KR100491691B1 - 플라즈마 아크 토치용 전극 및 그의 제조를 위한 중간 제품 - Google Patents

플라즈마 아크 토치용 전극 및 그의 제조를 위한 중간 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라스마 아크 토치용의 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 전극은 내부에 개구를 형성하는 구리 홀더를 포함한다. 방출 부재는 자신의 한쪽 말단에 견고한 후방벽을 갖는 비교적 비방출성 분리기에 형성된 캐버티에 고정된다. 방출 부재 및 분리기는 방출 부재가 분리기 및 구리 홀더에 의하여 둘러 싸이도록 구리 홀더에 의하여 형성된 개구 내에 위치된다. 이와 같이 하여, 방출 부재는 조립 후 가열 단계 도중에 분리기에 대하여 토치의 길이방향 축을 따라 이동하는 것이 방지된다. 또한, 방출 부재는 가열 단계 도중에 대기에 노출되지 않으므로 방출 부재와 분리기 사이가 더 강력하게 접합될 수 있다.

Description

플라즈마 아크 토치용 전극 및 그의 제조를 위한 중간 제품 {ELECTRODE FOR PLASMA ARC TORCH AND INTERMEDIATE PRODUCT FOR FORMING THE SAME}
본 발명은 플라스마 아크 토치, 보다 구체적으로는 플라스마 아크 토치에 전기 아크를 지지하는 전극의 형성 방법에 관한 것이다.
플라스마 아크 토치는 일반적으로 절단, 용접, 표면 처리, 용융, 및 어닐링을 포함하는 금속 가공에 사용된다. 이러한 토치는 전극으로부터 가공물까지 전달 아크 동작 모드로 연장되는 아크를 지지하는 전극을 포함한다. 또한, 종래에는 아크는 기체 와류로 둘러 싸이고, 일부 토치 설계에서는 기체 및 아크는 와류 분사수 내에 둘러 싸이기도 한다.
기재된 유형의 종래 토치에 사용된 전극은 열 전도성이 높은 물질, 예를 들어 구리 또는 구리 합금으로 구성되는 기다란 튜브형 부재를 포함하는 것이 일반적이다. 튜브형 전극의 전방 또는 방출 말단은 아크를 지지하는 방출 부재가 내부에 매입된 바닥의 말단벽을 포함한다. 방출 부재는 비교적 일 함수가 낮고, 당해 기술에서는 전자 볼트(ev)로 측정된 전위 단계로서 형성되며, 금속 표면으로부터 소정의 온도로 열이온 방출될 수 있는 물질로 구성된다. 상기 낮은 일 함수로 인하여, 부재는 전기적 전위가 가해질 때 전자를 용이하게 방출할 수 있다. 일반적으로 사용되는 물질에는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 이들의 합금이 포함된다. 방출 부재는 아크가 방출 부재로부터 구리 홀더로 들어가지 않도록 작용하는 비교적 비방출성 분리기에 의하여 둘러 싸이는 것이 일반적이다. 노즐은 전극의 방출 말단을 둘러 싸며 아크가 가공물로 향하게 하는 경로를 제공한다.
보다 구체적으로는, 방출 인서트는 캐버티 또는 구멍이 방출 인서트와 금속 홀더 사이에 형성되도록 토치 동작 도중에 부식된다. 캐버티가 충분히 크게 되었을 때, 아크는 방출 인서트로부터 홀더로 "점프" 또는 이송되고, 이것이 일반적으로 전극을 못쓰게 만든다. 아크가 금속 홀더로 점프하는 것을 방지하거나 또는 적어도 방해하기 위하여, 일부 전극은 방출 인서트와 금속 홀더 사이에 배치된 비교적 비방출성 분리기를 포함한다. 분리기는 본 발명의 양수인에게 양도되고 그 내용을 참조하여 본 명세서에 결합시킨 미국특허 제5,023,425호에 기재되어 있다.
