KR100658247B1 - 소재를 절삭하거나 용접하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

분사 헤드(9), 도가니 히터 전원(34), 스트림 가열 전원(54) 및 가압 가스 소스(22)를 절삭하거나 용접하기 위한 장치가 개시된다. 도가니 전원(34)은 한쌍의 배선(32,33)을 통해 분사 헤드(9)에 전기 접속된다. 스트림 가열 전원(54)은 네가티브 배선을 통해 분사 헤드(9)에 전기 접속되고 포지티브 배선(53)을 통해 소재(70)에 전기 접속된다. 가스 소스(22)로부터의 가스는 가압 가스 소스 상호연결 배관(18), 가압 가스 소스 조절기(23) 및 가압 가스 소스 온/오프 밸브(20)를 통해 분사 헤드(9)에 공급된다. 분사 헤드(9)는 감압 배기구(25), 감압 배기구 상호연결 배관(19) 및 감압 배기구 온/오프 밸브(21)를 통해 감압된다. 전원(54)은 전도성 유체(82)와 전기적으로 통한다. 전도성 유체(82)는 소재(56)에 제공되어 소재를 가공한다.
금속 분사 절삭 시스템(metal jet cutting system), 가공 유체(working fluid), 분사 스트림(jet stream)

Description

소재를 절삭하거나 용접하기 위한 방법 및 장치{Process and apparatus for cutting or welding a workpiece}
본 발명은 1999년 9월 21일자로 출원된 발명의 명칭이 'Process and Apparatus For Cutting Or Welding A Workpiece'인 미국 예비출원 번호 제 60/155,078 호의 우선권을 청구하며 그의 전체 내용은 본 명세서에서 참조된다.
본 발명은 소재(workpiece)를 절삭하거나 용접하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
금속 소재를 열적으로 절삭하기 위하여 산소연료 절삭법, 플라즈마 절삭법 및 레이저 절삭법의 3가지 방법이 주로 사용된다. 산소연료 절삭법은 주로 연강을 절삭하기 위하여 사용되고 산소와 철의 발열성 연소 반응의 이점이 이러한 절삭을 행하기 위하여 사용된다. 이 공정에서, 반응 속도와 결과적인 절삭 속도는 반응물의 확산 속도와 절삭면으로부터 액체 금속을 제거하기 위한 액체 금속 상의 가스 분사의 전단력에 의해 결정된다. 약 10mm 내지 약 12mm 범위의 두께를 갖는 연강 소재를 절삭하기 위한 통상적인 절삭 속도는 약 0.5 내지 1.5 미터/분(meters/minute)의 범위이다. 절삭면의 폭은 약 1mm 로부터 약 3mm 이상까지 다양하다.
플라즈마 절삭법에서, 소재를 절삭하기 위하여 사용되는 에너지는 소재를 향해 있거나 그 소재와 접촉하게 되는 전기 아크 가열된 플라즈마 가스 분사에 의해 공급된다. 플라즈마 절삭 기술은 모든 타입의 전기 전도성 물질에 사용되므로, 산소-연료 절삭법보다 넓은 활용 범위를 갖는다. 통상적인 플라즈마 아크 온도는 6000℃ 이상이다. 플라즈마 절삭동안, 소재의 금속은 매우 높은 속도의 플라즈마 아크 분사에 의한 전단력에 의해 절삭면으로부터 제거된다. 플라즈마 절삭법의 통상적인 절삭 속도는 산소연료 절삭법의 절삭 속도보다 높다. 산소연료를 이용하여 1/2”연강을 절삭하기 위한 통상적인 절삭 속도는 약 16 인치/분(inches/min)인 반면, 200 Amp 플라즈마 시스템은 동일한 크기의 물질을 80 인치/분(inches/min)의 속도로 절삭한다. 플라즈마 절삭법에 의한 절삭면 폭은 산소연료 절삭법에 의한 절삭면 폭과 대략 동일한 크기이거나 그보다 크다. 비교적 큰 절삭면 폭은 플라즈마 절삭 공정의 정확성에 불리한 영향을 준다.
레이저 절삭법에서, 소재를 절삭하기 위해 사용되는 에너지는 소재를 지향하거나 또는 소재와 접촉하게 되는 레이저 빔에 의해 공급된다. 절삭면으로 향해 있는 보조(assist) 가스 분사에 의한 전단력에 의해 물질이 절삭면으로부터 제거된다. 절삭면 폭은 통상 약 0.15mm 내지 약 0.5mm 까지의 범위이다. 이러한 좁은 절삭면 폭들은 결과적으로 산소연료 또는 플라즈마 절삭법으로 가능한 것보다 더 정확성이 높은 절삭을 가능하게 한다. 그러나, 레이저 절삭법에서는, 소재 두께가 증가함에 따라 용융된 금속을 절삭면에서 제거하는 것이 어려워진다. 이는 레이저 절삭의 절단 속도와 최대 두께 처리능력을 제한한다. 이러한 제한의 이유는 충분 한 가스 전단력을 성취하기 위해 요구되는 높은 가스 속도가 절삭면에서 수 밀리미터 거리에 초음파 충격파를 생성시키기 때문인 것으로 알려져 있다. 이러한 충격파는 가스 전단력과 금속을 제거하려는 능력을 제한한다.
소재를 열적으로 절삭하기 위한 네번째 방법은 미국 특허 제 5,288,960 호에 개시되어 있다. 이 열적 절삭 방법에서, 고온의 액체 금속 스트림은 소재에 지향하여 충돌한다. 이 금속 스트림의 온도는 소재의 용융 온도를 초과한다. 레이저 절삭법에서 대면하게 되는 제한된 가스 전단력 때문에 용융된 금속을 절삭면에서 제거하는 어려움은 더 높은 특정한 밀도를 가진 매체(즉, 액체)를 사용함으로써 완화된다. 레이저 절삭법과 비교하여, 더 높은 절삭 속도, 더 두꺼운 소재 가공능력 및 균일한 높은 정확성을 가진 절삭이 이 액체-금속-스트림 절삭 접근법에 의해 실현될 수 있다. 그러나, 소재 용융점보다 높은 온도를 가진 고속의 액체 스트림을 소재에 제공해야 하는 필요성 때문에, 이러한 접근법은 특정한 금속을 절삭하기 위한 것으로 그의 사용이 제한되었다. 고온 및 고압의 액체 봉쇄 용기용의 물질 요구사항은 통상적인 용융 온도가 각각 660℃, 1400℃ 및 1550℃인 알루미늄, 스테인레스강 및 연강과 같은 절삭 금속의 활용성을 심각하게 제한한다.
다양한 방식들이 소재를 열적으로 용접하도록 사용된다. 가장 널리 사용되는 용접 공정은 열원을 이용하여 둘 이상의 소재를 국부적으로 가열하여, 이러한 소재들을 함께 용융시켜 흐르게 하는 것이다. 접합부를 채울 충분한 물질을 공급하고 기계적 강도를 증가시키기 위해 충진재 금속이 일반적으로 용접 영역에 부가된다. 예를 들면, 필릿 용접(fillet weld)은 완성될 때 용접홈 전체에 걸쳐서 부 가 재료의 방사형 부채 형상을 형성한다. 용접 공정이 진행되고 있을때, 소재의 용융된 풀(pool)이 형성되고 충진재 물질은 용접 전면을 따라 이동된다. 용접 열원이 제거될 때, 용융된 금속은 고형화되고, 이 부분들은 함께 융합되거나 용접된다. 소재를 용융시키기 위한 열을 제공하기 위해 사용되는 일반적인 열원은 DC 또는 AC 전기 아크, 산소-연료 가스 불꽃 및 레이저 빔이다.
본 발명의 일 목적은 물질 가공 공정에서 사용될 수 있는 매우 높은 에너지 밀도의 유체 스트림을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 소재 두께의 전 범위에 걸쳐 소재들을 고속 및 고정확도로 열적 절삭하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 소재를 고속으로 및 고정확도로 열적 용접하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 비금속 및/또는 비전도성 물질을 열적으로 절삭 및/또는 용접하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 설계가 간단하고, 작동 및 보존이 편리하며, 사용하기에 비용 효율적인 절삭 및/또는 용접의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
일 특징에서, 본 발명은 소재를 가공하기 위한 시스템을 특징으로 한다. 본 시스템은 디스펜서(dispenser)와 전원을 포함한다. 디스펜서는 분사 스트림을 형성하기 위한 전기 전도성 물질을 포함한다. 전원은 분사 스트림에 전기적으로 접속된다.
일 실시예에서, 디스펜서는 분사 헤드를 포함한다. 예를 들면, 분사 헤드는 도가니(crucible)를 포함할 수 있다. 이 도가니에 히터가 결합될 수 있다. 히터 는 AC 저항 히터, 유도 히터, DC 저항 히터 또는 연소 버너-히터 조립체 중 하나를 포함할 수 있다. 히터는 도가니 둘레를 둘러싸는 유도 히터 코일을 포함할 수 있다. 일 예에서, 도가니의 제 1 단부 둘레를 둘러싸는 유도 히터 코일은 도가니의 제 2 단부 둘레를 둘러싸는 유도 코일보다 더 조밀하게 밀집된 형태를 갖는다. 또다른 예에서, 도가니의 제 1 단부 둘레를 둘러싸는 유도 히터 코일은 도가니의 제 2 단부 둘레를 둘러싸는 유도 코일보다 작은 직경을 갖는다. 이 시스템은 가압 봉쇄 용기와 통하는 감압 배기구(vent)를 더 포함할 수 있다. 도가니는 내화성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 도가니는 지르코늄 이붕화물(zirconium diboride), 알루미나, 지르코니아, 붕소 질화물 및 그래파이트 중 하나로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 분사 스트림을 형성하기 위한 전도성 물질은 금속을 포함할 수 있다.
