KR100490611B1 - 플라즈마 아크 토치용 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라스마 아크 토치용 전극 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 전극은 전방 말단에 캐버티를 형성하는 구리 홀더를 포함한다. 방출 부재 및 분리기 어셈블리가 캐버티에 위치되고, 전극의 구성품을 고정시키는데 납땜 물질은 사용하지 않는다. 방출 부재와 분리기 사이에는 금속간 화합물이 형성되며, 분리기와 금속 홀더 사이에는 독자적인 가열 단계에 의하여 공융 합금이 형성된다. 전극을 더 보강시키고 이 전극의 동작 수명을 연장시키는 크림핑 공정 또한 기재되어 있다.

Description

플라즈마 아크 토치용 전극 {ELECTRODE FOR PLASMA ARC TORCH}

본 발명은 플라스마 아크 토치, 보다 구체적으로는 플라스마 아크 토치 내의 전기 아크를 지지하는 전극을 형성하는 방법에 관한 것이다.

플라스마 아크 토치는 절단, 용접, 표면 처리, 용융, 및 어닐링을 포함하는 금속 가공에 일반적으로 사용된다. 이러한 토치는 전극으로부터 트랜스퍼 아크 동작 모드의 제품으로 연장되는 아크를 지지하는 전극을 포함한다. 또한 종래에는 아크를 기체 와류로 둘러싸고, 일부 토치 설계에서는 기체 및 아크를 물 분사로 둘러싼다.

전술한 유형의 종래 토치에 사용된 전극은 열 전도성이 높은 물질, 예를 들면 구리 또는 구리 합금으로 구성된 기다란 튜브형 부재를 포함하는 것이 일반적이다. 튜브형 전극의 전방 또는 방전 말단은 아치를 지지하는 방출 부재가 내부에 매입된 바닥 말단벽을 포함한다. 부재는 비교적 낮은 일 함수(work function)를 갖고, 전자 볼트(ev)에서 측정된 전위 단계로서 당해 기술에 형성되며, 소정의 온도에서 금속 표면으로부터 열이온 방출될 수 있는 물질로 구성된다. 상기 낮은 일 함수로 보아, 부재는 전기 전위가 인가될 때 용이하게 전자를 방출할 수 있다. 일반적으로 사용되는 방출 물질에는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 이들의 합금이 포함된다. 일부 전극은 방출 부재 주위에 배치되어 아크가 상기 방출 부재로부터 구리 홀더로 이동하는 것을 방지하는 비교적 비방출성 분리기(relatively non-emissive separator)를 포함한다.

전술한 유형의 토치에 관련된 문제는, 특히 토치가 산화성 기체, 예를 들면 산소 또는 공기와 사용될 때 전극의 수명이 짧다는 점이다. 보다 구체적으로, 기체는 방출 부재를 둘러싸는 전극의 구리를 신속하게 산화시키고, 구리가 산화될 때 그 일 함수가 감소된다. 따라서, 방출 부재를 둘러싸는 산화 구리가 부재보다는 아크를 지지하기 시작하는 포인트에 도달하게 된다. 이렇게 도달했을 때, 구리 산화물 및 지지하는 구리가 용융됨으로써 전극이 빨리 파손되어 못쓰게 된다.

수많은 종래의 전극은 방출 인서트를 금속 홀더 내에 압착하거나, 또는 방출 인서트를 비교적 덜 방출되거나 또는 비방출성 슬리브 혹은 분리기 내에 압착한 다음 금속 홀더 내에 압착하여 조립된다. 압착 끼워맞춤된 방출 부재, 분리기, 및 홀더 사이의 인터페이스는 비교적 잘 형성되고, 이로써 조립된 전극의 열 전도성에 영향을 미치지 않는다. 구체적으로, 전극을 통해 전달되는 열은 열 전달의 장벽으로 작용하여 전극에 열을 전달할 수 없는 인터페이스와 마주치게 된다. 또한, 잘 형성된 인터페이스는 아크를 끌어당겨 전극의 소멸을 가속시킬 수 있는 응력 집중 장치로서 작용한다.

방출 부재, 분리기, 및 홀더 사이의 인터페이스를 매끈하게 하기 위하여, 본 발명의 양수인은 동일 출원인이 발명의 명칭 "전극 확산 접합(Electrode Diffusion Bonding)"으로 출원한 미국특허출원 제09/773,847호(이하 "'847 출원"이라고 함)에 기재된 확산 접합 기술을 개발하였다. 동일 출원인의 '847 출원에는, 분리기와 금속 홀더 사이가 확산 접합되는 조립 후 가열 단계가 기재되어 있다. 확산 접합은 두 가지 물질 사이의 인터페이스를 부드럽고 매끈하게 하는 반면, 그들 사이의 접합 강도는 증가된다. 따라서, 전극의 수명이 보다 길어진다.

