KR100427742B1

KR100427742B1 - Joining method of the plasma cutting torch tip

Info

Publication number: KR100427742B1
Application number: KR10-2001-0020796A
Authority: KR
Inventors: 정호신; 정재규
Original assignee: 웰텍코리아 (주)
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2004-04-27
Also published as: KR20010098706A

Abstract

본 발명은 구리 몸체에 하프늄 봉재보다 작은 크기의 구멍을 가공한 다음, 구리 몸체를 지지대에 고정한 상태에서 드릴이나 마찰 용접기와 같은 장비를 사용하여 하프늄 봉재를 회전시키면서 추력을 가하거나 직접 직선운동시켜 구리몸체에 삽입함으로써 마찰발열을 이용하여 고상용접하는 방식을 채용한 플라즈마 절단기용 팁 제조방법에 관한 것으로, 이 팁 제조방법은 구리 몸체에 하프늄 봉재의 직경보다 작은 크기의 구멍을 가공하는 단계와, 상기 구리 몸체를 지지대에 고정한 상태에서 상기 하프늄 봉재를 상기 구멍 입구에 배치시키는 단계와, 드릴이나 마찰용접기 등을 이용하여 상기 하프늄 봉재를 회전시키면서 추력을 가하여 마찰발열에 의해 하프늄 봉재를 구리 몸체에 접합시키는 단계로 구성된다.According to the present invention, a hole having a size smaller than that of a hafnium rod is processed in a copper body, and then a thrust or direct linear motion is applied while rotating the hafnium rod using equipment such as a drill or a friction welding machine while the copper body is fixed to a support. The present invention relates to a method for manufacturing a tip for a plasma cutting machine employing a solid-phase welding method by inserting into a body using frictional heat generation. The method for manufacturing a tip includes processing a hole having a size smaller than the diameter of a hafnium rod in a copper body, and Arranging the hafnium rod at the hole inlet while the body is fixed to the support, and bonding the hafnium rod to the copper body by frictional heating by applying thrust while rotating the hafnium rod using a drill or a friction welding machine. It consists of.

Description

Joining method of the plasma cutting torch tip

본 발명은 플라즈마 절단기용 팁 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 구리 몸체에 하프늄 봉재보다 작은 크기의 구멍을 가공한 다음, 구리 몸체를 지지대에 고정한 상태에서 드릴이나 마찰 용접기와 같은 장비를 사용하여 하프늄을 회전시키면서 추력을 가하거나 직접 직선운동시켜 구리몸체에 삽입함으로써 마찰발열에 의한 고상용접하여 접합하는 방식을 채용한 플라즈마 절단기용 팁 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a tip for a plasma cutting machine, and more particularly, to machine a hole having a smaller size than a hafnium rod in a copper body, and then use a device such as a drill or a friction welding machine while fixing the copper body to a support. The present invention relates to a method for manufacturing a tip for a plasma cutting machine employing a method of applying solid state welding by frictional heating by applying thrust or direct linear movement while rotating hafnium to insert into a copper body.

일반적으로, 플라즈마 토치는 전극 사이에서 플라즈마 아크 기둥을 생성, 유지하는 장치로서, 고체를 가열하여 녹이거나 고체 또는 액체를 가열하여 증발시키는 데 사용한다. 여기에는 플라즈마 토치의 전압, 전류조건을 충족시킬 전력원을 비롯하여 냉매로서의 물과 플라즈마 가스를 토치에 공급하고 흐름을 제어하는 물/가스 시스템이 구비되어 있다.In general, a plasma torch is a device for generating and maintaining a plasma arc column between electrodes, and is used to heat a solid to melt or to heat and evaporate a solid or a liquid. It is equipped with a power source to meet the voltage and current conditions of the plasma torch, as well as a water / gas system for supplying water and plasma gas as a refrigerant to the torch and controlling the flow.

이러한 플라즈마 토치를 이용하여 각종 금속의 절단에 사용하는 플라즈마 절단기의 경우에, 토치 팁은 구리와 하프늄(hafnium)을 사용하여 두 개의 금속을 브레이징이나 열압입 방식에 의해 일체화하여 사용하고 있다. 그러나, 현재 상용화되어 있는 브레이징한 제품의 경우에는 접합이 불완전하여 사용 수명이 매우 짧은 단점을 갖고 있다. 이와 같은 문제점이 발생하는 이유는 브레이징할 때에 구리와 하프늄 사이의 틈새 부분에 은납재가 충분히 스며 들지 못하여 접합되지 않은 부분이 지나치게 많기 때문이다.In the case of the plasma cutting machine used to cut various metals using such a plasma torch, the torch tip uses copper and hafnium to integrate two metals by brazing or thermal press method. However, in the case of currently commercialized brazed products, the bonding is incomplete and has a short service life. This problem occurs because the silver solder material does not sufficiently penetrate into the gap portion between copper and hafnium when brazing and there are too many unbonded portions.

