KR100508557B1 - 방출 부재를 코팅하는 방법 - Google Patents

방출 부재를 코팅하는 방법 Download PDF

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Abstract

플라즈마 아크 토치용 전극과 그 전극을 조립하는 방법이 설명되었는데, 전극은 전방 단부 내에 공동을 형성하는 금속 홀더를 포함한다. 방출 부재와 분리기 조립체는 공동 내에 위치된다. 방출 부재는 그 외부면 상에 비교적 비방출성 재료의 층을 갖는데, 비교적 비방출성 재료의 층은 방출 부재를 고온으로 가열하고, 비교적 비방출성 재료를, 바람직하게는 방출 부재 상에 스프레이 함으로써, 도포된다. 코팅된 방출 부재는 분리기 내에 위치되며, 조립체는 비교적 비방출성 재료가 분리기와 강한 결합을 형성하도록 가열된다. 본 발명에 따라 형성된 방출 부재와 분리기 사이의 우수한 결합은 전극의 수명을 연장한다.

Description

방출 부재를 코팅하는 방법{METHOD OF COATING AN EMISSIVE ELEMENT}
본 발명은 플라즈마 아크 토치에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 아크 토치에서 전기 아크를 지지하는 전극에 관한 것이다.
플라즈마 아크 토치는 절단, 용접, 표면 처리, 용융 및 어닐링을 포함하여 금속의 작업을 위해 일반적으로 사용된다. 그러한 토치는 이동식 아크 작업 모드(transferred arc mode of operation)에서 전극으로부터 공작물로 연장되는 아크를 지지하는 전극을 포함한다. 또한 아크를 가스의 와류 흐름으로 둘러싸는 것이 통상적이며, 어떤 토치 설계에서는 가스와 아크를 물의 와류 분사로 둘러싸는 것 또한 통상적이다.
상기 형태의 통상적인 토치에 사용되는 전극은 통상적으로 구리 또는 구리 합금 등 높은 열 전도율의 재료로 구성된 금속 관형부재를 포함한다. 관형 전극의 전방 단부 또는 방전 단부는 하부 단부 벽 내에 매립된 아크를 지지하는 방출삽입물을 가진 하부 단부 벽을 포함한다. 이 삽입물은 비교적 낮은 일함수를 가진 재료로 구성되며, 일함수는 주어진 온도에서 금속의 표면으로부터 열이온의 방출(thermionic emission)를 허용하는 전자 볼트(ev)로 측정된 전위 단계로서 본 기술분야에서 한정된다. 낮은 일함수의 관점에서, 삽입물은 따라서 전기 전위가 삽입물에 인가되었을 때 쉽게 전자를 방출할 수 있다. 일반적으로 사용되는 방출 재료는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐 및 그들의 합금을 포함한다.
상기 형태의 토치와 관련된 문제는 특히 토치가 산소 또는 공기 등 산화 가스와 사용될 때 전극의 짧은 수명이다. 더욱 구체적으로는, 방출 삽입물은 토치의 동작 동안에 부식되어, 공동(cavity) 또는 구멍이 방출 삽입물과 금속 홀더(holder) 사이에 형성된다. 공동이 충분히 크게 될 때, 아크는 방출 삽입물로부터 홀더로 "점프" 또는 이동하는데, 그것은 통상적으로 전극을 파괴한다. 아크가 금속 홀더로 점프하는 것을 방지하거나 적어도 방해하기 위해서, 어떤 전극은 방출 삽입물과 금속 홀더 사이에 배치된 비교적 비-방출(non-emissive) 분리기를 포함한다. 분리기는 미국특허 제5,079,111호에 기술되었는데, 그것은 본 발명의 양수인에게 양도되었고 본 명세서에 인용함으로써 본 명세서의 일부를 이룬다.
방출 삽입물을 분리기에 고정하는 여러 가지 방법이 개발되었다. 상기 미국특허 제'111호에 기술된 한가지 방법은 방출 삽입물을 분리기 내에 프레스 또는 억지 끼워 맞춤(press or force fit) 하는 것이다. 상기 미국특허 제'111호에 기술된 다른 방법은 브레이즈 용접 재료에 의해 분리기와 금속 홀더를 야금학적으로 접착시키는 것이다. 한 실시예에서, 브레이징 용접 재료는 분리기와 금속 홀더 사이에 용융된 디스크의 형태로 되어 있다.
미국특허 제3,198,932호 역시 브레이징 용접 방법을 기술하는데, 지르코늄 삽입물이 은 홀더 내로 브레이즈 용접된다. 구체적으로, 상기 미국특허 제'932호는 삽입물이 용융된 은 내에 우선 담기어지는 방법을 기술하는데, 그것은 은을 삽입물에 코팅한다. 은 역시 은 홀더에 의해 형성되는 공동 또는 홈(recess) 내에 삽입되고, 코팅된 삽입물은 홈 내로 삽입되어 용융된 은이 삽입물 주위로 흐른다. 그러나, 상기 미국특허에 기술된 브레이징 용접 기술은 코팅 및/또는 홀더를 가공하는 데에 상당히 많은 양의 은을 요구하며, 그것은 전극의 비용을 심각히 증가시킨다. 따라서, 전극을 제조하는 전체 비용을 더욱 개선할 필요가 있다.