동일 출원인의 '847 출원의 조립 후 가열 단계는 당해 기술에서 개선된 것이지만, 더 개선시키는 것이 바람직하다. 특히, 전극에 사용된 물질을 살펴보면 대부분의 전극은 하프늄, 지르코늄, 등을 포함하는 방출 부재와 은, 금, 니켈 등을 포함하는 분리기와 구리를 포함하는 금속 홀더를 사용하고 있다. 동일 출원인의 '847 출원의 조립 후 가열 단계는 분리기와 홀더 사이의 접합이 개선된 것이지만, 이들 사이의 접합을 더 개선시키는 것이 바람직하다.

또한, 방출 부재와 분리기 사이의 접합을 개선시키는 것이 또한 바람직하다. 동일 출원인의 '847 출원의 조립 후 가열 단계가 은 및 구리와 같은 물질 사이의 접합을 개선시키는데 특히 바람직하지만, 방출 부재와 분리기가 비교적 고온에 대한 내성을 갖고 있으므로 방출 부재에 임의의 열처리를 시도하는 경우 분리기와 홀더 사이의 접합이 파손될 수 있다. 따라서, 방출 부재와 분리기 사이, 및 분리기와 금속 홀더 사이를 강하게 접합시키는데는 문제가 있다.

본 발명은 전극을 제조하는 종래의 방법을 개선시키기 위하여 개발되었다. 종래의 전극에서의 곤란함, 즉 플라스마 토치용 전극의 수명 및 성능을 증가시키는 문제는 방출 부재와 분리기 사이, 및 분리기와 금속 홀더 사이를 강력하게 접합시키는 두 스테이지의 조립 및 가열 공정으로 전극을 형성함으로써 극복될 수 있는 것으로 판명되었다. 각 스테이지의 가열 단계는 전극의 부재 사이의 접합 강도가 최대로 되도록 방출 부재, 분리기, 및 홀더에 사용된 특정의 물질에 따라 적용되는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은 일 함수가 비교적 낮은 방출 부재를 비교적 비방출성 분리기에 삽입하여 어셈블리를 형성하는 단계를 포함한다. 일 함수가 방출 부재보다 더 큰 금속 물질로 형성된 분리기는 내면 및 외면을 가지며, 분리기의 내면과 방출 부재의 외면은 표면 대 표면 접촉된다. 다음에 어셈블리는 금속간 화합물이 분리기와 방출 부재 사이에 형성되도록 가열된다. 일 실시예에 있어서, 금속간 화합물은 분리기 및 방출 부재를 약 1700℉-1800℉ 사이까지 가열한 후 형성된다.

일 실시예에 있어서, 어셈블리는 금속간 화합물이 분리기와 방출 부재 사이에 형성된 후 금속 홀더에 의하여 형성된 캐버티 내에 위치된다. 특히, 분리기의 외면은 금속 홀더에 의하여 형성된 캐버티와 표면 대 표면 접촉된다. 어셈블리가 제 위치에 배치된 후, 공융 합금(eutectic alloy)이 분리기와 금속 홀더 사이에 형성된다. 일 실시예에 있어서, 공융 합금은 구리 금속 홀더 및 은 분리기를 약 1400℉-1450℉ 사이, 특히 이들 물질의 바람직한 공융 형성 온도인 약 1430℉-1435℉ 사이까지 가열함으로써 형성된다. 공융 합금 형성 단계는 비교적 신속하게 처리되는 단계이며, 분리기 및 금속 홀더는 약 0.02-20분간 공융 형성 온도까지 가열된다. 조립된 전극은 주름을 잡아 전극의 강도를 또한 개선시킬 수 있다.

본 발명에 따른 금속간 화합물 및 공융 합금 각각은 방출 부재와 분리기 사이, 및 분리기와 금속 홀더 사이를 각각 양호하게 접합시킨다. 특히, 금속간 화합물 및 공융 합금은 바람직하게 확산 접합의 두께보다 더 두꺼워서, 전극이 보다 강력하게 함께 접합되어 동작 수명이 더 길어진다.

따라서, 본 발명은 전극 및 상기 전극 부재들 사이를 더 강력하게 접합하여 전극의 강도 및 동작 수명을 개선시킬 수 있는 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 전극의 제조 방법은 납땜 재료, 코팅, 또는 방출 부재, 분리기, 또는 금속 홀더 사이에 있는 다른 층을 필요로 하지 않는 전극에 관한 것이다. 이로써, 전극의 제조 비용 및 복잡성이 감소된다.

다음에, 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으므로 본 명세서에 기재된 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 기재 내용은 당업자에게 본 발명의 범위를 보다 충분하고 완전하게, 그리고 확실하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 동일 부재에는 동일 도면 부호를 인용한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 특징을 구현하는 플라스마 아크 토치(10)를 도시한 도면이다. 토치(10)는 노즐 어셈블리(12) 및 튜브형 전극(14)을 포함한다. 전극(14)은 구리 또는 구리 합금으로 제조되고, 상측 튜브형 부재(15) 및 하측 컵 형상 부재 또는 홀더(16)로 구성되는 것이 바람직하다. 상측 튜브형 부재(15)는 개방된 기다란 튜브형 부재로 구성되며 토치(10)의 길이방향 축을 형성한다. 상측 튜브형 부재(15)는 내측으로 나사산을 가진 하측 말단부(17)를 포함한다. 홀더(16)도 또한 튜브형으로 구성되며, 하측 전방 말단 및 상측 후방 말단을 포함한다. 횡방향 말단벽(18)은 홀더(16)의 전방 말단을 폐쇄하고, 횡방향 말단벽(18)은 외측 전방면(20)을 형성한다. 홀더(16)의 후방 말단은 외측으로 나사산을 가지며 상측 튜브형 부재(15)의 하측 말단부(17)에 나사로 결합된다.