본 발명의 양수인은 기재 내용 전체를 참조하여 본 명세서에 결합시킨 미국특허 제5,097,111호에 기재된 바와 같이, 내용 연수가 현저하게 개선된 전극을 제조하는 방법을 이미 개발하였다. 특히, 상기 '111 특허에는 구리 또는 구리 합금으로 된 원통형 홀더 또는 블랭크의 전면에 개구를 형성하는 단계 및 은으로 형성되며 상기 개구에 실질적으로 꼭 맞는 치수가 바람직한 비교적 비방출성 분리기를 삽입하는 단계를 포함하는 전극 제조 방법이 기재되어 있다. 다음에, 비방출성 분리기는 일 실시예의 견고한 후방벽을 캐버티의 후측에 갖는 캐버티가 형성되도록 축방향으로 천공되고, 상기 캐버티 내에 원통형 방출 부재가 압착된다. 전극 제조를 완성하기 위하여, 어셈블리의 전면을 기계 가공하여 방출 부재의 원형의 외측 말단면을 포함하는 매끈한 외면, 비방출성 분리기를 둘러싸는 환형 링, 및 구리 홀더의 외측 링을 제공한다.
상기 '111 특허에 기재된 전극 형성 방법은 당해 기술 분야에서 상당히 진전된 것이지만, 더 개선이 요구된다. 특히, 방출 부재를 분리기 내에 압착시킨 후 가열하면 방출 부재와 분리기 사이에 확산 접합이 형성되어 수명이 개선되는 것으로 기재되어 있다. 그러나, 전술한 조립 후 가열 단계로 인하여 방출 부재가 가열 단계 도중에 캐버티로부터 "쑥 나오거나" 또는 이동하는 경우가 가끔 있다. 이것은 일반적으로 이론상 밀도가 90-95%인 금속 분말을 조합시켜 형성된 방출 부재에서는 특히 그러하다. 이와 같이 하여, 방출 부재의 대략 5-10%는 분말로 된 물질 사이의 공기 공간으로 구성된다. 이들 공간이 가열 단계 도중에 확장되므로 방출 부재가 분리기에 대하여 이동하게 된다.
또한, 방출 부재가 분리기에 삽입될 때 방출 부재와 분리기 사이에 공기가 갇힐 수 있고, 이 공기는 가열 단계 도중에 방출 부재가 분리기에 대하여 이동하도록 팽창할 수도 있다. 이로써 방출 부재와 분리기 내 캐버티의 견고한 후벽 사이에 틈이 형성되어 전극의 열 전달성을 감소시킨다. 많은 비율의 방출 부재가 기계 가공 단계 도중에 후속하여 제거되는 것은 물질을 낭비하게 되므로 바람직하지 않다.
또한, 전극을 조립하는 도중에 방출 부재가 대기에 노출되는 것을 제한하는 것이 바람직하다. 특히, 질소와 같은 대기 중의 기체는 방출 부재가 대기에 노출되어 있는 경우 조립 후 가열 단계 도중에 방출 부재와 분리기 사이를 통과할 수 있으므로 이들 사이의 접합 또는 인터페이스를 약화시킬 수 있다. 따라서, 전극을 조립하는 도중에 방출 부재의 이동을 제한하는 플라스마 아크 토치용 전극을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 조립 후 가열 단계 도중에 방출 부재가 대기에 노출되지 않아 이들 사이의 접합이 향상될 수 있는 플라스마 아크 토치용 전극을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 종래의 전극 제조 방법 및 '111 특허에 기재된 방법을 개선하기 위하여 개발되었다. 전술한 방법에서의 곤란함, 즉 조립 후 가열 단계 도중에 방출 부재가 분리기 내에서 이동하고 가열 단계 도중에 방출 부재가 대기에 노출되는 문제점은 방출 부재를 분리기에 의하여 형성된 견고한 후벽을 갖는 캐버티 내에 위치시키고, 어셈블리를 반전시키고, 그리고 어셈블리를 방출 부재가 분리기 및 금속 홀더에 의하여 완전하게 둘러 싸이도록 금속 홀더에 의하여 형성된 개구 또는 구멍 내에 삽입시킴으로써 극복될 수 있다. 따라서, 조립 후 가열 단계 도중에 방출 부재가 분리기에 대하여 이동하는 것이 방지된다. 또한, 방출 부재는 어셈블리가 홀더의 개구에 삽입된 후 대기로부터 밀봉되고, 이로써 조립 후 가열 단계 도중에 대기로부터의 기체가 방출 부재와 분리기 사이로 들어갈 수 없다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 한 가지 바람직한 실시예에 있어서, 플라스마 아크 토치용의 전극을 형성하는 방법은 방출 부재를 개방 말단 및 폐쇄 말단을 갖는 분리기 내에 적어도 부분적으로 삽입하는 단계를 포함한다. 그러면, 분리기 및 방출 부재는 금속 블랭크에 의하여 형성된 개방 말단 및 폐쇄 말단을 갖는 개구 또는 구멍 내에 적어도 부분적으로 삽입되어 방출 부재가 금속 블랭크 구멍의 폐쇄 말단 및 분리기 캐버티의 폐쇄 말단 사이에 위치된다. 전극을 완성하기 위하여, 분리기의 폐쇄 말단 중 적어도 일부를 금속 블랭크의 개방 말단에 인접한 방출 부재가 노출되도록 제거한다.
