金属上。
`[0008]因此，本发明的目的是提供用来提高中间构件和电极基体金属之间的焊接强度的技术。
[0009]解决问题的方法
[0010][应用实例I]火花塞包括:在轴线方向上延伸的中心电极；陶瓷绝缘体，该陶瓷绝缘体具有在轴线方向上延伸的轴向孔并将中心电极固定在轴向孔中；金属壳，该金属壳设置在陶瓷绝缘体外周之外；以及接地电极，该接地电极具有在轴线方向上延伸的延伸部分，该接地电极一端附连到金属壳，而另一端与中心电极配合形成间隙，该火花塞特征在于，中心电极和接地电极中的至少一个具有电极基体金属、柱形贵金属尖端、以及中间构件，柱形贵金属尖端被设置为面对另一个电极，中间构件被设置在电极基体金属和贵金属尖端之间；中间构件具有与贵金属尖端接触的第一表面和与电极基体金属接触的第二表面，该第二表面与第一表面相对置地定位并且具有的面积大于通过与第一表面平行的平面切开的贵金属尖端的横截面的面积；熔核通过由在中间构件和电极基体金属之间的至少一部分边界上焊接而引起的熔融和凝固形成；以及在通过穿过中间构件的重心且平行于延伸部分和中心电极之间的面对方向的平面切开的火花塞截面中，关系表达式S1/(D1XH1) ^ 0.005被满足，其中SI是熔核的总面积，Hl是从电极基体金属的布置中间构件所在的布置表面到贵金属尖端的端面的高度，以及Dl是贵金属尖端的最大宽度。在本说明书中，采用指定参数方式，该参数取熔核的面积作为分子且取基于贵金属尖端和中间构件的形状计算的面积作为分母，参数值指定小数点后三位为有效数字，并且类似于本应用实例的情形四舍五入到小数点后三位。
[0011][应用实例2]根据应用实例I的火花塞，其中当贵金属尖端和熔核垂直投影在平行于布置表面的平面上时，熔核包括位于所投影的贵金属尖端的轮廓内的部分。
[0012][应用实例3]根据应用实例I或2的火花塞，其中在截面中，熔核形成在穿过重心并垂直于端面的中心线的相对两侧上。 [0013][应用实例4]根据应用实例3的火花塞，其中在截面中，熔核还形成在中心线上的位置处。
[0014][应用实例5]根据应用实例I到4的任一个的火花塞，其中关系表达式SI/(DlXHl)≥ 0.029 被满足。
[0015][应用实例6]根据应用实例2或从属应用实例2的应用实例3到5的任一个的火花塞，其中在垂直投影中，熔核还包括位于所投影的贵金属尖端的轮廓外的部分。
[0016][应用实例7]根据应用实例6的火花塞，其中中间构件具有附连部分，该附连部分在通过与第一表面平行的平面切开的横截面的面积方面大于贵金属尖端；附连部分的范围从布置表面到0.2 X Hl的高度；以及在截面中，关系表达式S3/(H2 X D2) > 0.030被满足，其中H2是从布置表面到附连部分的高度，D2是附连部分的最大宽度，以及S3是形成在附连部分和电极基体金属之间以及关于附连部分的宽度方向位于贵金属尖端的范围外的熔核的那些部分的总面积。
[0017][应用实例8]根据应用实例I到7的任一个的火花塞，其中熔核被内部形成，使得不暴露在中间构件的外表面处，以及在截面中，关系表达式LI >0.1Omm被满足，其中LI是熔核与中间构件和贵金属尖端的轮廓之间的最短距离。
[0018][应用实例9]根据应用实例I到7的任一个的火花塞，其中在截面中，熔核沿电极基体金属和中间构件之间的整个边界形成。
[0019]本发明能以各种方式实施；例如，除了上述的火花塞外，制造火花塞的方法，装配有火花塞的内燃机以及装配有火花塞的车辆。
[0020]发明的效果
[0021]根据应用实例I所述的火花塞，通过满足关系表达式SI/(D1 XHl)≥0.005，中间构件和电极基体金属之间的焊接强度可提高。尤其，当参数值四舍五入到小数点后三位时，足够满足关系表达式SI/(D1 XHl) ^ 0.005ο
[0022]根据应用实例2所述的火花塞，借助于包括位于所投影的贵金属尖端的轮廓内的部分的熔核，与熔核仅位于贵金属尖端的轮廓之外的情形比较，中间构件和电极基体金属之间的焊接强度可提高。
[0023]根据应用实例3所述的火花塞，与熔核仅形成在中心线的一侧上的情形比较，中间构件和电极基体金属之间的焊接强度可提高。
[0024]根据应用实例4所述的火花塞，通过熔核在与中心线相交的位置处进一步的形成，中间构件和电极基体金属之间的焊接强度可进一步提高。[0025]根据应用实例5所述的火花塞，通过满足关系表达式SI/(D1 XHl)≥0.029，中间构件和电极基体金属之间的焊接强度可更进一步提闻。
[0026]根据应用实例6所述的火花塞，借助于包括不仅位于所投影的贵金属尖端的轮廓内的部分还有位于所投影的贵金属尖端的轮廓之外的部分的熔核，与熔核仅位于所投影的贵金属尖端内比较，中间构件和电极基体金属之间的焊接强度可提高。
[0027]根据应用实例7所述的火花塞，通过满足关系表达式S3/(H2XD2)≥0.030，中间构件和电极基体金属之间的焊接强度可进一步提闻。
[0028]根据应用实例8所述的火花塞，通过熔核在中间构件内部的形成并满足关系式LI >0.10_，可抑制熔核的氧化。通过这样，可抑制中间构件和电极基体金属之间的焊接强度恶化。