홀더(16)는 그 후방 말단(19)이 개방되어 있어, 홀더는 컵 형상의 구조이며 내부 캐버티(22)를 형성한다. 내부 캐버티(22)는 길이방향 축을 따라 내부 캐버티 내로 연장되는 원통형 포스트(23)를 포함하는 면(31)을 갖는다. 일반적으로 원통형인 캐버티(24)는 말단벽(18)의 전면(20)에 형성되고 길이방향 축을 따라 후방으로 홀더(16)의 일부분 내로 연장된다. 캐버티(24)는 내측면(27)을 포함한다.

비교적 비방출성 분리기(32)는 캐버티(24) 내에 위치되어 길이방향 축을 따라 동축으로 배치된다. 분리기(32)는 캐버티(24)의 길이를 따라 실질적으로 연장되는 외주벽(33)을 갖는다. 외주벽(33)은, 다른 기하학적 구성, 예를 들면 원뿔대형도 본 발명의 범위에 포함될 수 있는 것으로 이해되지만, 분리기의 길이에 걸쳐 실질적으로 일정한 외경을 갖는 것으로 예시되어 있다. 분리기(32)는 면(37)을 갖는 내부 캐버티(35)를 또한 형성한다. 분리기(32)는 홀더(16)의 전면(20)과 대체적으로 동일한 평면인 외측 말단면(36)을 또한 포함한다.

방출 부재 또는 인서트(28)는 분리기(32) 내에 위치되어 길이방향 축을 따라 동축으로 배치된다. 보다 구체적으로, 방출 부재(28) 및 분리기(32)는 상기 방출 부재가 끼워맞춤 또는 압착 끼워맞춤에 의하여 분리기에 고정된 어셈블리를 형성한다. 방출 부재 및 분리기의 가열에 의하여 변하는 금속간 화합물은 보다 상세하게 후술하는 바와 같이 이들 사이에 끼워진다. 방출 부재(28)는 홀더(16)의 전면(20) 및 분리기(32)의 외측 말단면(36)의 평면에 위치되는 원형의 외측 말단면(29)을 갖는다. 방출 부재(28)는 분리기(32)에 의하여 형성된 캐버티(35) 내에 배치되고 외측 말단면(29)과 대향하는 대체로 원형인 내측 말단면(30)을 또한 포함한다. 그러나, 내측 말단면(30)은 방출 부재를 분리기(32)에 고정하는데 도움이 될 수 있도록 전술한 바와 같이 다각형, 또는 구형의 다른 형상을 가질 수 있다. 또한, 방출 부재(28)의 직경은 반경방향 두께가 외측 말단면(36) 및 자신의 전체 길이를 따라 적어도 약 0.25mm(0.01 인치)인 분리기(32) 말단면(36)의 외경의 약 30-80 퍼센트이다. 구체적인 예로서, 방출 부재(28)는 직경이 약 0.08인치, 길이가 약 0.25인치이며, 분리기의 외경은 약 0.25인치가 일반적이다.

방출 부재(28)는 전기 전위가 인가될 때 전극을 용이하게 방출할 수 있도록 일 함수가 비교적 낮은, 예를 들면 약 2.7 내지 4.2 ev 범위 내인 금속 물질로 구성된다. 이러한 물질의 적합한 예로는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 이들의 혼합물이 있다.

분리기(32)는 Smithells Metal Reference Book, 6th Ed.에 표기된 값에 따라 일 함수가 홀더(16) 재료의 일 함수보다 더 큰 금속 물질로 구성된다. 보다 구체적으로, 분리기(32)는 일 함수가 적어도 약 4.3 ev인 금속 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 있어서, 분리기(32)는 다른 금속 물질, 예를 들면 금, 플라티늄, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈, 및 이들의 합금 또한 사용될 수 있지만 은을 포함한다. 분리기(32)의 선택된 물질는 열 전도성이 높고, 산화에 대한 내성이 높고, 융점이 높고, 일 함수가 높아야 하며 비용은 적게 들어야 한다. 한 가지 물질에서 이들 특징 모두를 최대화하기는 곤란하지만, 은이 높은 열 전도성 때문에 바람직하다.

예를 들면, 본 발명의 한 가지 특정 실시예에 있어서, 분리기(32)는 구리, 알루미늄, 철, 납, 아연, 및 이들의 합금으로 구성되는 군에서 선택된 약 0.25 내지 10 퍼센트의 이들 추가 물질와 합금된 은을 포함하는 은 합금 물질로 구성된다. 추가 물질은 원소 또는 산화물 형태일 수 있고, 따라서 본 명세서에 사용된 용어 "구리"는 원소 형태는 물론 산화물 형태 양자 모두를 지칭하는 것으로서, 용어 "알루미늄" 등도 마찬가지이다.