미국특허 제5,857,888호는 방출 삽입물 상에 코팅을 형성하기 위해서 금속을 물리 기상 증착법에 의해 증착시키고, 코팅된 삽입물을 홀더에 의해 형성된 홈 내에 고정하는 것을 포함하는 전극 제조 방법을 제공함으로써 상기 미국특허 제'932호와 미국특허 제'425호에 비하여 개량하고자 시도하였다. 상기 코팅은 1-10 μm의 두께를 갖는데, 그것은 폐쇄된 환경에서 증기 입자를 발생시키고 그 입자가 방출 삽입물의 표면으로 이동하도록 허용함으로써 형성된다. 코팅된 방출 삽입물은 다음에는 분리기 없이 홀더 내에 장착되어, 전극 제조 비용은 상기 미국특허 제'932호 및 제'425호에 따라 전극을 제조하는 비용보다 상대적으로 값싸다.
그러나, 상기 미국특허 제'888호에 의해 추천된 기상 증착법은 아크가 방출 삽입물 또는 요소로부터 금속 홀더로 "점프" 또는 이동하는 문제를 충분히 다루지 않는다. 구체적으로, 극단적으로 얇은 기상 증착 코팅은 아크가 금속 홀더로 점프하는 것을 방지하는 적절한 장벽을 제공하지 않을 것이며, 그것은 통상적으로 전극을 파괴한다.
기상 증착에서의 다른 문제는 방출 삽입물과 기상 증착 코팅 사이의 접착이 특히 강하지 않다는 것이다. 예로서, 하프늄 등 방출 부재를 형성하는 데에 사용된 어떤 재료는 다른 재료와 쉽게 접착하지 않는다. 따라서, 방출 부재와 분리기 또는 금속 홀더 사이에 약한 결합을 가진 전극은 짧은 수명을 가지며, 그것은 플라즈마 아크 토치의 전체적 작업 비용을 증가시킨다. 따라서, 코팅에 견고히 접착되는 방출 부재에 대하여 코팅을 형성할 필요가 있으며, 그것은 전극의 인접 부품과의 결합을 위한 충분한 표면을 제공하여 전극은 더욱 긴 수명을 갖는다.
본 발명은 종래의 전극 및 전극 제조 방법에 비하여 개량하고, 특히 상기 인용된 미국특허 제'888호 및 제'932호에 기술된 전극 및 전극 제조 방법에 비하여 개량하고자 개발되었다. 상기 전극의 문제점 즉 전극의 인접 부품에 더욱 견고하게 접착된 방출 부재를 제공하는 것은 방출 부재의 외부면에 비교적 비방출성 재료를 도포(applying)하기 전에 방출 부재의 외부면이 반응적으로 되도록 방출 부재를 매우 높은 온도로 가열함으로써 극복될 수 있다는 것을 발견하였다. 예로서, 방출 부재를 위해 하프늄을 사용할 때, 부재는 약 4000oF까지 가열될 수 있고, 은 등 비교적 비방출성 재료는 부재에 지극히 견고하게 접착될 것이다.
한 실시예에서, 비교적 비방출성 재료는 방출 부재의 외부면에 스프레이(spray)된다. 방출 부재는 비교적 높은 온도에 있기 때문에, 비교적 비방출성 재료는 방출 부재의 외부면과 접촉할 때, 실질적으로 용융된다. 따라서, 비교적 비방출성 재료는 종래의 방법에 비하여 방출 부재의 외부면과 양호하게 강한 결합을 형성한다.
한 실시예에서, 비교적 비방출성 재료가 적용된 방출 부재는 비교적 비-방출 분리기에 의해 형성된 공동 내에 위치된다. 바람직한 실시예에서, 비교적 비방출성 재료는 분리기를 형성하는 재료와 실질적으로 유사하여, 방출 부재 및 분리기 상의 비교적 비방출성 재료 사이에 발생되는 코팅은 방출 부재와 분리기를 비교적 비방출성 재료의 용융점으로 가열하는 것 등에 의해 함께 쉽게 접착될 수 있다.