일 실시예에 있어서, 상기 방법은 금속 블랭크, 분리기, 및 방출 부재를 소정 시간 동안 소정의 온도로 가열하는 단계를 더 포함한다. 가열 단계는 금속 블랭크, 분리기, 및 방출 부재 사이가 확산 접합되도록 작용한다. 예를 들면, 전극을 약 720-800℃ 범위, 보다 구체적으로는 약 750℃의 온도까지 가열하면 2배 또는 3배로 전극의 수명을 증가시킨다. 일 실시예에 있어서, 가열 단계는 은으로 형성되는 것이 바람직한 열 전도 경로를 방출 부재와 분리기 사이에 형성하는 단계를 포함한다. 방출 부재는 전극을 형성하는 도중에 분리기 및 홀더에 의하여 밀봉되어 둘러 싸인다. 이와 같이 하여, 방출 부재는 조립 후 가열 단계 도중에 이동하는 것이 방지되고 방출 부재와 분리기 사이에 강력한 접합이 형성된다.
방출 부재는 일 함수가 비교적 낮은 하프늄, 지르코늄, 또는 텅스텐과 같은 금속 물질을 포함한다. 금속 물질은 은, 금, 구리, 및 알루미늄과 같은 부재를 포함할 수 있는 분말 혼합물 및 이들의 합금을 또한 포함할 수 있다. 비교적 비방출 성 분리기는 방출 부재 둘레에 위치되어 분리기가 금속 홀더의 전방 말단의 방출 부재로부터 금속 부재를 그들 사이에 끼우고 분리시킴으로써 분리기가 방출 부재로부터 전기 아크가 탈착되지 않고 금속 홀더에 부착되도록 작용한다. 상기 방출부재를 둘러싸는 분리기는 전술한 425'특허에 기재된 은과 같은 금속물질로 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 전극수명 증가에 기여를 하는데, 왜냐하면, 상기 은 및 형성되는 임의의 산화물은 방출특성이 매우 좋지 않기 때문이다. 따라서, 아크(arc)는, 금속홀더 또는 분리기로부터가 아니라, 방출 부재로부터 계속해서 방출되고, 이로써 전극수명이 증가하게 된다. 한 바람직한 구현예에 있어서, 분리기는 그의 한쪽 말단에 캐버티 또는 개구를 한정하는(defining) 튜브 형상(tubular shape)을, 다른쪽 말단에 견고한 벽을 구비함으로써, 분리기와 방출성 소자가 밀착 고정 관계(close-fitting relationship)를 가지게 된다. 또한, 방출 부재 및 분리기는 은 또는 은 합금과 같은 납땜 물질을 사용하여 함께 납땜된다.
따라서, 본 발명은 전극을 형성하는 가열 단계 도중에 방출 부재가 분리기에 대하여 이동하는 것을 방지하여 전극의 열 전도성을 개선시키는 전극의 형성 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 방출 부재가 전극을 형성하는 가열 단계 도중에 대기로부터 밀봉되고, 이로써 대기로부터의 기체 또는 다른 물질이 방출 부재와 분리기 사이로 들어가는 것이 방지되어 이들 사이가 더 강력하게 접합되는 전극의 형성 방법을 제공한다.