도 1을 참조하면, 전극(14)은 기체 및 액체 통로(40, 42)를 각각 포함하는 플라스마 토치 몸체(38) 내에 장착된다. 토치 몸체(38)는 외측 단열 하우징 부재(44)로 둘러싸인다. 튜브(46)가 전극(14)의 중앙 구멍(48) 내에 지지되어 물과 같은 액체 냉각 매체가 전극(14)을 통과하여 순환할 수 있다. 튜브(46)의 외경은 튜브(46)와 구멍(48) 사이에 공간(49)이 형성되어 물이 튜브의 개방된 하측 말단으로 배출될 때 이 공간 내로 흐를 수 있도록 구멍(48)의 직경보다 더 작다. 물은 내부 캐버티(22) 및 홀더(16) 내부의 튜브(46)를 통해 소스(도시되지 않음)로부터 공간(49)을 통해 다시 토치 몸체(38)의 개구(52) 및 배수 호스(도시되지 않음)로 흐른다. 통로(42)는 보다 상세하게 후술하는 바와 같이 플라스마 아크를 둘러싸도록 와류로 변환되는 노즐 어셈블리(12) 내로 물이 분사되도록 한다. 기체 통로(40)는 기체를 적합한 소스(도시되지 않음)로부터 적합한 고온 물질인 기체 배플(54)을 통하여 유입구(58)를 거쳐 기체 플리넘 쳄버(56) 내로 향하게 한다. 유입구(58)는 기체가 와류식으로 플리넘 쳄버(56) 내로 유입되도록 배열된다. 기체는 노즐 어셈블리(12)의 동축 구멍(60, 62)을 통해 플리넘 쳄버(56)로부터 흘러 나온다. 전극(14)은 기체 배플(54)을 지지한다. 고온 플라스틱 절연물 몸체(55)가 노즐 어셈블리(12)를 전극(14)과 전기적으로 절연시킨다.

노즐 어셈블리(12)는 제1 구멍(60)을 형성하는 상측 노즐 부재(63) 및 제2 구멍(62)을 형성하는 하측 노즐 부재(64)를 포함한다. 상측 노즐 부재(63)는 금속 물질이 바람직하고, 하측 노즐 부재(64)는 금속 또는 세라믹 물질이 바람직하다. 상측 노즐 부재(63)의 구멍(60)은 토치 전극(14)의 길이방향 축과 축방향으로 정렬된다. 하측 노즐 부재(64)는 플라스틱 스페이서 부재(65) 및 물 소용돌이 링(66)에 의하여 상단 노즐 부재(63)와 분리된다. 상단 노즐 부재(63)와 하단 노즐 부재(64) 사이의 공간이 물 쳄버(67)를 형성한다.

하측 노즐 부재(64)는 전방 또는 하측 말단부 및 후방 또는 상측 말단부를 형성하는 원통형 몸체부(70)를 포함하고, 구멍(62)이 상기 몸체부를 동축으로 관통하여 연장된다. 환형 장착 플랜지(71)가 후방 말단부 상에 위치되고, 원뿔대면(72)이 제2 구멍(62)과 동축인 전방 말단부의 외측에 형성된다. 환형 플랜지(71)는 컵(74)의 하측 말단에 있는 내측으로 향하는 플랜지에 의하여 아래로부터 지지되고, 상기 컵(74)은 나사를 외측 하우징 부재(44)에 상호 연결함으로써 탈착가능하게 장착된다. 상기 두 개의 플랜지(71, 73) 사이에 개스킷(75)이 배치된다.

하측 노즐 부재(64)의 구멍(62)은 원통형이며, 임의의 적합한 플라스틱 물질로 된 중심 맞춤 슬리브(78)에 의하여 상측 노즐 부재(63)의 구멍(60)과 축방향으로 정렬 상태를 유지한다. 물은 통로(42)로부터 슬리브(78)의 개구(85)를 통해 물을 물 쳄버(67) 내로 분사하는 소용돌이 링(66)의 분사 포트(87)로 흐른다. 분사 포트(87)는 소용돌이 링(66) 둘레에 접선으로 배치되어 속도의 소용돌이 성분을 물 쳄버(67) 내의 물 흐름에 가한다. 물은 구멍(62)을 통해 물 쳄버(67)로부터 배출된다.

전원(도시되지 않음)은 일반적으로 접지된 금속 제품과 직렬 회로 관계로 토치 전극(14)에 연결된다. 동작 시, 아크용 캐소드 단자로서 작용하는 전극의 방출 부재(28)와 전원의 애노드에 연결되고 하측 노즐 부재(64) 아래에 위치된 제품 사이에 플라스마 아크가 형성된다. 플라스마 아크는 전극(14)과 노즐 어셈블리(12) 사이에 순간적으로 파일럿 아크를 형성함으로써 종래의 방식으로 개시된 다음, 상기 아크는 구멍(60, 62)을 통해 제품에 전달된다.