분사 헤드는 전도성 물질의 공급 원료를 받아들이기 위한 입구를 포함할 수 있다. 또다른 실시예에서, 분사 헤드는 전도성 물질의 다수의 공급 원료들을 받아들이기 위한 다수의 입구들을 포함할 수 있다. 분사 헤드는 공급 원료 밸브를 더 포함할 수 있다. 분사 헤드는 가압 봉쇄 용기와 이 가압 봉쇄 용기의 내측에 배치된 히터를 포함할 수 있다. 이 시스템은 가압 봉쇄 용기와 통하는 가압 가스 소스를 더 포함할 수 있다. 분사 헤드는 분사 스트림과 전기적 접속을 이루기 위하여 도가니 내측에 위치된 전극을 포함할 수 있다.
분사 헤드는 출구 오리피스를 포함할 수 있다. 부가적으로, 분사 헤드는 플러그를 더 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 분사 헤드는 출구 오리피스 상에 위치 된 플러그 로드를 포함할 수 있다. 분사 헤드는 노즐을 더 포함할 수 있다. 노즐은 원뿔형 개구를 갖는 디스크를 포함할 수 있다. 분사 헤드는 또한 노즐과 이 노즐에 인접한 가압 봉쇄 용기에 분리가능하게 부착된 노즐 캡을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 노즐과 일렬로 필터가 설치될 수 있다. 다른 실시예에서, 도가니는 전도성 유체 필터를 갖는다.
일 실시예에서, 소재를 가공하기 위한 시스템은 전원과 소재에 전기적으로 연결된 제 1 배선과, 도가니내에 위치된 전도성 유체와 전원에 전기적으로 연결된 제 2 배선을 더 포함한다. 다른 실시예에서, 이 시스템은 전원과 소재 클램프에 전기적으로 연결된 제 1 배선과, 도가니내에 위치된 전도성 유체와 전원에 전기적으로 연결된 제 2 배선을 더 포함할 수 있다. 또다른 실시예에서, 이 시스템은 전원과 집전 장치에 전기적으로 연결된 제 1 배선을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 집전 장치는 용기를 포함할 수 있다.
또다른 실시예에서, 이 시스템은 제 1 전원과 제 1 공급 원료에 전기적으로 연결된 제 1 배선과 제 1 전원과 제 2 공급 원료에 전기적으로 연결된 제 2 배선을 더 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 공급 원료는 도가니내에 위치된 전도성 유체와 전기적 접촉 상태를 이루고 있다. 이 2개의 공급 원료는 이들 사이에 전류를 통과시킴으로써 가열된다. 제 2 전원은 소재에 전기적으로 연결된 제 1 배선과 제 1 전원의 공급원료와 전원에 전기적으로 연결된 제 2 배선을 포함한다.
분사 헤드는 노즐을 유지하는 차폐(shield) 조립물을 더 포함할 수 있다. 차폐 조립물은 차폐 가스를 분사 스트림에 도입하기 위해 다수의 입구 오리피스를 갖는 디스크를 포함할 수 있다.
또다른 특징에서, 본 발명은 금속 분사 절삭 시스템을 특징으로 한다. 이 시스템은 전도성 유체의 분사 스트림을 분배하기 위한 출구 오리피스를 포함하는 분사 헤드와, 분사 스트림의 온도를 전도성 유체의 용융 온도 이상으로 높이기 위해 분사 스트림에 전류를 공급하기 위하여 분사 스트림에 전기적으로 연결되는 전원을 포함한다.
또다른 실시예에서, 본 발명은 소재를 가공하기 위한 공정을 특징으로 한다. 이 공정에 따르면, 전도성 유체를 포함하는 분사 스트림이 제공된다. 이 분사 스트림을 지나도록 전류가 통과된다. 분사 스트림은 소재를 가공하기 위해 소재로 지향하게 된다.
분사 스트림은 다양한 방식으로 가열될 수 있다. 전류는 전도성 유체에 연결된 전극과 소재 부근에 위치된 집전 장치를 통해 분사 스트림에 공급될 수 있다. 전류는 전도성 유체와 소재 클램프에 연결된 전극을 통해 분사 스트림에 공급될 수 있다. 분사 스트림은 저항성 전력 소모를 통해 가열될 수 있다. 분사 스트림은 실제로 전도성 유체의 용융 온도 이상의 온도로 가열될 수 있다. 분사 스트림의 온도는 전도성 유체의 용융 온도 이상 약 1000℃까지 증가될 수 있다. 분사 스트림은 연속성 분사 스트림, 진동성 분사 스트림, 규칙적 분사 스트림 또는 불규칙적 분사 스트림일 수 있다.
일 실시예에서, 도가니의 히터는 유도 히터이며, 이 유도 히터의 특성 주파수는 도가니 내의 전도성 유체의 레벨로 보정될 수 있다.
일 실시예에서, 공급 원료와 소재는 동일한 타입의 물질을 포함한다. 대안적으로, 공급 원료와 소재는 다른 타입의 물질들을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 공급 원료는 알루미늄을 포함할 수 있고 소재는 스테인레스강을 포함할 수 있다. 공급 원료는 전도성 유체일 수 있다. 대안적으로, 공급 원료는 전도성 유체를 형성하기 위해 가열될 수 있다. 일 실시예에서, 공급 원료는 알루미늄, 철, 철 함유 화합물, 주석, 니켈, 티타늄, 금, 플래티늄, 은, 마그네슘, 구리, 연강 또는 알루미늄-철 합금과 같은 금속이다. 공급 원료는 철사(wire), 봉(bar) 또는 분말(powder)을 포함할 수 있다. 또다른 실시예에서, 공급 원료는 철사 또는 봉을 포함할 수 있으며 공급 원료는 또한 전원과 전도성 유체 사이에서 전기적 접촉점으로서 작용한다. 하나 이상의 공급 원료가 전원과 접촉할 수 있다. 공급 원료는 다수의 비용융성 입자들을 포함할 수 있다. 비용융성 입자들은 연마제일 수 있다. 공급 원료는 낮은 용융점과 높은 비등점을 가질 수 있다.
도가니의 출구 오리피스는 공급 원료를 제공하는 동안 막혀지고, 이 출구 오리피스는 전도성 유체가 출구 오리피스를 통과하는 동안 열려질 수 있다. 출구 오리피스를 막기 위하여 분사 헤드를 진공 상태로 할 수 있다. 출구 오리피스를 막기 위해 전도성 유체에 공중부양력(levitation force)이 가해질 수 있다.
일 실시예에서, 분사 헤드는 전도성 유체를 출구 오리피스에 통과시키는 동안 가압된다. 예를 들면, 분사 헤드는 불활성 가스를 공급함으로써 가압될 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 금속 분사 절삭 시스템용 도가니를 특징으로 한 다. 이 도가니는 측벽과 베이스를 포함한다. 도가니는 전기 전도성이 있으며 금속성 용융물이 존재하는 경우 용융에 저항성을 갖는다. 도가니는 지르코늄 함유 화합물로부터 형성될 수 있다. 도가니는 또한 지르코니아 이붕화물 또는 이트리아-안정화-지르코니아(yitria-stabilized-zirconia)로부터 형성될 수 있다.
또다른 특징에서, 본 발명은 금속 분사 절삭 시스템용 노즐을 특징으로 한다. 노즐은 오리피스를 갖는 디스크 구조를 포함하며, 오리피스는 디스크 구조의 중심에 위치된다. 노즐은 전기적으로 전도성이 있으며 금속성 용융물이 존재하는 경우 용융에 저항성을 갖는다. 노즐은 지르코늄 함유 화합물로부터 형성될 수 있다. 노즐은 또한 지르코늄 이붕화물로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 공정이 수행될 때 여러 파라메터들이 제어될 수 있다. 예를 들면, 분사 헤드내의 압력, 전도성 유체의 온도, 분사 스트림의 침투 깊이 및/또는 분사 스트림의 속도가 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 소재는 절삭되거나, 마킹(marking)되거나, 천공(piercing)될 수 있다. 또한, 소재는 용접될 수 있다. 예를 들면, 용접에서 제 1 테이퍼형 에지를 갖는 제 1 소재와 제 2 테이퍼형 에지를 갖는 제 2 소재가 제공된다. 제 1 테이퍼형 에지는 제 2 테이퍼형 에지에 인접하여 위치되어 홈을 제공한다. 분사 스트림은 홈을 충진시키기 위하여 홈을 지향한다. 분사 스트림을 홈으로 지향시키는 것은 소재의 일부를 녹여서 홈 내에 용융된 풀(pool)을 형성하게 한다. 이 용융된 풀을 냉각시킴으로써 제 1 소재와 제 2 소재가 용접된다.
일 실시예에서, 소재는 소재의 용융점을 낮춤으로써 가공될 수 있다. 용융 점은 소재의 일부의 표면 상에 공급원료 물질과 소재 물질의 합금을 형성함으로써 낮아질 수 있다. 소재를 가공하는 공정은 분사 스트림을 차폐하기 위하여 차폐 가스를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 소재를 가공하는 공정은 절연 물질을 가공하기 위해 사용될 수 있다. 절연 물질을 가공할 때, 전도성 물질을 포함하는 집전 장치가 소재의 하부에 설치될 수 있다. 집전 장치는 분사 스트림과 전기적 접촉을 형성한다.
본 발명 그 자체는 물론, 본 발명의 전술한 목적 및 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부되는 도면을 참조한 하기의 설명과 실시예들에 의해 완전히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 소재 절삭용 장치의 개략도를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1a의 분사 헤드의 내부도를 도시한다.
도 1c는 도 1b의 분사 헤드에서 노즐 영역의 상세 횡단면도를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 소재를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2a의 소재의 용접 단계를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 소재 절삭을 위한 장치의 개략도를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 분사 헤드의 횡단면도를 도시한다.
도 4b는 도 4a의 분사 헤드에서 노즐 영역의 상세 횡단면도를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분사 헤드의 상세 횡단면도를 도시한다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 소재 절삭을 위한 장치의 개략도를 도시한다.