다음에, 본 발명을 바람직한 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 명세서에 기재된 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 오히려 이들 실시예는 기재 내용을 완전하게 이해하고 당업자에게 본 발명의 범위를 완전하게 전달하도록 제공되는 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 특징을 구현하는 플라스마 아크 토치(10)가 도시되어 있다. 토치(10)는 노즐 어셈블리(12) 및 튜브형 전극(14)을 포함한다. 전극(14)은 구리 또는 구리 합금으로 만들어지고, 상측의 튜브형 부재(15) 및 하측의 컵 형상의 부재 또는 홀더(16)로 구성된다. 상측의 튜브형 부재(15)는 개방된 기다란 튜브형 구조이며 토치(10)의 길이방향 축을 형성한다. 상측의 튜브형 부재(15)는 내측으로 나사산이 있는 하측 말단부(17)를 포함한다. 홀더(16)도 또한 튜브형 구조이며 하측 전방 말단 및 상측 후방 말단을 포함한다. 횡방향 말단벽(18)은 홀더(16)의 전방 말단을 폐쇄하고, 횡방향 말단벽(18)은 외측 전면(20)을 형성한다(도 2 참조). 홀더(16)의 후방 말단은 외측으로 나사산이 있고 상측의 튜브형 부재(15)의 하측 말단부(17)에 나사로 결합된다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 홀더(16)는 컵 형상으로 구성되고 내부 캐버티(22)를 형성하도록 그 후측 말단이 개방되어 있다. 내부 캐버티(22)는 길이방향 축을 따라 내부 캐버티 내로 연장되는 원통형 포스트(23)를 포함하는 표면(31)을 갖는다. 일반적으로 원통형인 개구 또는 구멍(24)이 말단벽(18)의 전면(20)에 형성되고 길이방향 축을 따라 후측으로 홀더(16)의 일부분 내로 연장된다.
방출 부재 또는 인서트(28) 및 비교적 비방출성 분리기(32)를 포함하는 어셈블리는 구멍(24)에 장착되고 길이방향 축을 따라 동축으로 배치된다. 방출 부재(28)는 제1 말단(29) 및 원형이 바람직한 제1 말단면(30)을 갖는다. 또한, 방출 부재(28)는 일반적으로 원형인 제2 말단(25) 및 홀더(16)의 전면(20) 평면에 위치되며 제1 말단면(30)과 대향하는 제2 말단면(27)을 포함한다. 방출 부재(28)는 약 2.7 내지 4.2ev 범위의 비교적 일 함수가 낮은 금속 물질로 구성되므로 전기 전위가 방출 부재에 인가될 때 용이하게 전자를 방출한다. 이러한 물질의 예로는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 이들의 합금이 있다. 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이를 접합시키는데 도움이 되도록, 바람직한 실시예의 방출 부재는 하프늄 및 은과 같은 물질의 분말 조성물을 포함한다. 전술한 물질의 분말과 같이 다른 분말도 또한 사용될 수 있다. 분말은 소정 비율, 즉 하프늄 대 은이 2:1 또는 1:1로 혼합된다. 분말 혼합물의 물리적 성질 때문에, 방출 부재(28)의 밀도는 순수한 또는 "이론상" 물질의 밀도보다 더 낮다. 예를 들면, 바람직한 실시예에 따른 방출 부재(28)의 밀도는 이론상 약 95%이다. 따라서, 공기 포켓과 같은 공간이, 보다 충분하게 후술하는 바와 같이, 밀도의 약 5%를 차지한다. 일 실시예에 있어서, 분말을 사용하여 펠릿 형태로 사전에 제조된 방출 부재(28)는, 다른 방법도 또한 사용될 수 있지만, 약간의 인터페이스 또는 압착 끼워맞춤에 의하여 분리기(32)에 고정된다.