제조 방법

본 발명은 전술한 유형의 전극을 제조하는 간단한 방법을 또한 제공한다. 도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 전극을 제조하는 바람직한 방법을 예시하는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 방출 인서트(28)는 분리기(32)에 의하여 형성된 캐버티(35) 내에 배치된다. 일 실시예에 있어서, 방출 부재(28)는 일반적으로 평탄한 원형 가공면(81)을 갖는 공구(80)를 사용하여 분리기(32)의 캐버티(35) 내에 배치된다. 공구(80)는 가공면(81)이 캐버티(35) 내의 방출 부재(28)와 접촉된 상태로 배치된다. 가공면(81)의 외경은 분리기(32)에 의하여 형성된 캐버티(35)의 직경보다 약간 작다. 공구(80)는 토치(10)의 길이방향 축과 일반적으로 동축인 가공면(81)으로 지지되고, 길이방향 축을 따라 방출 부재(28)와 분리기(32)에 축방향 압축력이 가해지도록 공구에 힘이 인가된다. 예를 들면, 공구(80)는 방출 부재(28) 및 분리기(32)와 접촉된 상태로 위치된 다음, 기계의 램과 같은 적합한 장치에 부딪히게 된다.

사용된 특정의 기술에 상관없이, 방출 부재(28)가 분리기(32)의 캐버티(35) 내에 위치되도록 충분한 힘이 가해져야 방출 부재의 내측 말단면(30)이 분리기와 표면 대 표면이 접촉된다. 일 실시예에 있어서, 방출 부재(28)의 압축 작용으로 방출 부재 및 분리기(28)가 반경방향 외측으로 약간 변형되어 방출 부재(28)가 분리기에 의하여 표면 대 표면 관계로 견고하게 지지된다. 분리기(32)도 또한 방출 부재(28) 주위에 주름이 잡힐 수 있다.

일 실시예에 있어서, 방출 부재(28) 및 분리기(32)는 가열 시간이 치수 및 사용된 물질에 따라 변할 수 있지만 약 1시간 동안 약 1700℉-1800℉까지 가열된다. 상기 온도 범위 및 시간에서, 금속간 화합물(88)이 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이에 형성된다. 하프늄으로 제조된 방출 부재(28)와 은으로 제조된 분리기(32) 사이의 금속간 화합물(88)이 도 9에 도시되어 있다. 금속간 화합물(88)은 상기 금속간 화합물의 두께가 약 0.0004인치이기 때문에, 확산 접합과 비교하여 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이를 더욱 강력하게 접합시킨다. 금속간 화합물(88)은 방출 부재(28) 및 분리기(32)를 형성하는 물질 양자 모두와 상이한 독특한 성질을 갖는 신물질이다.

전술한 바와 같이, 금속간 화합물(88)은 보다 상세하게 후술하는 바와 같이 약 1700℉-1800℉의 비교적 고온으로 형성된다. 방출 부재(28) 및 분리기(32)에 사용된 물질 때문에 비교적 고온이 필요하고, 금속간 화합물(88)은 보다 상세하게 후술하는 바와 같이 어셈블리가 금속 홀더(16)에 삽입되기 전에 형성되는 것이 바람직하다.

도 5를 참조하면, 전면(95) 및 대향하는 후면(96)을 갖는 구리 또는 구리 합금으로 된 원통형 블랭크(94)가 제공된다. 다음에, 전술한 바와 같이 캐버티(24)가 형성되도록 길이방향 축을 따라 전면(95)에 드릴링에 의하여 일반적으로 원통형인 구멍이 형성된다. 일 실시예에 있어서 형성된 금속간 화합물(88)을 포함하는 방출 부재(28) 및 분리기(32) 어셈블리는 압착 끼워맞춤 등에 의하여 캐버티(24) 내에 삽입되고, 이로써 분리기의 외주벽(33)이 캐버티의 내벽(27)과 슬라이드가능하게 결합되고 표면 대 표면, 마찰 관계로 내벽에 고정된다.

도 6에 도시된 일 실시예에 있어서, 일반적으로 평탄한 원형의 가공면(100)을 가진 공구(98)는 방출 부재(28) 및 분리기(32)의 말단면(29, 36)과 각각 접촉 상태에 있는 가공면에 위치되어 있다. 가공면(100)의 외경은 원통형 블랭크(94) 내 캐버티(24)의 직경보다 약간 작다. 공구(98)는 토치(10)의 길이방향 축과 일반적으로 동축인 가공면(100)으로 지지되고, 길이방향 축을 따라 방출 부재(28) 및 분리기(32)에 축방향 압축력이 가해지도록 공구에 힘이 인가된다. 예를 들면, 공구(98)는 방출 부재(28) 및 분리기(32)와 접촉 상태로 위치된 다음, 기계의 램과 같은 적합한 장치에 의하여 부딪힐 수 있다. 사용된 특정의 기술에 상관없이, 방출 부재(28) 및 분리기(32)는 방출 부재가 분리기에 의하여 견고하게 지지되고, 분리기는 캐버티(24)에 의하여 견고하게 지지되도록 반경방향 외측으로 변형될 수 있다. 그러나, 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이에 금속간 화합물(만약 있다면)을 파손 또는 손상시키지 않도록 주의를 해야 한다.