일 특징에서, 본 발명은 소재가 고온의 액체 금속 가공 유체의 충돌하는 미세 스트림에 의해 절삭되거나 용접되는, 방법 및 장치를 특징으로 한다. 일 실시예에서, 액체 금속 가공 유체는 이 가공 유체를 가열된 도가니내에서 용융시키고 보존함으로써 형성된다. 도가니 내의 금속 가공 유체의 온도는 그의 용융점이상의 온도로 유지된다. 동작 동안, 가공 유체는 도가니내의 압력 하에서 가열되고 이어서 도가니의 출구에 위치된 노즐 오리피스를 통과하는 분사 스트림으로서 소재로 향한다.
일 실시예에서, 전원은 도가니내의 액체 금속 가공 유체와 전기 전도성 소재 또는 절삭 소재 아래에 위치된 대안적인 전극사이에 연결된다. 동작 동안, 도가니 내의 액체 금속 가공 유체와 소재 또는 대안적인 전극 사이에서 액체 금속 스트림을 경유하여 전류가 통과한다. 소 직경의 액체 스트림을 통과하는 전류의 통전량은 저항성 (I2R) 전력 소모(여기서, I는 전류를 나타내고 R은 전기 저항을 나타낸다)에 의해 분사 스트림을 가열한다. 소재로 가는 경로에서 스트림의 온도 증가 는, (a) 스트림에 인가되는 전력, (b) 스트림 집단의 유속 및 (c) 액체의 열 용량(비열)에 따라 좌우된다. 스트림에 인가되는 전력은 조작자에 의해 제어될 수 있는 독립 변수이기 때문에, 에너지는 스트림에 부가되어 필요한 만큼 그의 온도를 증가시킨다. 이는 도가니 제조 물질의 고온에 대한 요구사항을 줄이고, 훨씬 낮은 용융점을 갖는 가공 유체를 사용하여 고용융점 온도를 가진 물질을 절삭하거나 용접하는 것을 가능하게 한다. 높은 용융점을 가진 소재 물질은 이 소재로 가는 경로에 있는 가공 유체에 요구되는 소정의 온도를 더해줌으로써 가공(절삭, 용접 또는 땜납(brazing))될 수 있다. 예를 들면, 대략 1550℃ 및 1400℃의 용융점을 각각 갖는 연강과 스테인레스강이, 유체 금속 스트림에 I2R 전력 소모에 의해 요구되는 소정의 부가적인 온도를 더해줌으로써, 대략 660℃ 및 232℃의 용융 온도를 각각 갖는 알루미늄 또는 주석 합금과 같은 저용융점 가공 유체로 절삭될 수 있다.
절삭 공정에서의 본 발명의 개선점을 나타내기 위하여, 하기의 표 1에는 상기 언급된 절삭 공정의 일반적인 이론적 횡단면 전력 밀도를 비교한 것을 나타내고 있다. 절삭 속도와 공정 파라메터는 각각의 공정에서 통상적인 것으로 추정된다. 전력 밀도는 각각의 공정과 관련된 절삭면 폭과 같은 크기의 횡단면 직경을 에너지가 통과하여 지나갈때 각각의 공정에 대해 산술된다. 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 공정은 기타 다른 공정들 보다 단위 영역 당 훨씬 더 많은 전력을 전달한다. 이러한 전력 밀도는 소재 절삭면에 용융 에너지를 전달하는 데에 있어서의 본 발명의 공정의 능력을 나타낸다.
<표 1>
절삭 공정을 위한 일반적인 전력 밀도(W/mm 2 )
(1/2" 연강 절삭, 1520℃의 용융 온도)
절삭 공정 전력 밀도
1. 산소-연료(산소-철 연소 반응, 2mm 절삭면) 14
2. 플라즈마(200A, 100V, 4mm 절삭면) 1,600
3. 레이저(산소 분위기에서 3kW, 0.4mm 절삭면) 24,000
4. 알루미늄 분사(200 ㎛ 노즐, 1750℃ 분사, 0.2mm 절삭면) 14,600
5. 알루미늄 분사 w/I2R 가열
(200㎛ 노즐, 1750℃ 분사 + 1.2 kWI2R, 0.2mm 절삭면) 53,000
6. 알루미늄 분사 w/I2R 가열
(200㎛ 노즐, 900℃ 분사 + 2.1 kWI2R, 0.2mm 절삭면) 30,000
표 1에 나타난 바와 같이, 알루미늄 분사의 초기 온도(900℃)는 소재의 용융 온도(1520℃)보다 낮을 수 있으며, 소재를 절단하기 위해 부가되는 I2R 전력 소모에 의해 발생하는 부가적인 온도가 필요하다.
도 1a, 1b 및 1c를 참조하면, 소재를 절단하거나 용접하기 위한 장치는 분사 헤드(9), 도가니 히터 전원(34), 스트림 가열 전원(54) 및 가압 가스 소스(22)를 포함한다. 도가니 전원(34)은 한쌍의 배선(32,33)을 통해 분사 헤드(9)에 전기적으로 접속된다. 스트림 가열 전원(54)은 네가티브 배선(52)을 통해 분사 헤드(9)에 전기적으로 접속되고 포지티브 배선(53)을 통해 소재(70)에 전기적으로 접속된다. 가스 소스(22)로부터의 가스는 가압 가스 소스 상호연결 배관(18), 가압 가스 소스 조절기(23) 및 가압 가스 소스 온/오프 밸브(20)를 통해 분사 헤드(9)에 공급된다. 분사 헤드(9)는 감압 배기구(25), 감압 배기구 상호연결 배관(19) 및 감압 배기구 온/오프 밸브(21)를 통해 감압된다.
분사 헤드(9)는 가압 봉쇄 용기(10), 도가니(11), 도가니 히터(30), 배선쌍(32,33)용 주입 관통구(30a), 스트림 가열 전극(50), 네가티브 배선(52)용 주입 관통로(50a), 플러그 로드(26), 플러그 로드 액츄에이터(26a), 플러그 로드 차폐부(26e), 플러그 로드 볼(26a), 플러그 로드 볼 시트(26b), 도가니에 사용가능한 상부 차폐부(16), 도가니 바닥 차폐 가스킷(15), 노즐 디스크(12), 노즐 디스크 차폐 가스킷(14), 노즐 너트(13) 및 용융된 금속 가공 유체(80)를 포함한다.
공급 원료(87)는 공급 원료 입구(17c)를 통해 분사 헤드(9)로 공급된다. 공급 원료(87)는 용융 및 액체 형성이 도가니내에서 이루어지는 경우에 도시된 바와 같이 고체 형태로 분사 헤드(9)에 제공될 수 있고, 또는, 공급 원료가 공급 원료 입구(17c)에 유입되기 전에 용융 및 액체 금속의 형성이 분사 헤드(9)의 외부에서 이루어지는 경우에는 액체 형태로 제공될 수 있다. 각각의 경우에, 가공 물질은 공급 원료 통로(17a)를 통해 분사 헤드(9)로 이동하여 도가니(11)로 이동한다. 동작 중에, 가열된 도가니(11)는 공급 원료(87)를 용융된 상태로 유지한다. 개구(17e)가 통로(17d)와 일렬로 될때 공급 원료(87)는 개구(17e)를 통해 공급 원료 밸브(17)로 공급된다. 개구(17a)가 공급 원료 밸브 액츄에이터(17b)에 의해 닫혀질 때, 개구(17e)는 통로(17d)와 일렬로 되지 않으며, 통로(17d)는 차폐부(17a)에 의해 가스가 새지않도록 차폐된다. 공급 원료 밸브(17)는 분사 헤드(9)의 내부가 가압되도록 한다.
도가니(11)는 도가니 히터(30)에 의해 가열된다. 도가니 히터(30)는 도가니(11)를 소망 온도로 가열하는 임의의 히터일 수 있다. 예를 들면, 히터(30)는 AC 또는 DC 저항 히터, 유도 히터 또는 연소 버너-히터일 수 있다. 일 실시예에서, AC 전기 저항 히터가 사용된다. 이 히터는 전력 접속선(32,33)을 가지며, 이 전력 접속선은 도가니 히터 전원(34)에 차례로 접속된다. 전력 배선(32,33)은 도가니 히터 전기 주입 관통구(30a)를 경유하여 가압 용기 상부(10b)를 통과하여 지나간다. 이 주입 관통구(30a)는 가압 용기 상부(10b)에 의해 가스 가압 차폐부를 형성하고 배선들을 전기적으로 절연시킨다.
일 실시예에서, 도가니(11)는 측벽과 베이스를 갖는다. 도가니(11)는 내화성 물질로 이루어지며, 금속성 용융물이 존재하는 경우 도가니가 용융에 저항성을 갖도록 고온의 용융된 가공 유체가 사용가능하다. 적당한 도가니 물질의 예는 지르코늄 함유 화합물, 알루미나 및 지르코니아 세라믹의 다양한 합성물, 붕소 질화물 물질의 다양한 합성물, 붕소 질화물, 붕소 질화물-지르코니아-실리콘 카바이드, 실리카, 지르코늄 이붕화물, 이트리아-안정화-지르코니아, 마그네시아-안정화-지르코니아, 칼시아-안정화-지르코니아, 입방 지르코니아, 실리카 화합물 및 그래파이 트를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 도가니 물질은 뉴욕주 암허스트에 위치한 Carborundum Company에 의해 공급되는 붕소 질화물-지르코니아-실리콘 카바이드로 형성된 Grade ZSBN 물질과 같은 붕소 질화물 물질일 수 있다. 다른 실시예에서, 도가니는 그래파이트로 형성된다. 그래파이트가 전기 전도성이 있기 때문에, 이 도가니(11)를 가압 봉쇄 용기(10)와 도가니 히터(30)로부터 전기적으로 절연시키는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 도가니(11)는 전기적으로 절연된다. 도가니(11)의 바닥 단부는 도가니(11)와 가압 용기 바닥(10a) 사이에서 도가니(11)의 바닥 상에 위치된 도가니 바닥 가스킷(15)에 의해 차폐된다. 상세한 일 실시예에서, 가스킷(15)은 전기 절연체인 고온 알루미나 내화성 가스킷 물질로 이루어진다. 가스킷(15)은 도가니(11)와 가압 용기(10b)의 상부 사이에, 도가니(11)의 상부 상에 위치된 차폐부(16)로부터의 압력 하에 적재(load)된다.