한편, 열압입 방식의 경우에는 브레이징한 경우보다는 다소 사용수명이 길지만, 이 역시 절단작업 도중에 토치가 가열되면 하프늄이 구리 몸체로부터 떨어져 나가는 현상이 발생한다. 이것은 기계적인 방식에 의해 강제로 열박음 방식에 의해 제조되기 때문에 불가피한 것이다. 즉, 구리 몸체를 가열하여 팽창시킨 후에 구멍의 간격이 커질 때 하프늄을 강제로 끼워 넣은 후 냉각시키는 방식을 채용하고 있기 때문에 금속학적인 접합부가 형성되지 않게 된다.On the other hand, in the case of the thermal press-in method, although the service life is somewhat longer than brazing, this also occurs when the torch is heated during the cutting operation, the hafnium is separated from the copper body. This is inevitable because it is manufactured by the shrink fit method by a mechanical method. That is, since the copper body is heated and expanded, hafnium is forcibly inserted after the hole is enlarged and then cooled, so that the metallurgical joint is not formed.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 구리 몸체에 하프늄 봉재보다 작은 크기의 구멍을 가공한 다음, 이 구멍에 하프늄 봉재를 넣고 회전시키면서 이 때 발생되는 마찰발열을 이용하여 접합하므로써, 구리 몸체로부터 하프늄이 이탈되는 현상을 방지하여 토치의 사용수명을 연장시킬 수 있는 플라즈마 절단기용 팁 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention for solving such a problem is to process a hole of a smaller size than the hafnium rod in the copper body, and then by hafnium rod in the hole to rotate by joining using the frictional heat generated at this time, hafnium from the copper body It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a tip for a plasma cutter, which can prevent the deviation phenomenon and extend the service life of the torch.

상술한 본 발명의 목적은 구리 몸체에 하프늄 봉재의 직경보다 작은 크기의 구멍을 가공하는 단계와, 상기 구리 몸체를 지지대에 고정한 상태에서 상기 하프늄봉재를 상기 구멍 입구에 배치시키는 단계와, 드릴이나 마찰용접기 등을 이용하여 상기 하프늄 봉재를 회전시키면서 추력을 가하여 마찰발열에 의해 하프늄 봉재를 구리 몸체에 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단기용 팁 제조방법에 의해 달성된다.An object of the present invention described above is to process a hole of a size smaller than the diameter of the hafnium rod in the copper body, placing the hafnium rod in the hole inlet in the state in which the copper body is fixed to the support, and drill or friction By applying a thrust while rotating the hafnium rod using a welding machine or the like is achieved by a method for producing a tip for plasma cutting machine comprising the step of bonding the hafnium rod to the copper body by frictional heating.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라즈마 절단기용 팁 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a tip manufacturing method for a plasma cutter according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.

금속학적인 접합부가 제대로 형성되지 않아서 하프늄이 구리 몸체로부터 이탈되는 형상을 막기 위한 방안으로 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 마찰발열에 의한 접합 방식을 채용한 '마찰용접'의 방법을 사용하여 결합강도를 증가시켰다.종래의 블레이징 방법이나 열압식 방법으로 얻어진 절단기 팁의 구리몸체와 하프늄 봉재의 접합부에 응고조직이 존재하던 것에 비하여, 본 발명의 마찰용접은 접합계면에서 원소의 상호확산에 의해 발생하는 확산층으로 인하여 응고조직이 존재하지 않고 접합부가 견고하고 물성이 뛰어나게 된다. 또 마찰 과정을 통하여 산화 피막이 자동적으로 제거되므로 접합부에 하프늄 산화물의 존재로 인한 미접합부가 발생할 가능성이 적어지게 된다.In order to prevent the hafnium from deviating from the copper body because the metallurgical joint is not properly formed, in the preferred embodiment of the present invention, the bond strength is determined by using a friction friction welding method that adopts a friction heating method. The friction welding of the present invention is caused by the interdiffusion of elements at the joining interface, whereas the solidification structure exists at the joining portion of the copper body and the hafnium rod of the cutter tip obtained by the conventional blazing method or the thermopneumatic method. Due to the diffusion layer, there is no coagulation structure and the joint is firm and has excellent physical properties. In addition, since the oxide film is automatically removed through the friction process, the possibility of unbonded parts due to the presence of hafnium oxide in the junction is reduced.