도 7은 원통형 블랭크(94), 분리기(32), 및 방출 부재(28)에 열을 추가하여 전극의 성질 및 수명을 개선시킨 도면이다. 가열 공정은 방출 부재(28) 및 분리기(32) 어셈블리가 금속 홀더 또는 블랭크(94) 내에 위치된 후 발생한다. 또한 가열 공정은, 후술하는 바와 같이, 원통형 블랭크 상에 추가의 가공 단계가 실행된 후 발생될 수 있다. 정확한 가열 공정은 방출 부재(28)에 사용된 물질 및 분리기(32)에 사용된 물질에 좌우된다. 특히, 가열 공정은 물질의 용융 온도에 의하여 결정되고, 분리기(32)와 금속 홀더 또는 블랭크(94) 사이에 공융 합금이 형성되도록 실행된다. 용광로가 우수한 온도 제어력 때문에 바람직하지만, 유도-가열 유닛(도시되지 않음)을 사용하여 전술한 가열 공정 모두를 실행할 수 있다.

공융 합금을 형성하기 위한 가열 공정은 가열 온도가 확산 접합을 원할 때 사용된 가열 온도보다 더 크기 때문에 열 "스파이크"와 유사하다. 분리기는 은을 포함하고 금속 블랭크는 구리를 포함하는 일 실시예에 있어서, 공융 온도는 약 1432℉인 반면, 확산 접합 온도는 약 1410℉이다. 공융 온도에서, 구리 및 은이 함께 융합되어 방출 부재(28)와 분리기(32)를 함께 강력하게 접합시키는 공융 합금을 형성한다.

조립된 전극은 비교적 단시간, 예를 들면 약 10-20분 동안만 상기 온도로 지지되어야 한다. 조립된 전극이 약 20분 이상 가열되는 경우, 공융 합금은 녹아 버려 금속 홀더와 분리기 사이에 공간이 남게 된다. 또한, 공융 합금 형성 단계 도중에 유지된 온도는 약 2도 내로 엄밀하게 제어되는 것이 바람직하다. 그렇지 않고, 공융 온도가 달성되지 않게 되면 공융 합금이 형성될 수 없고 공융 온도를 초과하게 되면 공융 합금이 녹아 버려 전술한 바와 같이 공간이 바람직하지 않게 남게 된다.

금속간 화합물(88)을 형성하는 것에 추가로 전술한 바와 같이 열을 "스파이크"하여 공융 합금을 형성하는 것이 바람직하다. 공융 합금 형성 온도는 금속간 화합물 형성 온도보다 실질적으로 낮고, 본 발명의 한 가지 바람직한 특징은 금속간 화합물(88)이 공융 합금 형성 전에 형성된다는 점이다(양자 모두 동일 전극 내에서 원하는 경우). 또한, 공융 합금은 확산 접합 공정으로 형성될 수 있고, 여기서 홀더(16) 및 분리기(32)는 확산 접합 속도가 증가되도록 공융 온도 이하로 가열된 다음 전술한 바와 같이 "스파이크"되어 공융 합금이 형성된다. 확산 접합 온도로부터 직접 가열 온도를 스파이크할 수도 있지만, 확산 접합 공정과 공융 합금 형성 공정 사이에 냉각 단계도 또한 실행될 수 있다.

두 조각의 금속이 압착되어 함께 지지될 때 확산 접합이 일어난다. 한 가지 금속의 원자가 다른 금속 등으로 이동한다. 실온에서, 현저한 확산 접합이 발달하는 데는 수년이 걸릴 수 있지만 발생하기는 한다. 그러나, 전극의 조립된 구성품을 가열하면 확산 접합 속도가 증가한다. 이 점에 있어서, 확산 접합 공정이 가속되는 포인트까지 전극을 가열시키는 것이 바람직하다. 그러나, 전술한 "스파이크"는 인접하는 면 사이의 접합을 더 개선시킨다.

예를 들면, 분리기(32)는 은을 포함하고 홀더(16)는 구리를 포함하는 일 실시예에 있어서, 확산 접합 공정은 분리기 및 홀더를 약 8시간 동안 약 1410℉까지 가열함으로써 실행된다. 분리기(32) 및 홀더(16)(또는 사정에 따라서 블랭크(94))는 공융 온도, 상기 실시예에서는 약 1432℉까지 약 10-20분 동안 잠깐 가열된다. 공융 합금이 형성된 후, 전극은 냉각된다. 얻어진 공융 합금은 상기 공융 합금이 실재하는 전극의 구성품에 의하여 형성되며 종래의 납땜 재료와 같은 추가 재료로 형성되지 않는다는 점을 제외하고는 납땜 재료와 같이 실행되는 것이 바람직하다. 공융 합금을 형성하는데 있어 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이에 유사한 접합 공정도 또한 사용될 수 있다.