일 실시예에서, 액체 금속 가공 유체의 출구는 플러그 로드 볼 시트(26b)와차폐되기에 적합한 상태에 있는 이동가능한 플러그 로드 볼(26a)에 의해 차폐된다. 플러그 로드 액츄에이터(26c)는 아암(26d)을 통해 플러그 로드(26)에 밀폐력을 가하여, 액체 금속 흐름이 없을 때 플러그 로드 볼(26a)에 플러그 로드 볼 시트(26b) 상으로 힘을 가한다. 도가니(11), 플러그 로드(26), 플러그 로드 볼(26a) 및 플러그 로드 볼 시트(26b)는 액체 금속(80)과 접촉하기 때문에, 이러한 구성요소를 위한 제조 물질은 고온에서 기계적 및 열적 스트레스를 견뎌내고 화학 반응이 있는 환경에서 부식에 저항성을 갖도록 선택되어야 한다. 부가적으로, 플러그 로드 볼(26a)과 플러그 로드 볼 시트(26b)는 압력 하에서 함께 액체 금속의 양호한 단속 성 밀폐를 형성하는 물질로 이루어져야 한다. 작용하는 압력은 약 50 내지 약 5000 psi까지의 범위가 될 것으로 예상된다. 부가적으로, 일 실시예에서, 플러그 로드(26)와 플러그 로드 볼(26a)은 전기적으로 절연되고/절연되거나 가공 유체 저항성 가열 전원(26)을 다른 전류 경로로부터 전기적으로 절연시키기 위하여 전기적으로 비전도성인 물질로 형성된다. 도가니와 플러그 로드 부분의 전기적 절연은 전체 분사 헤드 조립물이 도가니와 동일한 전위로 전기적으로 "플로트(float)"될 수 있다면 불필요할 것이다. 플러그 로드(26)는 플러그 로드 가압 차폐부(26e)에 의해 가압 용기 상부(10b) 상에서 밀폐된다.
일 실시예에서, 스트림-가열 전원(54)은 도가니(11)를 향해 아래로 연장되어 있는 전극(50)에 의해 가공 유체(80)에 접속되며, 일반적으로 액체 금속 가공 유체(80)로 둘러싸여지고 그와 양호한 전기적 접촉을 이루고 있다. 전극(50)은 주입 관통구(50a)를 경유하여 가압 용기의 상부(10b)를 통해 지나가는 접속 전선(52)에 의해 전원(54)에 접속된다. 이 주입 관통구(50a)는 가압 용기의 상부(10b)와 가스 압력 밀폐 및 전기적 절연을 형성한다. 스트림 가열 전원(54)의 반대 극은 케이블(53), 스위치(54a) 및 전기적 클램핑 수단(55)을 통해 소재(70)에 접속된다.
도 1c는 노즐 영역의 확대도를 도시한다. 노즐 영역은 노즐 디스크(12)를 포함한다. 노즐 디스크(12)는 상부(12a), 바닥(12b) 및 외측 직경 벽(12c)을 갖는 원통형 디스크이다. 오리피스(5)는 중심선 상의 노즐 디스크(12)의 상부(12a)에 형성된다. 오리피스(5)는 구멍(5a)과 길이(5b)를 갖는다. 원뿔형 개구(5c)는 오리피스(5)의 출구로부터 노즐 디스크(12)의 바닥(12b)까지 연장되어 있다. 통상적 인 오리피스 직경은 약 25 내지 500㎛까지의 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 노즐 디스크(12)는 전기 전도성이 있으며 금속 용융물이 존재할 때 용융에 저항성을 갖는 물질로 이루어지고, 노즐 디스크(12)는 정밀한 작은 직경의 오리피스로 형성될 수 있으며 이는 고온의 액체 금속의 심각한 환경에서도 기능을 유지할 수 있다. 도가니(11)와 같은 노즐 디스크(12)는 또한 이트리아-안정화-지르코니아, 마그네시아-안정화-지르코니아, 칼시아-안정화-지르코니아, 붕소 질화물, 붕소 질화물-지르코니아-실리콘 카바이드, 입방 지르코니아, 알루미나, 실리카, 실리카 화합물, 지르코니아 이붕화물과 같은 지르코늄 함유 화합물로 형성될 수 있다. 상세한 일 실시예에서, 노즐 디스크(12)용의 물질은 사파이어(예를 들면, 알루미나)이다. 노즐 디스크(12)는 노즐 캡(13)에 의해 가해지는 압력에 의해 노즐 차폐 가스킷(14)에 대해 유지된다. 노즐 캡(13)은 나사산 부분(10c) 상의 가압 용기의 바닥(10a)에 부착되는 나사산 부분(13a)을 갖는다. 일 실시예에서, 노즐 차폐 가스킷(14)은 고온의 액체 금속의 심각한 환경에서도 사용할 수 있는 물질로 형성된다. 예를 들면, 가스킷 물질은 캘리포니아주 발렌시아에 위치한 SGL Technic Inc.에 의해 공급되는 "CalgraphTM" 물질과 같은 그래파이트일 수 있다.
분사 헤드 내부의 외측 경계는 가압 봉쇄 용기(10)의 내측 벽에 의해 규정된다. 이 가압 용기(10)는 Inco Alloys International Co.에 의해 시판되는 고순도 니켈 슈퍼 합금인 'IncolTM 600'과 같은, 고압의 높은 온도에서도 높은 강도를 유지할 수 있는 물질로 이루어져야 한다. 가압 봉쇄 용기(10)는 압력 조절기(23)와 가 압 가스 소스(22)에 연결되는 가압 가스 소스 배관(18)을 통해 가압된다. 온/오프 밸브(21)가 가압 가스 소스 배관(18)의 경로 상의 소정의 지점에 위치된다. 가압 봉쇄 용기(10)는 감압 가스 배기구(25)에 연결된 감압 가스 배기구 배관(19)을 통해 감압된다. 온/오프 밸브(21)가 이 감압 가스 배기구 배관(25)의 경로 상의 소정의 지점에 위치된다. 도 1b의 실시예는 고온의 도가니의 벽들이 분사 헤드(9)의 주기적인 가압에 의해 발생되는 높은 스트레스에 영향을 받지 않도록 설계된다. 이는 가압 가스 흐름이 도가니(11)의 내측벽(11a)과 외측벽(11b) 모두에 접근하도록 함으로써 성취된다. 가압 가스는 도가니(11)의 가스 통로(11c)를 통해 자유롭게 흐를 수 있다. 도가니(11)의 외측과 가압 봉쇄 용기(10)의 내부 벽 사이의 분사 헤드내의 모든 자유 공간인, 내부 공동(8)은 매우 효과적인 열적 절연 장벽으로 기능한다. 그러나, 이 공간은 용기내에 고압을 가하거나 고압을 해제할 때 가스 용량으로 작용한다. 이 용량을 최소화하기 위해, 내부 공동(8)은 무공성 열 절연체로 채워질 수 있다.
일 실시예에서, 공급원료(87)는 분사 헤드가 압력하에 있지 않을 때의 시간동안 분사 헤드(9)에 공급된다. 공급원료는 도가니(11)내에 유지되고 공급원료가 고체로 공급되면 용융되며, 용융된 상태로 유지된다.
절삭을 위한 준비로서 분사 헤드(9)에 전력이 공급될 때, 도가니 전원(34)은 스위치(34a)를 닫음으로써 'ON'으로 바뀌고, 그럼으로써 도가니 히터(30)에 전력을 공급한다. 도가니 히터(30)는 도시되지 않은 제어에 의해 그의 용융점 이상의 어떤 소정의 온도로 가공 유체(80)의 온도를 유지할 것이다. 소정의 온도는 용융된 금속 가공 유체내에 또는 그 부근에 위치된 온도 센서로부터 피드백을 사용하는 전자 모니터링 제어에 의해 설정된다. 이 전자 제어 시스템 및 온도 센서는 도시되지는 않았지만 상업적으로 이용가능하다.
일 실시예에서, 유도 히터는 도가니 히터(30)로서 사용된다. 유도 히터는 도가니내의 용융된 금속 가공 유체의 레벨에서의 변화를 검출할 수 있다. 유도 히터의 특성 주파수는 용융된 금속 가공 유체의 레벨과 함께 변화한다. 유도 히터에서, 가열되는 물질은 코일 내측의 자기장에 의해 히터의 코일에 결합된다. 물질의 존재와 그 물질내에서 유도된 에지 전류의 존재는 코일 내측에 물질이 없는 경우에 존재하는 자기장과 비교하여 코일로부터의 자기장과 상호작용하고 이 자기장을 변화시킨다. 물질의 부가적인 임피던스는 코일의 총 임피던스를 변화시킨다. 코일 임피던스의 변화는 회로와 그의 공진 주파수의 Q를 변화시킨다. 그러므로, 유도 히터는 물질이 코일 내측에 존재하는지 또는 존재하지 않는지의 조건에 따라 다른 주파수에서 동작할 것이다. 유사하게, 코일 내측의 물질의 양을 변화시키는 것은 주파수의 시프트를 변화시키는 것으로 귀결된다. 특성 주파수는 용융된 금속 가공 유체의 레벨을 측정하기 위해 모니터링되고 보정될 수 있다.