분리기(32)는 방출 부재(28)를 중심으로 동축으로 구멍(24)에 위치된다. 분리기(32)는 구멍(24)의 길이만큼 연장되는 외주벽(33)(도 4 내지 도 5 참조), 및 방출 부재(28)의 길이만큼 실질적으로 연장되는 내주벽(34)을 갖는다. 이와 같이, 분리기(32)는 개방 말단 및 폐쇄 말단을 갖는 캐버티(35)를 형성한다. 보다 구체적으로, 캐버티(35)는 방출 부재(28)의 제1 말단면(30)의 평면에 위치된 말단면(37), 내주벽(34), 및 내면(39)을 갖는 견고한 후측 말단벽(38)에 의하여 형성된다. 일 실시예에 있어서, 내면(39)은 방출 부재(28)의 제2 말단면(27)과 접촉되어 있다. 외주벽(33)은 다른 기하학적 구성, 예를 들어 원뿔대형도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해될 수 있지만 여기서는 분리기의 길이에 걸쳐 실질적으로 일정한 외경을 갖는 것으로 예시되어 있다. 방출 부재(28)의 제2 말단면(27)에서, 분리기(32)는 내주벽(34)과 외주벽(33) 사이에 적어도 약 0.01인치의 반경방향 두께를 갖는 것이 바람직하고, 방출 부재의 직경은 분리기(32)의 직경의 약 30-80%가 바람직하다. 특정의 예로서, 방출 부재(28)는 직경이 약 0.08인치이며 길이가 약 0.25인치이고, 분리기의 외경은 약 0.25인치가 일반적이다.
분리기(32)는 일 함수가 홀더(16) 물질의 일 함수보다 더 크고, 또한 방출 부재(28) 물질의 일 함수보다도 더 큰 금속 물질로 구성된다. 보다 구체적으로, 분리기(32)는 일 함수가 적어도 약 4.3ev인 금속 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 있어서, 분리기(32)는 금, 플라티늄, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈, 및 이들의 합금과 같은 다른 금속 물질 또한 사용될 수 있으나 은을 1차 물질로서 포함한다.
예를 들면, 본 발명의 한 가지 특정 실시예에 있어서, 분리기(32)는 구리, 알루미늄, 철, 납, 아연, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 추가의 물질 약 0.25 내지 10%와 합금된 은을 포함하는 은 합금 물질로 구성된다. 추가의 물질은 원소 형태 또는 산화물 형태일 수 있으므로, 본 명세서에 사용된 용어 "구리"는 원소 형태는 물론 산화물 형태 양자 모두를 지칭하는 것이며 용어 "알루미늄" 등도 마찬가지이다.
도 1을 참조하면, 전극(14)은 기체 및 액체 통로(40, 42)를 각각 포함하는 플라스마 토치 몸체(88)에 장착되어 있다. 토치 몸체(88)는 외측이 절연된 하우징 부재(44)에 의하여 둘러싸인다. 튜브(46)가 전극(14)의 중앙 구멍(48) 내에 지지되어 물과 같은 액체 냉각 매체가 전극(14)을 통해 순환된다. 튜브(46)의 외경이 구멍(48)의 직경보다 더 작아서 튜브(46)와 구멍(48) 사이에 공간(49)이 형성되어 물이 튜브(46)의 개방된 하측 말단으로부터 배출될 때 그 공간 내로 흐를 수 있다. 물은 소스(도시되지 않음)로부터 튜브(46), 내부 캐버티(22)와 홀더(16)의 내측을 통과한 다음 다시 공간(49)을 통하여 토치 몸체(88) 내의 개구(52) 및 배수관(도시되지 않음)으로 흐른다. 통로(42)로 인하여 분사수가 노즐 어셈블리(12) 내로 향하게 되어 이 노즐 어셈블리에서 플라스마 아크를 둘러싸는 와류로 전환된다. 기체 통로(40)로 인하여 기체는 적합한 소스(도시되지 않음)로부터 적합한 고온 물질로 된 기체 배플(54)을 통하여 입구(58)를 거쳐 기체 플리넘 쳄버(56) 내로 향한다. 입구(58)는 기체가 와류 형태로 플리넘 쳄버(56) 내로 들어가도록 배열된다. 기체는 플리넘 쳄버(56)로부터 노즐 어셈블리(12)의 동축 구멍(60, 62)을 통해 흐른다. 전극(14)은 기체 배플(54)을 지지한다. 고온 플라스틱 절연물 몸체(55)가 노즐 어셈블리(12)를 전극(14)으로부터 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(64)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 상측 노즐 부재(63)로부터 분리된다. 상측 노즐 부재(63)와 하측 노즐 부재(64) 사이에 제공된 공간이 물 쳄버(67)를 형성한다.