[0029]根据应用实例9所述的火花塞，与熔核不沿中间构件和电极基体金属之间的整个边界形成的情形比较，中间构件和电极基体金属之间的焊接强度可提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1示出根据本发明实施例的火花塞100的主要部分的剖视图。
[0031]图2解释中心电极20和接地电极30的细节的一组视图。
[0032]图3沿图2 (B)的线A-A截取的剖视图。
[0033]图4解释用于第一试验的样品和第一试验结果的视图。
[0034]图5解释用于第一试验的样品的第一组视图。
[0035]图6解释用于第一试验的样品的第二组视图。
[0036]图7解释剩余百分比的视图。
[0037]图8解释用于第二试验的样品和第二试验结果的视图。
[0038]图9解释用于第二试验的样品的一组视图。
[0039]图10解释第二试验的一组视图。
[0040]图11解释第三试验结果的一组视图。
[0041]图12解释第一到第四变型实施例的一组视图。
[0042]图13解释根据第五变型实施例的火花塞200的视图。
【具体实施方式】
[0043]接着，本发明的实施按以下顺序描述。A.实施例，以及B.变型实施例。
[0044]A.实施例:A-1.火花塞结构:图1是示出根据本发明实施例的火花塞100的主要部分的剖视图。为了便于解释，图1中的火花塞100的上侧可称为一端侧(后侧)，而图1中的下侧可称为另一端侧(前侧)。火花塞100包括陶瓷绝缘体10、中心电极20、接地电极30、金属端子40以及金属壳50。棒状中心电极20从陶瓷绝缘体10的另一端突出并且穿过陶瓷绝缘体10的内部而电连接到设置在陶瓷绝缘体10 —端的金属端子40。中心电极20通过陶瓷绝缘体10固定。陶瓷绝缘体10通过金属壳50固定。接地电极30电连接到金属壳50并与中心电极20的前端配合形成产生火花的火花间隙。火花塞100通过金属壳50被安装到设置在内燃机的发动机头部600中的安装螺纹孔601。例如，当20000到30000伏的高电压施加到金属端子40时，火花产生，穿过形成在中心电极20和接地电极30之间的火花间隙。
[0045]陶瓷绝缘体10是由诸如氧化铝的陶瓷材料通过烧制而形成的绝缘体。陶瓷绝缘体10是管状构件，该管状构件具有形成于中心处用来容纳中心电极20和金属端子40的轴向孔12。陶瓷绝缘体10具有中央主干部分19，该中央主干部分19关于火花塞100的轴线CL方向形成在其中心处并且该中央主干部分19具有大于其余部分的外径的外径。陶瓷绝缘体10具有后主干部分18，该后主干部分18形成在中央主干部分19朝向金属端子40的一侧(一端侧)上，用来将金属端子40和金属壳50彼此互相电绝缘。陶瓷绝缘体10具有前主干部分17，该前主干部分17形成在中央主干部分19朝向中心电极20的一侧上并且该前主干部分17具有小于后主干部分18的外径的外径。绝缘体10还具有腿部13，该腿部13形成在前主干部分17的前侧上并且该腿部13具有小于前主干部分17的外径且沿朝向中心电极20 —侧的方向(另一端侧)减小的外径。
[0046]金属壳50是圆筒形金属构件并且围绕和固定范围从一部分后主干部分18到腿部13的一部分陶瓷绝缘体10。金属壳50可由例如金属制成，并且本实施例使用低碳钢等。金属壳50包括工具接合部分51、安装螺纹部分52以及密封部分54。用来将火花塞100安装到发动机头部600的工具(未不出)被配合到金属壳50的工具接合部分51上。金属壳50的安装螺纹部分52具有与发动机头部600的安装螺纹孔601螺纹配合的螺纹。金属壳50的密封部分54形成在安装螺纹部分52的根部处并且呈套环的形式。通过折叠板材而形成的环形垫片5被配合在密封部分54和发动机头部600之间。金属壳50的前端面57是环形的。
[0047]中心电极20是构造成使得芯金属22嵌入底部封闭的管状电极基体金属21中的棒状构件，芯金属22在热导率上好于电极基体金属21。在本实施例中，电极基体金属21由包含镍作为主要成分的镍合金制成。在本实施例中，芯金属22由铜形成或由包含铜作为主要成分的合金制成。中心电极20被插入陶瓷绝缘体10的轴向孔12中，使得电极基体金属21的前端从陶瓷绝缘体10的轴向孔12突出并且经由陶瓷电阻3和密封构件4而电连接到金属端子40。
[0048]图2是解释中心电极20和接地电极30的细节的一组视图。图2 (A)是示出中心电极20的前端部分、接地电极30及其附近的视图。图2 (B)是从中心电极20的视图，示出与接地电极30 —起使用的贵金属尖端38和中间构件36。
[0049]如图2 (A)中所示，中心电极20还包括中间构件26和贵金属尖端28。中间构件