공급원료(87)로부터 형성되는 용융된 금속 가공 유체(80)는 관심분야의 특정한 애플리케이션에 대해 특정적으로 선택된다. 가공 유체가 "금속"으로 언급되지만, 가공 유체는 사실상 소재에 바람직한 효과를 제공하는 임의의 전기 전도성 유체일 수 있다. 공급원료(87)에 사용될 수 있는 소정의 물질은 연강, 알루미늄, 알루미늄 합금, 주석, 스테인레스강, 철, 주철, 공구강, 구리, 아연, 금, 은, 니켈, 티타늄, 마그네슘 또는 플래티늄을 포함한다. 예를 들면, 소망하는 작업이 연강 또는 스테인레스강을 절삭하는 것일 때, 가공 유체는 알루미늄 또는 알루미늄-철 합금일 수 있다.
알루미늄과 알루미늄 합금은 가공 유체로서 좋은 선택 물질이 되는 몇가지 특성들을 갖는다. 이 합금들은 저용융점 온도와, 높은 비등점 온도와, 높은 특정 열 용량과, 높은 열전도성 및 킬로그램당 비교적 낮은 가격을 갖는다. 순수한 알루미늄의 비등점은 대략 660℃이며, 알루미늄-철 합금(또는 금속 혼합물)의 용융점은 혼합물내의 철의 양에 따라 대략 660℃에서 1540℃까지 변화한다. 90% 알루미늄 함유량을 갖는 알루미늄-철 혼합물의 용융점은 대략 800℃이다.
본 발명의 중요한 이점은 가공 유체를 상기 온도에서 사용할 수 있다는 것이며, 이는 사용가능한 다수의 내화성 물질을 도가니 제조를 위하여 사용하는 것을 가능하게 하기 때문이다. 순수한 철은 약 1540℃에서 녹기 때문에, 스트림이 절삭을 위해 소재로 가는 도중에, 스트림에 더 높은 온도가 부가되어야 한다는 것은 자명하다. 또한, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 가공 유체로 사용하는 것은 다른 이점을 제공한다. 즉, 알루미늄-철 합금의 온도는 순수한 철(또는 스틸)보다 낮은 용융 온도를 갖는다. 그러므로, 합금형성 공정 속도가 충분히 빠르게 될 때까지, 이 부가적인 합금 공정 매커니즘은 스트림이 (합금을) 더 높은 용융점 소재 금속과 결합시킬 때 절삭 공정을 도울 것이다. 합금형성 공정은 일반적으로 절삭(및 합금) 스트림과 접촉하는 소재 금속의 용융점 온도를 효과적으로 낮춤으로써 절삭 스트림의 용융점보다 높은 용융점을 가진 모든 소재 금속의 절삭 공정을 도울 것이 다.
또다른 예에서, 스테인레스강 소재는 0.5-25㎛ 알루미나 또는 지르코니아 입자와 같은 미세 세라믹 입자들의 분산량을 또한 포함하는 알루미늄-마그네슘 합금과 같은 화합물 물질로 이루어진 가공 유체를 사용하여 절삭된다. 이 절삭 유체는 절삭 공정을 돕는 연마제로 사용하기 위해 비용융성 입자들이 유체를 관통하여 분산되도록 하는 이점을 갖는다.
본 발명은 가공 유체로서 저용융점 온도를 갖는 금속이 사용되는 것으로 제한되지 않는다. 예를 들면, 연강 소재는 연강, 주철, 공구강 또는 순수한 철 가공 유체로 절삭될 수 있다. 이러한 절삭 유체는 용융점이 높다는 단점을 갖는다. 그러나, 철의 용융점(또는 액화) 온도 근처의 온도를 견딜 수 있는 몇가지 도가니 물질들이 있으며, 요구되는 상기 용융점 이상의 임의의 온도가 도가니 외측에서 I2R 전력 소모로 더해질 수 있기 때문에, 절삭 유체로서 순수한 철의 사용이 본 발명에서 가능하며 어떤 경우에는 바람직할 것이다. 연강 또는 철을 절삭 유체로 사용하는 것의 한가지 이점은 경로상의 산화물 생성이 스트림의 유동성에 불리한 영향을 주지 않는다는 것이다. 철 산화물은 철 그 자체보다 낮은 용융점을 갖는다. 몇몇 고순도 탄소강은 순수한 철의 용융점보다 낮은 용융점을 가지며, 따라서 이러한 고순도 탄소강이 절삭 유체로서 선택될 후보자가 된다. 연강의 절삭에 사용하기 위한 절삭 유체의 다른 선택은 AISI 1006 내지 AISI 1095 스틸, 주철 및 공구강을 포함한다. 또다른 예에서, 절삭될 소재가 6061과 같은 알루미늄 합금이면, 가공 유 체는 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다. 또다른 예에서, 절삭될 소재가 주석이면, 가공 유체는 주석일 수 있다. 일반적으로, 가공 유체 물질이 소재와 동일한 물질로 될 수 있다는 이점이 있다. 예를 들면, 절삭할 때, 소재의 베이스 금속과 절삭면 상의 금속 사이에는 식별가능한 금속학상의 차이는 없다. 또다른 예에서, 316 스테인레스강을 절삭할 때, 동일한 합금 성분들이 절삭 영역에서 변화없이 계속해서 존재한다는 점에서 316 스테인레스강을 가공 유체 물질로 사용하는 것의 이점이 있다
절삭 공정을 시작하기 바로 전에, 하기의 조건들이 존재한다. 이 조건들은 (a) 플러그 로드 액츄에이터(26a)가 '오프'상태에 있고 플러그 로드 볼(26a)이 플러그 로드 볼 시트(26b)과 밀폐됨, (b) 공급원료 밸브(17)가 닫히고 밸브 차폐부(17a)가 통로(17d)를 외측 환경으로부터 밀폐함, (c) 감압 가스 배기 밸브(21)가 '오프' 상태에 있고 배기 경로가 닫힘, (d) 가압 가스 밸브(20)가 '오프' 상태에 있고 가압 가스 소스로의 가스 경로가 닫히며 가압 가스 소스는 분사 헤드로 가스를 공급할 준비가 됨, (e) 도가니 히터 전원(34)이 '온' 상태에 있고, 스위치(34a)가 닫히고, 도가니 히터(30)가 도가니(11)에 열을 공급함, (f) 스트림 가열 전원(54)이 '온'으로 바뀌고 스위치(54a)가 전원이 액체 금속 유체(80)와 소재(70) 사이에 전기 전위를 제공하도록 닫히는 것이다.
절삭 공정은 먼저 도가니의 내측을 포함하여 가압 용기(10)의 내부를 가압하는 가압 가스 소스 밸브(20)을 개방함으로써 성취된다. 가압 가스는 용융된 금속과의 반응에 산화되지 않고 불활성인 것으로 선택된다. 가압 가스로서 선택가능한 물질은 아르곤, 질소, 헬륨 및 소정의 수소를 함유한 아르곤이다. 일 실시예에서, 가압 가스는 5%의 수소가 함유된 아르곤이다. 수소의 역할은 산화물 형성을 방지하기 위해 가압 분위기를 약간 '감소'시키는 것이다. 철을 가공 유체로 사용하는 것의 특별한 이점은, 철 산화물이 만약 생성된다면 순수한 철과 함께 액화될 것이기 때문에 가압 가스내의 산소의 존재가 액화 공정에 불리한 영향을 주지 않는다는 것이다. 그러나, 산소의 존재는 도가니 및/또는 차폐 가스킷과 같은 분사 헤드의 다른 구성요소들에는 바람직하지 않다. 그 후에, 플러그 로드 액츄에이터(26c)에는 에너지가 공급되고, 이 액츄에이터는 플러그 로드(26)에 의해 들어올려진다. 플러그 로드 볼(26a)은 그럼으로써 시트(26b)로부터 들어올려진다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 액체 금속 유체(80)는 노즐 오리피스(5)를 통해 흘러서, 액체 금속(82)의 스트림을 형성한다. 이 스트림이 소재(70)에 접촉할 때, 전류는 즉시 스트림 가열 전원(54)으로부터 스트림(82)을 통해 흐르기 시작할 것이다. 이 전류 흐름은 스트림 온도를 즉시 상승시킨다. 고온 스트림이 소재 상에 충돌할 때, 이 가열된 스트림은 소재를 통과하는 모든 경로를 최종적으로 관통할 때까지 피트(pit)를 용융시키고 부식시킨다. 이 시점에서 소재는 분사에 의해 천공된다. 그런 다음, 소재와 분사 헤드 사이의 최종적인 상대적 이동(72)이 시작된다. 이러한 동작이 소재가 절삭되도록 한다. 이 상대적 이동은 바람직한 형태로 절삭될 때까지 계속된다. 어떤 시점에서 이 상대적 이동이 정지할 수 있으며, 스트림(82)은, (a) 스트림을 통한 전류 흐름을 중지시키는 스위치(54a)를 여는 동작, (b) 플러그 로드 볼(26a)을 시트(26b)상으로 힘을 가하고, 플러그 로드를 낮추는 액츄에이터(26c)를 비활성화시키는 동작, (c) 가압 밸브(20)를 비활성화시키는(닫는) 동작, (d) 가압 가스가 배기구(25)를 통해 가압 용기(10) 외측으로 흐르도록 하는 배기 밸브(21)를 활성화시키는(여는) 동작에 의해, 끊어질 수 있다. 절삭 순서는 전원이 액체 금속 유체(80)와 소재(70) 사이에 전위를 인가하도록 스위치(54a)를 다시 닫음으로써 다음 절삭을 위해 재설정된다. 후속 절삭이 요구될때, 상기와 동일한 순서에 따른다. 절삭 및 용접 공정동안, 분사를 통해 소재로 흐르는 전류는 때때로 소재 표면에 또는 그 부근에 플라즈마를 형성할 수 있다. 이 플라즈마 아크 형성은 절삭 또는 용접 공정에 유해할 수 있으며, 나쁜 절삭 또는 용접 품질로 귀결되는 공정의 불규칙성을 초래할 수 있다. 아크 형성을 최소한으로 제한하거나 또는 가능하다면 아크 형성을 완전히 없애기 위해 절삭 또는 용접 공정을 제어하는 단계가 수행되어야 한다는 것은 중요하다. 이러한 일 단계는 분사 스트림를 형성하기에 앞서 필터를 가공 유체에 사용함으로써 분사 스트림의 품질을 보장한다. 용융된 금속용의 필터가 상업적으로 시판되고 있다. 예를 들면, 93% 지르코니아, 5% 마그네시아 및 2% 이하의 알루미나-실리케이트의 일반적인 화합물 및 기타 화합물로 형성된 필터가 연강 필터링을 위해 제조되어 있으며 이는 노스캐롤라이나주에 위치된 SELEE Corp of Hendersonville에 의해 시판된다.