하측 노즐 부재(64)는 전방 또는 하측 말단부 및 후방 상측 말단부를 형성하는 원통형 몸체부(70)를 포함하며, 상기 몸체부(70)를 동축으로 하는 구멍(62)이 연장된다. 환형의 장착 플랜지(71)가 후방 말단부 상에 위치되고, 원뿔대면(72)이 제2 구멍(62)과 동축인 전방 말단부의 외측 상에 형성된다. 환형 플랜지(71)는 컵(74)의 하측 말단의 내측으로 향하는 플랜지(73)에 의하여 하측으로부터 지지되고, 컵(74)은 상호연결하는 나사산에 의하여 외측 하우징 부재(44)에 탈착가능하게 장착된다. 개스킷(75)이 두 개의 플랜지(71, 73) 사이에 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 소용돌이 링(66)의 분사 포트(87)로 흐르고, 이 분사 포트가 물을 물 쳄버(67) 내로 분사한다. 분사 포트(87)는 소용돌이 링(66) 둘레에 접선으로 배치되어 물 쳄버(67) 내의 물 흐름에 속도의 소용돌이 성분을 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, 플라스마 아크는 전극 중에서 아크의 캐소드 단자로서 작용하는 방출 부재(28)와 전원의 애노드에 연결되며 하측 노즐 부재(64)의 하측에 위치된 제품 사이에 형성된다. 플라스마 아크는 전극(14)과 노즐 어셈블리(12) 사이에 파일럿 아크를 순간적으로 형성함으로써 종래의 방식으로 개시된다.
제조 방법
본 발명은 전술한 유형의 전극을 제조하는 간단한 방법을 또한 제공한다. 도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 전극을 제조하는 바람직한 방법을 예시하는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 구리 또는 구리 합금으로 된 원통형 블랭크(94)는 전면(95) 및 대향하는 후면(96)을 갖는다. 일반적으로 원통형인 개구가 개방 말단 및 폐쇄 말단을 갖는 구멍(24)을 형성하도록 드릴링 등에 의하여 전면(95)에 형성된다.
전술한 바와 같이, 분리기(32)는 은 합금 물질로 형성된다. 일 실시예에 있어서, 예를 들면, 은 합금 물질은 순은 또한 사용될 수 있지만 약 0.25 내지 10%의 구리를 갖는 은 합금을 포함한다. 분리기(32)는 구멍(24)을 실질적으로 점유하고 방출 부재(28)를 수용하는 구성 및 치수이다. 보다 구체적으로, 분리기(32)의 외주벽(33) 및 후벽(38)은 구멍(24)과 밀착되게 끼워지는 치수이고, 내주벽(34) 및 내면(39)은 방출 부재(28)와 밀착되게 끼워지는 치수이다. 이와 같이 하여, 분리기(32)는 먼저 일반적으로 원통형인 견고한 블랭크를 형성한 다음 그 내부에 드릴링 등에 의하여 원통형 캐버티(35)를 형성함으로써 형성될 수 있다. 다른 제조 방법, 예를 들면 압출 또한 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 방출 부재(28)는 분리기(32)의 원통형 캐버티(35) 내에 위치되므로 방출 부재가 견고한 말단벽(39)과 접촉된다. 바람직한 실시예에 있어서, 방출 부재(28)는 분리기의 캐버티(35) 내에 압착 또는 콤팩트된 하프늄 및 은 분말의 조성물을 포함하므로 방출 부재의 제1 말단면(30)이 분리기(32)의 말단면(37)의 평면에 위치된다.
다음에, 도 5에 도시된 바와 같이, 방출 부재(28) 및 분리기(32)는 예를 들면 어셈블리를 반전시키거나 또는 회전시켜 분리기(32)의 개방 말단면(37)이 전면(95) 및 원통형 블랭크(94)의 구멍(24)과 대면하도록 위치된다. 다음에, 분리기(32) 및 방출 부재(28)는 분리기의 외주벽(33)이 캐버티의 내벽과 슬라이드 가능하게 결합되도록 구멍(24) 내에 적어도 부분적으로 삽입된다. 바람직하기로는, 분리기(32) 및 방출 부재(28)는 방출 부재의 제1 말단면(30) 및 분리기의 말단면(37)이 캐버티의 표면과 접촉될 때까지 구멍(24) 내에 삽입된다. 삽입 단계에 따라, 방출 부재(28)는 금속 블랭크 구멍(24)의 폐쇄된 말단과 분리기 캐버티(35)의 폐쇄된 말단 사이에 위치된다.
