专利名称：用于火花塞电极的贵金属端子及其制造方法
技术领域：
本发明通常涉及在内燃机中使用的火花塞，特别涉及附着于中心 电极和/或接地电极的贵金属端子结构及其制造方法。
背景技术：
公知地，在现有技术中通过将稀有金属或贵金属端子附着于火花 塞电极的点火端来延长火花塞电极的使用寿命。这种技术中的一些最
早期的示例可参见于1942年9月15日授于Heller的第2， 296， 033 号美国专利，和1938年公布的、Powerll等的第479, 540号英国专利 说明书。Heller的专利中提出了将稀有金属附着于由大量不太昂贵的 材料形成的接地电极和中心电极。这些稀有金属包括耐腐蚀的材料， 包括钩合金(如柏铑，柏铱，钿钌)。同样地，Powell的说明书中公 开了对铂、铱、钌、锇及其合金(包括铱铑合金)的使用，以用作火 花塞电极的点火端子。在这种和其它早期的设计以后，涌现出了大量 试图利用贵金属和其他稀有金属的耐腐蚀和耐侵蚀性能的其它发明。
多年以来，大量描述铂使用的专利已经说明，铂是被选择用于火 花塞电极点火端的稀有金属。但是，在最近几年，大量其他的贵金属 和贵金属合金被更加频繁地使用，其中之一是铱。与其他的贵金属相 比，铱相对低廉，并具有很高的熔点(大约为2410。C)。虽然4吏用铱 时具有很多的优点，但是因为铱在受到机械压力和变形时容易破裂，因 此在制造期间有时存在一些难题。为了克服这个问题和其他的缺陷，已 经开发出了各种具有某些期望的金属特性的铱合金。这种合金的示例 示于2000年7月25曰授于Osamura等的第6， 094， 000的美国专利 申请。在该专利文献中公开了开了一种Ir-Rh合金，在这种合金中铱、 铑的相对百分比在其公开的几个实施方案之一中是可以改变的。
铱和其他这样的点火端的附着通常采用焊接的方法来实现，特别 地，采用激光焊接将端子焊接到中心电极上。典型地，端子为一段圆
柱形线的形式。
<旦是，也存在采用其他附着纟支术的其他端子结构。比
如，在Fleetwood等的美国专利No. 6, 614， 145号中， 一种具有》文大 的头端(head)的铱端子通过对位于上部电极的盲孔中的端子进行型 锻(swage)和铜焊(braze)而使其附着。
发明内容
本发明主要在于提供一种贵金属端子，该金属端子根据一个实施 方式用于火花塞电极，并包括具有火花表面的点火端、附着端和通常 径向地向内延伸到贵金属端子的保持部分。贵金属端子能够被插入到 位于火花塞中心和/或接地电极的孔中，以使得火花表面位于孔的外 部，而保持部分位于钻孔的内部。
根据另 一个实施方式，提供了 一种在火花塞中使用的中心电极组 件，所述中心电极组件包括中心电极、贵金属端子和熔融层。该中心 电极包括具有盲孔的前端，而贵金属端子包括具有火花表面的点火端、 位于盲孔内的附着端、以及保持部分。该保持部分容纳至少部分的熔 融层，这样，贵金属端子就被固定在盲孔内。
根据另 一个实施方式，提供了 一种火花塞电极组件的制造方法。 该方法包括如下步骤(a)提供贵金属线；(b)提供中心电极或接 地电极；(c)在贵金属线上钻出保持部分；(d)将贵金属线的一端 插入到电极的凹槽中；(e)对所述电极施加激光，以使得熔融材料流 入保持部分；以及(f)将贵金属线切割至预定的长度。
本发明的上述和其它目的、特征和有益效果将通过以下对优选实施 方案和最佳方式、所附权利要求以及附图的详细描述而变得显而易见， 附图中，
图1为具有贵金属端子的火花塞的部分的局部视图，该贵金属端 子附着在中心电极的点火端上；
