具有深熔焊缝的火花塞电极和具有火花塞电极的火花塞以及用于火花塞电极的制造方法与流程

本发明涉及一种按独立权利要求的前序部分的用于火花塞的电极。此外，本发明包括一种具有至少一个按本发明的火花塞电极的火花塞以及一种用于按本发明的火花塞电极的制造方法。

背景技术：

现今的火花塞具有中心电极和至少一个地电极。在所述火花塞的符合规范的运行中，在所述电极之间构成点火火花，所述点火火花点燃可燃的混合气。典型地，中心电极或者地电极由电极基体和布置在所述电极基体上的含贵金属的耐磨面所构成。所述耐磨面通常具有比所述电极基体的材料高的抗氧化性和耐腐蚀性并且由此具有比所述电极基体的材料小的磨损。耐磨面通过焊接与相应的电极基体材料锁合地连接。有着不同的、在火花塞制造中所使用的焊接技术、像比如电阻焊接、激光焊接或者电子束焊接。

由于耐磨件和电极基体的不同的材料特性、尤其是耐磨件材料的高得多的熔化温度，所述两个组件的可靠且耐久的材料锁合的连接的建立是挑战。

另外，一方面所述含贵金属的耐磨件的所期望的耐磨性在所述耐磨件的被熔化的区域中减小。为了仍然实现用于所述电极以及由此也用于所述火花塞的所期望的使用期限，需要不变的含贵金属的材料的某种最低体积。另一方面，对于耐磨件来说所需要的贵金属相对昂贵，因而原则上想将所述含贵金属的体积保持得小。

耐磨件与其高度相比拥有较小的半径，对于具有所述耐磨件的电极来说有着下述连接方法，所述连接方法是由焊接连接、耐磨件和火花塞的耐久性以及制造成本所构成的可接受的折衷方案。

对于一些电极来说耐磨件的半径与耐磨件的高度相接近或者对于一些电极来说半径大于高度，对于这些电极来说所熟知的连接方法随着半径的增加而提供更差的结果。要么没有达到所述材料锁合的连接的足够的强度，要么必须使所述含贵金属的耐磨件的太多的体积熔化，用于达到所述材料锁合的连接的足够的强度。

技术实现要素：

相应地，本发明的任务是，如此改进开头所提到的类型的电极及其制造方法，使得消除前述缺点或者将其降低到最低限度。

该任务通过独立电极权利要求的特征部分或者通过独立方法权利要求的特征部分得到解决。

本发明以如下认识为基础：对于所述耐磨件与所述电极基体的可靠且耐久的材料锁合的连接来说，必须使所述耐磨件的最低体积熔化，以便为与电极基体材料进行合金而提供足够的材料。

为了保证这一点，按照本发明来规定，在所述耐磨件（verschleißteil）中线段ac相对于所述耐磨件的纵轴线x-x具有角度α并且α大于或者等于45°，其中所述点a和c在沿着所述纵轴线x-x的截面中标出所述耐磨件中的、至少一个未被熔化的第一区域与至少一个被熔化的第二区域之间的过渡部。所述点a标出在柱筒状的耐磨件的围面上的第一过渡部。所述点c标出离所述纵轴线x-x最近的另一过渡部。

由此得出，所述第二区域沿着相对于所述纵轴线的径向的方向具有和沿着相对于所述纵轴线平行的方向一样长的伸展部，或者比沿着相对于所述纵轴线平行的方向长的伸展部。由此保证，不仅在所述耐磨件的边缘上而且也在所述耐磨件的内部使对于稳定的材料锁合的连接来说所需要的材料体积熔化。所述电极在所述耐磨件与所述电极基体之间拥有深的并且同时窄的连接缝、所谓的深熔焊缝（tiefschweißnaht）。如果所述线段ac相对于所述纵轴线x-x优选具有大于或者等于60°的角度α，尤其优选α大于或者等于70°或者甚至大于或者等于80°，则尤其在电极基体与耐磨件之间获得深而窄的连接缝。