따라서, 본 발명의 방법은 방출 부재와 분리기 사이의 결합을 강화함으로써 본 기술분야에서 중요한 개량을 제공한다. 기상 증착법을 사용하여 방출 부재를 코팅하는 종래기술의 방법은 방출 부재와 분리기 사이에 금속의 얇은 코팅을 사용하는 것을 시도한다. 그러나, 이러한 기장 증착법은 복잡하고 값비싸며, 대량 생산에 잘 적용되지 않는다. 그러나, 본 발명은 방출 부재가 고온이고 방출 부재의 표면이 반응적인 동안에 재료를 적용함으로써 방출 부재와 비교적 비방출성 재료 사이의 강한 결합을 제공한다. 이러한 상태에서, 방출 부재와 비교적 비방출성 재료는 그들 사이에 강한 결합을 형성한다. 또한, 코팅된 방출 부재는 다음에는 종래의 방법에 비하여 전극 내의 분리기와 강한 결합을 또한 형성할 수 있다. 이러한 점에서, 본 발명의 방법은 종래의 제조 장비 및 기술을 사용하면서도 본 발명의 전극 강도 및 수명을 증가시키는 결합을 제공한다.
지금까지는 본 발명을 일반적으로 설명하였으며, 이제 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명할 것이다. 첨부된 도면은 반드시 척도에 따라 작도된 것은 아니다.
이제 본 발명은 양호한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 하며, 오히려 이러한 실시예는 여기의 설명이 완전하게 되고 본 기술분야에 익숙한 자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달하도록 제공된다. 유사한 도면부호는 전체를 통해서 유사한 요소를 가리킨다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 특징을 실시하는 플라즈마 아크 토치(10)가 도시된다. 토치(10)는 노즐 조립체(12)와 관형 전극(14)을 포함한다. 전극(14)은 바람직하게 구리 또는 구리 합금으로 제조되고, 상부 관형 부재(15)와 하부 컵형 부재 또는 홀더(16)로 구성된다. 상부 관형 부재(15)는 긴 개방식 관형 구성으로 되어 있으며, 토치(10)의 종방향 축을 형성한다. 상부 관형 부재(15)는 내부에 나사산이 형성된 하부 단부(17)를 포함한다. 홀더(16) 역시 관형 구성으로 되어 있으며, 하부 전방 단부와 상부 후방 단부를 포함한다. 측방향 단부벽(18)은 홀더(16)의 전방 단부를 폐쇄시키고, 측방향 단부벽(18)은 외부 전방 면(20)을 형성한다. 홀더(16)의 후방 단부는 외부에 나사산이 형성되고, 상부 관형 부재(15)의 하부 단부(17)에 나사 결합된다.
홀더(16)는 그 후방 단부(19)에서 개방되어 홀더는 컵형 구성으로 되어 있으며 내부 공동(22)을 형성한다. 내부 공동(22)은 종방향 축을 따라 내부 공동 내로 연장되는 원통형 포스트(23)를 포함하는 표면(31)을 갖는다. 일반적으로 원통형인 공동(24)은 단부벽(18)의 전방 면(20) 내에 형성되고, 홀더(16)의 종방향 축을 따라 홀더(16)의 일부분 내로 후방으로 연장된다. 공동(24)은 내부 측부 표면(27)을 포함한다.
비교적 비-방출 분리기(32)는 공동(24) 내에 위치되며 종방향 축을 따라 동축적으로 배치된다. 분리기(32)는 실질적으로 공동(24)의 길이에 걸쳐 연장되는 외주벽(33)을 갖는다. 주변벽(33)은 분리기의 길이에 걸쳐 실질적으로 일정한 외경을 갖는 것으로 도시되었으나, 다른 기하학적 형상은 본 발명의 범위에 따를 것이며 예로서 절두체(frustoconical)일 것이다. 분리기(32)는 또한 홀더(16)의 전방 면(20)과 대체로 동일 평면인 외부 단부 면(36)을 포함한다.
방출 부재 또는 삽입물(28)은 분리기(32) 내에 위치되고 종방향 축을 따라 동축적으로 배치된다. 더욱 상세하게는, 방출 부재(28)와 분리기(32)는 조립체를 형성하는데, 조립체에서 방출 부재는 아래에서 더욱 상세히 설명되듯이 방출 부재와 분리기를 가열함으로써 수행되는 결합의 유리한 형태와 결합된 억지 끼워 맞춤(interference fit) 또는 프레스 끼워 맞춤(press fit)에 의해 분리기에 고정된다. 방출 부재(28)는 전위가 금속 재료에 인가될 때 쉽게 전자를 방출할 수 있는 금속 재료로 구성된다. 그러한 재료의 적절한 예는 하프늄(hafnium), 지르코늄(zirconium), 텅스텐 및 그들의 혼합물이다.