图2为图1中的贵金属端子和中心电极点火端的放大图； 图3为图2中沿线3-3所得的贵金属端子的剖视图4为用于制造贵金属端子并将其附着于中心电极的工艺的概要 流程图；以及
图5为对图4中流程图的其中的一个步骤更为具体的说明。
具体实施例方式
参见图1,该图示出了用于在内燃机(未示出)中使用的火花塞 组件10。火花塞组件IO通常包括壳体12、绝缘体14、中心线组件16、 接地电极18、贵金属端子20和贵金属垫22。 />知地，壳体12通常为 圆柱形的、具有沿其轴向长度方向延伸的中空孔(bore)的导电部件。 在该腔体内为一 系列圆周的肩形部件，这些肩形部件的大小能够支撑 绝缘体直径地减小的部分。和壳体一样，绝缘体14通常也为具有延长 的轴向孔的圆柱形部件，并通常由非传导的材料制成。绝缘体的较低 的轴向端包括向壳体外部延伸并超出壳体的最低部分的鼻形部分。绝 缘体轴向孔被设计为能够接纳导电的中心线组件16，该中心线组件16 在火花塞的整个轴向长度上延伸，并通常包括终端电极30、 一个或多 个传导和/或压制的密封件32、电阻元件34,以及中心电极组件36。 在图中示出的中心电极组件36仅为多种可能的实施方式中的一种，并 且可以包括附加的部件或被省略的部件。接地电极18与壳体的较低轴 向端进行机械和电性连接，并且接地电极18通常被形成"L"形的结 构。中心电极组件36的露出端和接地电极18的侧表面是相对的，并 分别具有贵金属端子20和贵金属垫22，以形成火花间隙。与现有的 电极材料相比，贵金属端子和贵金属垫更能耐腐蚀和氧化，这样就提 高了活塞的使用寿命。
图2示出了附着于中心电极组件36之前的贵金属端子20。该贵 金属端子优选从基于铱的材料制成，即，纯铱或以铱作为主要成分的 合金。合适的基于铱的合金的例子包括铱铑、铱铂、铱钌和铱钯、以 及其他的现有技术公知的铱合金。也可使用铂和其他的非基于铱的端 子。贵金属端子20通常为圆柱形的部件，并包括点火端40、附着端 42以及一个或多个保持部分44、 46和60、 62。点火端40为贵金属端 子20突出于中心电极组件36的端部，以与接地电极18形成火花间隙。
点火端40包括火花表面50，通过火花表面，发起燃烧的火花弧穿过 火花间隙到达接地电极。在图中示出的火花表面50为平坦的，但是， 也可使用凹形的、凸形的、尖角的或其他形状的火花表面。优选地， 贵金属端子的火花表面50突出超过中心电极的锥形端部0.1 mm- 1.0 mm的距离，而火花表面优选具有0.25 mm-1.0 mm的直径。作为选 择，火花表面可以为截面为非圆形的形状。
附着端42为贵金属端子的、通常为锥形的端部，并被设计成能够 接纳于中心电极组件36的锥形的轴向盲孔52中。轴向盲孔52优选包 括终结于一点的锥形部分，该设计易于制造并为附着端42提供了互补 孔。作为选择，也可以使用包括具有多个锥形部分(所述多个锥形部 分形成为阶梯孔)或完全没有锥形的部分的轴向孔的轴向孔设计。如 同将要给出的更为详尽的说明，附着端42在制造/附着过程期间形成， 并包括终结于点56的锥形部分54。当然，作为选择，附着端42可以 终结于某种不同于点的形状，如平坦的端部、圓形端等。如图2所示， 中心电极组件的轴向盲孔52被设计为能够容纳锥形的附着端42。其 准确的形状、大小等可根据所使用的贵金属端子20的结构而变化。中 心电极材料优选为具有高度耐腐蚀、耐侵蚀和耐高温等性能的基于镍 的材料。合适的材料的例子包括(但不限于)由俄亥俄州托莱多市的 冠军火花塞(Champion Spark Plug)公司生产和销售的#522合金，和 Inconel 600。