26设置在电极基体金属21的面对接地电极30的另一端部31b (将在稍后描述)的表面上(也称为“在前端面上”或“在布置表面上”)。两个构件21和26通过电阻焊接连结在一起。通过在电极基体金属21和中间构件26之间通过两个构件21和26的成分的熔融和凝固而进行的电阻焊接形成熔融区(也称为“熔核(nugget)”)。贵金属尖端28设置在中间构件26的面对另一端部31b (将在稍后描述)的表面上。两个构件26和28通过激光焊接连结在一起。通过在电极基体金属28和中间构件26之间通过两个构件26和28的成分的熔融和混合而进行的激光焊接形成熔融区。在本实施例中，贵金属尖端28被设置在中间构件26上，使得焊接之前的中间构件26的重心和焊接之前的贵金属尖端28的重心位于与电极基体金属21的布置中间构件26所在的表面(布置表面21f)垂直的同一条线上。布置表面21f与轴线CL方向互相垂直。[0050]可通过使用金属构件形成中间构件26。本实施例使用包含镍(Ni)为主要成分以及铝(Al)和硅(Si)总量为1.5质量百分比或以上的合金。中间构件26的材料不限于镍合金；例如，中间构件26可由包含钼(Pt)为主要成分的合金、包含钯(Pd)为主要成分的合金或与电极基体金属21相同的材料制成。优选地，中间构件26具有沿轴线CL方向在电极基体金属21和贵金属尖端28的膨胀系数之间的线性膨胀系数。使用该线性膨胀系数可抑制在中间构件26和贵金属尖端28之间以及在中间构件26和电极基体金属21之间产生应力。因此，可抑制中间构件26和贵金属尖端28之间以及中间构件26和电极基体金属21之间的分离。
[0051]中间构件26具有沿轴线CL方向延伸的柱形形状。在本实施例中，中间构件26包括直接连结到电极基体金属21的圆柱形附连部分24，以及从附连部分24向另一端侧(前侦D延伸的圆柱形柱体部分25。中间构件26的第一表面26fl与贵金属尖端28接触。中间构件26的与第一表面26fl相对置的第二表面26f2与电极基体金属21接触。第一和第二表面26fl和26f2彼此互相平行且与轴线CL方向垂直。第二表面26f2的面积大于第一表面26fl。而且,第二表面26f2的面积大于通过平行于第一表面26fl的平面切开的贵金属尖端28的横截面。中间构件26在圆形布置表面21f中心处连结到电极基体金属21。同时，Hla是从布置表面21f到贵金属尖端28的端面的高度，以及H2a是从布置表面21f到附连部分24的高度。在该情形下，关系表达式H2a = HlaX0.2成立。布置表面21f是平坦表面。
[0052]贵金属尖端28连结到中间构件26以提高对火花引起的腐蚀的耐受性。本实施例的贵金属尖端28由钼(Pt)制成。贵金属尖端28具有圆柱形形状。而且，贵金属尖端28在通过与第一表面26Π平行的平面切开的横截面的面积方面和柱体部分25基本相同。贵金属尖端28被连结到第一表面26Π，使得贵金属尖端28的端面(远端面)和接地电极30的贵金属尖端的端面(远端面)(将在稍后描述)彼此互相面对。贵金属尖端28不仅可由钼制成还可由铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)或这些金属的合金制成。
[0053]接地电极30具有电极基体金属31、中间构件36和贵金属尖端38。可通过使用金属构件形成电极基体金属31。在本实施例中，包含镍为主要成分的合金INC0NEL (注册商标)601用于形成电极基体金属31。通过使用矩形棒形成电极基体金属31，该矩形棒的与其纵向方向互相垂直的横截面具有基本矩形形状。电极基体金属31沿轴线CL方向从金属壳50向另一端面延伸且在其中间部分处弯曲以便面对贵金属尖端28的远端面。在本实施例中，电极基体金属31具有类似于字母L的形状。电极基体金属31的近端部(也称为“一端部”或“后端部”)31a直接连接到金属壳50且沿轴线CL方向延伸。电极基体金属31的另一端部(也称为“远端部”)31b面对贵金属尖端28的远端面，从而形成火花间隙。近端部31a通过电阻焊接连结到金属壳50的前端面。近端部31a相当于出现在“解决问题的方法”章节中的“延伸部分”。
[0054]中间构件36和贵金属尖端38在形状上分别与中心电极20的中间构件26和贵金属尖端28相同且与构件26和28形成垂直反向的关系。中间构件36的第一表面36fl与贵金属尖端38接触，以及与第一表面36fl相对置的第二表面36f2与电极基体金属31接触。中间构件36设置在另一端部31b的面对贵金属尖端28的第一表面3Ibf (也称为“布置表面31bf ”)上，并且两个构件31和36通过电阻焊接连结在一起。通过在电极基体金属31和中间构件36之间通过两个构件31和36的成分的熔融和凝固而进行的电阻焊接形成熔融区(也称为“熔核”)。贵金属尖端38设置在中间构件36的面对电极基体金属21的表面上，并且两个构件36和38通过激光焊接连结在一起。通过在贵金属尖端38和中间构件36之间通过两个构件36和38的成分的熔融和混合而进行的激光焊接形成熔融区。布置表面31bf是平坦表面。
[0055]类似中心电极20的中间构件26，可通过使用金属构件形成中间构件36。本实施例使用包含镍(Ni)为主要成分以及铝(Al)和硅(Si)总量为1.5质量百分比或以上的合金。类似中心电极20的中间构件26，任何其它构件可用于形成中间构件36。
