KR100478140B1 - 플라즈마 절단용 전극의 제조방법 - Google Patents
플라즈마 절단용 전극의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 플라즈마 절단용 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로써,우수한 전극 특성을 가질 뿐만 아니라 전극의 수명이 길고 수명의 안정성을 갖는 플라즈마 절단용 전극을 보다 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
본 발명은 플라즈마 절단용 전극을 제조하는 방법에 있어서, Cu 또는 Cu 합금 전극홀더에 홀을 형성시킨 다음, Zr, Zr합금, Hf 또는 Hf 합금으로 이루어지는 작용 인서트를 상기 홀내에 위치시킨 후, 상기 전극홀더와 작용인서트사이에 그 융액이 삽입될 수 있도록 은 또는 은계합금으로 이루어지는 삽입금속을 전극홀더의 선단부에 위치시킨 다음, 상기 삽입금속의 융점보다 30~100oC 높은 온도에서 5~15분동안 유지하여 브레이징하는 플라즈마 절단용 전극의 제조방법을 그 요지로 한다.
Description
본 발명은 프라즈마 절단용 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 브레이징에 의해 플라즈마 절단용 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.
강판등을 절단하기 위하여 활성가스 예를들면 산소 혹은 공기등을 이용한 플라즈마 아크 절단법이 적용되고 있다.
상기 절단법에서 사용되는 플라즈마 가공용 토치에 있어서 전극의 수명은 긴 것이 바람직하며 전극의 소모시간이 안정한 것이 요구되고 있다.
상기 플라즈마 아크 절단법에서 산소 플라즈마 아크를 발생시키기 위한 전극으로서 Cu 및 Cu합금으로 제작된 전극 홀더에 Hf 혹은 Hf 합금등의 전극재를 삽입한 것과 전극 홀더와 전극재의 전 접촉면에 Al 혹은 Al 합금을 스패이서로 사용하여 제작된 것이 알려져 있으며, 상기 전극중 Al 스패이서를 사용한 전극이 Al 스패이서를 사용하지 않은 전극에 비해 수명이 길다.(일본특공소 52-6932)
상기한 Al 스패이서를 사용한 전극을 제작하는 경우에는 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이 먼저 전극 홀더(11)의 선단에 일정깊이의 홀(14)을 형성함과 동시에 삽입금속층(13)을 형성하는 컵모양의 Al 혹은 Al 합금의 원통상 소켓을 제작해야 한다.
상기와 같이 제작된 원통상 소켓에 일정길이로 절단한 Hf 혹은 Hf 합금의 선재를 작용인서트(12)로 삽입한 후 전극 홀더(11)의 홀에 압입 고정하여 전극(10)을 만들고 있다.
상기한 방법으로 Al 스패이서를 사용한 전극을 제작하는 경우에는 스패이서를 사용하지 않는 전극보다도 수명은 향상되지만 전극재를 원통상 소켓에 넣어 홀더에 고정하는 작업이 압입 혹은 소켓을 밀어 넣는 형식으로 행해지기 때문에 전극 홀더의 외부로부터 가압에 기인한 좌굴이나 가압등의 불균일로 인하여 전극재와 홀더가 부분적으로 밀착되지 않으므로 수명의 변화가 발생하는 문제점이 있다.
더우기, 전극 홀더의 홀가공, 원통상 소켓의 제작, 전극재와 원통상 소켓의 삽입등의 작업에 많은 시간이 걸리기 때문에 원가상승의 원인이 되어 왔다.
한편, 일본 특허평4-167996호등에는 Cu 및 Cu합금으로 된 홀더의 전단면에 일정한 크기의 홀을 내고 Hf, Hf 합금, Zr, Zr합금을 홀더의 홀보다 작게 가공하여 인서트(insert)로 삽입하고 홀에 Al, Al합금, Au합금, Ag합금을 용융시켜 충진하고 냉각시켜 홀더와 작용 인서트의 접촉부에 중간금속층을 형성시키는 방법등이 알려져 있다.