所述耐磨件的纵轴线x-x从所述耐磨件的面向电极基体的侧面一直延伸到所述耐磨件的与所述侧面对置的端侧。所述纵轴线x-x垂直于所述耐磨件的端侧。如果所述耐磨件具有柱筒状的形状，那么，所述纵轴线x-x就相当于所述耐磨件的柱筒轴线。所述耐磨件的端侧或者说端面能够为圆形、椭圆形或者多边形。对于多边形的端侧来说，角的数目比如小于12，优选所述角的数目为三个、四个、五个或者六个。

本发明的优选的改进方案是从属权利要求的主题。

在所述耐磨件的第一区域的内部，沿着所述纵轴线x-x来测量所述耐磨件的高度h。所述耐磨件的半径r相当于所述耐磨件的端侧的外接圆的半径。如果所述耐磨件的纵轴线x-x穿过所述耐磨件的外接圆的中心，那么所述耐磨件的半径r就相当于所述耐磨件的围面相对于所述纵轴线x-x的最大间距。对于所述耐磨件的圆形的端面来说，所述耐磨件的半径r是圆半径。所述耐磨件的半径r有利地大于或者等于所述耐磨件的高度h。在本发明的改进方案中能够规定，所述耐磨件的半径r大于或者等于所述耐磨件的高度h的1.5倍或者大于或者等于所述耐磨件的高度h的双倍。

优选规定，从点a到所述耐磨件的端侧的间距不大于所述耐磨件的高度h的90%。由此保证，为稳定的材料锁合的连接而熔化了所述耐磨件的足够的体积。作为补充方案或者替代方案能够规定，从点a到所述耐磨件的端侧的间距不小于所述耐磨件的高度h的50%，以便对于所述耐磨件的足够的耐磨性来说有着所述耐磨件的足够的未被熔化的体积。

在一种有利的实施方式中规定，从所述耐磨件的围面直到点c的最短距离不小于所述耐磨件的半径r的50%并且/或者不大于所述耐磨件的半径的100%。由此保证，为稳定的材料锁合的连接而在所述耐磨件的内部熔化了足够的体积并且所述连接缝具有足够的垂直于所述纵轴线x-x的深度。

在一种有利的实施方式中规定，所述耐磨件的半径r不小于0.75mm并且/或者不大于2mm，优选所述耐磨件的半径r处于1mm到1.5mm的范围内。

有利地规定，所述耐磨件的高度h不小于0.4mm并且/或者不大于1mm，优选所述耐磨件的高度h处于0.5mm到0.8mm的范围内。

此外，本发明涉及一种火花塞，该火花塞具有至少一个按本发明的电极。所述至少一个电极能够构造为中心电极和/或地电极。所述地电极能够具有顶盖式电极、侧向电极和/或弓形电极的形状。如果所述火花塞具有多个地电极，那么所述地电极就能够具有相同的形状或者不同的形状。

本发明也涉及一种用于制造电极的方法，对于该方法来说将耐磨件布置到电极基体上。借助于焊接将所述耐磨件与所述电极基体材料锁合地连接起来，其中所述耐磨件优选为柱筒状。所述耐磨件以其端侧与所述电极基体处于直接的接触之中。将焊接束（schweißstrahl）相对于所述耐磨件的纵轴线x-x以角度β优选射入到耐磨件与电极基体的接触区域中。通过所述焊接束将为了在所述耐磨件中产生至少一个被熔化的区域所需要的热能加入到耐磨本体中。通过所述焊接束在所述电极基体中所存放的能量也额外地在所述电极基体中产生至少一个被熔化的区域。所述耐磨件中以及所述电极基体中的被熔化的区域至少局部地彼此邻接。在所述电极基体中与所述耐磨件中的被熔化的区域的边界区域中，至少局部地构成合金区域，在所述合金区域中所述耐磨件与电极基体的材料彼此进行合金（legieren），并且由此在所述耐磨件与所述电极基体之间产生材料锁合的连接。