[0056]中间构件36具有沿垂直于布置表面31bf方向(在本实施例中，轴线CL方向)延伸的柱形形状。在本实施例中，中间构件36包括直接连结到电极基体金属31的圆柱形附连部分34，以及从附连部分34向中心电极20延伸的圆柱形柱体部分35。如图2 (B)中所示，中间构件36以形成在中间构件36和布置表面31bf的外边缘之间的预定间隙连结到布置表面31bf。如图2 (A)和2 (B)中所示，附连部分34的直径大于贵金属尖端38。即，在平行于第一表面36fl的平面中，附连部分34的面积大于贵金属尖端38。同时，Hlb是从电极基体金属31的布置中间构件36所在的布置表面31bf到贵金属尖端28的端面的高度，以及H2b是从布置表面31bf到附连部分34的高度。在该情形下，关系表达式H2b =Hlb X 0.2成立。在本实施例中，为了区分中心电极20的贵金属尖端28和附连部分24的高度(Hla，H2a)和接地电极30的贵金属尖端38和附连部分34的高度(Hlb，H2b)，使用不同符号。然而，高度Hl共同地表示从布置表面21f和31bf分别到贵金属尖端28和38的端面的高度，以及高度H2共同地表示从布置表面21f和31bf分别到附连部分24和34的高度。
[0057]接地电极30的贵金属尖端38连结到中间构件36以提高对火花引起的腐蚀的耐受性。类似贵金属尖端28，本实施例的贵金属尖端38由钼(Pt)制成。贵金属尖端38具有圆柱形形状。而且，贵金属尖端38在通过与第一表面36Π平行的平面切开的横截面的面积方面和柱体部分35基本相同。贵金属尖端38连结到柱体部分35的端面且面对接地电极30的贵金属尖端28。贵金属尖端38可由不仅钼还有铱(Ir)、钌(Ru)、错(Rh)或这些金属的合金制成。在中心电极20的因此形成的贵金属尖端28和接地电极30的贵金属尖端38之间进行火花放电。
[0058]图3是图2 (B)中沿线A-A截取的剖视图。A-A截面是通过以下平面切开的火花塞100的截面，即:所述平面穿过中间构件36的重心36t并与在一端部31a (图2 Ca))和中心电极20之间的面对方向(在图2 (A)和2 (B)中，左右方向)平行(该平面也称为“平行平面”)。换言之，面对方向是垂直于面对中心电极20并沿轴线CL方向延伸的一端部31a的表面31af (图2 (a))的方向。而且，在本实施例中，面对方向与另一端部31b的纵向方向平行。而且，本实施例中的平行平面与轴线CL方向平行并沿纵向方向将电极基体金属31分成两半。在本实施例中，平行平面还穿过贵金属尖端38的重心38t。
[0059]贵金属尖端38具有宽度(直径)D1。附连部分34具有最大宽度(最大直径)D2。如图3中所示，通过在贵金属尖端38和中间构件36之间的激光焊接形成熔融区92。而且，在电极基体金属31和中间构件36之间通过电阻焊接形成熔核94。同时，中心线ML是穿过中间构件36重心并垂直于贵金属尖端38的端面(上端面)39的线。在本实施例中，中心线ML和轴线CL彼此互相重合。宽度Dl和D2分别是贵金属尖端38和附连部分34焊接之前的宽度。
[0060]A-2.试验结果:接着，将参照图4到7描述本发明的第一试验结果。图4是解释用于试验的样品和试验结果的视图。图5是解释用于试验的样品的第一组图。图6是解释用于试验的样品的第二组图。图7是解释剩余百分比P的视图。图5 (A)到5 (F)，图6 (A)和6 (B)中的上图以及图7是对应于图2 (B)的A-A截面的剖视图。图6 (A)和6 (B)中的下图示出贵金属尖端38和熔核94垂直地投影在平行于布置表面31b的平面Fal上并且用虚线示出贵金属尖端38和附连部分34的轮廓。
[0061]如图4中所示，样品N0.1到N0.18被准备好，并且样品经受超声波变幅杆试验(horn test)。样品N0.1到N0.18在有或无熔核94、熔核94的位置和大小、宽度Dl和高度Hl上不同。在相同条件下通过激光焊接形成样品N0.1到N0.18的熔融区92。在样品N0.1到N0.9中，中间构件36和贵金属尖端38分别具有相同外形，并且在样品N0.10到N0.18中，中间构件36和贵金属尖端38分别具有相同外形。在详细描述评估方法和超声波变幅杆试验之前，将详细描述样品N0.1到N0.18。
[0062]如图4中所示，样品具有以下五种类型的熔核位置和范围。类型I对应于例如图5
(B)中所示的样品剖视图。类型2对应于例如图5 (C)中所示的样品剖视图。类型3对应于例如图5 (D)中所示的样品剖视图。类型4对应于例如图5 (E)中所示的样品剖视图。类型5对应于例如图5 (F)中所示的样品剖视图。在样品N0.1到N0.9中的“熔核有或无”列中的“无”是指图5 (A)中所示的状态以及表示其中中间构件36在没有进行电阻焊接的情况下被设置在电极基体金属31上的样品。
[0063].类型1:一侧、在尖端范围外
[0064].类型2:—侧、在尖端范围内
[0065].类型3:两侧，在尖端范围外
[0066].类型4:两侧，在尖端范围内
[0067].类型5:在中心线上
[0068]熔核位置“一侧”表不:如图5 (B)和5 (C)中所不,在样品A-A截面中，熔核形成在中心线ML的任一侧上。熔核位置“两侧”表不:如图5 (D)和5 (E)中所不,在样品A-A截面中，熔核形成在中心线ML的两侧上。熔核位置/范围“在中心线上”表示:如图5 (F)中所示，在样品A-A截面中，熔核形成在与中心线ML相交的位置。而且，位于“在中心线上”的熔核94形成“在尖端范围内”。概念“在中心线上”包含熔核位置“两侧”。