상기한 방법들은 용융금속을 아주 작은 홀에 부어주어 중간 금속층을 형성시키는 것으로 이론적으로 쉽지 않은 문제점을 가지고 있을 뿐만 아니라 인서트와 홀더의 전부분을 기공없이 완전하게 충전하기 어려운 등의 많은 문제점을 내포하고 있다.
본 발명자들은 상기한 종래방법의 제반문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로써, 본 발명은 우수한 전극 특성을 가질 뿐만 아니라 전극의 수명이 길고 수명의 안정성을 갖는 플라즈마 절단용 전극을 보다 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 냉각수를 순환시키기 위한 수로 및 작용 인서트가 삽입되는 인서트 삽입부를 포함하는 전극홀더; 상기 인서트 삽입부에 삽입되는 작용 인서트; 및 상기 전극홀더의 인서트 삽입부와 상기 작용 인서트사이에 삽입되는 삽입금속을 포함하여 이루어지는 플라즈마 절단용 전극을 제조하는 방법에 있어서,
Cu 또는 Cu 합금 전극홀더를 준비한 다음, 상기 작용 인서트 삽입부에 홀을 형성시키는 단계;
은 또는 은계합금으로 이루어지는 삽입금속을 상기 홀의 저부에 위치시킨 다음, Zr, Zr합금, Hf 또는 Hf 합금으로 이루어지고 상기 홀의 직경보다 작은 직경을 갖는 작용 인서트를 상기 홀내에 위치시키는 단계;
상기 전극홀더와 작용인서트사이에 그 융액이 삽입될 수 있도록 은 또는 은계합금으로 이루어지는 삽입금속을 전극홀더의 인서트 삽입부의 선단부에 위치시키는 단계; 및
상기 삽입금속의 융점보다 30~100oC 높은 온도에서 5~15분동안 유지하여 진공 브레이징하는 단계를 포함하여 플라즈마 절단용 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
플라즈마 가공용 토치에 있어서 전극의 수명은 긴 것이 바람직하며 전극의 소모시간이 안정한 것이 요구되고 있다. 전극의 소모시간은 종래의 기술과 같이 작용 인서트와 홀더와의 접촉면에 Al 혹은 Al합금으로 되어 있는 금속 스페이서를 이용하거나 작용 인서트와 홀더와의 열전달 효율을 향상시키는 것으로 연장할 수 있다. 그러나 작용 인서트와 금속 스페이서 및 금속 스페이서와 홀더를 압입 혹은 프레스등에 의하여 기계적으로 결합시키는 방법에서는 치수정도와 면의 조도등의 영향으로 접촉면에 공극이 생기기도 하고 결합력에 차이가 생길 수 있다. 공극이 생성된 전극에서는 통전시 접촉면에서 아킹(Arcing)이 발생하여 수명을 반감시킬 뿐만 아니라 작용 인서트, 금속 스페이서, 홀더에 있어서 열전달 효율이 저하하고 또한 결합력이 약한 전극도 똑같이 열전달 효율이 저하하여 전극의 소모시간이 불안정하게 된다는 문제가 있다. 그리고 작용 인서트, 금속 스페이서, 홀더등의 홀등의 치수가 작기 때문에 이것을 기계가공할 경우 가공정도의 확보가 곤란하고 이 때문에 생산비가 상승하는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것이다.
본 발명에 따라 전극을 제조하기 위해서는 도 3에도 나타난 바와 같이, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지고 냉각수를 순환시키기 위한 수로(211) 및 작용 인서트(22)가 삽입되는 인서트 삽입부(212)를 포함하는 전극홀더(21)를 준비한 다음, 상기 인서트 삽입부(212)에 홀(24)을 형성시킨다.
상기 인서트의 직경(R)은 아크특성과 냉각능을 고려하여 2/7-1/3L(여기서, L은 전극홀더의 선단부의 직경)가 바람직하며, 상기 홀의 직경은 인서트의 삽입과 브레이징시 접합이 가능하도록 2/7-1/3L보다 크게 형성하는 것이 바람직하다.
상기 홀(24)은 열전도특성을 최적화하기 위하여 홀(24)의 측벽두께(t1)는 0.5~0.8mm가 되도록 가공하는 것이 바람직하다.