按照本发明来规定，所述角度β不小于75°、优选不小于81°。由此获得以下技术效应：所述耐磨件中的被熔化的第二区域从所述围面朝所述纵轴线x-x的方向延伸较大程度并且在总体上产生深的并且同时相对细长的连接缝、所谓的深熔焊缝。在本申请的意义上，“相对细长”是指，所述耐磨件中的第二区域的、沿着相对于所述轴线x-x的径向方向的最大伸展部大于沿着相对于所述纵轴线x-x平行的方向的最大的伸展部。

此外，证实对于这种技术效应的实现来说有利的是，所述焊接束具有不大于50μm的焦点直径。

有利地，将用于焊接束的焦点置于耐磨件与电极基体的接触区域的内部。比如，所述焦点相对于所述耐磨件的围面朝所述纵轴线x-x的方向具有所述耐磨件半径的至少50%的间距。

优选至少沿着所述耐磨件的周缘的一部分进行焊接。比如能够规定，沿着所述耐磨件的整个周缘产生连续的焊缝。作为替代方案，也能够将所述焊缝划分为多个分区段，其中所述分区段在所述耐磨件的围面上隔开，并且/或者在所述接触区域和/或耐磨件和/或电极基体的内部相互重叠。

优选所述耐磨件中的未被熔化的区域是连续的，从而在所述耐磨件中优选只有一个第一区域。

作为用于所述焊接束的源头件，能够使用激光器或者电极束（elektrodenstrahl）。所述激光器能够脉冲式地或者连续地（cw-continouswave：连续波）运行。比如能够在所述焊接方法中使用固体激光器、纤维激光器、盘形激光器和/或二极管激光器。

有利地，所述焊接束的源头件以及由此所述焊接束能够在焊接期间围绕着所述电极基体和所述耐磨件旋转。作为替代方案也能够考虑，所述焊接束的源头件位置固定，并且具有电极基体和耐磨件的电极围绕着轴线转动、尤其是围绕着所述耐磨件的纵轴线x-x转动。

能够有利地规定，在焊接期间改变所述焊接束的功率。由此能够对比如由于遮蔽效应引起的功率损失进行补偿并且由此能够产生尽可能均匀的连接缝。

比如能够规定，在焊接方法的第一运行阶段中所述焊接束的功率是恒定的。在紧接在所述第一运行阶段之后的第二运行阶段中连续地降低功率或者将其降低到低的数值上，在所述第二运行阶段期间恒定地保持所述低的数值。

作为替代方案或者补充方案也能够规定，所述第二运行阶段被第三运行阶段中断。所述第三运行阶段优选在时间上比所述第二运行阶段的各个时间上的区段短。在所述第三运行阶段中又短时间地提高所述焊接束的功率。在所述第三运行阶段结束之后，比如将所述焊接束的功率调节到其在所述第二运行阶段中在被所述第三运行阶段中断之前的最后的数值上。

如果在焊接期间在所述电极或者焊接源头件旋转时比如地电极的支脚进入到所述焊接束中并且由此遮蔽所述焊接束的一部分，则出现所述焊接束的功率的遮蔽效应。

附图说明

附图中：

图1示出了一种用于火花塞的示例；

图2示出了一种用于按本发明的电极的示例；

图3示出了一种用于制造按本发明的中心电极的示例；

图4示出了一种用于制造按本发明的地电极的示例；并且

图5示出了一种用于焊接束功率的时间上的变化曲线的示例。

具体实施方式

图1示出了火花塞1的示意图。所述火花塞1具有金属的壳体2，该金属的壳体具有用于将所述火花塞1安装在马达机体中的螺纹3。在所述壳体2的内部布置了绝缘体4。中心电极5和连接螺栓7布置在所述绝缘体4的内部并且通过这里未示出的电阻元件进行了电连接。所述中心电极5典型地在所述火花塞1的燃烧室侧的端部上从所述绝缘体4中伸出来。