[0069]熔核范围“在尖端范围夕卜”表示:如图5 (B)和5 (D)中所示,在样品A-A截面中，熔核94形成在贵金属尖端38关于贵金属尖端38的宽度方向(在图5中，左右方向)所处位置的范围之外。换言之，熔核范围“在尖端范围外”表示:如图6 (A)的下图中所示，当贵金属尖端38和熔核94垂直地投影在平行平面Fal上时，所投影的熔核94形成在所投影的贵金属尖端38的轮廓38P之外。熔核范围“在尖端范围内”表示:如图5 (C)和5 (E)中所示，在样品A-A截面中，熔核94形成在贵金属尖端38关于贵金属尖端38的宽度方向(在图5中，左右方向)所处位置的范围之内。换言之，熔核范围“在尖端范围内”表示:如图6 (B)的下图中所示，当贵金属尖端38和熔核94垂直地投影在平行平面Fal上时，所投影的熔核94形成在所投影的贵金属尖端38的轮廓38P之内。[0070]如下形成熔核94:将构造成使得中间构件36设置在电极基体金属31上的构件固定在两个电极之间，并且电流施加在电极之间用来电阻焊接。在本实施例中，将构造成使得贵金属尖端38和中间构件36通过激光焊接连结在一起的构件(也称为“连结尖端的中间构件”)设置在电极基体金属31上，随后通过电阻焊接以形成熔核94。两个电极中的一个与中间构件接触，并且另一个电极与电极基体金属31接触。更具体地，在本实施例中，在两个电极按以下方式设置的同时，进行电阻焊接:一个电极被设置成周向围绕中间构件36的柱体部分35和贵金属尖端38且与附连部分34接触。另一个电极与电极基体金属31的与布置中间构件36所在的布置表面相对置的表面接触。同时，通过调整电流施加位置、电流值以及两个电极施加到电极基体金属31和中间构件36的负载而形成样品N0.2到N0.9以及N0.11到N0.18。通过在两个电极之间的电流施加位置调整熔核94的位置。通过电流值和负载调整熔核94的大小。当负载降低时以及当电流值增加时，增加熔核94的大小。基于在不同条件下已进行电阻焊接的样品的各个A-A截面中得到的熔核94的位置和范围计算图4中的熔核面积SI。通过以下表达式(I)计算图4中的熔核比St。图4中的熔核比St是通过将计算值四舍五入到小数点后三位得到的值。
[0071]熔核比St = S1/(D1XH1) (I)
[0072]通过施加27.3kHz的超声波到样品直到中间构件36断裂为止来实施超声波变幅杆试验。通过使用在该电阻焊接条件下准备的样品来实施超声波变幅杆试验，以获得样品N0.1到N0.18的熔核面积SI和熔核位置。
[0073]从试验之后的中间构件36的剩余百分比P (%)评估熔核94的强度。如图7中所示，在超声波变幅杆试验之后观察样品N0.1到N0.18的A-A截面，以及通过以下表达式(2)计算剩余百分比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%的较差值。
[0074]剩余百分比P = (N2/N1) XlOO (2)
[0075]其中NI是在A-A截面中与电极基体金属31接触的中间构件36表面在超声波变幅杆试验之前的长度，以及N2是在A-A截面中与电极基体金属31接触的中间构件36表面在超声波变幅杆试验之后的长度。
[0076]如图4中所示，具有0.005或以上的熔核比的样品呈现50%或以上的剩余百分比P，表示在电极基体金属31和中间构件36之间提高的良好焊接强度。而且，具有0.029或以上的熔核比的样品呈现80%或以上的剩余百分比P，表示在电极基体金属31和中间构件36之间进一步提闻的良好焊接强度。
[0077]比较仅在熔核94范围上不同的样品(例如，样品N0.3和样品N0.4、样品N0.5和样品N0.6、样品N0.12和样品N0.13以及样品N0.14和样品N0.15)，具有熔核94范围“在尖端范围内”的样品在剩余百分比P上更高，表示焊接强度进一步提高了。即，在该条件下比较，如图6中所示，贵金属尖端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位于所投影的贵金属尖端38的轮廓38p内的样品在剩余百分比P上比其中所投影的熔核94位于所投影的贵金属尖端38的轮廓38p之外的样品高。
[0078]比较仅在熔核94位置上不同的样品(例如，样品N0.3和样品N0.5、样品N0.4和样品N0.6、样品N0.12和样品N0.14以及样品N0.13和样品N0.15)，具有熔核94在两侧的样品在剩余百分比P上更闻，表不焊接强度进一步提闻了。[0079]比较具有熔核94在两侧且仅在熔核94是否与中心线ML相交上不同的样品(例如，样品N0.6和样品N0.8、样品N0.7和样品N0.9、样品N0.15和样品N0.17以及样品N0.16和样品N0.18)，具有熔核94与中心线ML相交的样品在剩余百分比P上更高，表示焊接强度进一步提闻了。
[0080]接着，将参照图8到10描述本发明的第二试验结果。图8是解释用于第二试验的样品和第二试验结果的视图。图9是解释用于第二试验的样品的一组视图。图10是解释第二试验的一组视图。图9和10是对应于图2 (B)的A-A截面的剖视图。