상기 홀의 측벽두께(t1)를 0.5~0.8mm로 제한하는 것이 바람직한 이유는 삽입금속과 반응하고 최소한의 두께를 유지하도록 함으로서 열전도특성을 최대화하기 위함이다.
또한, 상기 홀의 저벽두께(t2)는 삽입금속(23b)과 홀더의 반응층 두께의 160 ~ 400배로 하는 것이 바람직하다.
그 이유는 최소한의 홀더두께를 유지하도록 하게 함으로써 브레이징시 삽입금속(23a,23b)과 반응하여 적정한 반응층을 형성하고 절단시 발생하는 아크열을 최대한 빨리 냉각할 수 있도록 하기 위함이다.
상기 홀의 저벽의 하부에서 수로의 최선단까지의 거리(h)는 최적의 냉각능을 고려하여 0.9L ~ 1.1L로 제한하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 상기 홀의 저벽의 하부에서 수로의 최선단까지의 거리(h)와 상기 홀의 측벽두께(t1)와의 비(거리/두께)를 6~10이 되도록 설정하는 것이 효율적인 냉각을 위하여 바람직한데, 그 이유는 상기 비가 6미만인 경우에는 상기 홀의 측벽두께가 두꺼워 냉각효율이 저하하기 때문이며, 10이상이 되면 상기 홀의 저벽의 하부에서 수로의 최선단까지의 거리증가에 따른 냉각효율의 증가가 없기 때문이다.
다음에, 은 또는 은계합금으로 이루어지는 소정 두께의 삽입금속(23b)을 상기 홀(24)의 저부에 위치시킨 다음, Zr, Zr합금, Hf 또는 Hf 합금으로 이루어지는 작용 인서트(22)를 상기 홀내에 위치시킨다.
상기 홀의 저부에 위치되는 삽입금속(23b)의 두께는 60~80μ로, 그리고 그 직경은 인서트 직경(R)보다 크게 설정하는 것이 바람직한데, 이는 충분한 용융과 접합을 이룰 수 있고 결함이 없는 건전한 접합부를 형성할 수 있기 때문이다.
다음에, 상기 전극홀더(21)와 작용인서트(22)사이에 그 융액이 삽입될 수 있도록 은 또는 은계합금으로 이루어지는 삽입금속(23a)을 전극홀더(21)의 인서트 삽입부(212)의 선단부에 위치시킨다.
다음에, 상기 삽입금속(23a, 23b)의 융점보다 30~100oC 높은 온도에서 5~15분동안 유지하여 진공 브레이징하므로써 전극홀더(21)와 작용 인서트(22)사이에 인서트와 삽입금속의 반응층(25), 삽입금속층(23)과 삽입금속과 홀더의 반응층(26)이 형성된 플라즈마 절단용 전극을 제조할 수 있다.
상기 브레이징은 인서트와 삽입금속의 반응층(25), 삽입금속층(23)과 삽입금속과 홀더의 반응층(26)의 총두께가 30~60㎛정도가 되도록 행하는 것이 바람직한데, 그 이유는 열 및 전기적인 특성을 극대화시키기 위함이다.
상기 브레이징은 접합층의 결함방지와 전기적인 특성을 확보하기 위하여 진공도 4x10-4 torr 이하가 되도록 유지한 후 삽입금속의 융점보다 높은 온도에서 5-15분 동안 유지하여 행하는 것이 바람직하다.
그 이유는 유지시간이 길어지면 반응층의 두께가 증가하여 열 및 전기적인 특성이 나빠지기 때문이고 유지시간이 너무 짧아지면 건전한 접합부를 형성하지 못하고 결함이 발생하기 때문이다.
또한, 브레이징 온도가 너무 낮으면 브레이징이 불가능하고 너무 높으면 반응이 촉진되어 열적 물리적 성질이 저하하기 때문이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
(실시예)
본 발명에 따라 제조된 플라즈마 절단용 전극의 사용후의 모양을 관찰하고, 그 결과를 도 4의(a)에 나타내고, 4도 (a)의 a부분의 접합부 조직을 확대하여 도 4의 (b)에 나타내었다.