본 발명에 따른 마찰용접의 공정은 하프늄 봉재의 직경보다 작은 크기의 직경을 갖는 구멍을 구리 몸체에 형성한 다음에, 하프늄 봉재를 구리 몸체에 형성된 구멍에 넣고 고속 회전시키면서 추력을 가하게 되면, 이 때 발생되는 마찰 발열에 의해 두 개의 금속이 고상용접 되도록 하는 방식이다. 이를 작업공정별로 설명하면 다음과 같다.In the friction welding process according to the present invention, if a hole having a diameter smaller than the diameter of the hafnium rod is formed in the copper body, then the hafnium rod is inserted into the hole formed in the copper body and thrust is applied while rotating at a high speed. The frictional heating is generated so that two metals are welded to a solid phase. This is explained by work process as follows.

먼저, 첫 번째 단계에서는 드릴 등을 이용하여 구리 몸체에 하프늄 봉재의 직경보다 작은 크기의 구멍을 가공한다. 이 때, 구멍의 크기를 하프늄 직경보다 작게 형성하는 이유는 하프늄 봉재의 회전 시에 마찰되는 접촉을 증대시킴으로써 마찰에 의한 발열량을 증대시키기 위함이다.First, in the first step, a hole having a size smaller than the diameter of the hafnium rod is processed in the copper body using a drill or the like. At this time, the reason for forming the hole size smaller than the hafnium diameter is to increase the amount of heat generated by the friction by increasing the contact friction during rotation of the hafnium rod.

다음, 두 번째 단계에서는 구멍이 가공된 구리 몸체를 지지대 등으로 고정시킨 후에, 상기 하프늄 봉재를 드릴이나 마찰용접기의 회전대에 고정시킨 상태에서 상기 구멍 입구에 배치시킨다.Next, in the second step, the hole-processed copper body is fixed with a support or the like, and then the hafnium rod is placed at the hole inlet in the state of being fixed to the rotary table of the drill or the friction welding machine.

세 번째 단계에서는 상기 드릴이나 마찰용접기를 작동시켜 상기 하프늄 봉재를 고속 회전시키면서 추력을 가한다. 이 때 하프늄 봉재와 구리 몸체 간에 발생되는 마찰발열에 의해 두 금속 사이에 확산이 동반되며, 이에 따라 금속학적으로 완전한 결합이 이루어져 고상용접되고, 이에 따라 견고하게 접합된다.In the third step, thrust is applied while the hafnium rod is rotated at high speed by operating the drill or the friction welding machine. At this time, the diffusion between the two metals is accompanied by the frictional heat generated between the hafnium rod and the copper body, and thus the metallurgical bonding is performed to solid-state welding, thereby firmly bonding.