방출 부재(28)는 홀더(16)의 전방 면(20)과 분리기(32)의 외부 단부 면(36)의 평면 내에 있는 원형 외부 단부 면(29)을 갖는다. 방출 부재(28)는, 또한 분리기(32)에 의해 형성된 공동(35) 내에 있으며 외부 단부 면(29)과 대향한 대체로 원형인 내부 단부 면(30)을 포함한다. 그러나, 내부 단부 면(30)은 방출 부재를 분리기(32)에 고정하는 것을 돕기 위해서 뾰족하거나 다각형이거나 구형 등 다른 형상을 가질 수 있다. 또한, 방출 부재(28)의 직경은 분리기(32)의 단부 면936)의 외경의 약 30 내지 80%이며, 분리기(32)는 외부 단부 면(36)에서 또한 그 전체 길이를 따라서 적어도 약 0.25mm(0.01 인치)의 반경방향 두께를 갖는다. 특정한 예로서, 방출 부재(28)는 통상적으로 약 0.08 인치의 직경과 약 0.25 인치의 길이를 가지며, 분리기(32)의 외경은 약 0.25 인치이다.
유리하게, 방출 부재(28)는 비교적 비방출성 재료가 방출 부재와 분리기(32)에 의해 형성된 공동(35) 사이에 삽입되도록 비교적 비방출성 재료(34)의 층 또는 코팅을 갖는다. 한 실시예에서, 재료(34)는 적어도 약 0.002 인치의 두께를 갖고, 바람직하게는 약 0.002 내지 0.010 인치의 두께를 갖는다. 재료(34)는 전위가 인가되었을 때 쉽게 전자를 방출하지 않는 재료로부터 선택된다. 그러한 재료의 예는 은, 금, 백금, 로듐(rhodium), 이리듐(iricium), 팔라듐(palladium), 니켈, 알루미늄, 및 그들의 합금이다. 바람직한 실시예에서, 재료(34)는 순은(sterling silver)으로부터 형성된다. 아래에서 더욱 상세히 설명되듯이, 재료(34)는 방출 부재(28) 및 분리기(32)에 견고히 결합된다. 유리하게, 재료(34)는 압력 끼워 맞춤 및 브레이징 용접 등 종래의 방법에 비하여 방출 부재(28)와 분리기(32) 사이의 강한 결합을 제공한다.
분리기(32)는 홀더(16) 및 방출 부재(28)에 비하여 아크를 덜 쉽게 지지하는 금속 재료로 구성된다. 바람직한 실시예에서, 분리기(32)는 은을 포함하지만, 금, 백금, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈 및 그들의 합금 등 다른 금속 재료도 사용될 수 있다. 분리기(32)를 위해 선택된 재료는 높은 열전도성, 산화에 대한 높은 저항, 높은 용융점, 높은 일함수 및 낮은 비용을 가져야 한다. 한 재료에서 이러한 성질을 모두 최대화하는 것은 어렵지만, 은이 그 높은 열전도성으로 인해서 바람직하다. 바람직하게, 분리기(32)를 형성하는 재료와 비교적 비-방사 재료(34)는 실질적으로 유사하다.
예로서, 본 발명의 한 특정한 실시예에서, 재료(34)와 분리기(32)는 구리, 알루미늄, 철, 납, 아연 및 그들의 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 추가 재료 0.25 내지 10%와 합금된 은 예로서, 순은(sterling silver)을 포함하는 은 합금 재료로 구성된다. 추가 재료는 원소 또는 산화물 형태일 수 있으며, 따라서 여기세서 사용된 "구리"라는 용어는 원소의 형태와 산화물의 형태 둘 다를 지칭하도록 의도되었고, "알루미늄" 등의 용어에 대해서도 유사하다. 도 1을 다시 참조하면, 전극(14)은 플라즈마 토치 몸체(38) 내에 장착되고, 플라즈마 토치 몸체(38)는 가스 및 액체 통로(40, 42)를 포함한다. 토치 몸체(38)는 외부 절연된 하우징 부재(44)에 의해 둘러싸인다. 튜브(46)는 전극(14)을 통해서 물 등 액체 냉각 매체를 순환시키기 위해서 전극(14)의 중심 보어(48) 내에 매달려 있다. 튜브(46)는 보어(48)의 직경보다 작은 외경을 가져서, 튜브(46)와 보어(48) 사이에 공간(49)이 존재하여 물이 튜브(46)의 개방된 하부 단부로부터 배출될 때 그 공간(49)으로 흐르게 한다. 물은 소스(도시되지 않음)로부터 튜브(46), 내부 공동(22) 및 홀더(16) 내부를 통해 흐르고, 공간(49)을 통해서 토치 몸체(38) 내의 개구(52)와 배수(drain) 호스(도시되지 않음)로 되돌아 흐른다. 통로(42)는 분사된 물을 노즐 조립체(12)로 향하게 하고, 노즐 조립체(12)에서 물은 아래에서 더욱 설명되듯이 플라즈마 아크를 둘러싸는 와류로 변환된다. 가스 통로(40)는 적절한 소스(도시되지 않음)로부터 오는 가스를 적절한 고온 재료의 가스 배플(baffle)(54)을 통해 입구 구멍(58)을 거쳐 가스 플레넘(plenum) 챔버(56) 내로 향하게 한다. 입구 구멍(58)은 가스가 와류 방식으로 플레넘 챔버(56)로 들어가게 하도록 배치된다. 가스는 플레넘 챔버(56)로부터 노즐 조립체(12)의 동축 보어(60, 62)를 통해 흘러 나온다. 전극(14)은 가스 배플(54)을 유지한다. 고온 플라스틱 절연체 몸체(55)는 노즐 조립체(12)를 전극(14)으로부터 전기 절연시킨다.