도 6에 도시된 일 실시예에 있어서, 일반적으로 편평한 원형의 가공면(100)을 갖는 공구(98)에는 분리기(32)의 말단벽(38)과 접촉되어 있는 가공면이 위치된다. 가공면(100)의 외주는 구멍(24) 및 원통형 블랭크(94)의 직경보다 약간 더 작다. 공구(98)는 토치(10)의 길이방향 축과 일반적으로 동축인 가공면(100)으로 지지되고, 상기 길이방향 축을 따라 방출 부재(28) 및 분리기(32)에 축방향 압축력이 가해지도록 공구에 힘이 인가된다. 예를 들면, 공구(98)는 분리기(32)와 접촉된 상태로 위치된 다음 기계의 램과 같은 적합한 장치에 의하여 부딪힐 수 있다. 사용된 특정의 기술에 상관없이, 방출 부재(28) 및 분리기(32)가 반경방향 외측으로 변형되어 방출 부재는 분리기에 의하여 견고하게 지지되고 분리기는 구멍(24)에 의하여 견고하게 지지되도록 충분한 힘이 가해진다.
전극을 형성하는 다른 공정은 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이의 접합이 개선되도록 전극을 가열하는 것이다. 도 6에는 압착 단계 도중의 가열 단계가 도시되어 있지만, 가열 단계는 압착 단계 후에 일어나는 것이 바람직하다. 전극(28)을 고온, 예를 들면 720°~ 800℃까지 가열하면 방출 부재(28) 및 분리기(32)가 강력한 확산 접합이 형성될 수 있고, 이것이 2배 또는 3배로 전극의 수명을 증가시킬 수 있는 것으로 판명되었다. 이것은 방출 부재가 방출 부재와 은의 분말을 포함하고 분리기는 은을 포함할 때 특히 사실이며, 가열 단계로 인하여 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이에 연장되는 열 전도 경로가 형성될 수 있다. 상기 예에서, 열 전도 경로는 방출 부재(28)로부터 분리기(32)까지 연장되는 은으로 형성된다.
그러나, 분말로 된 물질을 포함하는 방출 부재를 사용할 때 생길 수 있는 한 가지 문제는 가열 단계 도중에 방출 부재 내에 존재하는 공간 또는 공기 포켓이 팽창한다는 점이다. 공간이 팽창함으로써 방출 부재는 종래의 전극 내 분리기로부터 "쑥 나오게"할 수 있음으로 방출 부재와 분리기 사이에 공간이 남게 되고 전극의 열 전도성이 감소하게 된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 전술한 바와 같이 방출 부재(28) 및 분리기(32)를 배열하면 방출 부재가 분리기에 대하여 바람직하지 않게 움직이는 것이 방지된다. 또한, 본 발명에 따라 방출 부재(28) 및 분리기(32)를 배열하면 전술한 다른 문제, 즉 조립 후 가열 단계 도중에 분리기가 대기에 노출되는 문제가 해소된다. 따라서, 본 발명의 방법은 질소와 같은 기체가 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이로 들어 가는 것이 방지된다. 이와 같이 하여, 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이에 형성된 접합이 강하게 되고 가열 단계 도중에 대기로부터의 추가 기체로 오염되지 않는다.
도 7은 홀더(16)의 제조를 완료하는 다른 단계를 도시한 도면으로서, 홀더(16)의 후방 말단(19)에 외측 나사산 형성을 포함하여 원통형 블랭크(94)의 외주를 원하는 형상으로 한다. 블랭크(94)의 전면(95), 분리기(32), 및 방출 부재(28)를 기계 가공함으로써 이들이 실질적으로 편평하게 되고 서로 높이가 동일하게 된다. 보다 구체적으로, 블랭크(94)의 전면 및 분리기(32)의 말단벽(38)을 기계 가공함으로써 방출 부재(28)의 말단면(27)은 노출되고 홀더(16) 전면(20)의 평면에 위치된다.