在所述壳体2的燃烧室侧的端部上布置了地电极6。该地电极与所述中心电极5一起形成点火间隙。所述地电极6能够构造为顶盖式电极、侧向电极或者弓形电极。所述弓形电极具有两个支臂，所述两个支臂以其支腿16分别被焊接到所述壳体2上。所述支臂相对于彼此具有30°到180°的角度。所述弓形电极能够构造一体或者多部分地构造，其中对于多部分的构造来说各个部件通过材料锁合的连接、像比如焊接彼此相连接。

在图2中示出了按本发明的电极5、6的剖面。所述电极5、6拥有电极基体8和耐磨件10，其中所述耐磨件10如此布置在所述电极基体8上，使得所述耐磨件与对置的电极6、5或者布置在对置的电极6、5上的第二耐磨件一起构成点火间隙。

所述电极基体8由低合金的或者高合金的镍合金所构成。比如所述镍合金与钇进行了低合金或者与铬进行了高合金。所述镍合金中的铬份额比如为至少20个重量百分点、优选甚至为至少25个重量百分点。

所述耐磨件10圆筒状地设有圆形的、椭圆形的或者多边形的端面，并且具有柱筒轴线或者纵轴线x-x。所述纵轴线x-x从所述耐磨件的端面13一直延伸到所述耐磨件的、对置的面向电极基体8的侧面14。沿着所述纵轴线x-x来测量所述耐磨件10的高度h。所述耐磨件10的半径r相当于所述耐磨件10的围面15相对于所述纵轴线x-x的最大间距，其中垂直于所述纵轴线x-x、比如在所述耐磨件的端面13上测量所述间距。在这种实施例中，所述耐磨件10具有圆片形状，也就是说所述耐磨件10的半径r大于或者等于所述耐磨件10的高度h。比如能够规定，所述耐磨件10的半径r大于或者等于所述耐磨件10的高度h的1.5倍，或者甚至所述耐磨件10的半径r大于或者等于所述耐磨件10的高度h的2倍。所述耐磨件10的半径r不小于0.75mm并且/或者不大于2mm。优选所述耐磨件10的半径r不小于1mm并且/或者不大于1.5mm。所述耐磨件10的高度h不小于0.4mm并且/或者不大于1mm。优选所述耐磨件10的高度h不小于0.6mm并且/或者不大于0.8mm。在这种实施例中，比如所述耐磨件10的半径r是1.2mm并且所述耐磨件10的高度h是0.6mm。

所述耐磨件10由贵金属或者贵金属合金所构成、像比如铱、铂、铑、钌和/或铼或者具有这些贵金属中的至少一种贵金属的合金所构成。

在这种实施例中，所述耐磨件10的、面向电极基体8的侧面14与所述电极基体8处于直接的接触之中。借助于焊接将所述耐磨件10与所述电极基体8材料锁合地连接起来，由此在所述耐磨本体10中并且在所述电极基体8中构成区域12、18，所述区域在连接过程期间被熔化。

额外地在电极基体8与耐磨件10之间的接触区域中还有一个区域，在该区域中所述电极基体8的材料与所述耐磨件10的材料彼此进行合金。这个合金区域能够小于或者等于所述电极基体8中以及所述耐磨件10中的被熔化的区域18、12的总和。合金区域与被熔化的区域18、12之间的界限能够是流动的，而在剖面中所述耐磨件10中或者所述电极基体8中的被熔化的区域12与未被熔化的区域11之间的界限通常能够清楚地看出。如在图2中所示出的那样，能够将所述耐磨件10划分为在连接过程中未被熔化的第一区域11和在连接过程中被熔化的第二区域12。