노즐 조립체(12)는 제1 보어(60)를 형성하는 상부 노즐 부재(63)와, 제2 보어(62)를 형성하는 하부 노즐 부재(64)를 포함한다. 상부 노즐 부재(63)는 바람직하게 금속 재료이고, 하부 노즐 부재(64)는 바람직하게 금속 또는 세라믹 재료이다. 상부 노즐 부재(63)의 보어(60)는 토치 전극(14)의 종방향 축과 축 정렬된다. 하부 노즐 부재(64)는 플라스틱 스페이서 부재(65)와 물 와류 링(66)에 의해 상부 노즐 부재(63)로부터 분리된다. 상부 노즐 부재(63)와 하부 노즐 부재(64) 사이에 제공된 공간은 물 챔버(67)를 형성한다.
하부 노즐 부재(64)는 전방 또는 하부 단부와 후방 또는 상부 단부를 형성하는 원통형 몸체부(70)를 포함하며, 보어(62)는 몸체부(70)를 통해서 동일축상으로 연장된다. 환형 장착 플렌지(71)는 후방 단부 상에 위치되고, 절두체 표면(72)은 제2 보어(62)와 동축인 전방 단부의 외부에 형성된다. 환형 플렌지(71)는 컵(74)의 하부 단부에 있는 내부로 향한 플렌지(73)에 의해 아래로부터 지지되고, 컵(74)은 상호연결 나사산에 의해 외부 하우징 부재(44)에 착탈가능하게 장착된다. 가스켓(75)은 2개의 플렌지(71, 73) 사이에 배치된다.
하부 플렌지 부재(64)의 보어(62)는 원통형이고, 임의의 적절한 플라스틱 재료의 센터링(centering) 슬리브(78)에 의해 상부 노즐 부재(63) 내의 보어(60)와 축 정렬 상태로 유지된다. 물은 통로(42)로부터 슬리브(78) 내의 개구(85)를 통해서 와류 링(66)의 분사 포트(87)로 흐른다. 분사 포트(87)는 와류 링(66) 주위에 접선방향으로 배치되어, 속도의 와류 성분을 물 챔버(67) 내의 물 흐름에 부과한다. 물은 보어(62)를 통해서 물 챔버(67)로부터 나온다.
전원(도시되지 않음)은 금속 공작물과 직렬 회로 관계로 토치 전극(14)에 연결되고, 금속 공작물은 통상적으로 접지 된다. 동작 시에, 플라즈마 아크는 아크용 음극 단자로서 작용하는 전극의 방출 부재(28)와, 전원의 양극에 연결되고 하부 노즐 부재(64) 아래에 위치된 공작물 사이에 형성된다. 플라즈마 아크는 전극(14)과 노즐 조립체(12) 사이에 파일럿 아크를 순간적으로 형성함으로써 종래의 방식으로 시작되며, 다음에 아크는 보어(60, 62)를 통해서 공작물로 이동된다.
조립방법
본 발명은 또한 상기 형태의 전극을 제조하는 간단한 방법을 제공한다. 도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 전극을 제조하는 바람직한 방법을 도시한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 비교적 비방출성 재료(34)는 분말형 금속 스프레이 토치 등 플라즈마 아크 스프레이 토치(39) 또는 그 동등물을 사용하여 방출 부재(28)에 적용된다. 특히, 스프레이 토치(39)는 적어도 약 1400oF 및 바람직하게는 약 4000oF 등으로 고온 또는 상승된 온도로 방출 부재를 가열한다. 스프레이 토치(39)는 또한 재료(34)를 방출 부재(28)로 분배 및 향하게 할 수 있다. 방출 부재(28)가 충분히 가열될 때, 방출 부재를 형성하는 재료는 반응적으로 되어, 재료(34)는 재료가 방출 부재에 적용될 때 방출 부재와 중간 결합을 형성한다.