[0081]如图8中所示，准备好样品N0.1A到N0.10A,并且对样品进行超声波变幅杆试验。样品N0.1A到N0.5A在贵金属尖端38和电极基体金属31的外形上类似于第一试验使用的样品N0.1到N0.9，以及样品N0.6A到N0.1OA在贵金属尖端38和电极基体金属31的外形上类似于第一试验使用的样品N0.10到N0.18。如图9 (A)到9 (D)中所示，样品N0.1A到N0.1OA具有位于尖端范围内和在中心线ML相对两侧上的熔核94。而且，样品N0.1A到N0.1OA在有或无熔核94、熔核94在尖端范围外的位置和大小、宽度D2和高度H2上不同。在相同条件下通过激光焊接形成样品N0.1A到N0.1OA的熔融区92。样品N0.1A到N0.4A的熔核94在相同条件下形成在各个尖端范围内，以及样品N0.6A到N0.9A的熔核94在相同条件下形成在各个尖端范围内。样品N0.1A到N0.1OA具有0.005或以上的熔核比。在详细描述弯曲断裂试验和描述评估方法之前，将详细描述样品N0.1A到N0.1OA0
[0082]如图8中所示，样品具有以下四种类型熔核位置。类型IA对应于例如图9 (A)中所示的样品剖视图。类型2A对应于例如图9 (B)中所示的样品剖视图。类型3A对应于例如图9 (C)中所示的样品剖视图。类型4A对应于例如图9 (D)中所示的样品剖视图。类型4A的“熔核在整个熔融表面上”表示:在A-A截面中，沿附连部分34的宽度方向(在图9中，左右方向)上的整个范围形成熔核94。换言之，类型4A的“熔核在整个熔融表面上”表示在电极基体金属31和中间构件36之间的整个接触面上形成熔核94。
[0083].类型IA:熔核在尖端范围外，无
[0084].类型2A:熔核在尖端范围外，一侧
[0085].类型3A:熔核在尖端范围外，两侧
[0086].类型4A:熔核在整个熔融表面上
[0087]在计算图8中的外熔核面积S3中，沿A-A截面切开在不同条件下已进行电阻焊接的样品，并且在各个A-A截面中得到存在于尖端范围外的熔核94的位置。通过以下表达式
(3)计算外熔核比Stv。图8中的外熔核比Stv是通过将计算值四舍五入到小数点后三位得到的值。
[0088]外熔核比Stv = S3/(D2XH2) (3)
[0089]在弯曲断裂试验中，如图10 (A)中所示，外力从一侧向另一侧施加到贵金属尖端38和中间构件36之间的边界部分直到贵金属尖端38和中间构件36之间的边界部分断裂为止。已进行弯曲断裂试验的样品进入例如图10 (B)中所示状态。通过使用在这种电阻焊接条件下准备的样品来实施弯曲断裂试验，以得到样品N0.1A到N0.1OA的外熔核面积S3和熔核位置。
[0090]从试验之后的中间构件36的分离百分比W评估熔核94的强度。如图10 (B)中所示，在弯曲断裂试验之后观察样品N0.1A到N0.1OA的A-A截面，以及通过以下表达式(4)计算分离百分比W (%)。
[0091]分离百分比W(%) = (N3/N1) XlOO (4)
[0092]其中NI是在A-A截面中与电极基体金属31接触的中间构件36表面在弯曲断裂试验之前的长度，以及N3是在弯曲断裂试验之后、在A-A截面中与电极基体金属31分离的中间构件36表面的长度。
[0093]如图8中所示，在比较中间构件36和贵金属尖端38分别具有相同外形的样品N0.1A到N0.5A中，以及在比较中间构件36和贵金属尖端38分别具有相同外形的样品N0.6A到N0.1OA中，具有形成在尖端范围外的熔核94的样品在分离百分比W上比在尖端范围外未形成熔核94的样品低。即，除了具有形成在尖端范围内的熔核94外还具有形成在尖端范围外的熔核94的样品与具有仅形成在尖端范围内的熔核94的样品比较，呈现出中间构件36和电极基体金属31之间的提高的焊接强度。 [0094]而且，具有0.030或以上的外熔核比Stv的样品呈现出15%或以下的分离百分比W，表示分离百分比W比在具有外熔核比小于0.030的样品情形下可减少更多。即，具有0.030或以上的外熔核比Stv的样品可呈现出中间构件36和电极基体金属31之间的进一步提高的焊接强度。而且，在比较具有相同外熔核比Stv的样品(例如，样品N0.4A和样品N0.5A)，具有形成在整个熔融表面上的熔核94的样品可减少更多分离百分比W，从而中间构件36和电极基体金属31之间的焊接强度可进一步提闻。
[0095]图11是解释第三试验结果的一组视图。图11 (A)是解释用于试验的样品和试验结果的视图。图11 (B)是解释用于试验的样品的视图。图11 (B)是对应于图2 (B)A-A截面的剖视图。
[0096]如图11 (A)中所示，准备好样品N0.1B到N0.3B并且对样品进行燃烧器加热和冷却试验并且接着进行弯曲断裂试验。在样品N0.1B到N0.3B中，熔核94在内部形成，使得不会暴露于中间构件36的外表面处。样品N0.1B到N0.3B成形为使得熔核94的大小不同。即，样品N0.1B到N0.3B成形为使得在A-A截面中，熔核94与中间构件36和贵金属尖端38的轮廓之间的最短距离LI不同(图11 (B))。通过调整在电阻焊接中的电流值和负载来调整样品N0.1B到N0.3B的熔核94大小。样品N0.1B到N0.3B的中间构件36、贵金属尖端38和电极基体金属31分别具有相同外形。样品N0.1B到N0.3B具有0.005或以上的熔核比St。