도 4의 (a)에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 전극은 양호한 전극 소모형상을 나타내고 있으며 Hf 전극 표면과 홀더의 표면에 산화물 형태의 찌꺼기(dross)들이 Cu 홀더의 표면을 균일하게 도포되어 있음을 알 수 있다. 이러한 산화물 찌꺼기들이 절단시 아크 열의 차단재 역할을 하기 때문에 홀더의 과열을 방지하여 전극의 수명을 연장하는 긍정적인 효과를 가져다 준다.
또한, 도 4의(b)에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 플라즈마 절단용 전극은 결함이 없는 아주 양호한 접합부를 이루고 있음을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 우수한 전극 특성을 가질 뿐만 아니라 전극의 수명이 길고 수명의 안정성을 갖는 플라즈마 절단용 전극을 보다 경제적으로 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.
도 1은 통상적인 전극의 일부를 나타내는 일부개략도로서, (a)는 단면도를 나타내고, (b)는 정면도를 나타냄
도 2는 종래방법에 따라 전극을 제조하는 공정을 나타내는 개략도로서, (a)는 전극을 제조하기 전의 상태를 나타내고, (b)는 제조된 전극을 나타냄
도 3은 본 발명에 따라 전극을 제조하는 공정을 나타내는 개략도로서, (a)는 전극을 제조하기 전의 상태를 나타내고, (b)는 제조된 전극을 나타냄
도 4(a)는 본 발명에 따라 제조된 전극의 접합부의 조직을 나타내는 조직도
도 4(b)는 도 4(a)의 "a"부분의 상세도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10,20 . . . 전극 11,21 . . . 홀더 211 . . . 수로
12,22 . . . 작용 인서트 23a,23b . . . 삽입금속
13,23 . . . 삽입금속층 14,24 . . . 홀 25 . . . 반응층
Claims (5)
- 냉각수를 순환시키기 위한 수로 및 작용 인서트가 삽입되는 인서트 삽입부를 포함하는 전극홀더; 상기 인서트 삽입부에 삽입되는 작용 인서트; 및 상기 전극홀더의 인서트 삽입부와 상기 작용 인서트사이에 삽입되는 삽입금속을 포함하여 이루어지는 플라즈마 절단용 전극을 제조하는 방법에 있어서,Cu 또는 Cu 합금 전극홀더를 준비한 다음, 상기 작용 인서트 삽입부에, 상기 인서트의 직경보다 큰 직경을 갖고 그 측벽두께가 0.5~0.8mm이고 그 저벽두께가 삽입금속과 홀더의 반응층 두께의 160 ~ 400배이고 상기 저벽의 하부에서 수로의 최선단까지의 거리(h)가 0.9 ~ 1.1L(여기서, L은 전극홀더의 선단부의 직경)이고 그리고 상기 저벽의 하부에서 수로의 최선단까지의 거리(h)와 상기 측벽두께(t1)와의 비(거리/두께)가 6~10이 되도록 홀을 형성시키는 단계;은 또는 은계합금으로 이루어지는 삽입금속을 상기 홀의 저부에 위치시킨 다음, Zr, Zr합금, Hf 또는 Hf 합금으로 이루어지는 작용 인서트를 상기 홀내에 위치시키는 단계;상기 전극홀더와 작용인서트사이에 그 융액이 삽입될 수 있도록 은 또는 은계합금으로 이루어지는 삽입금속을 전극홀더의 인서트 삽입부의 선단부에 위치시키는 단계; 및상기 삽입금속의 융점보다 30~100oC 높은 온도 및 진공도 4x10-4 torr 이하의 조건에서 5~15분동안 유지하여 인서트와 삽입금속과의 반응층 및 삽입금속과 홀더와의 반응층을, 상기 반응층들과 삽입금속층의 총두께가 30~60㎛가 되도록 형성시키는 브레이징처리를 행하는 단계를 포함하여 구성되는 플라즈마 절단용 전극의 제조방법
- 제1항에 있어서, 상기 인서트의 직경은 2/7-1/3L(여기서, L은 전극홀더의 선단부의 직경)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단용 전극의 제조방법
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