재료(34)는 방출 부재(28)에 비하여 비교적 비-방출인 분말형 금속으로 형성된다. 재료(34)가 스프레이 토치(39)로부터 살포되고 방출 부재(28)와 접촉할 때, 재료(34)는 용융되어 방출 부재의 외부면상에 층 또는 코팅을 형성한다. 상기와 같이, 재료(34)는 적어도 0.002 인치 및 바람직하게는 약 0.002-0.010 인치의 두께를 갖는데, 그것은 기상 증착에 의해 형성된 층보다 상당히 두껍다. 또한, 방출 부재(28)는 재료(34)가 적용될 때 상승된 온도에 있기 때문에, 결과적인 재료의 층은 종래의 방법에 비하여 방출 부재에 훨씬 견고하게 결합된다. 스프레이 토치(39)는 실질적으로 동시에 방출 부재를 가열하고 재료(34)를 방사 요소에 적용하는 것으로 설명되었으나, 우선 방출 부재(28)를 원하는 온도로 가열하고, 다음에 별도의 단계로서 재료를 방출 부재에 적용하는 것 또한 가능하다. 또한, 재료(34)는 방출 부재(28)와 접촉할 때 용융되는 것으로 설명되었으나, 용융 단계는 적용 단계와 실질적으로 동시에 발생할 수 있거나 용융 단계는 적용 단계와는 별도의 단계일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
방출 부재(28)가 재료(34)의 층으로 스프레이 되거나 코팅된 후에, 방출 부재는 분리기(32)에 의해 형성된 공동(35)내에 배치된다. 도 5에 도시된 한 실시예에 따르면, 방출 부재(28)는 대체로 평면인 원형 작업 표면(81)을 가진 공구(80)를 사용하여 분리기(32)의 공동(35) 내에 배치된다. 공구(80)는 작업 표면(81)이 공동(35) 내의 방출 부재(28)와 접촉한 상태로 위치된다. 작업 표면(81)의 외경은 분리기(32)에 의해 형성된 공동(35)의 직경보다 약간 작다. 공구(80)는 작업 표면(81)이 토치(10)의 종방향 축과 대체로 동축인 상태로 유지되며, 힘은 공구에 적용되어 축방향 압축력을 종방향 축을 따라 방출 부재(28)와 분리기(32)에 부과한다. 예로서, 공구(80)는 방출 부재(28) 및 분리기(32)와 접촉되게 위치될 수 있고, 다음에 기계의 램(ram) 등 적절한 장치에 의해 타격된다. 사용된 특정한 기술에 상관없이, 충분한 힘이 방출 부재(28)를 분리기(32)의 공동(35) 내에 위치시켜 방출 부재의 내부 단부 면(30)이 재료(34)에 의해서만 분리기로부터 분리되도록 부과되어야 한다. 한 실시예에서, 방출 부재(28)의 압축 작용은 또한 방출 부재와 분리기(32)가 반경방향으로 외부로 약간 변형되게 하여 방출 부재(28)는 표면 대 표면의 관계로 분리기에 의해 견고하게 파지(grip)되고 유지된다.
또한 이 공정 동안에 방출 부재(28)와 분리기(32) 조립체에 열이 적용된다. 특히, 가열 공정은 재료(34)와 분리기가 함께 견고히 결합되도록 방출 부재(28)와 분리기(32)를 가열하는 것을 포함한다. 바람직하게, 이것은 방출 부재(28)와 분리기(32)를 대략 재료(34)의 용융 온도로 가열함으로써 달성되는데, 재료(34)의 용융 온도는 한 실시예에 따르면 분리기를 형성하는 재료와 실질적으로 유사하다. 재료(34)와 분리기(32)는 가열 단계 동안에 함께 "용융" 또는 녹아서 그 2개의 부품은 함께 견고하게 결합된다. 효과적으로, 재료(34)와 분리기(32) 사이에 형성된 결합은 재료(34)와 방출 부재(28) 사이에 형성된 강한 결합으로 인해서 더욱 강화된다. 방출 부재(28)와 재료(34) 사이 및 재료(34)와 분리기(32) 사이에 형성된 강한 결합으로 인해서, 전극(40)은 압력 끼워 맞춤 기술 또는 브레이징 용접 기술을 사용하여 형성된 전극에 비하여 더 긴 수명, 개량된 열전도성 및 개량된 전기전도성을 갖는다. 물론, 본 발명의 재료(34)로 코팅된 방출 부재(28) 및 분리기(32)와 관련하여 브레이징 용접 재료를 사용하는 것이 가능하지만, 그것은 필요하지는 않다.
도 6을 참조하면, 전방 면(95) 및 대향 후방 면(96)을 가진 구리 또는 구리 합금의 원통형 블랭크(94)가 제공되었다. 다음에는 대체로 원통형의 보어가 종방향 축을 따라 구멍 뚫기(drilling) 등에 의해 전방 면(95)에 형성되어 상기와 같이 공동(24)을 형성한다. 방출 부재(28)와 분리기(32) 조립체는 다음에는 압력 끼워 맞춤 등에 의해 공동(24) 내로 삽입되어 분리기의 외부벽(33)은 공동의 내부벽(27)과 미끄럼 가능하게 결합되고 표면 대 표면 마찰 관계로 내부벽(27)에 고정된다. 도시되지는 않았지만, 공동(24) 내에 방출 부재(28)와 분리기(32)를 위치시킬 때에 공동(24) 내에 브레이징 용접 재료를 사용하는 것 역시 가능하다.