参见图2和图3，在几个立体图中示出了保持部分44、 46和60、 62。这些保持部分被设计为能够在激光附着过程中接纳熔融的中心电 极和/或贵金属材料，以形成熔融层102 (参见图5),并提高贵金属 端子20和中心电极组件36之间的结合强度。当熔融材料在保持部分 内凝固后，熔融层就起到机械结合或互锁(interlock)的作用。根据 示于图2和图3中的特歹朱的实施方式，保持部分44、 46和60、 62通 常为在贵金属端子的侧面形成的圆锥形孔或凹槽。优选地，每一个这 些孔都具有直径为0.05 mm-0.3 mm的开口，更理想的直径为0.1 mm -0.15 mm (这些尺寸特别适用于直径约为0.7mm的贵金属端子)。 图中示出的保持部分沿径向方向延伸，但其并未相互连接(否则将完
全穿通端子)。换句话而言，保持部分44、 46和60、 62延伸进端子 的距离小于贵金属端子的直径。在优选实施方式中，每一个保持部分 径向延伸到贵金属端子中的径向深度为0.05 mm-0.3 mm。在更理想 的实施方式中，保持部分延伸的径向深度为0.075 mm-0.2 mm。在最 理想的实施方式中，延伸的径向深度为0.1 mm-0.15 mm。也有可能 为其他的实施方式，如保持部分延伸了贵金属端子的整个直径，这样， 它们就完全穿过端子；或者两个保持部分相对径向延伸并在贵金属端 子20内接合。贵金属端子20优选具有四个保持部分(图2中不能看 到保持部分62)。保持部分44、 46在第一轴向位置位于贵金属端子， 并围绕端子圆周被间隔开，从而使它们间隔约180°。类似地，保持部 分60、62在第二轴向位置位于贵金属端子，并围绕端子圆周被间隔开， 从而也使得它们间隔约180。。保持部分的第一和第二轴向位置的这种 设计，使得当贵金属端子附着于中心电极部件时，所有四个孔都位于 盲孔内，同时两个轴向位置^^轴向间隔开距离x,该距离优选为0- 1.0 mm。可以根据众多结构之一来布置保持部分，图2和图3的结构仅为 其中的一种。比如，除了在特定的轴向位置被分隔180。的两个保持部 分外，还可以采用被分隔成120。的三个的保持部分，或者采用被分隔 成90。的四个保持部分。不同于锥形孔的保持部分(如圆柱形的孔、 凹槽、凹痕、刻痕、粗糙的表面等)也可以用来在附着过程中接纳熔 融的中心电极和/或贵金属材料。根据一个实施方式，保持部分包括一 个或多个在端子的外圆柱表面上的凹槽，该外圆柱表面围绕端子的整 个圆周延伸。
参照图4，图4的流程图示出了用于制造贵金属端子并使其附着 于中心电极上的概要工艺。从步骤70开始，首先提供一组金属线和加 工的中心电极部件，制造贵金属线的方法包括诸如铸造、锻造、拔丝、 轧制等步骤和本领域中已知的步骤。如前所述，贵金属线优选包括基 于铱的材料(如铱铑合金)，其也可包括其他的贵金属或贵金属合金。 贵金属线理想地以具有预定长度(如1.0 m)和预定直径(如0.7mm) 的直杆形式提供。当中心电极部件在步骤70中被提供时，它们已经被 加工，这样中心电才及部件就包括轴向的中心盲孔。接下来，步骤72
包括将贵金属线和中心电极部件放入使它们处于同轴排列的机床中，
如此，贵金属端子的附着端42就面对盲孔52。之后，在将贵金属端 子插入盲孔之前，贵金属线被前置到"激光钻孔"的位置，即， 一个 或多个激光头在贵金属线中径向地钻出保持部分的位置。然后，在步 骤74，两个激光头面对贵金属线放置(彼此间隔大约90。)，从而使 得每一个激光头能够以通常垂直于金属线的轴向方向发射激光束。保