[0097]在燃烧器加热和冷却试验中，样品经受1000个加热和冷却循环，每个循环包括通过燃烧器加热样品两分钟以便将样品温度增加到1050°C以及随后在室温下冷却I分钟。弯曲断裂试验实施如下:如图10 (A)中所示，从一侧向另一侧施加外力到贵金属尖端38和中间构件36之间的边界部分直到中间构件36 (更具体地，贵金属尖端38和中间构件36之间的边界部分)断裂为止。在中间构件36断裂时施加的外力称为“断裂载荷Nt (N)”。
[0098]对弯曲断裂试验评估如下:呈现断裂载荷Nt小于150N的样品评估为“Λ”，而呈现150N或以上的断裂载荷Nt的样品评估为“〇”。如图11 (A)中所示，具有0.1Omm或以上的最短距离LI的样品评估为“〇”。即，在具有0.1Omm或以上的最短距离LI的样品中，可抑制熔核94的氧化，从而可抑制由熔核94提供的焊接强度恶化。因此，有0.1Omm或以上的最短距尚LI的样品可延长火花塞100的使用寿命。
[0099]B.变型实施例:本发明的各种实施例已在上文描述。然而，本发明不限于各实施例且可不偏离本发明的精神以各种其它方式实施。例如，以下变型是可能的。
[0100]B-1.第一到第四变型实施例:图12是解释第一到第四变型实施例的一组视图。图12 (A)是解释第一变型实施例的视图。图12 (B)是解释第二变型实施例的视图。图12
(C)是解释第三变型实施例的视图。图12 (D)是解释第四变型实施例的视图。图12 (A)到12 (D)示出附连到电极基体金属31的中间构件36和贵金属尖端38及其附近。在图12(A)到12 (D)中，下图分别是上图的俯视图。
[0101]在上述实施例中，设置在电极基体金属31上的中间构件36包括圆柱形附连部分34和直径上大于附连部分34的圆柱形柱体部分35 ;然而，中间构件36的形状不限于此，而是中间构件36可具有站立在电极基体金属31上的形状(例如，柱形)。例如，如图12 (A)中所示，中间构件36可具有截头圆锥体的形状。为了便于理解，中间构件36的柱体部分35和附连部分34之间的边界由破折线表示。而且，例如，如图12 (B)中所示，中间构件36可具有方形柱组合体的形状。而且，例如，如图12 (C)中所示，中间构件36可具有三角形柱组合体的形状。而且，例如，如图12 (D)中所示，中间构件36可具有多边形柱组合体的形状，每个柱体具有复杂形状的底面和复杂形状的顶面。
[0102]在上述实施例中，设置在中间构件36上的贵金属尖端38具有圆柱形形状；然而，形状不作特别限制。例如，贵金属尖端38可具有如图12 (A)到12 (D)中所示的柱形形状。而且，中心电极20的中间构件26和贵金属尖端28形状上不限于这些实施例，而是可具有类似于以上提到的这些变型实施例的各种形状。
[0103]B-2.第五变型实施例:图13是解释根据第五实施例的火花塞的视图。图13示出火花塞200的中心电极20和接地电极130及其附近。第五变型实施例在接地电极130的电极基体金属131的形状以及中间构件36和贵金属尖端38的设置位置上与以上实施例不同。其它结构特征类似于火花塞100 ;因此，其描述省略。
[0104]在上述实施例中，中心电极20的贵金属尖端28的端面与接地电极30的贵金属尖端38的端面是互相面对关系(图2 (A));然而，只要火花放电间隙形成在中心电极20的前端部和接地电极30的远端部之间，就不对它们的关系作特别限制。例如，如图13中所示，接地电极130的贵金属尖端38的端面(远端面)可面对中心电极20的贵金属尖端28的侧面。在该情形下，接地电极130的电极基体金属131在其中间位置弯曲，使得其端面(远端面)面对中心电极20的中间构件26和贵金属尖端28的侧面。而且，类似于上述实施例的情形，沿轴线CL方向延伸的近端部(也称为“一端部”)131a连接到金属壳50。而且在图13中，一端部131a和中心电极20之间的面对方向与左右方向重合。同时,一端部131a对应于出现在“解决问题的方法”章节中的“延伸部分”。
[0105]B-3.第六变型实施例:在上述实施例中，中心电极20和接地电极30分别包括中间构件26和36以及贵金属尖端28和38 ;然而中间构件26、36和贵金属尖端28、38可被去除。具体地，电极20和30的任一个可构造成使得贵金属尖端28、38直接设置在电极基体金属21、31上。而且，电极20和30的任一个可构造成使得中间构件和贵金属尖端被去除。即使在这些情形下，具有中间构件26、36的电极20、30满足关系表达式熔核比St ^ 0.005是足够的。通过该应用，至少具有中间构件26、36的电极20、30可呈现出中间构件26、36和电极基体金属21、31之间的提高的焊接强度。而且，在中心电极20和接地电极30分别具有中间构件26和36的情形下， 电极20、30的任一个满足关系表达式熔核比St ^ 0.005是足够的。即使在该情形下，满足关系表达式熔核比St ^ 0.005的电极可呈现出中间构件26和电极基体金属之间的提高的焊接强度。
[0106]附图标记的描述
[0107]3:陶瓷电阻
[0108]4:密封构件
[0109]5:垫片
[0110]10:陶瓷绝缘体
[0111]12:轴向孔