도 7에 도시된 한 실시예에 따라, 대체로 평면의 원형 작업 표면(100)을 가진 공구(98)가 작업 표면이 각각 방출 부재(28)와 분리기(32)의 단부 면(29, 36)과 접촉한 상태로 위치된다. 작업 표면(100)의 외경은 원통형 블랭크(94) 내의 공동(24)의 직경보다 약간 작다. 공구(98)는 작업 표면(100)이 토치(10)의 종방향 축과 대체로 동축인 상태로 유지되며, 힘은 축방향 압축력을 종방향 축을 따라 방출 부재(28)와 분리기(32)에 부과하도록 공구에 적용된다. 예로서, 공구(98)는 방출 부재(28) 및 분리기(32)와 접촉하여 위치될 수 있고, 다음에는 기계의 램 등 적절한 장치에 의해 타격된다. 사용된 특정한 기술에 상관없이, 충분한 힘이 방출 부재(28)와 분리기(32)로 하여금 반경방향으로 외부로 변형되도록 부과되어 방출 부재는 분리기에 의해 견고하게 파지되고 유지되며, 분리기는 도 8에 도시된 바와 같이 공동(24) 내에 견고하게 파지되고 유지된다.
도 8 역시 원통형 블랭크(94)에 열을 더하는 것을 도시하는데, 그 결과 전극의 성질과 수명이 향상된다. 가열 공정은 방출 부재(28)와 분리기(32) 조립체가 금속 홀더 또는 블랭크(94) 내에 위치된 후에 발생할 수 있다. 가열 공정은 또한 아래에 설명되듯이 추가적 기계 가공 단계가 원통형 블랭크 상에 수행된 수에 수행될 수 있다. 정확한 가열 공정은 방출 부재(28)와 분리기(32)에 사용된 재료, 방출 부재에 적용된 재료(34) 및 임의의 브레이징 용접 재료에 의존한다.
도 9 및 도 10은 도 8의 9-9 선을 따라 나타낸 가열 및 프레스 단계 전 및 후의 방출 부재(28), 방출 부재에 적용된 재료(34) 및 분리기(32)의 크게 확대된 도면을 도시한다. 특히, 도 9는 서로 인접한 3개의 재료를 도시하는데, 파선은 위에서 설명된 방출 부재(28)와 재료(34) 사이에 앞서 형성된 결합을 나타낸다. 도 10은 도 9와 동일한 도면을 도시하지만, 가열 및 프레스 단계 후의 것을 도시한다. 알 수 있듯이, 재료(34)와 분리기(32)는 그 사이에 강한 결합을 형성하는데, 강한 결합은 바람직하게 재료(34)를 대략 용융 온도로 가열함으로써 형성되어, 재료(34) 및 분리기(32)는 함께 "용융" 또는 녹거나 그 사이에 한 형태의 확산 결합을 형성하여, 그 2개의 부품은 함께 견고히 결합된다. 분리기(32)와 재료(34) 사이의 결합은 파선으로 표시된다. 또한 결합은 분리기(32)와 재료(34)가 실질적으로 유사한 재료로부터 형성될 때 가장 쉽게 발생하지만, 분리기(32)와 재료(34)가 실질적으로 유사한 재료로부터 형성되는 것은 요구되지 않는다. 도 3을 다시 참조하면, 본 발명에 따라 완성된 전극의 단면도가 도시되었다. 홀더(16)의 조립을 완성하기 위해서, 원통형 블랭크(94)의 후방 면(96)은 기계 가공되어 내부에 공동(22)을 형성하는 개방형 컵 형상의 구성을 형성한다. 효과적으로, 공동(22)은 원통형 포스트(23)를 형성하고 분리기(32)와 방출 부재(8)의 일부를 동축적으로 둘러싸는 내부 환형 홈(82)을 포함한다. 또한, 내부 환형 홈(82)은 내부 표면(83)을 포함한다. 다시 말해서, 내부 환형 홈(82)은 원통형 포스트(23)를 형성하도록 트리패닝(trepaning) 또는 다른 기계 가공 작업등에 의해 형성된다.
원통형 블랭크(94)의 외부 주변도 역시 홀더(16)의 후방 단부(19)에 외부 나사산(102)을 형성하는 것을 포함하여 원하는 바와 같이 형성된다. 마지막으로, 블랭크(94)의 전방 면(95)과 방출 부재(28) 및 분리기(32)의 단부 면(29, 36)은 실질적으로 평평하고 서로 동일 평면에 있도록 각각 기계 가공된다.