상기 첫 번째 단계에서 구리 몸체에 형성하는 구멍의 크기는 하프늄 봉재 직경의 1/2 정도 즉, 하프늄 봉재의 직경이 2mm인 경우에 구리 몸체에 형성하는 구멍의 직경은 1mm로 가공을 하며, 상기 세 번째 단계에서 하프늄 봉재를 회전 시킬때 그 회전 속도는 500rpm이상으로 회전시키면서 하프늄 봉재를 10mm/min이상의 속도로서 구리 몸체에 형성된 구멍으로 추력을 가하는 것이 바람직하다.구리 몸체의 구멍의 직경을 하프늄 봉재 직경의 1/2 정도로 형성하는 이유는 먼저, 하프늄의 강도와 구리의 강도를 고려해 보면 구멍을 가공하지 않고 마찰용접을 할 경우에는 봉재를 구리 몸체에 삽입하게 되면 봉재와 구리 몸체가 접합되기도 전에 하프늄 봉재가 파손될 것이다. 또 구리몸체의 구멍 직경이 하프늄 봉재의 직경 보다 큰 경우에는 마찰접합 자체가 불가능하다.그러므로 하프늄과 구리의 강도를 고려하고 마찰접합이라는 방법을 고려할 경우, 구리 몸체의 구멍 직경은 하프늄 봉재 직경의 1/2 이상 구리몸체 구멍직경 미만인 것, 특히 1/2 정도인 것이 바람직하다.또 마찰용접시 하프늄 봉재의 회전속도를 500rpm 이상으로 하는 것은 봉재의 회전수가 추력과 함께 마찰용접에 필요한 유효발열량을 지배하는 가장 중요한 인자라는 점과 관련된다. 즉 마찰용접은 적절한 회전수에 의하여 용접에 필요한 유효발열량을 얻은 상태에서 추력을 가하여 구리몸체와 하프늄 봉재를 접합하는 것이고, 회전수가 증가할수록 발열량이 증가하게 된다. 마찰용접의 유효 발열량을 얻기 위한 최소 회전수가 500rpm 이상인 것을 의미한다. 회전수의 상한선은 6000rpm까지 실험을 해 보았으나 통상 2500rpm 정도까지가 마찰용접에 적합한 것으로 나타났다.다음으로 추력이 하프늄 봉재의 진행속도가 10mm/min이 되도록 한다는 의미는 상기 구리몸체의 직경 범위와 하프늄 봉재의 회전 속도 범위와 연관된 것이다. 즉 구리몸체의 구멍 및 하프늄 봉재의 직경과 봉재의 회전속도 조건하에서 하프늄 봉재나 구리몸체가 파손되지 않고 양호하게 용접되도록 하기 위해서는 봉재의 진행속도가 10mm/min 이상이어야 한다는 것이다. 일반적인 구리몸체와 하프늄 봉재의 접합길이가 10mm 내지 30mm인 것을 고려할 경우, 추력과 관련된 하프늄 봉재 진행 속도의 상한선은 15mm/min 정도이다.In the first step, the size of the hole formed in the copper body is about 1/2 of the diameter of the hafnium rod, that is, when the diameter of the hafnium rod is 2 mm, the diameter of the hole formed in the copper body is processed to 1 mm. When the hafnium rod is rotated in the first step, it is preferable to rotate the hafnium rod to a hole formed in the copper body at a speed of 10 mm / min or more while rotating the rotation speed at 500 rpm or more. The reason for the formation of about 1/2 of hafnium is that first, considering hafnium strength and copper strength, if friction welding is performed without drilling holes, the bar is inserted into the copper body before the bar and the copper body are joined. Will be broken. In addition, if the hole diameter of the copper body is larger than the diameter of the hafnium rod, friction bonding itself is impossible. Therefore, when considering the strength of hafnium and copper and considering the method of friction bonding, the hole diameter of the copper body is 1 times the diameter of the hafnium rod. It is preferable that the copper body hole diameter is not less than 1/2 or less, particularly about 1/2. In addition, setting the rotational speed of the hafnium rod to 500 rpm or more during friction welding governs the effective heat generation required for friction welding together with the thrust of the rod. Is the most important factor. In other words, friction welding is the joining of the copper body and the hafnium rod by applying thrust in the state that the effective heating amount required for welding is obtained by the appropriate rotational speed, the heating value increases as the rotational speed increases. It means that the minimum rotational speed to obtain the effective calorific value of friction welding is 500rpm or more. The upper limit of the number of revolutions was tested up to 6000rpm, but it was found that up to 2500rpm is suitable for friction welding. Next, the thrust means that the traveling speed of the hafnium rod is 10mm / min. It is associated with the range of rotational speed of the bar. That is, in order for the hafnium rod or the copper body to be welded well under the conditions of the diameter of the hole of the copper body and the hafnium rod and the rotation speed of the rod, the progress speed of the rod should be 10 mm / min or more. Considering that the joint length of the general copper body and the hafnium rod is 10 mm to 30 mm, the upper limit of the hafnium rod running speed related to the thrust is about 15 mm / min.