在剖面中，能够良好地看出所述耐磨件10的未被熔化的区域11与所述耐磨件10的被熔化的区域12之间的过渡部。所述耐磨件10的第一区域11与所述耐磨件10的第二区域12之间的、在围面15上的过渡部被称为点a。所述耐磨件10的第一区域11与所述耐磨件10的第二区域12之间的、离所述纵轴线x-x最近的过渡部被称为点c。线段ac相对于所述纵轴线x-x或者相对于所述纵轴线x-x的从所述点c中穿过的平行线x'-x'具有角度α。为了确定所述线段ac，典型地对所述耐磨件10的相同的第二区域12上的点a和c进行观察。所述角度α大于或者等于45°。优选所述角度α甚至大于或者等于60°。

所述耐磨件10的端侧13有利地没有所述耐磨件10的第二区域12，也就是说，所述耐磨件10的端侧13完全没有被熔化并且属于所述耐磨件10的第一区域11。理想地，从点a到所述耐磨件10的端侧13的间距不小于所述耐磨件10的高度h的50%。此外，所述间距不大于所述耐磨件10的高度h的90%，由此为牢固的材料锁合的连接而熔化了所述耐磨件10的足够的材料。

从所述耐磨件10的围面15直到所述点c的最短距离不小于所述耐磨件10或者端面13的半径r的50%并且/或者不大于所述耐磨件10的半径r的100%。这个最短距离相当于所述耐磨件10的第二区域12沿着相对于所述纵轴线x-x的径向方向的深度t。在此规定所述耐磨件10的第二区域12具有所述耐磨件10的至少一半的半径r的深度t，由此保证基于所述耐磨件10与所述电极基体8的牢固的材料锁合的连接而熔化了所述耐磨件10的足够的材料。

在表格1中示范性地为三种情况：r=h、r=1.5h和r=2h列出了所产生的、用于边界条件的极限值的角度α。所述边界条件从所述耐磨件中的第二区域12的最小的和最大的高度b以及最小的和最大的深度t中产生。沿着所述围面15来测量所述耐磨件10的第二区域12的高度b。所述耐磨件10的第二区域12的高度b应该相当于所述耐磨件10的高度h的至少10%并且最大50%。所述耐磨件10的第二区域12的深度t相当于在垂直于所述纵轴线x-x的平面中点c与围面15的间距。所述耐磨件10的第二区域12的深度t应该相当于所述耐磨件10的半径r的至少50%和最大100%。对于上面所列举的情况来说，由此对于所述边界条件来说相应地产生4种可能的组合，对于所述组合来说分别产生一个角度α。

表格1：

在上面所列举的示例中，对于角度α来说产生处于45°到84°的范围内的数值。其中于是尤其产生用于α（45°-63°）的小角度，如果所述耐磨件10的第二区域12具有大的高度b、也就是说相当于所述耐磨件10的高度h的50%，并且同时具有小的深度t、也就是仅仅相当于所述耐磨件10的半径r的50%。对于具有所述耐磨件10的第二区域12的小的高度b（10%h）和小的深度t（50%r）或者具有所述耐磨件10的第二区域12的大的高度b（50%h）和大的深度t（100%r）的情况来说，用于角度α的数值处于63°-83°的范围内。对于具有所述耐磨件10的第二区域12的小的高度b和大的深度t、相当于窄而深的连接缝的极限情况来说，用于角度α的数值处于84°-87°的范围内。从中能够推断：在本发明的一种特别优选的实施方式中所述角度α优选大于或者等于80°。

所述耐磨件10与电极基体8的材料锁合的连接优选通过焊接方法来进行、像比如激光束焊接或者电极束焊接来进行。对于所述激光束焊接来说，能够使用脉冲式激光束或者连续激光束、也就是连续波（cw）激光。在产生激光束时，能够使用固体激光器、盘形激光器、二极管激光器和/或纤维激光器。

如在图2中示意性地示出的那样，将所述焊接束20相对于所述纵轴线x-x以角度β对准耐磨件10与电极基体8之间的接触区域。为了获得所述耐磨件10中的第二区域12的尽可能大的深度t以及同时小的高度b，将所述焊接束20以不小于75°、优选不小于81°的角度β射入到所述接触区域中。