도 10은 도 7에 도시된 가열 공정 후의 분리기(32)와 금속 블랭크(94)의 상세 단면도이다. 구체적으로, 도 10은 도 7의 선 10-10을 따라 절취된 분리기(32)와 금속 블랭크(94) 사이의 인터페이스를 크게 확대한 도면이다. 바람직한 실시예에 있어서, 분리기(32)는 주로 은으로 형성되고, 금속 블랭크는 주로 구리로 형성된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 가열 공정으로 인하여 분리기(32) 및 금속 블랭크(94)가 공융 합금으로 결합되고, 이것은 "지문" 모양을 한 일련의 리지 및 밸리의 단면을 갖는다. 도 10에 도시된 바와 같이, 어두운 영역은 금속 블랭크(94)인 반면 밝은 부분은 분리기(32)이다. 정의에 의하면, 공융 합금은 금속 블랭크(94) 또는 분리기(32)를 형성하는 재료보다 용융 온도가 더 낮다.

도 8은 전극의 강도를 강화시킴으로써 전극의 동작 수명이 증가되는 다른 공정의 도면이다. 특히, 도 8은 압착 공구(97)를 사용하여 전극의 전방 말단에 실행하는 크림핑 공정을 예시하는 도면이다. 압착 공구(97)는 금속 블랭크(94)의 외면에 맞대어 반경방향 내측으로 작용하여 블랭크, 분리기(32), 및 방출 부재(28)를 함께 압착하고 이것이 재료를 함께 더 접합시킨다. 일 실시예에 있어서, 금속 블랭크(94)의 직경은 일 실시예에서 약 0.050-0.100 인치인 d만큼 감소된다. 외측 형상은 예를 들면 원통형 블랭크로부터 예시된 바와 같이 육각형상으로 크림핑 도중에 또한 변경될 수 있다. 크림핑 공정은 블랭크(94)가 거의 완성된 형태로 기계 가공된 후 또한 실행될 수 있다.

크림핑 공정은 적어도 두 가지 장점을 제공한다. 그 중 한 가지는 압착 작용으로 인하여 방출 부재(28), 분리기(32), 및 금속 블랭크(94) 사이에 있는 임의의 공간이 실질적으로 제거될 수 있다는 점이다. 이것은 공간이 전극을 조기에 파손시킬 수 있는 응력 집중 장치로서 작용하기 때문에 중요하다. 특히, 공융 합금 형성 단계 도중의 가열 공정이 지나치게 크면 공간이 손상될 수 있다. 이러한 경우, 분리기(32)와 금속 블랭크(94) 사이에 형성된 공융 합금이 얇은 공간만 남겨둔 채 녹아버리게 된다. 크림핑이 사용되지 않은 경우(즉 공간이 폐쇄되지 않은 경우), 전극의 수명은 약 0-20분 정도로 저하될 수 있다. 그러나, 크림핑이 실행된 경우, 전극의 수명은 대략 300-400분 이상으로 더 높아진다. 따라서, 크림핑은 공융 합금 형성 단계 도중의 과열에 대한 안전 장치로서 사용될 수 있다. 다른 장점은 압착 작용으로 인하여 전술한 바와 같이 가열 공정 도중에 잃을 수 있던 방출 부재(28), 분리기(32), 및 금속 블랭크(94)의 항복 강도 및 경도가 복구된다는 점이다. 그러나, 전극에 크림핑을 지나치게 하면 그들 구성품 사이에 형성된 접합을 떨어지게 할 수 있으므로, 압착 공정 도중에 주의를 해야 한다.

다음 표는 전술한 바와 같이 전극을 가열 및 크림핑한 결과를 도시하는 종래의 실험 데이터를 나타낸다. 구체적으로, 크림핑 공정은 전극을 직경이 약 0.625인치인 원통형 형상으로부터 외경이 약 0.497인치인 육각형 형상으로 줄이는 것을 포함한다. 표 1은 260 Amp에서의 전극의 동작 수명을 나타낸다는 점에 유의해야 한다. 표 1의 실험전극의 평균수명은 약 785분인 반면, 본 발명에 따른 가열 및 크림핑 공정을 받지 않은 종래의 전극은 평균수명이 664분이다. 표 1에 도시된 시험 결과를 얻는데 사용된 플라스마 아크 토치는 산소를 플라스마 기체로 사용하는 ESAB Torch PT-15XL이었다.

표 1

전 극	수명 @ 260 AMPS
종래(평균)	664
실험	862
실험	932
실험	805
실험	722
실험	628
실험	660
실험	845
실험	901
실험	710

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 완성된 전극의 단면도이다. 홀더(16)의 제조를 완성하기 위하여, 원통형 블랭크(94)의 후면(96)을 기계 가공하여 내부에 캐버티(22)가 형성되는 개방된 컵 형상의 구성으로 형성한다. 캐버티(22)는 원통 형 포스트(23)를 형성하고 분리기(32) 및 방출 부재(28) 중 일부분을 동축으로 둘러싸는 내부 환형 리세스(82)를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 내부 환형 리세스(82)는 내면(83)을 포함한다. 즉, 내부 환형 리세스(82)는 트리패닝(trepanning) 또는 다른 기계 가공 작업에 의하여 형성되어 원통형 포스트를 형성한다. 원통형 블랭크(94)의 외주는 외부 나사산(102)을 홀더(16)의 후방 말단(19)에 형성하는 것을 포함하여 원하는대로 형성된다. 최종적으로, 블랭크(94)의 전면(95) 및 방출 부재(28) 및 분리기(32)의 말단면(29, 36) 각각은 이들이 실질적으로 편평하고 서로 높이가 같도록 기계 가공된다.