도 8은 홀더(16)의 말단부 입면도이다. 분리기(32)가 방출 부재(28)의 말단면(27)을 홀더(16)의 전면(20)으로부터 분리시킨다는 점을 알 수 있다. 분리기(32)는 내주(104) 및 외주(106)를 포함하는 환형 형상을 갖는다. 분리기(32)는 일 함수가 방출 부재(28)의 일 함수보다 더 높은 은 합금 물질로 형성되기 때문에, 분리기는 아크가 방출 부재로부터 탈착되어 홀더(16)에 부착되지 않도록 작용한다. 따라서, 본 발명은 방출 부재가 조립 후 가열 단계 도중에 분리기의 캐버티(35)로부터 불쑥 튀어나오거나 또는 들어 가지 않도록 방출 부재(28)가 분리기(32)에 고정되어 있는 플라스마 아크 토치(10)용의 전극(14)을 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 방출 부재(28)는 가열 단계 도중에 대기에 노출되지 않으므로 가열 공정 도중에 방출 부재와 분리기(32)가 더 강력하게 접합된다.
당업자는 전술한 설명 및 첨부 도면에 따른 지침의 장점을 갖는 본 발명에 대하여 여러 가지 변형 및 다른 실시예도 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 분리기 및/또는 방출 부재는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 형상 및 구성, 예를 들면 원뿔꼴 또는 리벳 형상을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명은 기재된 특정의 실시예에만 한정되는 것은 아니고 여러 가지 변형 및 다른 실시예도 특허청구범위 내에 포함되도록 하는 것이다. 특정의 용어가 본 명세서에 사용되었지만, 이들은 일반적인 용어로서 단지 설명을 하기 위한 것이며 한정하려는 것은 아니다.
본 발명에 따른 방출 부재 및 분리기는 방출 부재가 분리기 및 구리 홀더에 의하여 둘러 싸이도록 구리 홀더에 의하여 형성된 개구 내에 위치되므로, 방출 부재는 조립 후 가열 단계 도중에 분리기에 대하여 토치의 길이방향 축을 따라 이동하는 것이 방지된다. 또한, 방출 부재는 가열 단계 도중에 대기에 노출되지 않으므로 방출 부재와 분리기 사이가 더 강력하게 접합될 수 있다.
도 1은 본 발명의 특징을 구현하는 플라스마 아크 토치의 측단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전극을 확대한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극을 확대한 측단면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 전극의 바람직한 제조 방법의 단계를 예시하는 개략도이다.
도 8은 완성된 전극의 말단부 입면도이다.

Claims (8)

  1. 플라스마 아크 토치용 전극을 형성하는 중간제품에 있어서,
    내면을 가진 개구를 형성하는 전방 말단과, 후방 말단을 구비한 금속 블랭크;
    상기 금속 블랭크의 개구 내에 그의 일부 또는 전부 (a portion of the separator or the entire separator)가 위치되고, 한쪽 말단에는 캐버티가 형성되며 다른쪽 말단에는 견고한 후방벽을 갖는 분리기(separator); 및
    상기 분리기의 캐버티 내에 위치되고, 상기 분리기와 상기 금속 블랭크에 의하여 완전하게 캡슐로 싸이는(encapsulated) 방출 부재
    를 포함하는 중간제품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 블랭크는 구리, 은, 알루미늄, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리기는 은, 금, 구리, 알루미늄, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방출 부재는 하프늄, 텅스텐, 지르코늄, 은, 금, 구리, 알루미늄, 및 이들의 분말 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
  5. 플라스마 아크 토치용 전극을 형성하는 중간제품에 있어서,
    내면을 가진 개구를 형성하는 전방 말단과, 후방 말단을 구비한 금속 블랭크;
    상기 금속 블랭크의 개구 내에 그의 일부 또는 전부 (a portion of the separator or the entire separator)가 위치되고, 한쪽 말단에는 캐버티가 형성되며 다른쪽 말단에는 견고한 후방벽을 갖는 분리기(separator); 및
    상기 분리기의 캐버티 내에 위치되고, 상기 개구의 내면과 상기 분리기의 견고한 후방벽에 의해 축방향 이동이 억제되는 방출 부재
    를 포함하는 중간제품.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 블랭크는 구리, 은, 알루미늄, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 분리기는 은, 금, 구리, 알루미늄, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 방출 부재는 하프늄, 텅스텐, 지르코늄, 은, 금, 구리, 알루미늄, 및 이들의 분말 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
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