持部分通常是沿径向的方向被钻出，但保持部分并未在贵金属线的整 个直径延伸。本领域的技术人员应该理解，在激光钻孔过程中使用了 高强度的激光，以使得有选择地、局部地蒸发贵金属线材料。特殊的 激光操作参数(如能量/脉冲、每个脉冲的持续时间、所使用的激光的 类型等)可根据所需的保持部分的大小和形状、贵金属线的组成和本 领域技术人员公知的其他因素而改变。在两个激光头钻出了两个保持 部分后，贵金属线可以成角度地换位，这样，两个激光头就可以钻出 另一对保持部分。激光钻孔处理的预想结果是形成围绕每一个激光钻 出的保持部分或孔的略微突出的、环绕的唇状物(lip)。这可从在其
中示出了每一个保持部分44、 46和60、 62净皮圆周唇状物包围的图2 和图3中看出。例如，唇状物64被示出为包围孔60,而唇状物66包 围孔46。当然，可以选择能够用于形成保持部分的钻孔技术或加工技 术(如那些使用现有钻头、磨轮等的技术)，以代替上面所述的激光 钻孔处理。在保持部分形成之后，贵金属线以轴向方向前置从而使其 插入中心电才及部件的盲孔内。
在步骤76种，将贵金属线和中心电极部件结合在一起，以形成中 心电极组件。可以理解，存在许多将贵金属端子结合到火花塞电极上 的焊接和结合工艺技术，以及可以使用任何适合的方法将贵金属线固 定在盲孔内。根据一种技术，使用激光将贵金属端子激光焊接到中心 电极的轴向孔内。使用的这种技术包括将中心电极和贵金属材料熔化， ^v而^f吏它们 一 同流入轴向孔并在其中凝固。由于这种才支术已#1广泛记 载并在本领域中公知，因此在此省略了对其的具体描述。根据另一种 技术，优选将一对激光头相互间隔约180°，并发射激光束，以熔化包 围盲孔的中心电极材料的部分。这就使得唯一组成中心电极材料的熔
融的材料流入新钻出的位于盲孔内的保持部分。在凝固之后，这种中 心电极材料与点火端机械互锁，以在贵金属端子自身没有任何熔化或 焊接的情况下为端子提供牢固的附着。在该步骤完成之后，就能成角 度地将中心电极组件进行换位，这样，这对激光头就能熔化中心电极 的其他部分。在这两种技术中，熔化的金属(其可为中心电极和贵金 属材料的混合，也可仅为中心电极)流入保持部分中并凝固形成了硬
化的熔融层(如示例的熔融层102)。
熔融层102包括在结合的过程中熔化的材料(可以是中心电极材 料、贵金属材料或它们的混合)，并将中心电极和贵金属材料牢固地 附着在一起。在结合处理步骤76中使用的激光头可以与激光钻孔步骤 74中使用的激光头相同，也可以为完全分离的一套激光头。在欧洲专 利No. 1， 286, 442中示出了可以使用的激光结合^t术的示例，其全 部内容通过引用并入本文。
在将贵金属线和中心电极合适地结合在一起后，在步骤78，该线 被切割至预定的长度。图5示出了可用于执行步骤78的结构。安装轴 承夹持部件(未示出)具有中心电极组件90，以使得整个组件能够旋 转。中心电极组件90包括附着于贵金属线94的中心电极部件92,在 步骤76进行结合之后，即进行步骤78。中心电极组件90以高速旋转， 同时旋转的锥形的切割轮96。中心电极组件和切割轮各有相互平行的 轴。旋转时，将切割轮径向前置以按照预定的长度切割贵金属线。该 径向前置由实线箭头A示出，径向切割由点划线示出。为了确保将仍 然与中心电;f及附着的贵金属线部分(部分98)和用于与其他中心电^f及 部件一起使用的附加枝茎部分(部分IOO)进行良好的断开，需在贵 金属线上施加轻微的轴向力B。在切割轮96研磨地切过金属线的半径 的大部分之后，由于金属线的剩余的未切割部分的抗拉强度小于轻微 的轴向力B而使得金属线分离。这种分离留下了附着于中心电极的端 部平坦的贵金属端子(即部分98),和长的金属线(部分IOO)。部 分IOO具有用于随后附着于不同中心电极部件的锥形的附着端。为了 确保部分98具有平坦的火花表面，在断开之后，切割轮96继续沿A 方向穿过表面，以去除可能残余的毛刺或毛边。同样，还存在其他将