도 11은 홀더(16)의 말단도이다. 분리기(32)의 말단면(36)이 방출 부재(28)의 말단면(29)을 홀더(16)의 전면(20)으로부터 분리시키는 것을 알 수 있다. 말단면(36)은 내주(104) 및 외주(106)를 갖는 환형이다. 분리기(32)는 아크가 방출 부재로부터 탈착되지 않고 홀더(16)에 부착되도록 작용한다.

따라서, 본 발명은 플라스마 아크 토치에 사용하는 전극(14), 및 상기 전극을 제조하는 방법을 제공하는 것으로서, 적어도 한 번의 가열 공정을 전극에 가하여 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이에 금속간 화합물, 및/또는 분리기(32)와 금속 홀더(16) 사이에 공융 합금을 형성한다. 크림핑 공정을 또한 가하여 전극의 이들 구성품을 더 보강하고 접합시킬 수 있다. 방출 부재(28), 분리기(32) 및 금속 홀더(16) 사이에는 납땜 층, 코팅, 또는 다른 재료를 사용하지 않는 것이 바람직하다.

실제로, 방출 부재와 분리기, 그리고 분리기와 금속 홀더는 표면 대 표면 접촉식으로 각각 조립된다. 따라서, 본 발명에 따른 전극의 제조 비용은 감소되는 한편, 전극의 강도 및 긴 수명은 여전히 제공한다.

본 발명은 전술한 설명 및 첨부 도면에 기재된 지침의 장점을 갖는 여러 가지 변형예 및 다른 실시예도 가능함을 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자는 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정의 실시예에만 한정되는 것이 아니라 변형 및 다른 실시예도 본 발명의 특허청구범위 내에 포함되는 것이다. 본 명세서에는 특정 용어를 사용하였지만, 이들 용어는 일반적이고 단지 설명하기 위한 것으로서 한정하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 특징을 구현하는 플라스마 아크 토치의 측단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전극의 확대사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 전극을 확대한 측단면도이다.

도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 전극을 제조하는 바람직한 방법의 단계를 예시하는 개략도이다.

도 9는 가열 작업 직후 도 4의 선 9-9를 따라 절취한 본 발명의 전극을 크게 확대한 단면 사진이다.

도 10은 가열 작업 직후 도 7의 선 10-10을 따라 절취한 본 발명의 전극을 크게 확대한 단면 사진이다.

도 11은 본 발명에 따른 완성된 전극의 말단부 입면도이다.

Claims (10)

1. 플라스마 아크 토치용 전극에 있어서,

   금속 홀더,

   상기 금속 홀더에 연결되고 내부에 캐버티가 형성되는 비방출성 분리기,

   상기 분리기에 의하여 형성된 캐버티 내에 배치되는 방출 부재, 및

   상기 방출 부재와 상기 분리기 사이에 끼워진 금속간 화합물

   을 포함하는 전극.
2. 제1항에 있어서,

   상기 비방출성 분리기는 은, 금, 플라티늄, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
3. 제1항에 있어서,

   상기 방출 부재는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
4. 플라스마 아크 토치용 전극에 있어서,

   금속 홀더,

   상기 금속 홀더에 연결되고 내부에 캐버티가 형성되는 비방출성 분리기,

   상기 분리기에 의하여 형성된 캐버티 내에 배치된 방출 부재, 및

   상기 분리기와 상기 금속 홀더 사이에 끼워진 공융 합금(eutectic alloy)

   을 포함하는 전극.
5. 제4항에 있어서,

   상기 비방출성 분리기는 은, 금, 플라티늄, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
6. 제4항에 있어서,

   상기 방출 부재는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
7. 플라스마 아크 토치용 전극에 있어서,

   금속 홀더;

   내면(inner surface), 및 상기 금속홀더와 표면 대 표면 (surface-to-surface)으로 접촉하는 외면(outer surface)을 구비한 비방출성 분리기;

   그의 일부 또는 전부(a portion or the whole of the outer surface)가 상기 분리기의 상기 내면과 표면 대 표면으로 접촉하는 외면(outer surface)을 구비한 방출 부재;

   상기 방출 부재와 상기 분리기 사이에 끼워진 금속간 화합물; 및,

   상기 분리기와 상기 금속 홀더 사이에 끼워진 공융 합금

   을 포함하는 전극.
8. 제7항에 있어서,

   상기 금속 홀더는 구리 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
9. 제7항에 있어서,

   상기 비방출성 분리기는 은, 금, 플라티늄, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
10. 제7항에 있어서,

    상기 방출 부재는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.