[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:中心电极
[0117]21:电极基体金属
[0118]22:芯金属
[0119]24:附连部分
[0120]25:柱体部分
[0121]26:中间构件
[0122]26Π:第一表面
[0123]26f2:第二表面
[0124]28:贵金属尖端
[0125]30:接地电极
[0126]31:电极基体金属
[0127]31a:近端部(一个端部、延伸部分)
[0128]31b:另一端部
[0129]31bf:布置表面
[0130]34:附连部分
[0131]35:柱体部分
[0132]36:中间构件
[0133]36t:重心
[0134]36fl:第一表面
[0135]36f2:第二表面
[0136]38:贵金属尖端
[0137]38p:轮廓
[0138]38t:重心
[0139]39:端面
[0140]40:金属端子
[0141]50:金属壳
[0142] 51:工具接合部分[0143]52:安装螺纹部分
[0144]54:密封部分
[0145]57:前端面
[0146]92:熔融区
[0147]94:熔核
[0148]100:火花塞
[0149]130:接地电极
[0150]131:电极基体金属
[0151]131a:近端部(一个端部、延伸部分)
[0152]131b:远端部
[0153]131bf:布置表面
[0154]200:火花塞
[0155]600:发动机头部
[0156]601:安装螺纹孔
[0157]CL:轴线
[0158]ML:中心线
【权利要求】
1.一种火花塞,包括: 在轴线方向上延伸的中心电极； 陶瓷绝缘体，所述陶瓷绝缘体具有在所述轴线方向上延伸的轴向孔并将所述中心电极保持在所述轴向孔中； 金属壳，所述金属壳设置在所述陶瓷绝缘体的外周之外；以及接地电极，所述接地电极具有在所述轴线方向上延伸的延伸部分，所述接地电极一端附连到所述金属壳而另一端与所述中心电极配合地形成间隙， 所述火花塞特征在于， 所述中心电极和所述接地电极中的至少一个具有电极基体金属、柱形贵金属尖端、以及中间构件，所述柱形贵金属尖端被设置成面对另一个电极，所述中间构件被设置在所述电极基体金属和所述贵金属尖端之间； 所述中间构件具有与所述贵金属尖端接触的第一表面和与所述电极基体金属接触的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对置地定位并且具有的面积大于通过与所述第一表面平行的平面切开的所述贵金属尖端的横截面的面积； 熔核通过由在所述中间构件和所述电极基体金属之间的至少一部分边界上焊接而引起的熔融和凝固形成；以及 在通过穿过所述中间构件的重心并平行于所述延伸部分和所述中心电极之间的面对方向的平面切开的所述火花塞的截面中，关系表达式SI/(D1 XHI) ^ 0.005被满足，其中SI是所述熔核的总面积， Hl是从所 述电极基体金属的布置所述中间构件所在的布置表面到所述贵金属尖端的端面的高度，以及 Dl是所述贵金属尖端的最大宽度。
2.如权利要求1所述的火花塞，其中 当所述贵金属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时，所述熔核包括位于所投影的贵金属尖端的轮廓内的部分。
3.如权利要求1或2所述的火花塞，其中 在所述截面中， 所述熔核形成在穿过重心并垂直于所述端面的中心线的相对两侧上。
4.如权利要求3所述的火花塞，其中 在所述截面中， 所述熔核还形成在位于所述中心线上的位置处。
5.如权利要求1到4任一项所述的火花塞,其中 关系表达式SI/(D1 XHl) > 0.029被满足。
6.如权利要求2或从属权利要求2的权利要求3到5中的任一项所述的火花塞，其中 在垂直投影中，所述熔核还包括位于所投影的贵金属尖端的轮廓外的部分。
7.如权利要求6所述的火花塞，其中 所述中间构件具有附连部分，所述附连部分在通过与所述第一表面平行的平面切开的横截面的面积方面大于所述贵金属尖端； 所述附连部分的范围从所述布置表面到0.2XH1的高度；以及在所述截面中， 关系表达式S3/(D2XH2) > 0.030被满足，其中 H2是从所述布置表面到所述附连部分的高度， D2是所述附连部分的最大宽度，以及 S3是形成在所述附连部分和所述电极基体金属之间以及关于所述附连部分的宽度方向位于所述贵金属尖端的范围外的所述熔核的那些部分的总面积。
8.如权利要求1到7任一项所述的火花塞，其中 所述熔核被内部形成，使得不暴露在所述中间构件的外表面处，以及 在所述截面中， 关系表达式LI≥0.1Omm被满足，其中 LI是所述熔核与所述中间构件和所述贵金属尖端的轮廓之间的最短距离。
9.如权利要求1到7任一项所述的火花塞，其中 在所述截面中， 所述熔核沿所述电极基 体金属和所述中间构件之间的整个边界形成。
【文档编号】H01T13/20GK103620896SQ201280031696
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年5月15日 优先权日:2011年8月3日
【发明者】粕谷侑司, 片冈良一 申请人:日本特殊陶业株式会社