贵金属线切割至预定长度的方法，示于图5中的工艺仅为其中之一。
回到图4，在步骤80,去除新制成的中心电极并将其转移到能够 对其进行自动检测的区域。该才全测可以是在线才企测，也可以是离线枱r 测，并可以例如使用光学技术以分类和检测出存在质量问题的废品。 该步骤能够重复进行。
虽然前述对贵金属端子的描述被限制于将其附着于中心电极部件 的实施方式中，但是，贵金属端子也能容易地附着于接地电极部件。 在这种实施方式中，在与火花间隙相邻的区域中，盲孔形成于接地电 极的侧表面。具有附着端、点火端和一个或多个保持部分的贵金属端 子然后该端子被插入位于接地电极中的盲孔中，这样，点火端突出于 接地电极的側面。其他的特征和制造步骤与已经讨论过的类似，在此 就不需重复说明。作为选择，贵金属端子可以附着于接地电极的自由 端面。如此设置接地电极是为了与中心电极形成径向设置的火花间隙 结构。
显然，根据本发明提供的一种用于火花塞电极的贵金属端子及其 制造方法实现了本文详述的目的和优点。可以理解，上述说明仅为本 发明的优选实施方式，本发明并不限于上述具体的实施方式。比如， 根据本发明，可以增加、删除或修改图4中所述的某些制造步骤，仍 然能够得到贵金属端子和/或中心电极组件。各种变化和修改对于本领 域的技术人员而言将显而易见，所有的此类变化和修改都在所附的权 利要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于火花塞电极的贵金属端子，包括点火端，其具有火花表面；附着端；以及保持部分，其在与所述附着端相邻的位置通常径向地向内延伸到所述贵金属端子，所述保持部分具有至少一个0.05mm-0.3mm的尺寸。
2. 如权利要求1所述的贵金属端子，其中，所述保持部分包括向 内延伸到所述贵金属端子的孔。
3. 如权利要求2所述的贵金属端子，其中，所述保持部分仅部分 地径向延伸穿过所述贵金属端子的直径。
4. 如权利要求2所述的贵金属端子，其中，所述孔从所述贵金属 端子的圆形开口向内延伸，所述保持部分的所述0.05 mm - 0.3 mm的 尺寸包括所述开口的直径。
5. 如权利要求2所述的贵金属端子，其中，所述保持部分的所述 0.05 mm - 0.3 mm的尺寸包括所述孔延伸到所述贵金属端子的距离。
6. 如权利要求1所述的贵金属端子，其中，所述贵金属端子包括 多个保持部分，以及其中一个或多个所述保持部分位于沿所述贵金属 端子的第 一轴向位置，以及一个或多个所述特征位于沿所述贵金属端 子的第二轴向位置，所述第一轴向位置和第二轴向位置相互隔开。
7. 如权利要求6所述的贵金属端子，其中，第一和第二保持部分 位于所述第一轴向位置并被相互圆周地间隔约180°，第三和第四保持 部分位于所述第二轴向位置并一皮相互圆周间地间隔约180。。
8. 如权利要求7所述的贵金属端子，其中，所述第一和第三保持 部分被圓周地间隔约90°，所述第三和第二保持部分^皮圆周地间隔约 90°，所述第二和第四保保持部分被圆周地间隔约90。，以及所述笫四 和第一保持部分被圆周间隔约90。。