도 11은 홀더(16)의 단부 단면도를 도시한다. 분리기(32)의 단부 면(36)은 방출 부재(28)의 단부 면(29)을 홀더(16)의 전방 면(20)으로부터 분리하는 것을 알 수 있다. 단부 면(36)은 환형이며 내주(104)와 외주(106)를 갖는다. 분리기(32)는 아크가 방출 부재로부터 이탈되어 홀더(16)에 부착되지 못하게 하는 작용을 한다.
따라서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치에 사용하기 위한 전극(14)과, 방출 부재(28)가 분리기(32) 내에 위치되기 전에 방출 부재(28)에 비교적 비-방사 재료(34)가 적용되는 전극 제조 방법을 제공한다. 재료(34)와 방출 부재(28)는 그 사이에 강한 결합을 형성한다. 코팅된 방출 부재(28)가 분리기(32) 내에 위치되고 가열되어 재료(34)와 분리기가 함께 용융 또는 결합될 때, 방출 부재(28)와 재료(34) 사이 및 재료(34)와 분리기(32) 사이에서 발생되는 결합은 종래기술에 의해 형성된 전극에 비하여 전극의 강도를 우수하게 하고 수명을 연장시킨다.
본 발명이 특정한 바람직한 실시예를 참조하여 설명되고 이러한 실시예가 상당히 상세히 설명되었으나, 본 발명은 상기 설명된 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 수정 및 동등물의 대용이 첨부된 청구범위에 한정된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
본 발명은 방출 부재와 비교적 비방출성 재료 사이의 강한 결합을 제공한다. 또한, 코팅된 방출 부재는 종래의 방법에 비하여 전극 내의 분리기와 강한 결합을 형성한다. 이러한 점에서, 본 발명의 방법은 종래의 제조 장비 및 기술을 사용하면서 본 발명의 전극의 강도 및 수명을 더하는 결합을 제공한다.
도 1은 본 발명의 특징을 실시하는 플라즈마 토치의 측단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전극의 확대 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극의 확대 측단면도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 전극을 제조하는 바람직한 방법의 단계를 도시하는 개략도이다.
도 9는 프레스 및 가열 작업 직전의 도 8의 9-9 선에 따른 본 본 발명의 전극의 크게 확대된 단면도이다.
도 10은 프레스 및 가열 작업 직후의 도 8의 9-9 선에 따른 본 본 발명의 전극의 크게 확대된 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 완성된 전극의 단부(end) 측면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 토치 14 : 전극
16 : 홀더 24 : 공동
28 : 방출 부재 32 : 분리기
34 : 재료 63 : 하부 노즐 조립체
64 : 상부 노즐 조립체

Claims (10)

  1. 외부면을 구비한, 플라즈마 아크 토치용 방출 부재를 코팅하는 방법으로서,
    방출부재의 상기 외부면의 적어도 일부가 반응성(reactive)이 되도록 방출 부재를 가열하는 단계;
    상기 방출부재의 상기 가열된 반응성 외부면에 상대적으로 비방출성인 재료를 도포하는 단계;
    상기 상대적으로 비방출성인 재료를 상기 방출부재의 외부면에서 용융시키는 단계; 및
    상기 방출부재 및 상기 방출부재 상에 코팅된 상기 상대적으로 비방출성인 재료를 냉각시켜 상기 상대적으로 비방출성인 재료와 상기 방출부재의 외부면이 함께 견고하게 결합되도록 하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열단계는 상기 방출부재를 1400 ℉ 이상으로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열단계는 상기 방출부재를 가열하여 상기 방출부재의 실질적으로 전체 외부면이 반응성이 되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도포단계는, 은, 금, 백금, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈, 알루미늄, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를, 상기 방출부재의 실질적으로 전체 외부면에 스프레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도포단계는 상기 재료를 분말 형태로 스프레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 도포단계는 상기 상대적으로 비방출성인 재료를 약 0.002 - 0.010 인치의 두께로 상기 방출부재의 외부면에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용융단계는 상기 도포단계와 실질적으로 동시에 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 플라즈마 아크 토치용 전극 형성 방법으로서,
    외부면을 구비한 방출부재를, 상기 방출부재 외부면의 적어도 일부가 반응성이 되도록 가열하는 단계;
    상대적으로 비방출성인 재료를, 상기 방출부재의 상기 가열된 반응성 외부면에 도포하는 단계;
    상기 상대적으로 비방출성인 재료를 상기 방출부재의 외부면에서 용융시켜 상기 외부면에 견고히 결합되도록 하는 단계;
    상기 방출부재를 상대적으로 비방출성인 분리기에 의해 형성된 공동(cavity) 내에 위치시켜, 상기 캐비티가 상기 방출성 부재에 의해 실질적으로 채워지도록 하는 단계; 및,
    상기 방출부재를 상기 상대적으로 비방출성인 분리기에 접착시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가열단계는 상기 방출부재를 1400 ℉ 이상으로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 도포단계는 은, 금, 백금, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈, 알루미늄, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 상기 방출부재의 실질적으로 전체 외부면에 스프레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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