하기의 표는 본 발명에 따라 주석 분사 스트림을 사용하여 다양한 물질들을 절삭한 결과를 요약한다. I2R 전력이 DC 전원을 통해 주석 분사 스트림에 인가되었다.
부가된 I2R 가열로 액체 금속 분사 스트림 절삭 주석 분사 물질 250 미크론 직경의 노즐 400℃ 용기 온도 400psi 용기 압력
물질 절삭 물질 두께[m] 전력[w] 전류[A] 절삭 속도 [m/min] 간격 [m]
주석 0.00635 714 54.9 14.8 0.016
알루미늄 0.00635 2500 75.3 3.8 0.022
연강 0.003175 1500 63.4 0.2 0.022
스테인레스강 0.003175 2100 86.0 0.25 0.016
또다른 특징에서, 본 발명은 도 1a-1c의 장치를 사용하는 소재 용접 방법 및 용접 장치에 관한 것이다. 스트림은 I2R 에너지 소산에 의해 그의 온도를 용접에 적합한 온도로 상승시키기 위해 부가적으로 가열된다. 특정한 용접 로드가 종래의 용접법에서 선택되는 것과 같이, 충전재 물질(가공 물질 스트림)이 선택된다. 스트림 속도(가압 용기내의 압력에 의해 제어됨), 노즐 오리피스의 직경 , 분사 헤드의 소재에 대한 방향성 및 스트림 온도(I2R 전력 소산)가 침투 깊이를 설정하기 위해 조정된다. 스트림 속도와 집단 유속은 매우 높은 값에서 매우 낮은 값까지 변화될 수 있기 때문에, 충전재 물질은 종래의 MIG 용접 공정으로, 즉, 지그재그 방식(직물형 방식)으로 전선과 매우 동일한 방식으로 부가될 수 있다. 이는 소재에서 더 넓은 침투 경로를 허용한다. 도 2a는 띠 모양의 용접을 위해 준비된 2 조각의 금속체(74a,74b)를 보여준다. 이 금속체(74a,74b)는 함께 용접될 테이퍼형 에지(74c)를 갖는다. 이 테이퍼형 에지가 용접을 위해 적당한 위치에 위치될 때, 이 테이퍼형 에지들은 홈(74d)을 형성한다.
도 2b는 본 발명의 장치를 사용하는 용접 공정을 도시한다. 도 2를 참조하면, 분사 헤드(9)와 유출 스트림(84)은 소재로 지향한다. 스트림(82)은 테이퍼형 에지(74c) 중 하나를 따라 홈(74d)의 소정 위치에서 2개의 소재(74a, 74b)와 접촉한다. 접촉이 형성된 후에, 전류가 스트림(82), 소재(74a, 74b)를 통해 흐르고 클램프(55)와 배선(53)을 통해 스트림 가열 전원(54)(도 2b에 도시되지 않음)으로 다시 흐른다. 스트림(82)은 절삭의 경우와 마찬가지로 I2R 전력 소모에 의해 가열된다. I2R 가열된 스트림이 상대적 이동(76)을 따라 이동될 때, 이것은 소재(74a,74b)가 함께 용접될 때 에지(74c)의 국부 영역을 가열하고 용융시킨다. 소재가 용융될 때, 용융된 풀(75a)이 소재의 용융된 부분과 금속 스트림(82)에 의해 형성된다. 금속은 스트림(82)에 의해 풀에 계속해서 추가된다. 추가되는 금속의 양은 스트림 속도(82a)와 직경에 의해 제어된다. 용접(75)이 진행할 때, 용접된 풀 뒤의 소정의 거리, 즉 용접된 영역은 용접 영역의 용융점 아래로 냉각되기 시작하고 고체화된다. 도시되지는 않았지만, 용접 공정은 항상 용접 영역을 따라 흐르는 소정 상태의 차폐 가스를 가질 것이다. 이러한 차폐 가스는 산소와 질소와 같은 다른 바람직하지 않은 대기 성분으로부터 용접 영역을 보호한다. 또한, 본 발명의 공정은 용접 공정을 개선시키기 위해 유동 상태의 물질을 가공 유체에 부가하거나, 가열된 도가니내에 있는 동안 가공 유체에 부가하거나 또는 부가적인 화합물로서 공급원료(87)에 부가하거나 침수 아크(submerged-arc) 용접에서와 같이 분말로서 부가할 수 있다.
일 실시예에서, 비금속성, 비전도성 및 절연성 물질의 절삭은 도 3에 도시된 바와 같이 용융된 스트림이 전기 전도성 포트에 수집됨으로써 성취될 수 있다. 이 실시예에서, 소재는 전기 전도성일 필요가 없다. 스트림 가열을 위한 전류 경로는, 전류가 스트림(82)을 통해, 전류 수집 물질(83)로 흐르고, 전류 수집 용기(57)를 통해, 클램프(56)를 통해 다시 배선(53)을 통해 전원(54)으로 흐르는 것을 제외하면, 도 1a 내지 1c에 도시된 것과 같다. 전류 수집 물질(83)은 완전히 용융되거나 단지 국부적으로 용융될 수 있으며 일반적으로 스트림 물질과 소재 물질 모두로 제조된다. 부가적인 전류 수집 물질(83)은 절삭 공정으로부터 개별적으로 전류 수집 용기(57)에 부가될 수 있다. 전류 수집 물질(83)의 중요한 특징은 이 물질이 스트림(82)과 양호한 전기적 접촉을 이룬다는 것이다. 스트림에 대한 I2R 열 부가가 아직까지 계속될 것이다. 상기 실시예에서와 같이, 가공 유체, 스트림을 통해 흐르는 전류의 양, 스트림의 유속, 스트림의 직경 및 소재로부터 노즐 오리피스(5)의 입구까지의 스트림 길이의 선택에 의해, 소재의 상부 표면에서의 스트림의 온도는 제어가능하다. 소재(70)는 분사 헤드(9)와 소재(70) 사이의 상대적 이동(72)에 의해 I2R 가열된 스트림(82)을 통과하면서 절삭된다. 소재가 I2R 가열 회로의 일부가 아니라는 점이 전술된 실시예와 다른 점이다.
또다른 실시예에서, 도 4a에 도시된 바와 같이 유도 가열된 도가니는 본 발명에서 다양하게 구현되어 사용된다. 다양한 분사 헤드에서, 도가니 히터(30)는 인입 코일 튜브(35a)와 인출 코일 튜브(35b)를 가진 유도 히터 코일(35)로 대체된다. 유도 히터 전원과 그의 냉각 시스템(미도시)이 이 실시예에서 사용된다. 가열 코일(35)에 의해 생성된 유도력에 의해 가공 유체(80)에 인가된 공중부양력을 사용하여 가공 유체 흐름을 중지시키는 방법이 도 4a에 도시된 구현에 또한 포함된다. 전도성 가공 유체가 유도 자기장에 위치될 때, 유도된 전류는 금속 전도체를 가열한다. 이는 또한 더 낮은 자기장 세기 영역으로, 즉 자기장(또는 코일)의 외부로 금속 가공 유체를 밀어내는 경향이 있는 반대 자기 플럭스를 생성한다. 이러한 미는 힘은 '로렌츠(Lorentz)' 방정식을 사용하여 계산될 수 있다. 유도되는 자기장이 균일할 때, 가공 유체 상에는 망(net) 력이 없다. 들어올리는 힘을 제공하기 위해서는 자기장 기울기가 요구된다. 일 실시예에서, 이는 도가니의 상부 단부 근처의 코일보다 직경이 작은 도가니의 하부 단부 근처의 코일과 원뿔형 형상으로 코일(35)을 형성함으로써 성취된다. 다른 실시예에서, 이는 도 4a에 도시된 바와 같이, 상부 단부 부근의 코일과 더 밀접하게 압축된 관계로 도가니의 하부 단부 부근의 코일로 코일(35)을 형성함으로써 성취된다. 이러한 공중부양력은 액체 금속상에 작용하는 중력을 극복하는 액체 금속 유체 상의 들어올리는(또는 공중부양) 힘을 생성하여, 액체 금속 유체가 떨어지거나 새는 것을 방지한다. 이 설계에서, 스트림(82)의 중지는 유도 코일의 인가된 공중부양력과 가압 용기(10)내의 압력 변경의 결합에 의해 이루어지며, 도 1b에 도시된 실시예의 플러그 로드(26) 구성은 요구되지 않는다. 흐름이 없는 조건에서 노즐 영역이 도 4b에 도시되어 있다. 도 4b는 액체가 노즐 오리피스내에서 배출되지 않고 유지되어 있는 것을 도시한다. 이는 동작하는 유도 코일(35)의 공중부양력에 기인한 것이다.