用于所述焊接束20的焦点比如处于所述接触区域的内部、也就是优选处于所述点c与所述围面15之间的路段上。所述焊接束20有利地在所述焦点中具有不大于50μm的直径。由此产生尽可能深的并且同时不太高的焊缝或者说连接缝。所述焊缝的形状与所述耐磨件10中以及所述电极基体8中的被熔化的区域12、18的几何形状相关联。

原则上适用：如果所述耐磨件10的半径r相对于高度h的比例增加，那也必须扩大所述焊接束20的入射角β，用于产生所述耐磨件10的第二区域12的足够的深度t并且由此也产生电极基体8与耐磨件10之间的可靠的牢固的连接，而不必在所述围面15上在高度方面过多地熔化。

优选至少沿着所述耐磨件10的周缘的一部分进行焊接。比如能够规定，沿着所述耐磨件10的整个周缘产生连续的焊缝。作为替代方案，也能够将所述焊缝划分为多个分区段，其中所述分区段在所述耐磨件10的围面15上隔开，并且/或者在所述接触区域的内部并且/或者在所述耐磨本体10的内部并且/或者在所述电极基体8的内部相互重叠。优选所述耐磨件10中的未被熔化的区域11是连续的，从而在所述耐磨件10中优选只有一个第一区域11。

图3示出了两种可能的、用于制造按本发明的作为中心电极5的电极的实施方式。在所述第一种实施方式中，也就是在图3a中，所述焊接束源头件21位置固定，并且具有电极基体8和耐磨件10的电极5围绕着轴线、在该示例中是所述耐磨件10的纵轴线x-x转动。在所述第二种实施方式中，也就是在图3b中，所述焊接束源头件21围绕着所述电极5旋转。

图4示出了两种可能的、用于制造按本发明的作为地电极6的电极的实施方式。在所述第一种实施方式中，也就是在图4a中，所述焊接束源头件21位置固定，并且具有电极基体8和耐磨件10的电极6围绕着轴线、在该示例中是所述耐磨件10的纵轴线x-x转动。在所述第二种实施方式中，也就是在图4b中，所述焊接束源头件21围绕着所述电极6旋转。

能够额外地规定，在焊接所述地电极6期间改变所述焊接束21的功率。由此能够对焊接期间的功率损失进行补偿，如果比如在所述电极6或者焊接源头件21旋转时地电极6的支腿16进入到所述焊接束20中并且由此遮蔽了所述焊接束20的一部分。

图5示出了一种示例，该示例用于在焊接弓形地电极6期间所述焊接束20的功率p的时间上的变化曲线t。在第一运行阶段中，将所述功率p保持到恒定的数值上。在这个阶段中对所述耐磨件10中以及所述电极基体8中的有待熔化的区域12、18进行加热，并且由此在所述电极基体8中并且在所述耐磨件10中产生对于深熔焊接来说所需要的熔池。在所述第二运行阶段中，将所述功率p降低到起始功率的80%到90%。这种降低了的功率p足够，以便所述熔池与所述焊接束20一起按照所述电极6或者焊接束源头件21的旋转速度沿着所述耐磨件10的周缘运动，并且由此产生所述连接缝。在这种实施例中，所述第二运行阶段两次被第三运行阶段中断，在所述第三运行阶段中又将所述功率p提高到起始值上，用于以被存放到所述电极6中的功率p对通过所述地电极6的暂时处于焊接束20中的支腿16产生的遮蔽效应进行补偿。在至少一整转之后，在第四运行阶段中将所述功率p降低到0%并且结束所述焊接方法。

有利地在如此选择所述焊接的起始位置和/或在所述焊接期间的旋转方向，使得所述火花塞1的引起遮蔽效应的构件在旋转循环之内尽可能迟地进入到所述焊接束20中。