9. 如权利要求1所述的贵金属端子，其中，所述贵金属端子包括 基于铱的材料。
10. —种电极组件，其包括权利要求1所述的贵金属端子。
11. 一种火花塞，其包括权利要求12所述的电极组件。
12. —种在火花塞种使用的中心电极组件，包括 中心电极部件，包括在其中形成有盲孔的前端； 贵金属端子，其通常为圆柱形并被固定在所述盲孔内，所述贵金属端子包括具有火花表面的点火端； 位于所述盲孔内的附着端；以及延伸到所述端子的距离为0.05 mm-0.3 mm的保持部分；以及 延伸到所述保持部分的熔融层，其中，所述贵金属端子通过所述 熔融层被所锁在所述中心电极中。
13. 如权利要求12所述的中心电极组件，其中，所述贵金属端子 包括多个保持部分，所述保持部分的一个或多个位于沿所述贵金属端 子的第一轴向位置，所述保持部分的一个或多个位于沿所述贵金属端 子的第二轴向位置，所述第一和第二轴向位置相互间隔。
14. 如权利要求12所述的中心电极组件，其中，所述火花表面突 出超过所述中心电极前向端部的端部的距离为0.1 mm - 1.0 mm。
15. 如权利要求12所述的中心电极组件，其中，所述火花表面具 有0.25 mm - 1.0 mm的直径。
16. 如权利要求12所述的中心电极组件，其中，所述贵金属端子 包括基于铱的材料。
17. 如权利要求12所述的中心电极组件，其中，所述中心电极部 件包括基于镍的材料，在正常的火花塞工作温度下所述基于镍的材料 具有大于30W/mK的导热率。
18. —种包括如权利要求12所述的中心电极组件的火花塞。
19. 一种制造火花塞电极组件的方法，所述方法包括如下步骤(a) 提供贵金属线；(b) 提供中心电极或接地电极；(c) 在所述贵金属线中钻出保持部分；(d) 将所述贵金属线的端部插入所述电;f及的凹槽；(e) 对所述电极施加激光，以使得熔融材料流入所述保持部分；以及(f) 将所述贵金属线切割至预定的长度。
20. 如权利要求19所述的方法，其中，所述步骤(c)进一步包 括使用 一个或多个激光头以使用激光钻出所述保持部分。
21. 如权利要求19所述的方法，其中，所述步骤(e)包括在 所述激光头和所述电极或所述贵金属线之间没有相对移动。
22. 如权利要求19所述的方法，其中，所述步骤(c)进一步包 括激光钻出保持部分，以使得所述保持部分只部分延伸通过所述贵 金属线的直径。
23. 如权利要求19所述的方法，其中，所述步骤(f)进一步包 括使用锥形的切割轮以径向切割所述贵金属线至预定的长度，以使 得切割部分的一端为平坦的，而所述切割部分的另 一端是锥形的。
24. 如权利要求19所述的方法，其中，所述贵金属线为基于铱的线。
全文摘要
用于附着于火花塞中心电极(36)和/或接地电极的贵金属端子(20)。贵金属端子(20)通常为圆柱形的部件，其包括点火端(40)、附着端(42)和一个或多个保持部分(44、46和60、62)。保持部分通常为圆锥形的孔或凹槽，其形成在贵金属端子的侧面，并被设计以在激光附着过程中接纳熔融的材料。当熔融材料在保持部分内凝固后，就形成了熔融层，其在贵金属端子和电极之间起到机械结合或连结的作用。同时还提供了制造贵金属端子并使其附着的方法。
文档编号H01T13/20GK101103504SQ200580006019
公开日2008年1月9日 申请日期2005年2月28日 优先权日2004年2月26日
发明者保罗·廷威尔, 克里斯蒂安·弗兰切斯科尼 申请人:弗兰切斯科尼科技股份有限公司;联邦摩古点燃(英国)有限公司