또한, 노즐 출구에서 가스 차폐를 제공함으로 인한 공정의 개선이 도 4b의 실시예에 도시된다. 이 실시예에서, 노즐 디스크(12)는 차폐 가스 디스크(29a), 다운스트림 부분(29b) 및 스프링(29c)으로 이루어진 조립물에 의해 제 위치에 유지된다. 차폐 가스 흐름(27)은 노즐 출구 영역(29)에 공급된다. 차폐 가스 흐름(27)은 차폐 가스 소스(미도시)와 흐름 조절기(미도시)로부터 온/오프(on/off) 밸브(28)와 연결선(28a,28b)을 통과하여 차폐 가스 디스크(29a)내의 홀(29d)을 통해 노즐 영역(29)으로 흐른다. 가스 차폐의 주요 이점은 가공 유체 스트림(82)과 소재(들) 상의 주위 공기의 영향을 줄이는 것이다. 이러한 차폐는 도 1b의 실시예에 도시되지는 않았지만, 이러한 특징은 본 실시예에 대체로 적용되는 것으로 이해해야 한다.
또다른 실시예에서, 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 유도 가열된 도가니와 공급원료 히터는 본 발명에서 다양하게 구현되어 사용된다. 이와 같이 다양한 분사 헤드에서, 도가니 히터(30)는 인입 코일 튜브(35a)와 인출 코일 듀브(36b)를 가진 유도 히터 코일(35)로 대체된다. 유도 히터 전원과 그의 냉각 시스템(미도시)이 이 실시예에서 사용된다. 공급원료 전선 또는 로드(87a,87b)는 전기 접촉부(42a,43a)를 통해 공급되고 또한 가압 차폐부(45a,45b)를 통해 공급된다. 접촉부(43a,42a)은 전기 접속 전선(43,42)에 각각 전기 접속된다. 전선(42,43)은 전원(44)의 포지티브 및 네가티브 접촉부에 접속된다. 공급원료(87a,87b)는 이들을 도가니(11)내에 포함된 전도성 유체(80)로 아래로 이동시킴으로써 함께 전기 접속된다. 공급원료(87a,87b)는 전원(44)의 접촉 스위치(44a)를 닫음으로써 저항성으로 가열된다. 전원(44)을 통한 공급원료(87a,87b)의 이러한 초기 I2R 가열을 허 용함으로써, 유도 히터(35)에 대한 전체 전력 요구는 감소된다. 분사 가열 전원(54)은 스위치(54a)를 통해 클램프(55)와 케이블(53)을 경유하여 소재(70)에 접속되고, 케이블(52)을 경유하여 분사 스트림(82)에 접속되며, 케이블(52)은 케이블(43)을 경유하여 전원(44)에 접속되고, 케이블(43)은 접촉부(43a)과 공급원료(87b)를 경유하여 전도성 유체에 차례로 접속된다. 물론, 전원(54)은 전술된 것과 동일한 방식으로 케이블(42)과 다른 공급원료(87a)를 통해 전도성 유체와 접속되어 있음은 자명하다.
일 실시예에서, 필터(47)는 분사 노즐과 일렬로 위치되어, 전도성 유체는 먼저 필터를 통해 흐르고 그 후에 분사 스트림이 형성되는 노즐로 흐른다.
일 실시예에서, "오프" 상태 동안 유체 흐름을 막기 위해, 플러그 로드(26), 차폐 볼(26a) 및 액츄에이터(26c)를 사용하는 것 대신에, 액체에 작용하는 중력을 극복하는 "흡입력"을 용기 내측에 형성하도록 진공 소스가 사용되어, 액체가 떨어지거나 새는 것을 막는다.
또다른 실시예에서, 스트림 가열 전원(54)의 극성을 반전시키거나 또는 AC 전력을 사용하는 것이 관찰되는 아크와 소재 표면상의 스파크를 억제하고 소재 산화를 최소화하는 데에 효과적이라는 것이 증명된다.
또다른 실시예에서, 본 발명은 로드, 전선, 분말 또는 액체 금속과 같은 공급원료를 공급하는 것을 포함하여 절삭 유체 공급원료(87)를 분사 헤드(9)의 가압 용기(10)에 제공하는 방법을 특징으로 한다. 일 예에서, 공급원료는 완전히 작용하는 압력 하에서 가압 용기에 제공된다.
일 실시예에서, 본 발명은 스트림 온도를 상승시키기 위해 금속 스트림(분사)의 전류 흐름을 사용하는 것을 특징으로 한다. 일 예에서, 본 발명은 절삭 및 용접을 위해 전류(I2R 가열)가 공급된 액체 금속 분사 스트림을 사용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명은 I2R 가열 부가 공정과 결합하여, 절삭 유체로서, 철, 알루미늄, 주석, 니켈, 티타늄, 금, 플래티늄, 은, 마그네슘 및 구리를 포함하는 순수한 물질을 사용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명은 I2R 에너지 부가 공정과 결합하여, 절삭 유체에 대해 고비등점 온도를 갖는 저용융점 온도의 금속을 사용하는 것을 특징으로 한다. 적당한 절삭(가공) 유체의 예는 알루미늄 및 알루미늄 합금과, 주석 및 주석 합금을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 본 발명은 I2R 가열 공정과 결합하여, 금속 분사 및 절삭면 전면 부근에서 소재의 용융 온도를 감소시키는, 절단시의 합금의 유리한 효과를 이용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명은 분사 스트림의 상호작용 영역을 절삭면 전면으로 자극(stirring)함으로써 마손과 열전달 증가에 의해 절삭 공정을 돕는, 세라믹 입자와 내화성 금속 입자와 같은 비용융성 물질을 가공 유체에 더하여 사용하는 것을 특징으로 한다. 입자들의 크기는 약 0.2 내지 약 20 미크론의 범위이다.
일 실시예에서, 본 발명은 도가니로부터의 액체 금속 유체 흐름을 중지시키기 위해 유도 공중부양력을 사용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명은 보존 용기의 고압 요구를 고온 요구로부터 독립적으로 하는 기술을 특징으로 한다. 이는 보존 용기(도가니)와 그의 가열 소스를 둘다 가압 환경에 둠으로써 성취된다.
일 실시예에서, 본 발명은 일반적으로 I2R 가열된 액체 스트림을 사용하여, 가압 용기(도가니) 내의 가공 유체와의 접촉에 의해 업스트림 측에서, 소재아래에 위치된 개별적인 집전 수단으로의 스트림과의 접촉에 의해 다운스트림 측에서 스트림과 전기적 접속을 형성하면서, 비금속, 즉, 전기 전도성이 없는 물질을 절삭하는 기술을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명은 '표면 피복' 또는 '표면 용접'의 목적으로 사용하는 것을 특징으로 하며, 여기서 소재는 가공 유체로 코팅(또는 피복)된다. 가공 유체 스트림은 소재를 가공 유체로 코팅하도록 조절된다.
일 실시예에서, 본 발명은 '3-D 성형'의 목적으로 사용하는 것을 특징으로 하며, 여기서 가공 유체로부터 3차원 구조가 구성(또는 형성)된다. 가공 유체 스트림은 가공 유체와 독립된 3차원 구조를 형성하기 위해 컴퓨터 코드 제어 하에서 조절된다. 액체 금속 분사가 용접, 코팅 및 성형시에 기존의 기술들에 비해 현저한 이점을 제공하는 한가지 중요한 이유는 가공 물질이 액체이기 때문이다. 이는 고체 상태에 비해 훨씬 넓은 범위에 걸쳐 변형될 수 있는 여러 타입의 공급 혼합물 을 제공함으로써 특정한 액체 혼합물이 도가니내에서 명확한 형태가 되도록 한다. 이 액체가 103-106 K/sec의 속도로 고체 상태로 빠르게 냉각될 때, 비평형 화합물의 합금이 생성된다. 이 화합물은 종래의 물질에서는 일반적으로 사용불가능한 독특한 특성을 가진 고체 물질을 생성하기 위해 변형된다. 일 예에서, 특별한 자기적 특성이 Fe-합금에서 생겨날 수 있다. 제조되는 정제된 입자 구조로 인하여 고강도 알루미늄(및 다른 경량 금속) 합금이 이러한 방식으로 제조될 수 있다. 이 방법은분말 금속 및 열 분무 산업에서 사용되는 다른 금속 분말을 제조하기 위하여 가스 분위기의 금속 원자화 공정이 사용되는 기술이다. 액체 금속의 급속 냉각/급속 고형화 공정은 관련 기술분야의 당업자들에게 알려져 있다.
액체 금속 분사의 증착 스폿의 위치와 크기를 정확히(구체적으로, 미크론내에서) 제어하는 능력은 가스 분사와 분말을 사용하는 기존의 분무 기술과 비교하여 특별한 이점이다. 상기 기존의 기술은 증착 스폿 크기를 밀리미터 단위로 제어하였으므로 과도 분무와 증착 부족 현상이 발생했다. 또한, 액체 금속 분사 직경은 103-106 K/sec(10 단위 내지 100 단위의 미크론) 범위의 빠른 냉각 속도가 성취될 수 있도록 충분히 작게(흔히 스플랫(splat) 냉각으로 언급됨) 형성될 수 있다. 표면 상부의 액체 금속 분사의 단일 경로로부터 고형화되는 금속 증착의 대략적인 치수는 방울 편평화(flattening)와 고형화 모델로부터 측정될 수 있다. 액체 금속 분사의 또다른 이점은 미립자를 포함하거나, 섬유 보강재 등을 그 증착물에 합치는 능력이다. 미립자는 도가니 내의 용융된 금속에 제공되거나 그들은 제 2 가스 분 사에 의해 증착 위치에 함께 증착될 수 있다.
본 발명이 특별히 언급된 특정한 실시예들을 참조로 특정적으로 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 관련기술분야의 당업자들에 의해 본 발명의 이론과 범위에서 벗어나지 않은 범위내에서 그의 형태와 세부사항의 다양한 변형이 행해질 수 있는 것으로 이해해야 한다. 예를 들면, 본 명세서에서 설명된 것에 부가하여 소재를 가공하기 위해 본 발명에 따라서 금속 분사의 온도를 증가시키는 다른 방법들이 사용될 수 있다.