다음에, 본 발명의 다른 실시 예에서는 마찰 접합단계 이전에 미리 상기한 구리 몸체와 상기한 하프늄에 제3의 금속원소를 도금하는 방법을 예시하였다. 이와 같이 구리 몸체와 하프늄에 제3의 원소를 금속 도금하므로써, 구리와 하프늄 사이의 재료 특성의 차이 즉 열팽창계수 및 강도의 차이를 상호 보완할 뿐 아니라 마찰발열에 의한 접합시에 취약한 금속간 화합물의 생성을 방지하고, 회전시에 두 개의 금속간에 발생되는 마찰발열을 증대시켜 접합력을 더욱 높일 수 있다.하프늄 봉재를 도금하는 이유는 특히 하프늄의 소재 자체가 산화되기 쉽고, 가열시에는 더 산화되기 쉽기 때문에 마찰용접으로 접합시 하프늄 봉재의 산화피막으로 인하여 용접되지 않는 부분이 발생되는 것을 근본적으로 방지하기 위한 것이다.마찰용접 전에 하프늄 봉재의 도금에 사용될 수 있는 금속은 은이나 니켈이 적합하다. 은과 니켈은 마찰과정에서 발생되는 하프늄 봉재의 산화피막을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 모두 구리와 같은 면심입방(Face-Centered Cubic, FCC) 구조를 갖으므로 마찰접합시 구리몸체와 잘 접합된다. 특히 은의 경우에는 열과 전기 전도도가 우수하므로 플라즈마 전극으로서의 유용성과 신뢰성이 훨씬 뛰어나다. 하프늄 봉재에 은이나 니켈은 도금하는 방법 중 가장 간편한 것은 전원을 사용하지 않고 금속을 석출시키는 방법인 무전해 도금법이다.Next, another embodiment of the present invention illustrates a method of plating a third metal element on the copper body and the hafnium before the friction bonding step. The metal plating of the third element on the copper body and hafnium thus compensates for the difference in material properties between copper and hafnium, that is, the difference in thermal expansion coefficient and strength, as well as the weak intermetallic compound at the time of joining by frictional heating. It is possible to prevent formation and increase the frictional heat generated between the two metals during rotation, thereby further increasing the bonding strength. The reason for plating the hafnium rod is that the material of hafnium itself is easily oxidized, and more easily oxidized when heated. Therefore, in order to prevent the occurrence of the non-welded part due to the oxide film of the hafnium bar when friction welding, the metal which can be used for plating the hafnium bar prior to the friction welding is preferably silver or nickel. Silver and nickel not only prevent the oxidized film of hafnium rod produced during the friction process, but also have a face-centered cubic (FCC) structure like copper, so it is well bonded to the copper body during friction bonding. Particularly, in the case of silver, heat and electrical conductivity are excellent, so the usefulness and reliability of the plasma electrode are much higher. The simplest method of plating silver or nickel on a hafnium rod is electroless plating, which deposits metal without using a power source.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예로는 열 확산에 의한 결합강도의 증대를 위해서 상기 마찰 접합된 구리 몸체와 하프늄 접합체를 노 중에서 가열하는 단계를 추가하는 것이 바람직하다. 이와 같은 노 중에서의 추가 가열공정을 거침으로써 현미경적으로 볼 때 구리 몸체와 하프늄 봉재간에 완벽한 결합이 가능하게 된다.In another embodiment of the present invention, it is preferable to add a step of heating the friction bonded copper body and the hafnium joint in a furnace in order to increase the bonding strength by thermal diffusion. Further heating in these furnaces allows for a perfect bond between the copper body and the hafnium rod when viewed microscopically.

이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 하프늄 봉재보다 작은 크기의 구멍을 구리 몸체에 가공한 다음, 이 구리 몸체를 지지대 등에 고정시킨 상태에서, 상기 구멍에 하프늄을 넣고 드릴이나 마찰용접기 등을 사용하여 고속 회전시키면서 추력을 가하거나 직접 직선 운동시키고, 이 때 발생되는 마찰발열에 의하여 견고하게 고상용접되기 때문에 하프늄이 구리 몸체로부터 이탈되는 현상을 방지하여 토치의 사용수명을 연장시킬 수 있는 이점이 있다.According to the present invention described above, a hole having a size smaller than that of a hafnium rod is processed in a copper body, and then, while the copper body is fixed to a support or the like, hafnium is inserted into the hole and rotated at a high speed using a drill or a friction welding machine. While thrusting or direct linear motion while being solidly welded by the frictional heat generated at this time, there is an advantage that can extend the service life of the torch by preventing the hafnium from being separated from the copper body.

Claims

Processing a hole in the copper body that is smaller than the diameter of the hafnium rod,

Disposing the hafnium rod at the opening of the hole while fixing the copper body to a support;

And applying a thrust while rotating the hafnium rod using a drill or a friction welder, thereby bonding the hafnium rod to the copper body by frictional heating.

The method of claim 1,

The diameter of the hole formed in the copper body is processed to 1/2 of the hafnium rod diameter, the hafnium rod is a plasma cutter, characterized in that the hafnium rod is applied at a speed of 10mm / min thrust while rotating at 500rpm Tip manufacturing method.

The method of claim 1,

Prior to the friction bonding step further comprising the step of metal plating on the copper body and the hafnium.

The method of claim 1,

And further comprising heating the friction bonded copper body and the hafnium joint in a furnace to increase bonding strength by thermal diffusion.