Claims (63)

  1. 소재(workpiece)를 가공하기 위한 금속성 액체 분사 절삭 시스템에 있어서,
    전기 전도성 유체의 분사 스트림을 분배하기 위한 디스펜서(dispenser)와,
    상기 분사 스트림에 전기적으로 연결된 전원
    을 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 디스펜서는 분사 헤드를 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 분사 헤드는 도가니를 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 도가니는 상부, 측벽 및 바닥부를 포함하고, 상기 상부는 입구를 포함하고 있고, 상기 바닥부는 출구를 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 도가니는 붕소 질화물-지르코니아-실리콘 카바이드(boron nitride-zirconia-silicon carbide), 이트리아-안정화-지르코니아(Yttria-Stabilized-Zirconia), 마그네시아-안정화-지르코니아(Magnesia-Stabilized-Zirconia), 칼시아-안정화-지르코니아 붕소 질화물(Calcia-Stabilized-Zirconia boron nitride), 입방 지르코니아(cubic zirconia), 알루미나, 실리카, 실리카 합성물 및 지르코늄 이붕화물 중 하나를 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 도가니에 연결된 히터를 더 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 히터에 전기적으로 연결된 도가니 히터 전원을 더 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 분사 헤드는 상기 전도성 물질의 공급 원료를 받아들이기 위한 입구를 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 물질은 연강(mild steel), 알루미늄, 알루미늄 합금, 주석, 스테인레스강, 철, 주철, 공구강(tool steel), 구리, 아연, 금, 은 또는 플래티늄을 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 분사 헤드는 가압 봉쇄 용기를 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 분사 헤드는 상기 분사 스트림과 전기적 접속을 이루기 위해 상기 도가니 내측에 위치된 전극을 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 전기적 접속은 전도성 물질의 공급원료를 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 분사 헤드는 출구 오리피스를 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  14. 제 2 항에 있어서, 상기 분사 헤드는 노즐을 더 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 노즐은 관통 오리피스를 갖는 디스크를 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 디스크는 이트리아-안정화-지르코니아, 마그네시아-안정화-지르코니아, 칼시아-안정화-지르코니아, 붕소 질화물-지르코니아-실리콘 카바이드, 붕소 질화물, 입방 지르코니아, 알루미나, 실리카, 실리카 합성물, 지르코늄 이붕화물 중 하나로부터 선택된 물질을 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 관통 오리피스는 원형 횡단면을 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  18. 제 6 항에 있어서, 상기 히터는 AC 저항 히터, DC 저항 히터, 유도 히터 또는 연소 버너-히터 조립체 중 하나를 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  19. 제 3 항에 있어서, 상기 도가니는 내화성 물질을 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  20. 제 3 항에 있어서, 상기 도가니는 세라믹 물질을 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  21. 제 3 항에 있어서, 상기 도가니는 알루미나, 지르코니아, 붕소 질화물 및 그래파이트 중 하나로부터 선택된 물질을 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  22. 금속성 액체 분사 절삭 시스템에 있어서,
    전도성 물질의 공급 원료를 받아들이기 위한 입구와 전도성 유체의 분사 스트림을 분배하기 위한 출구 오리피스를 포함하는 분사 헤드와,
    상기 분사 헤드에 결합된 히터, 및
    상기 분사 스트림의 온도를 증가시키기 위해 상기 분사 스트림에 전류를 제공하도록 상기 분사 스트림에 전기적으로 연결된 전원
    을 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  23. 소재(workpiece)를 가공하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 전도성 유체를 포함하는 분사 스트림을 제공하는 단계와,
    (b) 상기 분사 스트림에 전류를 연결하는 단계, 및
    (c) 상기 소재를 가공하기 위하여 상기 분사 스트림을 상기 소재에 지향시키는 단계
    를 포함하는 소재 가공 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 상기 분사 스트림에 전류를 통과시킴으로써 상기 분사 스트림을 가열하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (a)는, (a1) 상기 전도성 유체의 공급 원료를 제공하는 단계와, (a2) 상기 공급 원료를 가열하여 상기 전도성 유체를 형성하는 단계, 및 (a3) 상기 전도성 유체를 출구 오리피스로 통과시켜 상기 분사 스트림을 형성하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  26. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (a)는 연속적 분사 스트림, 진동성 분사 스트림, 규칙적 분사 스트림 또는 불규칙적 분사 스트림 중 하나를 제공하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  27. 제 23 항에 있어서, 상기 공급 원료는 철사(wire), 봉(bar) 또는 분말(powder)을 포함하는 소재 가공 방법.
  28. 제 23 항에 있어서, 상기 소재의 용융점을 낮추는 단계 (d)를 더 포함하는 소재 가공 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 단계 (d)는 상기 공급 원료의 합금을 형성함으로써 상기 용융점을 낮추는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  30. 제 25 항에 있어서, 상기 공급 원료는 철, 알루미늄, 주석, 니켈, 티타늄, 금, 플래티늄, 은, 마그네슘 및 구리 중 하나를 포함하는 소재 가공 방법.
  31. 삭제
  32. 제 25 항에 있어서, 상기 공급 원료는 다수의 비용융성 입자들을 포함하는 소재 가공 방법.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 비용융성 입자는 연마제인 소재 가공 방법.
  34. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (c)는 상기 소재를 절삭하거나, 마킹하거나, 천공시키거나, 용접하는 과정 중의 하나를 포함하는 소재 가공 방법.
  35. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 상기 전도성 유체에 연결된 전극과 상기 소재 부근에 배치된 집전 장치를 통해 상기 분사 스트림에 전류를 공급하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  36. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (a)는, 상기 출구 오리피스를 막기 위하여 상기 전도성 유체에 공중부양력(levitation force)을 제공하는 단계를 더 포함하는 소재 가공 방법.
  37. 제 25 항에 있어서, 상기 단계 (a1)은 상기 공급 원료를 분사 헤드에 제공하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  38. 제 25 항에 있어서, 상기 단계 (a3)는 상기 전도성 유체를 노즐에 통과시키는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  39. 제 23 항에 있어서, 상기 분사 스트림에 차폐 가스를 제공하는 단계를 더 포함하는 소재 가공 방법.
  40. 제 25 항에 있어서, 상기 단계 (a3)는 상기 전도성 유체를 상기 출구 오리피스에 통과시키는 동안 상기 분사 헤드를 가압하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  41. 제 25 항에 있어서, 상기 단계 (a3)는 불활성 가스를 공급함으로써 상기 분사 헤드를 가압하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  42. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 저항성 전력 소모를 통해 상기 분사 스트림을 가열하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  43. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 상기 분사 스트림을 상기 전도성 유체의 용융 온도 이상의 온도까지 가열하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  44. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (c)는 상기 소재상에서 상기 분사 스트림의 침투 깊이를 제어하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  45. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (c)는 상기 제트 스트림의 속도를 조정하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  46. 제 25 항에 있어서, 상기 단계 (a3)는 상기 분사 헤드내의 압력을 제어하는 단계를 포함하는 소재 가공 방법.
  47. 제 25 항에 있어서, 상기 단계 (a2)는 상기 전도성 유체의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 소재 가공 방법.
  48. 제 23 항에 있어서, 상기 소재를 상기 분사 스트림에 대해 이동시키는 단계를 더 포함하는 소재 가공 방법.
  49. 제 23 항에 있어서, 전도성 물질로 이루어지고 상기 소재의 아래에 배치된 집전 장치를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 집전 장치는 상기 분사 스트림과 전기적 접속을 형성하는 소재 가공 방법,
  50. 제 25 항에 있어서, 상기 공급 원료 및 상기 소재가 동일 물질을 포함하는 소재 가공 방법.
  51. 제 25 항에 있어서, 상기 공급 원료 및 상기 소재가 다른 물질을 포함하는 소재 가공 방법.
  52. 금속성 액체 분사 절삭 시스템용 도가니에 있어서,
    상기 도가니는 측벽과 베이스를 포함하고,
    상기 도가니는 전기 전도성이며 금속 용융물이 존재할 때 용융에 저항성을 갖는 지르코늄 함유 화합물로 형성되는 금속성 액체 분사 절삭 시스템용 도가니.
  53. 제 52 항에 있어서, 상기 금속 용융물은 철, 철 함유 화합물 및 알루미늄 중 하나를 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템용 도가니.
  54. 제 52 항에 있어서, 상기 도가니는 지르코니아 이붕화물과 이트리아-안정화-지르코니아 중 하나를 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템용 도가니.
  55. 금속성 액체 분사 절삭 시스템용 노즐에 있어서,
    상기 노즐은 오리피스를 갖는 디스크 구조를 포함하며,
    상기 오리피스는 상기 디스크 구조의 중심에 위치되며,
    상기 노즐은 전기 전도성이며 금속 용융물의 존재시에 용융에 저항성을 갖는 지르코늄 함유 화합물로 형성되는 금속성 액체 분사 절삭 시스템용 노즐.
  56. 제 55 항에 있어서, 상기 금속 용융물은 철, 철 함유 화합물 및 알루미늄 중 하나를 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템용 노즐.
  57. 제 55 항에 있어서, 상기 노즐은 지르코늄 이붕화물을 포함하는 금속성 액체 분사 절삭 시스템용 노즐.
  58. 제 25 항에 있어서, 상기 공급 원료는 주석, 알루미늄, 철 및 연강 중 하나를 포함하는 소재 가공 방법.
  59. 제 8 항에 있어서, 상기 분사 헤드는 상기 전도성 물질의 다수의 공급 원료를 받아들이기 위한 적어도 2개의 입구를 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  60. 제 59 항에 있어서, 제 3 전원이 상기 적어도 하나의 공급 원료에 접속되어 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  61. 제 6 항에 있어서, 상기 히터는 상기 전도성 유체의 레벨로 보정될 수 있는 특성 주파수를 갖는 유도 히터인 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
  62. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (a)는 상기 전도성 유체를 필터링하는 단계를 더 포함하는 소재 가공 방법.
  63. 제 3 항에 있어서, 상기 도가니는 전도성 유체 필터를 더 포함하고 있는 금속성 액체 분사 절삭 시스템.
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